电子线路课程设计——2FSK调制的简单数字通信系统
实验内容
- 电源电路
- 基带信号生成电路
- 正弦载波一生成电路
- 正弦载波二生成电路
- 模拟电子开关实现的调制电路
- 解调电路
- 码元同步电路
- 抽样判决电路
设计方案与实现
一、电源板
设计方案概述
利用标准电压220V、50kHz得到±5V和±12V的直流电,则需要通过整流、滤波、稳压实现。
元器件与芯片清单:
双15V/30W变压器、整流桥(J4B42)、稳压芯片(LM7805、LM7812、LM7905、LM7915)、电解电容。
实际焊接电源板:
数据对比、分析
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
(下面仿真测试以输出+12V为例)
标准电压通过整流后滤波:
为了得到更平稳的电压,通过7812稳压芯片可得到:
实际焊接电路数据分析:
+12V:
-12V:
+5V:
-5V:
实际仿真电路与实际焊接电路数据对比:
实际焊接测试结果无问题,与仿真结果基本一致。
二、调制板
概述
调制板包含基带信号生成电路、128kHz载波生成电路、256kHz在波生成电路、调制电路,用于对要发射的信号进行调制。
实际焊接调制系统整体电路:
1. 基带信号生成电路(m序列)
设计方案概述
利用74LS194D移位寄存器生成16kHz的15位m序列。让寄存器的初始序列为0001,则理论上生成m序列000111101011001。利用杜邦线给74LS194D的9号管脚实现高低电平的切换(替代按钮的作用),从而实现设置初始序列和循环左移模式的切换。当9号管脚接高电平时,完成移位寄存器初始序列的设置,然后将9号管脚接入地,则开始循环输出m序列。
利用555定时器做一个振荡电路作为移位寄存器的时钟信号(16kHz)。
元器件与芯片清单:
电阻、电容、滑动变阻器、74LS194D芯片、NE555芯片、74LS86芯片。
数据对比、分析
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
555振荡电路输出:
移位寄存器QA端串行输出15位m序列:
实际焊接电路成品:
实际焊接电路数据分析:
555振荡电路输出:
移位寄存器QA端串行输出15位m序列:
实际仿真电路与实际焊接电路数据对比:
实际焊接电路与仿真电路结果几乎一致。
基带信号生成电路焊接小结:
考虑实际焊接参数的影响,所以在下面多加了滑动变阻器以方便调整输出的方波频率,最后成功调到16kHz左右的方波,占空比也约为50%,m序列输出000111101011001,输出正确。实际电路结果与实际电路仿真结果基本一致。
2. 128kHz正弦载波生成电路
设计方案概述
克拉泼振荡电路结构较为简单,调整起来相较滤波法更为容易,滤波法既要考虑555定时器发生的频率,还要考虑滤波器的滤波特性,甚至如果滤波器衰减过大,滤波之后的得到的信号幅值会较小,还要经过放大器才能继续传输,因为若是传输信号幅值过小,在解调电路的包络检波部分二极管可能会不导通,就无法完成包络检波。
元器件与芯片清单:
绕线电感、电阻、滑动变阻器、电容、三极管(2N2222A)。
数据对比、分析
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
仿真输出128kHz正弦载波:
仿真频率测试:
实际焊接成品:
实际焊接电路数据分析:
实际焊接电路输出128kHz载波:
实际仿真电路与实际焊接电路数据对比:
实际焊接电路与仿真在幅值和频率上存在误差。
误差分析:实际的元器件不可能像仿真电路般实际参数完全与型号一致,例如103电容
可能实际容值为15nF,电感也是如此,电容和电感的误差会造成频率的误差。
而幅值的误差主要在于三极管的分压电阻,所以我们决定在基极和发射极之间加入滑动变阻器方便调整幅值达到最想要的幅值,因为实际滑动变阻器和其他的定值电阻不可能与仿真电路的参数完全一致,从而造成了实际焊接电路的输出幅值不同。
在+12V的作用下,振荡电路的产生正弦波的幅值较大,一度超过了5V,最终我们调整正弦波的幅值稳在了4.5V左右。以保证输入到后面的电路不会产生削顶失真。
128kHz载波生成电路小结:
其实最开始焊接时的实际频率是调到了133kHz左右,不知道为何,到后来频率变为了146kHz,但只要解调的滤波器性能够好,并不会影响m序列的解调。
3. 256kHz正弦载波生成电路
设计方案概述
与128kHz载波生成电路相同。
元器件与芯片清单:
色环电感、电阻、滑动变阻器、电容、三极管(2N2222A)。
数据分析、对比
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
仿真输出256kHz正弦载波:
仿真频率测试:
实际焊接成品:
实际焊接数据分析:
实际仿真电路与实际焊接电路数据对比:
实际焊接电路与仿真在幅值和频率上存在误差。
误差分析:实际的元器件不可能像仿真电路般实际参数完全与型号一致,例如103电容
可能实际容值为15nF,电感也是如此,电容和电感的误差会造成频率的误差。但256
kHz载波电路在频率上与理想的误差较小,这存在运气成分,可能电感和电容的值刚好让电路成就了256kHz。
而幅值的误差主要在于三极管的分压电阻,所以我们决定在基极和发射极之间加入滑动变阻器方便调整幅值达到最想要的幅值,因为实际滑动变阻器和其他的定值电阻不可能与仿真电路的参数完全一致,从而造成了实际焊接电路的输出幅值不同。
在+12V的作用下,振荡电路的产生正弦波的幅值较大,一度超过了5V,最终我们调整正弦波的幅值稳在了3.5V左右。以保证输入到后面的电路不会产生削顶失真。
256kHz载波生成电路小结:
虽然与128kHz的幅值相差1V左右,但是相对差值较小,不影响后面的解调结果。
4. 调制电路
设计方案概述
利用4066双向开关芯片和之前产生的128kHz、256kHz作为载波,对基带信号m序列进行频率调制。
元器件与芯片清单:
CD4066芯片、74LS04芯片。
数据分析、对比
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
调制电路仿真调制结果:
实际焊接成品:
实际焊接电路数据分析:
实际焊接电路的调制结果如下:
实际仿真电路与实际焊接电路数据对比:
调制电路的仿真与实际焊接的结果基本一致,以256kHz为“1”,128kHz为“0”。
调制电路小结:
在实际接电源时,CD4066BE采用±5V电压和74LS04采用+5V电压。
在前期使用时,因为载波幅值较大,所以当时给CD4066BE接了±12V的电源电压,虽然不至于立即烧毁,但是升温明显比±5V要快很多,而且只能使用几分钟便要关电源冷却,否则容易直接烧毁。后来意识到这一点立即调整了载波幅值,并给CD4066BE改接±5V电源电压。
调制板总结
基带信号生成方面,我们采用了比较易实现的手动生成m序列,即需要对74LS194的9号管脚采取先给高电平再接地的方式产生m序列,虽然方式较为笨拙,但是更为简单。
载波方面,虽然老师说振荡电路比较难实现,但其实在焊接和调试过程中我们比较幸运地两路载波基本是一步到位,焊接好后载波能完美产生,只进行了电压容值的调整将频率尽可能地分别向128kHz和256kHz靠拢。在焊接128kHz时,我们采用绕线电感,比较顺利地生成了128kHz载波后。在焊接256kHz时,感觉时间比较充裕,便想着用色环电感试试它的Q值能否成功实现振荡,最后也是幸运地生成了256kHz载波,且幅值并不低。
调制方面,采用的是m序列作为256kHz的开关信号,而m序列的反向作为128kHz的开关信号,即调制过后的波形中,256kHz为信号“1”,128kHz为信号“0”。
说到调制,在我们焊接完调制的当天晚上,起初给CD4066BE的电源电压为±5V,但是会出现顶部失真的情况,分析过后是因为载波幅值过大导致的,将载波幅值调小至5V以下后即正常。但是因为载波生成电路的带负载能力不够,如果直接将生成的载波接入CD4066会出现频率和幅值都发生变化的情况,于是我们在两路载波输出后接入跟随器以增大载波输出的带负载能力,接入跟随器后调制输出波形才算是完全正常。考虑到后面调制波形也会输出至解调电路,也要考虑其带负载问题,于是我们也在调制输出后接入跟随器,增大其带负载能力,稳定调制输出波形。
三、解调板
概述
调解调板包含基带信号生成电路、128kHz载波生成电路、256kHz在波生成电路、调制电路,用于还原调制信号中携带的基带信号。
实际焊接解调系统整体电路:
1. 解调电路
设计方案概述
分别设计一路中心频率为128kHz和一路中心频率为256kHz的两级带通滤波器,将两路带通滤波器的输出信号分别经过包络检波,再将两路包络检波后的信号输入到比较器即可得到解调信号。
元器件与芯片清单:
二极管、电容、电阻、TL084芯片。
数据分析、对比
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
解调电路输入为调制电路输出:
中心频率128kHz带通滤波器输出:
中心频率128kHz滤波路包络检波输出:
中心频率256kHz带通滤波器输出:
中心频率256kHz滤波路包络检波输出 :
仿真两路滤波后波形比较:
蓝色为中心频率256kHz带通滤波输出,绿色为中心频率128kHz带通滤波输出。
可以看出经两路滤波后,两路滤波器因对不同频率的衰减不同,中心频率256kHz带通滤波输出中256kHz的载波成分的幅值明显大于128kHz。同理,中心频率128kHz带通滤波输出中128kHz的载波成分的幅值明显大于256kHz,这为后面的比较提供了保证。
两路包络检波后波形比较:
橙色为原m序列,红色为解调恢复后的序列。
两路仿真滤波器幅频特性分析:
中心频率128kHz带通滤波器:
中心频率大致在112kHz,-3db带宽大约为126kHz。
中心频率256kHz带通滤波器:
中心频率大致在222kHz,-3db带宽为153kHz。
实际焊接成品:
实际焊接电路数据分析:
中心频率128kHz带通滤波路输出:
中心频率256kHz带通滤波路输出:
两路滤波后波形比较:
两路包络检波后波形比较:
两路包络检波输出经比较器后得到最终解调信号:
黄色为原m序列,蓝色为最终解调后的序列。
实际焊接的两路滤波器幅频特性分析:
(因为没有频谱分析仪,以下只能利用信号发生器向滤波器传输信号,调整信号频率找到中心频率并测出-3db带宽)
中心频率128kHz带通滤波器:
根据上面数据得到中心频率128kHz带通滤波器的幅频特性曲线为:
中心频率大致在124kHz,-3db带宽大约为41kHz。
中心频率256kHz带通滤波器:
根据上面数据得到中心频率256kHz带通滤波器的幅频特性曲线为:
中心频率大致在276kHz,-3db带宽为55kHz。
2. 码元同步电路
设计方案概述
首先通过微分电路再经过整流、窄带滤波最后经放大电路得到一个时钟信号,该输出信号作为最后的抽样判决的clk端信号,优化得到的解调信号。
在实际系统中码元同步电路的输入为解调信号。
元器件与芯片清单:
电阻、电容、二极管、TL084芯片。
数据对比、分析
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
将解调得到的序列信号输入至码元同步电路后经微分得到:
橙色为解调后输入至码元同步电路的信号,蓝色信号经微分电路得到的信号。
整流后:
窄带滤波后得到信号:
经窄带滤波后得到主频为16kHz的正弦信号。
16kHz正弦信号经放大器:
一级放大:
二级放大:
得到时钟信号的频率为:
仿真窄带滤波器幅频特性分析:
中心频率大致在16kHz,-3db带宽大约为1.6kHz。
实际焊接成品:
实际焊接电路数据分析:
上方蓝色波形为解调信号作为实际码元同步电路的输入,下方黄色波形为解调信号经微分电路后的信号。
码元同步电路最后输出时钟与原时钟信号对比:
黄色为原时钟信号,蓝色为码元同步恢复出的时钟信号。
实际焊接窄带滤波器幅频特性:
(因为没有频谱分析仪,以下只能利用信号发生器向滤波器传输信号,调整信号频率找到中心频率并测出-3db带宽)
根据上面数据得到中心频率16kHz的窄带滤波器的幅频特性曲线为:
中心频率大致在17kHz,-3db带宽为3.5kHz。
实际仿真电路与实际焊接电路对比:
从仿真电路可以看出,窄带滤波后得到的正弦波经一级放大后边可以得到时钟信号,这是因为仿真的放大器是理想的,放大倍数大。但实际的放大器放大倍数不足以以一级放大完成正弦信号到方波的转变,因此实际要采用两级放大。
码元同步电路小结: 在新的方案中,我们采用二极管代替整流桥的方法使电路更加简单。且因为按原方案焊接时,窄带滤波再次发生自激,所以我们重新设计了窄带滤波器。并且在包络检波时,因为包络检波充放电慢,因此采用减小电容值的方法加快包络检波的充放电速度。
至此,才算是真正地改进完毕。
虽然实际焊接电路恢复的时钟信号并不完美,但是幸运地是也能够充当最后抽样判决的时钟信号。实际码元同步的结果与原时钟信号存在频差,且脉宽不一。这是因为滤波不干净导致的,本来是打算再加两级滤波器去更完美地恢复时钟信号,但是考虑到当时的时间紧张,就没有再去更进。
3. 抽样判决电路
设计方案概述
利用74LS74 D触发器芯片,码元同步电路得到的输出作为时钟信号输入,解调电路的输出作为D端口的输入。
元器件与芯片清单:
74LS74芯片。
数据分析、对比
实际方案仿真电路:
实际方案仿真电路数据分析:
解调信号和码元同步信号作为抽样判决的输入:
蓝色的为解调输出至抽样判决的输入信号,绿色为码元同步电路输出至抽样判决的16kHz时钟信号。
仿真抽样判决电路输出:
实际焊接成品:
实际焊接电路数据分析:
实际焊接抽样判决电路输入:
黄色为解调输出信号,作为抽样判决电路的输入信号;蓝色为码元同步电路输出信号,作为抽样判决电路的时钟信号。
实际焊接抽样判决电路输出:
黄色为原m序列,蓝色为抽样判决输出。
实际仿真电路与实际焊接电路对比:
实际仿真与实际焊接电路输出结果基本一致。
抽样判决电路小结:
抽样判决的功能就是用于规范解调后信号码元的长度,因为对于解调后的信号,假如“111”序列理应对应的长度为3个码元长度,但解调后可能只有2.5个码元长度,所以需要对抽样判决电路输入16kHz的倍数的时钟信号和解调后的信号用于保证序列的长度正常。
解调板总结:
解调方面,我们采用了两级带通滤波器,两路较为顺利地滤除了另一载波分量(即使两载波的幅值有明显差别),两路再通过包络检波将信号解调,再经比较器更好地还原m序列。
码元同步方面,采用了先微分再整流,最后经中心频率在16kHz左右的窄带滤波器得到16kHz的正弦信号,再通过放大器将正弦信号的幅值放大并利用放大器的电源电压限幅作用得到方波信号。
考虑到解调电路和码元同步电路都有下一级电路,就要考虑其带负载问题,于是我们也在解调电路输出和码元同步电路输出后接跟随器,增大其带负载能力,稳定调制输出波形。
抽样检波在小结提到其实就是将解调电路得到的序列的长度规范化。
最终实现系统
整体通信系统(有线)实际焊接电路: