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石厄受
7 years ago
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1 周庄电子综合实训指导说明目的 : 掌握通信过程的系统概念, 加强对通信电子电路和实际通信过程的理解通过实现一种数字通信的完整过程, 掌握该通信过程中的相关电子电路原理和实现技术, 培养实际动手能力内容 :FSK 数字通信技术第一部分 :2FSK 数字通信系统的基本原理 FSK 是数字通信中用得较广的一种数字调制方式国际电报电话咨询委员会 CCITT( 现为国际电信联盟 ITU) 推荐在低于 1200bit/s 数据率时使用 FSK 因此, 本电子试训过程计划选用 2FSK 调制和 2FSK 解调的数字通信过程作为学生实际动手设计和制作的主要内容 1. FSK 调制过程的基本原理 2FSK 信号的产生一般采用模拟调频法和键控法两种模拟调频法所产生的 2FSK 信号是利用矩形脉冲信号对一个载波进行调频来实现的, 其基本原理如图 1 所示矩形脉冲调制信号 S (t) FM 调制器 s m (t) 载频 cosω c t 图 1. 模拟调频法实现 2FSK 调制图 1 中 s(t) 是根据数字调制信息进行码型转换后形成的随机脉冲信号 ; 输出信号 s m (t) 即为已调信号模拟调频法根据调制信号对载波信号相位或 1

2 者频率的直接作用形式又可以分成直接调频法和间接调频法两种方式其中, 直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率, 使其按调制信号的规律线性变化直接调频信号的表达式为 : t sm() t = Acos ω ct+ KFs( τ) dτ (1) 直接法的主要优点是在实现线性调频的要求下, 可以获得较大的频偏缺点是频率稳定度不高因此往往需要采用自动频率控制系统来稳定中心频率而间接法是先对调制信号积分后对载波进行相位调制, 从而产生窄带调频信号 (NBFM), 然后, 利用倍频器把 NBFM 变换成宽带调频信号 (WBFM) 所谓宽带调频和窄带调频的概念是根据调制后载波瞬时相位偏移的大小来划分的一般宽带与窄带调制的区分并无严格的界限, 但通常认为由调频所引起的最大瞬时相位偏移远小于 30, 即 t π KFs( τ) dτ = (2) 6 max 时称为窄带调频 ; 否则, 称为宽带调频采用模拟调频方法的特点是 : 所输出二进制调频已调信号的相位是连续的, 但是, 实现电路复杂, 调试困难根据数字调制信号的特点, 脉冲调制信号 s(t) 的取值只有两种状态, 因此有 : t sm() t = Acos ωct+ KFs( τ) dτ Acos [ ωct+ KFt+ θn], s( t) = + 1, 概率 P = (3) Acos [ ωct KFt+ ϕn], s( t) = 1, 概率 1-P Acos ( ωc 1t+ θn), s( t) = + 1, 概率 P = Acos ( ωc2t+ ϕn), s( t) = 1, 概率 1-P 这样,2FSK 调制过程实际上就是利用调制信息 s(t) 来控制选则两种不同频率载波信号过程, 即所谓的频移键控方法频移键控方法实现二进制信号调频的基本原理如下图 2 所示 : 2

3 载频 cosω c1 t 载频 cosω c2 t 模拟开关 s(t) 矩形脉冲调制信号 s m (t) 图 2. 键控法实现 2FSK 调制由图 2 可看出 : 利用调制信息来控制模拟开关选择相应的载频信号源, 从而实现 2FSK 信号产生因此,2FSK 信号也可以表示为 : () () cos( ω θ ) () cos( ω ϕ ) s t = s t t+ + s t t+ (4) m c1 n c2 n 移频键控法电路实现和调试简单, 且集成度高, 但其缺点是 : 在 s(t) 为 0 和 1 信息转换时刻载频信号 cosω c1 t 和 cosω c2 t 之间不能保证相位的连续, 从而存在一定程度的频谱泄漏本实验模块设计中采用键控法原理实现 2FSK 调制信号的产生 2.FSK 解调过程的基本原理 FSK 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考虑到本课程试训实验的时间难易程度和可实现性, 故选用过零检测法实现 FSK 信号的解调作为本课程试训的指导性内容我们知道, 闸门法实现频率测量的基本原理就是通过计算单位时间内信号经过零点的次数多少来计量信号的频率实现 FSK 解调的基本思想就是要区分出 2 种载波的频率, 并用 2 种不同状态 0 和 1 来表示, 从而实现数字信息的提取这也是过零检测法的基本思想过零检测法原理框图如图 3 所示 2FSK 输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列, 经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列, 这个序列就代表着调频波的过零点尖脉冲触发一宽脉冲发生器, 变换成具有一定宽度的矩形波, 该矩形波的直流分量便代表着信号的频率, 脉冲越密, 直流分量越大, 反映着输入信号的频率越高经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量这样就完成了频率 - 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 3

4 2FSK 信号输入带通滤波限幅微分整流宽脉冲发生低通信号再生取样图 3 过零检测法方框图第二部分 : 基于过零检测技术的 FSK 通信电路设计 FSK 信号产生部分的主要功能为正弦信号源 cos 1 ω c t 和 cosω c 2t 的产生, 以及数字信号源和控制合成部分 3 大主要功能模块本试训过程中,2 个载波信号的频率分别选定为 20KHz 和 40KHz 这样, 数字调制信息的脉冲宽度可定在 0.25ms( 即码元速率为 4kB) 左右我们在电子电路模拟电子技术和数字电子技术等相关课程的学习中产生正弦波信号的方法 1. 调制信息的产生电路设计根据通信原理我们知道, 实际通信过程中的调制信息是某种稳态随机过程的样本, 不能对系统的性能进行规律性地特征统计分析而为了便于研究电路的性能, 一般调制信息需要重复产生, 并具有一定的周期性, 便于对电路进行性能进行标准化测试因此, 往往采用伪随机序列作为测试电路的实验调制信号我们采用周期为 15 的 m 序列作为调制信号下图 4 电路即为 4 级 m 序列信号发生器电路 ( L = 2 1), 其本原多项式为 : 图 4 具有自启动功能的输出长度为 15 的 m 序列发生器电路 4

5 ( ) f x x x 4 3 = (5) 实际电路设计中, 应考虑到全 0 状态下的电路自启动能力, 故图 4 中增加了 4 端输入或门 U5-B 和异或门 U4-B 构成或非逻辑, 以消除全 0 状态 U15 为 4 级移位寄存器 74LS175, 其管脚说明和功能见下面的器件介绍 74LS175 的输出脚 Q3 端和 Q 3即分别为公式 (4) 中的数字调制信号输出 s( t ) 和 s() t 移位寄存器的时钟信号则由 NE555 定时器产生的多谐振荡脉冲提供具体电路如图 5 所示图 5 定时器 NE555 构成的等比多谐振荡器电路图 5 为电子技术课程中所介绍的典型方波发生器电路其周期可由下式估算 : ( ) 或者 cp (6) R ( C + C ) T = 1.4R C + C f = cp 为了便于调整方波信号的周期再 0.25ms 左右, 电阻 R5 已经固定为 2.7K; 电容 C21 设计为待选用参数, 根据实际元件参数的分散性, 具体调试 2. 载波信号的产生电路设计本课程试训电路中的载波信号采用的是文氏电桥振荡电路该电路的特点是简单, 容易起振, 但它的频率稳定性较差, 且只有用双电源供电时, 才会起振, 用单电源时无法工作具体电路原理电路如下图 6(a) 和 (b) 所示

6 (a) (b) 图 6 文氏电桥电路分别产生 20KHz 和 40KHz 左右的正弦信号以图 6(a) 为例, 文氏电桥电路的振荡频率计算公式如下 f c 1 = 2π R50 C26 C43 ( + ) (7) 为了便于起振, 电路参数选择还需要满足条件 6 R53 + R56 > 2 R48 + R63 和 R49 + R57 > 2 R52 + R65 我们已经初步定为 2 个载波频率分别为 20KHz 和 40KHz, 所以, 图 6 中 R54 R55 和 R50 R51 已经确定下来, 只是留有 C76 C74 和 C75 C43 供具体电路参数调整需要说明的是, 由于后续模拟开关 74HC4066 是 +5V 单电源供电, 而文氏振荡器的输出信号是双极性正弦波, 所以需要将输入至模拟开关的载波信号抬高到电平 0V 以上, 即图 6(a) 和 (b) 中的输出信号均需要如下图 7 电路实现电平转换

7 图 7 实现 ±5V 交流信号至 0~+5V 的交流信号转换 3.FSK 已调制信号的合成电路设计根据键控法的基本原理, 产生 FSK 信号实际上是通过数字调制信号对开关进行控制, 实现 2 个正弦信号 cos 1 ω c t 和 cos c 2t ω 的组合输出根据式 (4) 可知, 通过模拟开关实现数字调制信号与载波信号相乘 ; 再利用加法器实现信号的相加具体电路如下图 8 所示图 8 FSK 信号产生电路模拟开关 74HC4066 是单片 4 门集成电路, 故采用了并联组合使用的形式, 可以降低模拟开关的导通电阻, 提高开关的负载能力在实际电路调整过程中, 可通过可变电阻器 R30 和 R35 实现输出信号的幅值相同射级跟随器可实现输出隔离 4. 过零检测与数字整流信号的产生电路设计接收到的已调 FSK 信号在进行过零检测之前一般需要先进行带通滤波 7

8 和限幅处理, 见图 3 所示考虑到本通信电路的信道特征 ( 直接连接 ), 所以, 直接采用了过零点比较器实现限幅和过零点检测比较器采用 LM393A, 尽管该集成电路为 ±5V 双电源供电, 但其输出为集电极开路形式, 故可以直接转换成 TTL 电平, 与后续数字电路 74HC4538 边沿触发单稳态电路兼容图 9 过零比较器图 10 过零检测和宽脉冲形成电路根据 74HC4538 的逻辑功能 ( 见下部分元器件介绍 ) 可知, 基于过零检测的 FSK 非相干解调原理图 3 中的微分整流及宽脉冲产生三部分功能, 可以直接选用不同的触发组合方式直接由 74HC4538 实现具体原理电路见图 10 所示图 10 中, 集成电路 U12 是双单稳态触发器 74HC4538,U12-A 实现过零脉冲上升沿检测并产生相应的宽脉冲信号 ;U12-B 实现过零脉冲下跳沿检测并产生相应的宽脉冲信号 ;U5-B 或门 MC14072B 的组合输出完成了全波整流和过零点脉冲信号产生只要宽脉冲信号的脉冲宽度一定, 则触发信号频率的变化, 就会使得 U5-B 或门输出的脉冲信号的平均电平不同要区分出 FSK 触发信号的 2 种不同频率 f 1 20 T c c = KHz 和 f 2 40KHz c =, 则要求脉冲 2 宽度满足条件 τ = 12.5μs 本试训电路设计中单稳态脉冲参数可选 12μs 2 左右根据 74HC4538 的使用说明, 其脉冲宽度 C RC 端的连接电阻电容参数决定, 以 U12-A 为例, 其脉冲宽度计算式为 ; R115( C20 C63) (8) τ + 式 (8) 中, 电容 C63 参数待调整时决定 74LS4538 在使用过程中, 要求与 RC 端连接的上拉电阻值应大于 1KΩ 8

9 5. 数字调制信息的恢复电路设计图 10 中, 由于上跳触发和下跳触发所产生的脉冲宽度固定不变, 因此, FSK 已调信号中载波的变化将转换成脉冲序列的占空比变化此脉冲序列经过低通滤波之后, 则脉冲序列占空比的变化转变成了平均电压幅值的变化, 见图 11 所示电路图 11 低通滤波器电路图 11 中, 由 R73 和电容 C10 C5 构成的 RC 低通滤波器, 即实现了这种 F/V 转换 ; 该信号再经电容 C22 耦合后经 U3-A 构成的低通放大器放大后, 便可以得到明显的随调制信号变化的脉动信号由于该脉动信号是经过了低通滤波之后的输出, 所以, 一般需要在经过抽样判决和脉冲整形来实现原脉冲信号的再生为了简便起见, 本试训电路中不存在数字调制脉冲同步和脉冲再生功能单元电路, 仅采用了施密特自比较器实现一定程度的脉冲整形, 见图 12 所示图 12 施密特自比较器电路 9

10 图 12 中的施密特自比较器由 U3-B 射极跟随器 R82 和 C25 C131 低通滤波器, 以及 U1-B 施密特比较器构成低通滤波器的参数选择对系统的性能有较大影响不同的数字调制信息速率决定了不同的 RC 滤波参数 RC 滤波器的时间常数太大, 或者电容值太大, 则不仅影响系统的传输时延, 而且影响到系统的传输速率, 但系统的误码率会降低 ; 如果时间常数太小, 自比较电平的幅值能跟踪调制信息的变化而变化, 系统延时也相对小些, 但是, 系统的误码率会增加, 同时正负码元宽度会不一致, 使得整形后的码型更不标准所以, 电路设计时特别增加了 C13 供实际调整时使用第三部分 : 试训电子电路中的主要集成电路应用注意事项 1.TL082AC 和 TL084AC 通用运算放大器 TL082AC/082AC 为 DIP 封装, 其顶视图如下所示图 13 TL084AC/082AC 的顶视图 2.LM393 比较器 LM393 输出集电极开路双比较器是 DIP 封装其顶视图及原理图如下图所示 10

11 图 14 LM393 比较器的原理图和封装顶视图 3.74HC4538 单稳态信号发生器 74HC4538 是双单稳态触发器,DIP 封装其顶视图和应用连接方式如下图 15 所示图 15 CD14538 的顶视图和典型应用原理图 4.CD40175 四门 D 触发器 CD40175 是四门 D 触发器,DIP 封装其逻辑图和顶视图如下图 16 所示 : 图 16 CD40175 的逻辑图和顶视图 5.74HC4066 模拟开关 74HC4066 是四门模拟逻辑开关集成电路,DIP 封装其顶视图逻辑图和功能表如下图 17 所示 : 11

12 图 17 模拟电子开关 74HC4066 的顶视图和功能原理图, 以及逻辑状态控制表表 1 给出了该电路的主要特性其中需要说明的是, 该模拟开关只能是单电源供电, 所以, 其输入和输出信号的幅值尽量保证在 0~VDD 的范围之内表 1: 模拟电子开关 74HC4066 的主要特性 6.NE555 单定时器图 18 NE555 的顶视图和原理图 7.CD4070 异或门和 MC14072B 四输入或门 12

13 图 19 CD4070 四门异或门和 MC14072B 四输入或门的顶视图和逻辑图第四部分 : 主要功能电路调试点信号参考波形本课程实验中的实训电路 PCB 布局布线图如下图 20 所示对照其原理图部分中的测试点, 需要在调试过程中观察该图中各个测试点的波形, 并加以计算分析, 达到原设计参数要求图 20 元器件布局布线 PCB 图主要测试点有 : 电源部分 :PWR1 +5V 电源 ;PWR2-5V 电源 13

14 接地点 GND1,GND2,GND3,GND4 FSK 调制部分 :OSC1 20KHz;OSC2 40KHz T1 模拟开关输出 20KHz T2 模拟开关输出 40KHz T3 OSC2 电平变换之后的输出 T4 OSC1 电平变换之后的输出 FSK_M FSK 已调制信号输出 FSK 解调部分 :T_REC FSK 信号输入 R1 上跳沿触发宽脉冲信号 R_2 下跳沿触发宽脉冲信号 R_3 数字整流脉冲合成信号输出 R_4 低通放大信号输出 R_5 自施密特比较器输出 R_6 FSK 脉冲整形信号输入 R_LP RC 低通滤波输出 ; PD_DEM 解调输出第五部分 : 试训要求与成绩评定完成 FSK 调制和解调 2 部分电路的功能电路安装调试, 同时撰写实验报告实验报告主要内容包括以下 4 个主要部分 : 1. 设计实验的目的和设计任务 2. 主要电路原理说明和主要参数设计计算 3. 调试经验总结和调试结果说明 4. 实训体会思考 : 在本实验过程中所利用的载波产生电路, 其频率稳定度不高, 精度也比较差, 且需要双极性电源如果利用稳定度比较高的晶体振荡方波发生器 ( 如下图所示 ) 来实现载波频率信号的产生, 则应该如何综合考虑载波数字信号电路的时钟等电路进行设计? 晶振的频率需要满足什么条件? 晶振 f 0 14

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路