移频键控FSK调制与解调系统设计实验
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一．实验目的
数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式，由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能强，因此在中低速数据通信系统中得到较为广泛的应用。通过此综合实验，应达到：
1．进一步加深对数字调制中的移频键控FSK调制器与解调器工作原理及电路组成的理解与掌握。
2．学会综合地、系统地应用已学到的知识，对移频键控FSK调制与解调系统电路的设计与仿真方法，提高独立解决问题的能力。
二．实验要求
构建并设计一个数字移频键控FSK传输系统，具体要求是：
主载波频率：11800HZ
载波1频率：2950HZ（四分频） 载波2频率：1475HZ（八分频）
数字基带信号NRZ：15位M序列，传输速率约为400波特。（32分频） FSK调制器可以采用数字门电路构成电子开关电路(或集成模拟开关)与采用集成
模拟乘法器，利用键控法实现。
FSK解调器可以采用非相干解调法或过零检测法实现。 传输信道不考虑噪声干扰，采用直接传输。 整个系统用Multisim软件仿真完成。
三．实验原理与设计思路 1．实验原理
数字频率调制又称频移键控，记作FSK(Frequency Shift Keying),二进制频移键控记作2FSK。
数字频移键控是用载波的频率的变化来传送数字消息的，即用所传送的数字消息控制载波的频率。由于数字消息只有有限个取值，相应地，作为己调的FSK信号的频率也只能有有限个取值。那么，2FSK信号便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2(与f1不同的另一载频)的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现，后者较为方便。
1）FSK调制信号的产生
实现数字频率调制的方法很多，总括起来有两类。直接调频法和移频键控法。注意到相邻两个振荡器波形的相位可能是连续的，也可能是不连续的，因此有相位连续的FSK及相位不连续的FSK之分。并分别记作CPFSK及DPFSK。
所谓直接调频法，就是用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。用此方法产生的2FSK信号对应着两个频率的载波，在码元转换时刻，两个载波相位能够保持连续，所以称其为相位连续的CPFSK信号。直接调频法产生的移频键控信号虽易于实现，但由于是同一振荡器产生两个不同频率的信号，在频率变换的过渡点相位是连续的，其频率稳定度较差。而且这种方法产生的FSK信号频移
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不能太大，否则振荡不稳，甚至停振，因而实际应用范围不广，仅适用于低速传输系统。 频率键控法又称为频率转换法，它是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。由于产生f1和f2载频是由两个独立的振荡器实现，则输出的2FSK信号的相位是不连续的。这种方法的特点是转换速度快，波形好，频率稳定度高，电路不甚复杂，在实用中可以用一个频率合成器代替两个独立的振荡器,再经分频链，进行不同的分频，也可得到2FSK信号。故得到广泛应用。
此外，实用电路中还可以借
图1频率键控调制器
助于数字电路来实现移频键控，如图1所示。
由图可见，晶振输出的主载波，通过不同次数的分频(或倍频)器，可得到两种不同频率的载波，其相位也不完全相等。当数字基带信号g(t)为高电位时，与非门1关闭。与非门2打开，输出频率为f2的信号。当g(t)为低电位时与非门1打开，与非门2关闭，输出频率为f1的信号。这样，经过相加器相加后，就可输出2FSK信号。这种方法实现移频键控电路集成化程度高、体积小、可靠性高。
2 ）数字调频FSK信号的解调
数字调频信号的解调方法很多，可以分为线性鉴频法和分离滤波法两大类。线性鉴频法有模拟鉴频法、过零检测法、差分检测法等，分离滤波法又包括相干检测法、非相干检测法以及动态滤波法等。非相干检测的具体解调电路是包给检测法，相干检测的具体解调电路是同步检波法。下面仅就过零检测法与非相干检测法做以介绍。
（1）过零检测法
单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法又称为零交点法，计数法。其原理方框图及各点波形图见图2。
图2 过零检测法方框图及各点波形图
考虑一个相位连续的FSK信号a，经放大限幅得到一个矩形方波b，经微分电路得到双向微分脉冲c,经全波整流得到单向尖脉冲d,单向尖脉冲的密集程度反映了输入信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点的数目。单向脉冲触发一脉冲发生器，产生一串幅度为E宽度为τ的矩形归零脉冲e..脉冲串e的直流分量代表着信号的频率，脉冲越密，直流分
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量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲串的直流分量f这样就完成了频率∽幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。
(2)非相干解调法
2FSK非相干解调电路的系统原理框图如图3所示：主要由高通滤波器、包络检波器和电压比较器构成。
图3 非相干测法方框图及各点波形图
输入的FSK信号，经高通滤波器滤除两个载频中的一个，经包络检波器整流与低通滤波器后得到数字基带信号，最后经电压比较器就可得还原出的数字信号“1”和“0”。
2．设计思路 1）2FSK调制系统
本次综合设计实验的调制系统主要由主载波振荡器、分频器、Ｍ序列发生器、调制器、相加器和有源带通滤波器等构成。其调制电路的组成框图如图4所示。
图4 FSK 调制器电路组成框图
从图4可以看出，当信码为“１”时，分频链作４分频，即输出频率为2950Hz载波，信码为“０”时，分频链作８分频，输出频率为1475Hz载波。如此一来，多谐振荡器输出的载波，通过不同次数的分频，就得到了两种不同频率的输出，经相加器后，从而在输出端得到不同频率的已调信号，即FSK信号，完成了数字基带信号转换为数字频带信号的过程。
在了解与掌握2FSK调制系统电路的基础上，进行自己的设计与实验。需要设计的单元电路有：
①主载波振荡器
主要提供2FSK的载波和信码的定时信号，可用集成电路（555）构成多谐振荡器，产生的振荡频率为11800Hz载波，要求输出频率可调。
②分频器
将主载波按设计要求，一般用D触发器构成适当的分频电路，获得载频f1、f2和Ｍ序列所需的时钟信号。
③Ｍ序列发生器
Ｍ序列发生器用D触发器构成四级移位寄存器组成，形成长度为2-1=15位码长的伪随
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机码序列，码率约为400bit/s。
④调制器
调制器可以采用数字门电路构成电子开关电路（或直接选用集成模拟开关）与采用集成模拟乘法器。相加器直接调用Multisim中的加法器模块。
2）2FSK解调系统
本次综合设计实验的解调系统可以采用线性鉴频法中的过零检测法。也可以采用分离滤波法中的非相干检测法。
（1）非相干解调法
对于非相干检测法，其系统电路构成如图5所示。在了解与掌握了2FSK非相干检测法系统电路的基础上，进行自己的设计与实验。需要设计的单元电路有：
图5 2FSK非相干解调电路原理图
①高通滤波器
要求采用RC无源电路，构成三阶高通滤波器。已知2FSK的中心频率：
f?f1?f2=2212.5Hz,且滤波器的通带频率：f?12，取C=1μF，有R=72Ω。
πRC2②低通滤波器
低通滤波器为一般RC滤波器电路，低通滤波器选用一般RC滤波器电路，因信码速率为400波特，其电路元件参数：R=300Ω，C=1uF。
③电压比较器
电压比较器用运算放大器构成迟滞比较器，参考电压给定为0.22V。
（2）过零检测法
对于过零检测法，其系统电路构成如图6所示。
图6 过零检测电路组成框图
在了解与掌握了2FSK过零检测法系统电路的基础上，可参考其它资料，进行自己的设计与实验。
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四． 实验内容与方法步骤：
在完成电路设计与Multisim的电路构成后，进行下列实验项目。
1． FSK调制器（发送单元）的测量实验 ① 检测、调整多谐振荡器输出的载波信号
本实验中，由（555）集成电路构成一个时钟信号发生器。振荡频率由555的7脚外接电位器W1和电容C1决定，其振荡频率约为11800HZ，可以通过调整W1来改变频率。用示波器观看波形，并用频率计测量频率，将测量结果填入表1中。
表1 测量点 555的3脚 测量波形 11800Hz 频率数 ② 调测分频器的分频比
本FSK实验电路利用一个信号源经不同的分频，产生两个频率不相同的载波。以实现移频键控。
11800Hz正弦波经过两个D触发器4分频得到2950Hz的方波，再经过一个D触发器得到1475Hz的方波，方波经过积分电路和低通滤波电路分别得到2950Hz和1475Hz的正弦载波。
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