2FSK调制解调电路的设计

1、世嘉科技职业技术学院毕业设计说明书（论文）设计（论文）题目：2FSK调制解调电路的设计（锁相环NE 5 6 4）专 业:通信技术班 级:通技0 7-1学 号:07102 0 7 086姓 名：李宗盛指导教师：杨柳游岩松00九年十二月十五日世嘉科技职业技术学院毕业设计（论文）任务书学生姓名李宗盛学号07 1 0 20 7086班级通技0 71专业通信技术设计（或论文）题目2FSK调制解调电路的设计（锁相环NE 564）指导教师姓名职称工作单位及所从事专业联系方式备注杨柳助教世嘉科技职业技术学院、通信工程1355 5 5566 66游岩松工程师四川长通科技贵任有限公司1 36 7 77 7 8 8

2、88用锁相环NE564设计一 2FSK调制解调电路的设计。 基本要求：1、设计的电路能完成2FSK信息的调制解调2、完成电路的仿真进度安排：第一阶段（20 0 9,092 0 09, 10）:完成资料的收集;第二阶段（20 0 9, 102009, 1 1 ）：完成硬件设计，即完成单元电路及总电路图的设计和工作原 理的叙述，电路性能指标的验算；第三阶段（2 0 09.11-20 0 9,12）:进行调试、仿真,编写报告准备答辩。必须完成的任务1、设计硬件的原理电路图；2、完成电路的调试、仿真系统。3、撰写详细的设计说明书，不少于五千字。主要参考文献、资料（写清楚参考文献名称、作者、出版单位）：

3、1 张肃文.高频电子线路北京:人民教育出版社,197 92 郑应光.模拟电子线路（一）南京：东南大学出版社,20003 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社，2 0 0 54 于安红.简明电子元器件手册上海:上海交通犬学出版社,20 0 55张立中通信技术基础北京：中国劳动社会保障出版社，2 0 0 8审 批 意 见教研室负贵人：年月口备注:任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。目录。错误!未定义书签。摘要错误!未定义书签。第1章绪 论。错误!未定义书签。第2章方案设计3。2. 1方案比较。错误!未定义书签。2. 1 .1键控法错误!未定义书签。2.1. 2模拟调

4、制法错误!未定义书签。2.2方案论证。错误!未定义书签。第3章硬件设计错误!未定义书签。3.1器件介绍错误!未定义书签。3. 1 . 1 NE564介绍。错误!未定义书签。3. 1 .2 2CD4 01 6介绍。错误!未定义书签。3.1.3锁相环的基本工作原理。错误!未定义书签。3. 1. 4 相位模型介绍错误!未定义书签。3. 1.5环路滤波器介绍。错误!未定义书签。3. 1 .6压控振荡器介绍错误!未定义书签。3.2 2FS K调制电路设计。错误味定义书签。3.3 2FSK解调器电路设计错误!未定义书签。总结错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。附录1 2FSK

5、调制电路。错误!未定义书签。附录2 2FSK解调电路错误!未定义书签。本文采用锁相环专用集成电路NE5 64,实现了 2FSK调制电路和解调电路的设 计。本设计首先对本次设计的思路进行的阐述，对数字调制解调的基本原理、集成电 路NE5 6 4的内部结构及基本工作原理进行了详细的介绍,并基于NE5 6 4设计了 2 FSK调制解调电路，最后详细给出了制作电路的步骤和方法以及在制作过程当中的 问题，得出的结论。测试表明，该电路的中心频率f=5MHz,在Ui mlV,及无外 部干扰，解调后误码率为0。关键词 2FSK;调制;解调;NE5 6 4 ;CD4016第1章绪论“锁相环技术”是近几年來迅速发

6、展起來的一门技术，由于它的环路结构简单， 性能良好。在许多新型的电子设备中，特别是在通信系统中，得到广泛的应用。随着 通信技术的发展，锁相环技术在调制解调中扮演着越來越重要的角色。锁相环技术所 以能得到这么广泛的应用，是由于其独特的优良性能所决定的。本设计用到的锁相环 的跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器，它具有低门限特性，可大大改善模拟信 号和数字信号的解调质量。在数字通信系统中,由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输或长距 离电缆传输，因而同模拟调制一样，需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。 与模拟调制相比，数字调制并无本质区别，都属于正弦波调制，但是数字调制系统也有

7、 自身的特点，其技术要求与模拟调制系统也有不同。一般来说，数字调制技术可分为两 种类型：一是利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情 况來处理；二是利用数字信号的离散取值特点去键控载波,从而实现数字调制，这种 方法通常称为键控法。常用的数字调制方式有振幅键控(2ASK)、移频键控(2FS K)、移相键控(2PSK)等。随着科技的发展，电子产品市场运作节奏也进一步加快，涉及诸多领域的现代电 子技术己迈入一个全新的阶段，如何把锁相环的强大优势发挥出來，就是目前电路研 究发展的方向了。把锁相环技术应用与高频2FSK信号的接收解调中，从而使电路性 能得到进一步的改善，这对数字电路

8、來说也算是个不小的突破。第2章方案设计2.1方案比较2FSK信号波形图如21图所示，它是由调制信号去控制载波信号，用载波的频 率來传递数字信息，即用所传递的数字消息控制载波的频率。图2-1 2FSK信号波形图根据设计要求及相关技术指标，可拟定键控法、模拟调制法等两种方案。2. 1 .1键控法调制器选用图2-2所示方案，采用石英晶体振荡器构成两个不同频率的载波发生 器，用模拟双向开关CD40 1 6实现开关1和开关2,最后用集成运放构成加法电路, 最终实现2FS K调制。解调器选用图2-3所示方案，以LC谐振回路实现带通滤波, 然后用两个模拟乘法器实现相干解调,最后用集成运放构成抽样判决器，实现

9、2FS K 信号的解调。图2-2 2FSK信号键控法产生原理框图costu 2图2-3 2FSK相干解调法原理框图2. 1.2模拟调制法采用图24、图2-5所示方案实现模拟调制解调，以高频锁相环NE5 6 4为主 体，辅以适当外围元件即可实现。若要构成适用的发射器及接收器，只需增加合适的 发射功放及接收滤波、解调放大电路即可。基帯信号H调频器信号图2-4 2FSK信号模拟调制法产生原理框图詹T解凋器卜基带信号图2-5 2FS K模拟解调法原理框图设计基本原理和系统框图2FSK系统分调制和解调两部分。(1) 调制部分：2FS K信号的产生方法主要有两种。第一种是用二进制基带矩形 脉冲信号去调制一

10、个调频器，如图2- 2所示，使其能够输出两个不同频率的码元。第二 种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出, 如图2-3所示。这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由 调频器产生的2 FSK信号，在相邻码元之间的相位是连续的，如图所示；而开关法产生 的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生不同频率的信号，故相邻码元的相位 不一定是连续，如图所示。本次设计用键控法实现2FSK信号。表现为：(a)相位连续(b)相位不连续(2) 解调部分:2FSK信号的接收主要分为相干和非相干接收两类，本次设计采用非 相干法(即包络解调法)，其方框图如下。用

11、两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为fi 和鸟的高频脉冲，经过包络检波后分别取出它们的包络。把两路输出同时送到抽样判 决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。2.2方案论证比较而言,选用模拟调制法更为经济、可靠，它具有低门限特性，可大大改善模拟 信号和数字信号的解调质量。而高频模拟锁相环NE5 6 4的最高工作频率可达到 50MHz,采用+ 5 V单电源供电,特别适用于高速数字通信中2FSK、FM调频信号的 调制、解调，无需外接复杂的滤波器。实际上，此法案是几年前流行的一种方案。就 目前接收机技术來说，锁相环因为起得天独厚的性能优势，在接收机技术上可以有广 阔的发展前景。但是因为发送信号的频率比

12、较高，那么如何能够把这种信号很好的解 出來，这成了锁相环技术的一种考验。本文主要就是研究利用锁相环，接收高频信号, 并把它解调出来。模拟调制法的设计就是在目前接收解调以及锁相环技术的蓬勃发展下，把锁相环 技术运用与接收解调中，抛弃原來的纯分离元器件电路，而是利用高频锁相环集成电路 NE5 6 4,从而把原始信号更好的还原出來。利用锁相环集成电路不但使电路更加简 单，而且性能更好，充分体现了集成电路的优势。在未來的世界，锁相环电路将在通 信领域大放光彩。随着集成电路技术的发展，目前市面上己有多类专用2FSK收发芯 片,如Microel e ctronic I ntegia t ed S y st

13、ems 公司的 TH710 8 TH711 1 2、M ICR F 5 00芯片等。第3章硬件设计要求使用高频模拟锁相环N E564为基础，设计2FSK的调制解调电路。3.1器件介绍3.1 . 1 NE5 64 介绍高频模拟锁相环NE564是PIn 1 1 p s Semiconductors公司（荷兰菲利浦公司的产 品，同类国产产品的型号有XD564、L564等。NE 5 64最高工作频率可达到50MH z ,采用十5V单电源供电,特别适用于高速数字通信中FM调频信号及2FSK移频键控 信号的调制、解调，而无需外接复杂的滤波器。NE 5 64釆用双极性工艺，其外部引脚图和内部组成框图分别如图

14、3-1和图3-2 所示。其中，如为限幅器,可抑制FM调频信号的寄生调幅;相位比较器（鉴相器）PD 的内部含有限幅放大器，以提高对AM调幅信号的抗干扰能力；外接电容C,、G组成 低通滤波器，用來滤出比较器输出的直流误差电压的纹波；改变引脚的输2入电流可 改变环路增益；压控振荡器VCO的内部接有固定电阻R （/?=100Q）,只需外接一个 定时电容G就可产生振荡，振荡频率与Cf的关系曲线如图3- 12所示。VCO 有两个电压输出端，其中VCOff输出TTL电平，VCO02输出EC厶电平。后置鉴 相器由单位增益跨导放大器仏和施密特触发器ST组成，其中儿提供解调FSK信号 时的补偿直流电平及用作线性解

15、调FM信号时的后置鉴相滤波器；ST的回差电压 可通过引脚16外接直流电压进行调整，以消除输出信号的相位抖动。V+1LGCpc?IFLPrfTWD1162153144135NE5641261171089ITLOHYSfoFCLWO02V十2VCOOlT图3-1 NE564的外部vco图3-2 NE564的内部组成框图由图3-1可知,NE564为双列直插1 6脚封装，各引脚的功能如表3 1所示。表3 -1 NE5 6 4引脚的功能引脚编号英文缩写引脚功能引脚编号英文缩写引脚功能1V+1VCC,接+ 5V9vco01VCO 输出 1,TTL 电平2LGC环路增益控制端，电流约为200uA10V+2V

16、 CC,接+ 5V3PC鉴相器输入端，来自分频器，占空比50%11VC o02VCO 输出 2, ECL电平4LF坏路滤波引出端1 2FCi振荡频率设置电容引出端5LF环路滤波引出端13FC】振荡频率设置电容引出端6Rfi信号输入端，占空比50%1 4ANo模拟输出端（用于调解输出）7BF偏置滤波输入端1 5HYS延迟设置端（设置门限值）8GND地端1 6TT LoT TL电平输出 端（调解输出）3. 1 .2 2CD4O 1 6 介绍CD4016为4个独立的双向模拟开关，控制输入端在输入高电平时模拟开关导 通，低电平时截止。输入输出为双向，即可以由IN/OUT到OUT/ I N,也可以反过

17、来，此芯片广泛用于信号开关,削波，调制解调电路中。其引脚排列如图3-3所示, 及内部结构如图34。1142133124 CD 40161151069781I/OVCC10/11CTL2 0/14CTL21/041/040/12CIL3 0/13CIL31/0图3-3 CD 1016外部引脚图图3-4 CD4016内部结构3.1.3锁相环的基本工作原理锁相环路的系统框图如图3-5所示，由鉴相器PD (Ph ase Detector).环路 滤波器LF(Loop F i I tei)和压控振荡器VC 0组成的，其中LF为低通滤波器。%图3-5锁相坏的基本组成框图各部分功能如下：(1) 鉴相器PD：

18、鉴相器是一个相位比较器，完成对输入信号相位与V C O输出信号 相位进行比较,得误差相位(pe(t) = (pi( t )- (po (t)o(2) 环路滤波器LF：环路滤波器(LF)是一个低通滤波器(LPF),其作用是把鉴相器 输出电压幽中的高频分量及干扰杂波抑制掉，得到纯正的控制信号电压 必(f)。(3) 压控振荡器VCO：压控振荡器是一种电压-频率变换器，它的瞬时振荡频率co., (Q是用控制电压”c(f)控制振荡器得到，即用“c(/)控制VCO的振荡频率，使 与3。的相位不断减小，最后保持在某一预期值。当锁相环路处于“失锁”状态时，冰Q和z/o(r)进行相位比较，由PD输出一个与 相位

19、差成正比的误差电压ud( t)经LF滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频 电压分量uc( f)作为控制电压。显然，必(/)也将随着相位差的变动作相应变化。c (f)加到vco上，从而控制VCO的振荡频率，使co。不断改变，心(f)和心的相位差 不断减小，直至锁相环路进入“锁定”状态。314相位模型介绍在锁相环路当中，鉴相器用作相位比较，其原理框图如图3-6所示。由图可知， 鉴相器的输入信号分别为环路的输入信号Ui(t)和压控振荡器的输出信号Uo(t )输 出信号为与上述两个信号瞬时相位差成正比例的误差信号Ud。Ud的大小将依据 鉴相器的类型而定，常见的鉴相器有乘积型和叠加型，前者一般釆用模拟乘法

20、器实现。设输入电压信号Ui( t )的角频率为Wi,瞬时相位Ei(t),压控振荡器的输出信号U o( t)的频率为Wo,瞬时相位Eo (t),环路的参考输出频率即基准频率为鉴相器 应该满足下列条件：(1)当锁相环路处于“锁定”状态时,WWo=Wr,鉴相器无输出电压。(2)锁相环路处于“失锁”状态时 Wi=W r+Ei (t)/dt, Wo=Wr+Eo(t) /dt。Ui(t) joU d (t)PD oUo(t) 图3-6鉴频器框图可得输出信号与输入信号可表示为：U i =Uimcos(fwidt) =Uimcos Wr t +Ei(t) + Eo (3-7)Uo(t)=U o mcos(Jw

21、 o dt) = U omc o sWn+Eo(t)(3-8) 经过环路滤波器滤波后输出控制电压为：U d (t) =l/2UmiUomsi n Ei(t)-Eo(t)=AdsmEi( t)-Eo ( t )(3-9)可见,鉴相器输出信号是一个关于Ui (t)与Uo( t )相位差的函数由式(3-7)可得鉴相器的电路模型如图3-6所示。这个模型表明，鉴相器具有把 相位转换为误差电压输的作用，其处理对象是E和Eo,而不是信号Ui( t )与Uo(t), 这个是电路模型与组成框图的区别。3. 1.5环路滤波器介绍环路滤波器实际上是一个低通滤波器，其作用是滤除鉴相器的输出误差中的高频 分量及干扰分量

22、，而让其中的低通分量或直流分量通过，得到控制电压,以保证环路所 需求的性能并提高环路的稳定性，因此对锁相环路的性能有影响。3.16压控振荡器介绍在锁相环路中，压控振荡器的作用是产生频率随控制电压Uc (t)而变化的振荡电 压 UO(t)o压控振荡器瞬时振荡频率3 随控制电压Uc(t)变化的曲线,称为压控振荡器的调 频特性曲线。一般情况下,调频特性曲线是非线性的，如下图所示，但是，在Uc(t)的某 一范围内,3。与Uc(t)之间近似为线性关系，即3o=3 r + AoUc(t)(3-10)式中,3 r表示Uc=0时压控振荡器的固有振荡频率；A。为比例系数，乂叫压 控灵敏度,单位为r a d/(

23、s - v )o3.2 2FSK调制电路设计利用锁相环VCO输出信号频率随输入信号大小而变化的特点，可将待传输调制 信码直接送入NE564的VCO输入端，从而可以实现2FS K调制。图3-11是NE5 6 4构成的2 FSK调制器电路。调制信码从双态信号控制CD4 0 16模拟开关13脚 输入，NE5 64的6脚电压在5 V与1 . 4 2V之间转换(即5Vx 心/ (R5+&) =1.4 2 V),经缓冲放大器4,及相位比较器PD中的放大器放大后，直接控制VCO的输出频 率。因此,9脚输出的是2FS K信号。+59+5位流信号输入141!CD4016U.0.47uF2.7k 龄C20.01u

24、LFLFLGCTTLVCO01NE584VCOo2BF也认2FCPGFC GND110|1213116, RP2U2k2lRPU rwk- 452FSK输出R3 2k11i+SV+5V图3-11 N E 561构成的2FSK调制电路PD输出端不再接滤波电容，而是接电位器Rpi，用于调整环路增益并可细调压 控振荡器的固有频率厶，几与C,的关系如下图所示。图3-12 &与Ct的关系曲线G是输入耦合电容，心、6组成差分放大器如的输入偏置电路滤波器，可滤除 调制信码中的杂波。心(包含电位器7?P2)对引脚2提供输入电流/2,可控制环路增益 和VCO锁定范围，&与电流h的关系可表示为： 厶(3-13)b

25、 一般为2 0 OuAo调整时，可先设置h的初值位10 0 u A,待环路锁定后再调节 电位器Rp?使环路增益和压控振荡器的锁定范围达到最佳值。是压控振荡器输出端必须接的上拉电阻，一般为几千欧姆，这里取2KG。R. 是VCO输出ECL电平和鉴相器输入端之间的限流电阻，可取值3KQo压控振荡器的固有振荡频率可表示为壬1J UV 2200C,(3-14)若己调2FSK信号中心频率/=5MHz,则C.-=90pF(可取标称值8 2pF与&2p F可调电容并联构成)。若调制信码的波特率为500kB aud,则9脚输出2FSK信号频率范围为75土 1 MHzc3.3 2FSK解调器电路设计NE5 64构

26、成的2FSK解调器电路如图3 15所示。己知输入信号的频率 后5lMHz,调制信码（由“0”、“1”组成的方波）的频率/,=500kHzo己调制信号直 接送入NE564的VCO输入端，与压控振荡器输出的5MHz（9脚输出）进行相位比较， 输出信号经环路滤波后由力2放大，从16脚输出解调后的方波（TTL电平）。电阻 &和电位器RP2用于调整施密特触发器的回差电压，可改善输出方波的波形。用7为上 拉电阻，增加心的值亦可改善输出波形。8.2pF图3-15 NE564构成的2FSK解调电路由于输入信号的频率/；=5 土 1 MHz,解调时必须使压控振荡器工作在46MHz 并保证NE564锁定，此时16

27、脚输出才为高电平“1” ；超出此范围失锁，则16脚 输出为低电平“0”。因此，压控振荡器的固有振荡频率Z和捕捉带必须十分准 确。由己知条件可得:压控振荡器的固有振荡频率fv=5MHz , Afv=f1n1ax-f1min=2. 0 MHzc由式（3 14）得Ct=90p F ,可取标称值82pF与&2pF可调电容并联，以便精确 调整固有振荡频率，使fv=5MH zo外接电容C3、C4与内部两个对应电阻（阻值R = 1.3KG）分别组成一阶低通滤 波器，其截止角频率可用下式描述1CDc =R：（3- 1 6）滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，由于本例输出信号频率较高， 低通滤波器的截止

28、角频率也要相应提高，计算可取C3=C4=3 0 0pFo制作实物电路 时可通过观测4脚和5脚的输出波形调整电容的值，使输出波形更为清晰。电容C6 的作用事滤除内部单位增益跨导放大器A3输出的补偿直流电压中的交流成分，因此, 对C6的耐压有一定要求，通常取耐压大于电源电压的电解电容,这里取C6=10uF / 8Vo C7和C.为电源滤波电容,一般取0.2uFo这段时间的毕业设计在忙忙碌碌中一晃而过。刚开始，我们头绪不是很清楚，不 知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题,跑图书馆查资 料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次 次的困难，却积累

29、了很多宝贵的经验。在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三 点，第一：基础知识掌握的不牢固，主要表现在一些常用的电路的形式和功能不清楚, 对书本上的内容理解不够透彻。第二：对一些常用的应用软件缺少应用，体现在画电 路图和系统的仿真的时候，对这些软件的操作不熟练，浪费了很多时间。第三：相关知 识学握的不够全面，缺少系统设计的经验。这次设计进一步端了我的学习态度，学会了实事求是,严谨的作风，对自己要严 格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。急于求成是不好的，我有所感受。如果 省略了那些必要的步骤，急于求成，不仅会浪费时间，还会适得其反。我觉得动手之前, 头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我的动手能力虽然差一 点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。这一点，我坚信。因为别 人能做到的，我也一定能做到。在此次的毕业设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。 一份耕耘，一份收获。通过这段时间的设计，让我明白科学的思维方法和学习方法是 多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。总而言之，此次毕业设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我 的知识运用能力，增强我的实际操作能力。谢