基于Multism的2FSK调制与解调课程设计.doc

塔里木大学信息工程学院课程设计

目 录

1 前言……………………………………………………………………………3
2 正文 …………………………………………………………………… 3
2.1 课程设计的目的 ……………………………………………………… 3
2.2 课程设计的任务 …………………………………………………………3
2.3课程设计题目及开发环境 …………………………………………………3
2.3.1 Multism 环境介绍 …………………………………………………3
3 调制解调路设计 ……………………………………………………………5
3.1 2FSK调制电路设计原理 ………………………………………………5
3.2 2FSK调制单元电路的设计 ………………………………………………6
3.3 2FSK调制单元频谱分析 ……………………………………………8
3.4 2FSK解调单元原理分析 ……………………………………………9
3.5 相干解调设计思路 …………………………………………………9
3.6 滤波器参数设置 …………………………………………………………10
3.7 解调单元电路设计 ……………………………………………………11
4 致谢 ……………………………………………………………………… 12
5 参考文献 ……………………………………………………………………12

前 言
调制和解调电路是通信设备中重要组成部分。用待传输的低频信号去控制高频载波参数电路称为调制电路，解调是调制的逆过程，从高频已调信号中还原出原调制信号称为解调电路。2FSK是利用载频频率的变化来传输数字信息的。在数字通信中应用广泛，可采用先干解调、非相干解调、过零点解调等方式进行解调。
关键词 2FSK调制 2FSK相干解调 Multism仿真

工程概况
2.1课程设计的目的
（1）通过利用Multism，熟悉Multism仿真工具。
（2）通过课程设计来更好的掌握课本相关知识，熟悉2FSK的调制与解调。
（3）更好的了解通信原理的相关知识，磨练自己分析问题、查阅资料、巩固知识、创新等各方面能力。
(4)设计一个载波分别为32KHZ、16KHZ的2FSK调制电路，并用相干解调方法进行解调。
2.2课程设计任务
（1） 掌握2fsk通信过程的基本原理；
（2） 会画出数字通信过程的基本框图；
（3） 学会运用multsim来进行通信系统的仿真；
（4） 掌握数字通信的2fSK的相干解调方式，并学会设置各种滤波器参数。
2.3课程设计题目及开发环境
2.3.1 Multism 环境介绍
随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。
Multisim 10是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2001 年推出的 Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。
它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，提供了多种输入输出接口，Multisim10可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。
Multisim 10 把所有的元件分成13类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。
Multisim 10提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。
Multisim 10具有以下特点:
(1)Multisim 10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很方便地在工程设计中使用。
(2)Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
(3) Multisim 10 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。
(4) Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。
Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。 Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容，而且具有较强的 VHDL和 Verilog设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过16000个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。Multisim10的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。
Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数等。

正文
3.1 2FSK调制电路设计原理
2FSK即叫做二进制移频键控或二进制频移键控。
2FSK信号产生的方法一般有两种：一种叫直接调频法，另一种叫频移键控法。
（1）模拟调频法：即直接利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。如图3.1所示：

图3-1 模拟调频法
直接调频法是频移键控通信方式早期采用的实现方法。其优点是调制方便，设备简单，得出的是2FSK信号，相位连续。
（2）键控法：即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。如图3.2所示：

图3-2 键控法
2FSK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，但设备要复杂些，得出的是2FSK信号，相位不连续。
该文采用键控法产生2FSK信号，即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。设计原理图如图3.3所示:

图 3-3 2FSK调制原理图

3.2 2FSK调制单元电路的设计
要将时钟脉冲信号经过2FSK调制成为2FSK信号，我们采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立的频率源作为输出。键控法产生的2FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过度频率，它的转换速度快，波形好。
1）四双向模拟开关CD4066
CD4066的引脚功能如图3.4所示。每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为－50dB。

图3-4 四双向模拟开关CD4066
输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经倒相去控制f2=16KHz的载频。当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到2FSK已调信号。如图3.5所示:

图 3-5 模拟开关
2）变频电路
变频电路是将输入的二进制数字基带信号通过控制载频转换成已调信号，即2FSK调制信号。两路载频分别经射随、LC选频、射随再送至模拟开关。其中LC选频电路函数：

选频网络如图3.6所示：

图3-6 变频电路图

3）2FSK调制的整体电路图的设计

图3-7 2FSK的Multisim调制仿真电路图

图3-8 2FSK的载波频率及波形

图3-9 2FSK的调制波形
3.3 2FSK调制单元频谱分析
由于相位离散的2FSK信号可以看成是两路2ASK信号之和。所以，在这里可以直接饮用2ASK信号的频谱分析结果，即：

2FSK信号带宽为：

图3-10 2FSK的载波及以调信号频谱分析
3.4 2FSK解调单元原理分析
相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干的参考信号与载频相乘。设原始信号A与载频 cos(ωt + θ) 调制后得到信号：
Acos(ωt + θ)
解调时引入相干（同频同相）的参考信号 cos(ωt + θ)，则得到：
Acos(ωt+θ)cos(ωt+θ)
利用积化和差公式可以得到
A*[cos(2ωt+2θ)+1] /2
=A/2+A*cos(2ωt+2θ) /2
利用低通滤波器将高频信号cos(2ωt+2θ)滤除，即得原始信号 A。

图3-11 2FSK相干解调的原理方框图
3.5 相干解调设计思路
（1）首先要确定采样频率fs和两个载波f1，f2的值。
（2）先产生一个随机的信号，写出输入已调信号的表达式是s(t)。由于s(t)中有反码的存在，则需要将信号先反转后在原信号和反转信号中进行抽样。写出已调信号的表达式s(t)。
（3）在2FSK的解调过程中，根据解调的原理图，信号先通过带通滤波器，设置带通滤波器的参数，后用一维数字滤波函数filter对信号s(t)的数据进行滤波处理。由于已调信号中有两个不同的载波，则经过两个不同频率的带通滤波器后输出两个不同的波形H1，H2。
（4）经过带通滤波器后的2FSK信号再分别经过相乘器，输出得到相乘后的两个不同的2FSK波形sw1，sw2。
（5）经过相乘器输出的波形再通过低通滤波器，设置低通滤波器的参数，用一维数字滤波函数filter对信号进行新的一轮的滤波处理。输出经过低通滤波器后的两个波形st1，st2。
（6）将信号st1和st2同时经过抽样判决器，其抽样判决器输出的波形为最后的输出波形st。对抽样判决器经定义一个时间变量长度i，当st1(i)>=st2(i)时，则st=1，否则st=0。
3.6 滤波器参数设置
滤波器参数如下：
带通滤波器（1）
带通滤波器（2）
低通滤波器（1）
低通滤波器（2）
截止频率： 30-33KHZ
截止频率：15-17KHZ
截止频率： 33KHZ
截止频率：17KHZ
通频带：3KHZ

表3-1 2FSK相干解调的滤波器参数
带通滤波器下限 ：

带通滤波器上限 ：

带通滤波器通频带计算：

低通滤波器截止频率：

图3-12 2FSK相干解调的滤波器设计
3.7 解调单元电路设计
2FSK解调电路的设计是采用相干解调法进行解调，2FSK信号通过判决鼎炉最终解调出数字基带信号。2FSK基于Multisim仿真的解调电路的整体电路设计图如图13所示：

图3-13 2FSK相干解调的整体电路

图3-14 2FSK相干解调的解调波形

图3-15 2FSK调制与解调整体设计图

致 谢
本论文是在蒋霞老师和张树艳的亲切关怀和悉心指导下完成的，她们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。蒋老师老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向蒋老师、张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过课程设计的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 
  在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！ 
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！

参考文献
[1] 樊昌信 曹丽娜 编著 《通信原理》，国防工业出版社，第7版
[2] 童诗白 华成英 编著 《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，第4版

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