通过2FSK加强通信系统综合设计实验FSK了解调制器和解调器的通信技术电路，学会查找数据、比较方案和设计计算环节。学习综合运用基础理论知识，进一步提高分析解决实际问题的能力，创造独立电路实验的机会，锻炼分析和解决通信技术电路问题的能力，真正实现教科书知识向实际能力的转变；通过典型电路的设计和生产，从事通信产品研发的初步体验；提高学生的实际能力；掌握使用Multisim软件操作方法。
根据2FSK调制器和解调器的组成原理设计了整个2FSK实现传输系统的方案和电路。
①主载频为16KHz；
②f1=8KHz；f2=4KHz；数字基带信号时钟频率fs=1000bit/s；
③m作为数字基带信号，序列生成器(7位或15位)传输速率fs=1000bit/s；
④调制器采用键控法；解调器可采用非相关解调(过零检测)技术。(如果时间充足，选择2FSK实现相干解调或模拟锁相环解调)
控制系统(多谐振荡器、分频器、波形变换(方波-正弦波)电路，M序列发生器)和解调系统(限幅器、微分整流电路、脉冲宽度电路、比较器、抽样判断器、压控振荡器等单元电路)的设计方法；掌握调制解调的基本原理。通过实际方案分析，初步掌握简单实用的电路分析方法和工程设计方法，了解与课程相关的电子电路和部件工程技术规范，根据综合实验设计任务书的技术要求编制设计说明，正确反映设计和实验结果，正确绘制电路图。
信息源由二进制符号0和1组成，假设0符号的概率是p，出现的概率为1-p，他们彼此独立，那么，2FSK1符号对应于载频ω1.0对应于载频ω2（与ω另一个负载频率的已调波形，而且ω1、ω变化可以在瞬间完成。容易想到，2FSK利用矩形脉冲序列调频载波，使其输出两个不同频率的码元。
2FSK模拟调频法或数字键控法可以实现信号的生成。图3-1是数字键控法生成2FSK信号原理图：
图中输入两个振荡器载波输出的二进制基带信号s(t)控制。s(t)当为1时，正脉冲连接门电路1，断开门2，输出频率为f1；当数字信号为0时，门1断开，门2连接，输出频率为f2。在一个码元Tb期间输出ω1或ω两个载波之一。该方法转换速度快，波形好，频率稳定性高，电路简单，应用广泛。对应图3-1，2FSK调制器各点的时间波形如图3-2所示，图中的波形g可视为两个不同频率载波的2ASK信号波形e和波形f的叠加。可见，2FSK信号由两个2ASK信号组成。其信号的时域表达式为：
本方法设计了本综合设计实验的调制部分。整个调制系统包括载波振荡器、分频器、反相器、调制器和加法器。
2进制数字频率键控(2)FSK）有许多常用的信号解调方法，在设计中采用过零检测方法。
过零检测方法是利用单位时间内信号波形与零电平轴交叉的次数来测量信号频率。解调系统组成原理框图如图3-3所示：
输入的FSK信号在限幅放大后变成矩形脉冲波，然后通过微分电路获得双向尖脉冲，然后通过整流获得单向尖脉冲。每个尖脉冲表示一个过零点，尖脉冲的重复频率是信号频率的两倍。将尖脉冲触发单稳态电路，产生一定宽度的矩形脉冲序列，与脉冲重复频率成正比，即与输入信号成正比。所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样把码元“1”与“0”在幅度上区分开来，恢复出数字基带信号。其原理框图及各点波形如图3-4所示：
载波振荡器的作用是提供2FSK调制系统所需的载波和信码定时信号，可由门电路或集成电路(555)组成多谐振荡器。
本实验系统所需的主载波振荡频率为16KHZ负载波，输出频率可调。
本实验系统采用集成电路(555)形成多谐振荡器，简化实验电路。 已知555集成电路的输出频率如下
555定时器的功能主要由图4-1电路决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源和地面之间增加电压，当5英尺悬挂时，电压比较器C同相输入端的电压为2VCC/3，C反相输入端的电压为2VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，比较器C2的输出为0，可使用RS触发器1，使输出端OUT=1。若阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端部电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2输出为1，可将RS触发器0波形如图4-2所示
根据设计技术指标的要求，主载波通常由D触发器组成合适的分频电路，以获得载频f1、fM序列所需的时钟信号。
在本实验中，分频器电路系统将主载波16KHZ二分频8KHZ信号作为f1；将8KHZ载波二分频4KHZ信号作为f2；再将4KHZ四分频得1KHZ信号作为fs，为M序列发生器提供编码时钟信号。分频器的实际电路如图4-3所示。
分频电路输出信号波形如图4-4所示
为使载波的波形是正弦波，需将分频器输出的方波转换成正弦波。采用低通滤波器可实现此功能，4KHZ波形变换电路及波形图如图4-5、4-6所示；8KHZ波形变换电路及波形图如图4-7、4-8所示。
m序列也称作伪随机序列，它的显著特点是：（a）随机特性；（b）预先可确定性；（c）可重复实现。
本次综合设计要求用D触发器构成四级移位寄存器，形成长度为位码长的伪随机码序列，码率约为1000B/s。
图4-9是实验系统中4级伪随机序列码发生器电路原理图。
从图中可知，这是由4级D触发器和异或门组成的4级反馈移位寄存器。本电路是利用带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，该电路输出的信码序列为：。信号波形如图4-10所示
2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。 由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（0->1或1->0）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在这里，我们采用的是载波调频法，其调制器电路原理图如图4-11或图4-12所示：
由图4-11可知，若用门电路构成调制器，其工作过程是：从“IN”端输入的基带信号分成两路，1路经74LS00D反相后接至U7B（74LS00）的控制端，另1路直接接至U7C（74LS00D）的控制端。从“F1”和“F2”输入的载波信号分别接至U7C和U7B的输入端。当基带信号为“1”时，门电路U7C打开，U7B关闭，输出第一路载波；当基带信号为“0”时，U7C关闭，U7B打开，此时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。波形如图4-13所示。
图4-13 2FSK信号波形
要实现2FSK信号，除用上述门电路调制器外，我们还可采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个不同的频率源作为输出。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。由四双向模拟开关CD4066构成的调制器电路如图4-12所示：输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制的载频，另一路经倒相去控制的载频。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，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。此时输出，于是可在输出端得到2FSK已调信号。如图4-14所示:（利用此方案时，需将8KHZ和4KHZ方波经相应低通滤波器转换成正弦波作为载波）
从前面原理的介绍中，我们知道2FSK调制信号的解调若用非相干过零检测法，由图可见，必须有七个单元模块来完成。考虑到2FSK信号的产生和解调集于同一仿真电路中，已调信号未经信道传输，没有畸变、没有信道的干扰，因而采用数字电路完成限幅、微分、整流和脉冲形成四大功能是较简单的，其参考电路如图4-15所示。电路输出信号波形如图4-16所示
由图可见，该脉冲形成电路用双J-K触发器74LS107、二极管、阻容等元件组成。
该电路具有单稳态特性，它的稳定状态是：Q=1或=0。当CP端有输入信号触发时，输入信号的下降沿使电路状态发生改变：Q=0或Q=1。这时J-K触发器清零端的电压VRD将缓慢降低，当降至1.4V左右时，触发器清零，电路又回到稳定状态，此时，二极管导通，电容C经二极管正向电阻rD反向充电，因为反向充电的时间常数τ充=rDC较小，因而触发器清零端的电压会很快上升至高电位上，保证Q端维持低电平。显然，输入信号的下降沿作用后，清零端电平下降到1.4V左右的时间长度与脉冲宽度有关，脉冲宽度τ放=W1C，调节W1可以改变形成脉冲的宽度。调节W1使脉冲形成电路上下两支脉冲的宽度分别小于T1/2（T1=1/f1），保证两路脉冲叠加后不混叠，但也不能使脉宽过窄，因为形成脉冲的宽度将影响低通滤波器输出幅度的幅度。
为了获得良好的幅频特性，脉冲展宽电路输出端所接的低通滤波器的带外衰减应很快，达40dB/十倍频程。实验中要求采用巴特沃斯低通滤波器，其电路如图4-17所示。输出信号波形如图4-18所示。
图中所示的低通滤波器为二阶有源低通滤波器。能提供40dB/十倍频程衰减量，由截止频率公式得到：
电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，所谓电压比较器就是将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。
在本实验的2FSK系统中，电压比较器的主要任务是将低通滤波器输出的数字基带信号进行零电平判决与实现波形的变换，使之成为规则的矩形波。其基本电路构成如图4-19所示；输出信号波形如图4-20所示。
该电路由通用电压比较器芯片LM311构成，其反相输入端接分压电位器的中心抽头，以取得参考电压Vb；当输入信号电压Vi≥Vb输出为1当输入信号电压Vi≤Vb输出为0。
抽样判决器的作用是：在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
过零检测电压比较器输出的信号，必须进行码再生电路（即抽样判决电路）才能恢复出和发送端相同的非归零码。在2FSK通信系统中，抽样判决电路通常用触发器对判决信号进行抽样再生，其基本电路如图4-21所示：输出信号波形如图4-22所示
由图可见，该电路使用D触发器构成，其时钟信号是由码元定时电路恢复的与发送端同频同相的位同步信号。
根据以上各单元电路的设计，得如图5-1所示。
调制与解调电路各
| 标识 |
规格 |
数量 |
| 电阻 |
195KΩ |
1 |
| 电阻 |
100Ω |
1 |
| 电阻 |
1KΩ |
1 |
| 电容 |
220pF |
1 |
| 电容 |
10nF |
1 |
| 二极管 |
1DH62 |
2 |
| 与非门 |
74LS00D |
2 |
| 非门 |
74LS04D |
1 |
| 4输入与门 |
74LS21D |
1 |
| D触发器 |
74LS74D |
3 |
| 异或门 |
74LS86D |
1 |
| 双J-K触发器 |
74LS107D |
1 |
| 4级D触发器 |
74LS175D |
1 |
| 通用运算放大器 |
TL082CD |
2 |
| 通用运算放大器 |
UA741CD |
1 |
| 电压比较器 |
LM311D |
1 |
| 电子开关 |
4066BD_5V |
1 |
通过这次实验，我对于2FSK调制与解调技术的特点、方法及其仿真实现有了更多了解，对于仿真软件Multisim的相关操作更加熟悉，有助于理论课、课程设计以及今后的进一步深入学习。