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1、电力系统自动化课程设计FSK调制与解调电路设计及仿真实现一、引言：一般的数字调制技术，如幅度键控（ASK）、移相键控（PSK）和移频键控（FSK）三种。对数字调制和解调器技术的要求如下：（1）在信道衰落条件下，误码率要尽可能低；（2）发射频谱窄，对相邻信道干扰小；（3）高效率的解调，以降低移动台功耗，进一步缩小体积和成本；（5）能提供较高的传输速率；（6）易于集成。总之，我们所采用的调制技术的最终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵抗作用，然后解调出基波信号即可。以下就是关于调制解调的课程设计，我们采用的是移频键控（FSK）进行设计和orcad进行仿真。二、原理：二进制频移键控调制(2F
2、SK)原理解析 数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与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。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方
3、法及波形示例如图5-7所示。图中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号。 图1-2 2FSK信号产生方法及波形示例根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 （1-1） 其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列 （1-2） （1-3） g(t)是持续时间为 、高度为1的门函数； 为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即 （1-4） 是的反码，即若 =0，则 =1；若=l，则 =0，于是 （1-5） 分别是第n个信号码元的初相位。一般说来，键控法得到的与序号n无关，反映在上，仅表现出当与改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于与改变时的相位是连续的，
4、故不仅与第n个信号码元有关，而且之间也应保持一定的关系。 由式（1-1）可以看出,一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以s(t)为基带信号、为载频，另一路以为基带信号、为载频。 下图给出的是用键控法实现2FSK信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。 图1-3数字键控法实现2FSK信号的电路框图2 FSK信号的解调 数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。 （1）. 包络检波法 （本实验就用该方法）包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器
5、（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别为（、）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应 ，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路s(t)及 的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为 图1-4 2FSK信号包络检波方框图 调制的流程如下：1、产生基波信号和不同频率的载波信号2、将基波数字信号进行载波调制解调的流程如下：1、谐振电路的设计2、检波电路的设计3、滤波电路的设计4、抽样判决电路的设计 三、原理图：如下图2-1电路设计为调制解调的原理设计
6、图，主要分为调制过程和解调过程。 图2-1调制解调电路原理五、功能模块和波形及其分析1调制过程（信号的产生和波形及分析）（1）基带信号的产生V3作为载波信号，高电平为4V,低电平为0V，延迟时间TD=0ms,上升时间TR=O.01us,下降时间TF=O.01us,脉冲宽度PW =1ms,脉冲周期PER=2ms. 图3-1（显示时间4ms）（2）载波信号的产生和波形及分析V1作为载波信号，高电平为4V,低电平为0V，延迟时间TD=0ms,上升时间TR=O.01us,下降时间TF=O.01us,脉冲宽度PW =20us,脉冲周期PER=40us，则 图3-2（显示时间1ms）V2作为载波信号，高电
7、平为4V,低电平为0V，延迟时间TD=0ms,上升时间TR=O.01us,下降时间TF=O.01us,脉冲宽度PW =4us,脉冲周期PER=8us，则 图3-3（显示时间0.05ms）（3）基波数字信号载波调制绿表笔对应波形：图3-4（显示时间2ms)V1产生的信号和V3的基波信号通过U3A与门相与，当然我们也可以用乘法器代替7408也可以，输出以上波形，即将基波数字信号的1加载到载波信号V1上。红表笔对应波形：图3-5(显示时间4ms)V2产生的信号和V3的基波信号通过U4A非门在经过U3B与门相与，输出以上波形，即将基波数字信号的0加载到载波信号V2上。蓝表笔对应波形：图3-6（显示时间
8、2ms）通过加法器将V1和V2已载波信号相加，即得到实际V3的调制信号波，如上图所示。2、解调过程（谐振、二极管检波、滤波、抽样判决）（1）谐振模块（LC谐振回路），即将与谐振电路同频率的信号进行谐振放大。它是最基本的选频网络，通过公式确定选择的频率。能够起到滤除不需要的杂波、谐波，选出需要的频率的作用。这里，得到L1=0.1 mH，C1=406nF。这样就会使f1的信号进行谐振放大。如下图波形所示。图3-7（显示时间2ms）（2）二极管检波电路设计谐振之后，f1开始在+2V到-2V之间振动，检波电路主要由检波二极管VD1构成。 在检波电路中，调幅信号加到检波二极管的正极，这时的检波二极管工作
9、原理与整流电路中的整流二极管工作原理基本一样，利用信号的幅度使检波二极管导通。 一个交流信号，只是信号的幅度在变化。这一信号加到检波二极管正极，正半周信号使二极管导通，负半周信号使二极管截止，这样相当于整流电路工作一样，在检波二极管负载电阻R1上得到正半周信号的包络。 从检波电路中可以看出，高频滤波电容C2接在检波电路输出端与地线之间，由于检波电路输出端的三种信号其频率不同，加上高频滤波电容C2的容量取得很小，这样C2对三种信号的处理过程不同。 （1）对于直流电压而言，电容的隔直特性使C2开路，所以检波电路输出端的直流电压不能被C2旁路到地线。 （2）对于基波信号而言，由于高频滤波电容C2的容
10、量很小，它对音频信号的容抗很大，相当于开路，所以音频信号也不能被C旁路到地线。 （3）对于高频载波信号而言，其频率很高，C2对它的容抗很小而呈通路状态，这样惟有检波电路输出端的高频载波信号被C2旁路到地线，起到高频滤波的作用。图3-8（显示时间4ms）（3）滤波环节设计我们采用的是f1=0.025Hz，则所用的滤波器时间常数，则得到，。如下为RC无源低通滤波器，无源滤波器是由电阻、电容和电感组成，不含有有源器件（集成运放），无源滤波器比较简单，高频性能好，多用在高频域，缺点是通带信号有能量损耗，负载效应比较明显。低通滤波器则是同低频，阻高频，这里即通过低频率f1信号，阻止其他高频率的信号。当然
11、，我们也可以选用有源滤波，效果会好一些。 图3-9（显示时间4ms）（4）判决环节的设计电路抽样判决的主要任务是进行比较判决，将滤波后的基波数字信号恢复出来。下面的（a）、（b）电路都可以采用，（a）运放负端的门槛电压值v2是通过分压取得的，而（b）是直接是设定门槛电压值v2的，运放的正向输入就是低通滤波的输出v1，它们两进行比较，当v1v2,判决为1，v1v2，判决为0。 （a） （b）图3-10（显示时间4ms）六、结果分析该设计我采用的是将低频载波信号代表1，高频载波信号代表0，这样解调时只能采用低通滤波。我们当然也可以将高频载波信号代表1，低频载波信号代表0，解调时采用高通滤波即可，原
12、理一样，都符合fsk调制解调原理。图3-6为调制后的波形，调制的方法和元器件的可选性很多，我采用了最简单的调制方法和电路图。图3-10为解调后的波形，我采用包络检波法实现解调过程，其中由于我采用的是低通滤波，所以滤波效果不是很明显，导致抽样判决环节最后恢复的基波数字信号产生一些误差。当采用一阶低通有源滤波或二阶低通有源滤波效果明显改善，最后得到的基带信号误差也大大降低。七、总结通过这次对FSK调制解调电路的设计，我学习到了很多的新知识，比如说对电气学生很有用的orcad软件，它集成了capture画原理图，PSPICE仿真等很多模块的实用性功能，对我们专业的学习很有帮助。并且，在查阅相关关于调
13、制解调的信息是，使我对这个过程理解的更加透彻。同时，在电路图设计的过程中，我复习了很多模电和数电的知识，这也更加体现了模电和数电多我们的重要新，尤其是在滤波电路和判决电路的设计中，各参数对性能的影响的机理必须我们得十分明确。最后，通过这个过程，使我明确了解决工程问题的一般思路和多元性方法，培养了我的工程思维方式。八、参考文献1、王士政.电网调度自动化与配电自动化技术M. 北京：中国水利水电出版社，20 06 2、杨栓科.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社,20073、张克农.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2003.34、及燕丽，王友村，沈其聪等.现代通信系统.北京：电子工业出
14、版社，2001.1 图3-1（显示时间4ms）（2）载波信号的产生和波形及分析V1作为载波信号，高电平为4V,低电平为0V，延迟时间TD=0ms,上升时间TR=O.01us,下降时间TF=O.01us,脉冲宽度PW =20us,脉冲周期PER=40us，则 图3-2（显示时间1msV2作为载波信号，高电平为4V,低电平为0V，延迟时间TD=0ms,上升时间TR=O.01us,下降时间TF=O.01us,脉冲宽度PW =4us,脉冲周期PER=8us，则 图3-3（显示时间0.05ms）（3）基波数字信号载波调制绿表笔对应波形：图3-4（显示时间2ms)V1产生的信号和V3的基波信号通过U3A与
15、门相与，输出以上波形，即将基波数字信号的1加载到载波信号V1上。红表笔对应波形：图3-5(显示时间4ms)V2产生的信号和V3的基波信号通过U4A非门在经过U3B与门相与，输出以上波形，即将基波数字信号的0加载到载波信号V2上。蓝表笔对应波形：图3-6（显示时间2ms）通过加法器将V1和V2已载波信号相加，即得到实际V3的调制信号波，如上图所示。2、解调过程（谐振、检波、滤波、判决）（1）谐振模块（LC谐振回路），即将与谐振电路同频率的信号进行谐振放大。它是最基本的选频网络，通过公式确定选择的频率。能够起到滤除不需要的杂波、谐波，选出需要的频率的作用。这里，得到L1=0.1 mH，C1=406
16、nF。这样就会使f1的信号进行谐振放大。如下图波形所示。图3-7（显示时间2ms）（2）二极管检波电路设计元器件名称解说检波二极管D1将调频信号中的下半部分去掉，留下上包络信号上半部分的高频载波信号。高频滤波电容C2将检波二极管输出信号中的高频载波信号去掉。检波电路负载电阻R1检波二极管导通时的电流回路由R1构成，在R1上的压降就是检波电路的输出信号电压。谐振之后，f1开始在+2V到-2V之间振动，检波电路主要由检波二极管VD1构成。 在检波电路中，调幅信号加到检波二极管的正极，这时的检波二极管工作原理与整流电路中的整流二极管工作原理基本一样，利用信号的幅度使检波二极管导通。 一个交流信号，只
17、是信号的幅度在变化。这一信号加到检波二极管正极，正半周信号使二极管导通，负半周信号使二极管截止，这样相当于整流电路工作一样，在检波二极管负载电阻R1上得到正半周信号的包络。 从检波电路中可以看出，高频滤波电容C2接在检波电路输出端与地线之间，由于检波电路输出端的三种信号其频率不同，加上高频滤波电容C2的容量取得很小，这样C2对三种信号的处理过程不同。 （1）对于直流电压而言，电容的隔直特性使C1开路，所以检波电路输出端的直流电压不能被C1旁路到地线。 （2）对于基波信号而言，由于高频滤波电容C1的容量很小，它对音频信号的容抗很大，相当于开路，所以音频信号也不能被C1旁路到地线。 （3）对于高频
18、载波信号而言，其频率很高，C1对它的容抗很小而呈通路状态，这样惟有检波电路输出端的高频载波信号被C1旁路到地线，起到高频滤波的作用。图3-8（显示时间4ms）（3）滤波环节设计我们采用的是f1=0.025Hz，则所用的滤波器时间常数，则得到，。如下为RC无源低通滤波器，无源滤波器是由电阻、电容和电感组成，不含有有源器件（集成运放），无源滤波器比较简单，高频性能好，多用在高频域，缺点是通带信号有能量损耗，负载效应比较明显。低通滤波器则是同低频，阻高频，这里即通过低频率f1信号，阻止其他高频率的信号。当然，我们也可以选用有源滤波，效果会好一些。 图3-9（显示时间4ms）（4）判决环节的设计电路抽
19、样判决的主要任务是进行比较判决，将滤波后的基波数字信号恢复出来。图3-10（显示时间4ms）六、结果分析彼此设计我采用的是将低频代表1，解调过程中进行低通滤波，我们当然也可以将高频代表1，解调时采用高通滤波即可，原理一样，都符合fsk调制解调原理。图3-6为调制后的波形，图3-10为解调厚的波形，由于我采用的是低通滤波，所以滤波效果不是很明显，导致比较判决环节最后恢复的基波数字信号产生一些误差。当采用一阶低通滤波或二阶低通滤波效果明显改善，最后得到的基带信号误差也大大降低。七、总结通过这次对FSK调制解调电路的设计，我学习到了很多的新知识，比如说对电气学生很有用的orcad软件，它集成了cap
20、ture画原理图，PSPICE仿真等很多模块的实用性功能，对我们专业的学习很有帮助。并且，在查阅相关关于调制解调的信息是，使我更加对这个过程理解的更加透彻。同时，在电路图设计的过程中，我复习了很多模电和数电的知识，这也更加体现了模电和数电多我们的重要新，尤其是在滤波电路和判决电路的设计中，各参数对性能的影响的机理必须我们得十分明确。八、参考文献1、王士政.电网调度自动化与配电自动化技术M. 北京：中国水利水电出版社，20 06 2、杨栓科.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社,20073、张克农.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2003.34、及燕丽，王友村，沈其聪等.现代通信系统.北京：电子工业出版社，2001.1
