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1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称 专业课程设计 课题名称 2FSK时分复用通信系统的 研究与设计 专 业 电子信息工程 指导教师 浣喜明 2010年 01月02日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 专业课程设计 题 目 2FSK时分复用通信系统的研究与设计 审 批 任务书下达日期 2010年 01 月 02日设 计 完成日期 2010年 01 月 20 日 设计内容与设计要求一、设计内容：设计一个2FSK时分复用通信系统，包括数字信源、数字终端、数字调制、2FSK解调、位同步及帧同步模块。1、设计系统方框图以及各单元电路图；2、应用SystemVIEW软件对系统进行仿真。二、设计
2、要求1、设计思路清晰，给出系统框图以及各单元电路图；2、给出SystemVIEW仿真结果；3、撰写设计说明书。主要设计条件电脑一台（已装有SystemVIEW软件）；通信原理实验箱一个；说明书格式1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 设计基本原理与系统框图。5. 各单元电路设计；6. SystemVIEW仿真结果；7. 总结与体会；8. 附录；9. 参考文献。进度安排12月10日：下达设计任务书，介绍课题内容与要求； 12月11日12月25日：查找资料，设计系统框图、各单元电路、利用实验装置对系统进行调试。；12月26日12月29日：编写并打印设计报告；12月30日：答辩。
3、参考文献1、樊昌信主编，通信原理，国防工业出版社。2、SystemVIEW使用手册。3、通信原理实验指导书。目录1设计基本原理与系统框图12各单元电路设计22.1 数字信源22.2 数字终端42.3 数字调制52.4 2FSK解调72.5 位同步82.6 帧同步103SystemVIEW仿真113.1 帧同步模块仿真113.2 模数变换时分合复用模块仿真123.3 2FSK调制、解调模块仿真134总结与体会155附录166参考文献171.设计基本原理与系统框图图1.1给出了2FSK时分复用通信系统的原理框图，由信源（数据m1(t)和数据m2(t)两路数据）、复接器、数字调制（2FSK）、载波同
4、步、解调（2FSK）、分接器、位同步、帧同步及数字终端（数据D1(t)和数据D2(t)两路数据）等部分组成。m（t）为时分复用数字基带信号，为NRZ码。发滤波器与手滤波器的作用于基带系统相同。由数字信源任意给出两路不同速率的数据，将两路不同速率的数据送到复接器，复接成一路数字基带信号，经过2FSK来调制再经过信道的传输，在接收端将接收到的信号使用2FSK解调，用复接器将两路信号分离出来这就是一个2FSK的通信系统。数字信源输出时分复数字基带信号用单极性不归零码NRZ码，其中有一个时隙为帧同步信号，两个时隙为数据信号。帧同步与位同步模块从NRZ中提取帧同步信号和位同步信号，并且将数据和同步信号对
5、齐后输出。三路信号提供给终端，终端就可以把两路复用数据信号正确的提取出来。噪声D2(t)D1(t)载波同步帧同步位同步帧同步位同步m2(t)m1(t)复接器2FSK 调制器信道2FSK 解调器发滤波器收滤波器分接器帧同步图1.1 2FSK时分复用通信系统原理框图2各单元电路设计2.1 数字信源本单元产生NRZ信号，其帧结构如图2.1.1所示。帧长为24位，其中首位无定义，第2到第8是帧同步码（7位巴克码1110010），另外16位为2路数字信号，每路8位。此NRZ信号集中插入帧同步时分复用信号实验电路中数据码用红色发光二极管指示，帧同步码及无定义位用绿色发光二极管指示。发光二极管亮状态表示1码
6、，熄灭状态表示0码。 帧同步码 数据1 数据2X1110010XXXXX X XXXXXXXXXX无定义位 图 2.1.1帧结构数字信源模块是整个系统的发终端，模块内部只使用+5V的电压，其原理方框图如图2.1.2所示。并行码产生器 八选一八选一八选一S1CLKS2S3分频器晶振NRZS5FSS4抽样三选一 SS-OUTBS NRZ-OUT倒相器 图 2.1.2 数字信源方框图 数字信源的电路图如图2.1.3所示，下面对图中的分频器（即八选一和三选一）等单元作进一步分析说明。1) 分频器 74161进行13分频，输出信号频率为314KHZ 74161上一个4位二进制加计数器，预置在3状态。 7
7、4193完成1/2，1/4，1/8，1/16运算，输出BS，S1，S2，S3，等4个信号。BS为位同步信号，频率为170.5KHZ。S1，S2，S3为3个选通信号，频率分别为BS信号频率的1/2，1/4，1/8。74193是一个4位二进制加/减计数器，当CPD=PL=1，MR=1时，可以在Q0，Q1，Q2及Q3端分别输出上述4个信号。40160是一个二进制加计数器，预置在7状态，完成1/3运算，Q0和Q1端分别输出S4，S5，这两个信号的频率相等，等于S3信号频率的1/3。2) 八选一采用8路数据选择器4512，它内含了8路传送数据开关，地址译码器和三态驱动器，其真值表如表一所示。U5，U6和
8、U7 的地址信号输出端A，B，C并连在一起分别接K1，K2，K3输出的8个并行信号连接。可以分析出U5，U6，U7输出信号都是码速率为170.5KB，以8位为周期的串行信号。 3) 三选一三选一电路原理同八选一电路原理。S4，S5信号分别输入到U8的地址端A和B，U5，U6，U7输出的3路串行信号分别输入到U8数据端X3，X0，X1，U8的输出段即是一个码速率为170.5KB，的2路时分复用信号，此信号为单极性不归零信号（NRZ）。图2.1.3 数字信源电路图2.2 数字终端数据输入为单极性非归零信号，位同步信号和帧同步信号，把两路数据信号从时分复用信号中分离出来，输出两路串行数据信号和两个8
9、位的并行数据信号。 串/并变换及并/串变换电路都有需要位同步信号和帧同步信号，还要求帧同步信号的宽度为一个码元周期且其上升沿应与第一路数据的起始时刻对齐，因而送给移位寄存器的帧同步信号也必须符合上述要求。终端模块将帧同步器提取的帧同步信号送到单稳的输入端，单稳设为上升沿触发状态，其输出脉冲宽度略小于一个码元宽度，然后用位同步信号对单稳输出抽样.数据终端需要输入位同步信号、帧同步信号和数据信号，然后通过发光二极管表示数据的输出。数字终端原理方框图如图2.2.1所示：显示延迟1 并/串转换串/并转换BS-IN D1延迟2 BDS-IN并/串转换整形串/并转换FS-IN D2FDFD-15FD-7延
10、迟3显示 FD-8FD-16 F2 B2图 2.2.1 数字终端原理方框图2.3 数字调制要将NRZ码经过2FSK调制成为2FSK信号主要有两种方法：第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，使其能够输出两个不同频率的码元；而另一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。在此，我们采用第二种方法（键控法）。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渡频率，它的转换速度快，波形好。这里采用键控法来产生2FSK信号，其原理方框图如图2.3.1所示：频率源1 f0开关电路 S（t）频率源2 f1图 2.3.1 2FSK产生方法 调制模块将输入的绝
11、对码AK（NRZ码）变为相对码BK、用键控法产生2FSK信号。调制模块内部只用+5V电压，数字调制单元的原理方框图和电路图如图2.3.2和2.3.3所示。晶振滤波器2FSK调制滤波器 2FSK输出 NRZ 图 2.3.2 2FSK调制框图图 2.3.3 2FSK调制电路图2.4 2FSK解调2FSK信号的解调方法有：包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等，在这个课程设计里我们采用过零检测法。过零检测法是数字调频波的过零点数随不同载波而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异。输入信号经限幅后产生矩形波序列，经微分整流后就形成与频率相应的脉冲序列。这个序列就代表着调频波的过零点，将其变换成
12、具有一定宽度的矩形波，并经低通滤波滤除高次谐波，便能得到对应于原数字信号的基带脉冲信号，从而达到解调的目的。2FSK解调的方框原理图如图2.4.1所示。AK-OUTBS-INCMLPFFD2FSK-IN单稳1单稳2整形1相加器低通滤波器整形2抽样器图 2.4.1 2FSK解调方框图2FSK解调电路通过反向器进行反相，使之成为一系列的脉冲信号，将整形后的信号通过单稳态触发器并相加，以完成2FSK的过零检测。信号在通过一系列的电容、电阻滤除掉高次谐波并将校信号放大，而此时，运算放大器LM318相当于一个低通滤波器。此时检测到的信号是通过反向之后的信号，所以需要再通过一次整形将其还原后才能进行抽样。
13、为了让输入的信号的每一位都与输入的信号同步，因而将位同步信号作为时钟信号输入D触发器，由此才能得到解调后的输出信号。其中的整形1和整形2的功能与比较器类似，在其输入端将输入信号叠加在2.5V上。74HC04的状态转换电平约为2.5V，可把输入信号进行硬限幅处理。整形1将正弦2FSK信号变为TTL电平的2FSK信号。整形2和抽样电路共同构成一个判决电平为2.5V的抽样判决器。单稳1与单稳2分别被设置为上升沿触发和下降沿触发。它们与相加器一起共同队TTL电平的2FSK信号进行微分、整流处理。R16可以调节滤波器的频率特性及LPF信号幅度，LPF不是TTL电平信号且不是标准的非归零码，必须进行抽样判
14、决处理。U34对抽样及判决输出信号进行整形。2FSK解调电路如图2.4.2所示。 图 2.4.2 2FSK解调电路图2.5 位同步在数字通信系统中，发端按照确定的时间顺序，逐个传输数码脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确判决所发送的码元，因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列。这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲序列一致，同时在最佳判决时刻（或称为最佳相位时刻）对接收码元进行抽样判决。可以把在接收端产生这样的定时脉冲序列称为码元同步，或称位同步。其原理方框图如图2.5.1所示。晶振数控振荡器数字环路滤波器脉冲展宽控制器鉴相器量化器S-IN
15、BS-OUT图 2.5.1 位同步原理方框图位同步器由控制器、数字锁相环及脉冲展宽器组成，数字锁相环包括数字鉴相器、量化器、数字环路滤波器和数控振荡器单元。数字锁相环是一个单片机系统，主要器件是单片机89C51及可编程计数器8254。环路中使用了两片8254，共六个计数器，分别表示8254A0、8254A1、8254A2、8254B0、8254B1、8254B2。它们分别工作在M0、M1、M2三种工作方式M0问哦计数中断方式，M1为单稳方式，M2为分频方式。量化器把相位误差变为多进制数字信号，它由工作于M0方式、计数常数为N0的8254B2完成（N0为量化级数，此处N0=52）。 数字环路滤波
16、器由软件完成，可采用许多种软件算法。而数控振荡器由四个8254计数器及一些门电路构成，用来完成环路的锁定与捕捉。位同步的电路图如图2.5.2所示。图 2.5.2 位同步电路图2.6 帧同步在时分复用通信系统中，为 正确地传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，可以集中插入，也可以分散插入。在传输数据时则把若干个码元组成一个个的码组,即一个个的“字”或者“句”，通常称之为群或者帧。群同步的任务是把字，句和码组区分出来，群同步又称为帧同步。在十分复用通信系统中，为了正确地传输信息，必须在信息流中插入一定数量的帧同步码，可以集中插入，也可以分散插入。在本系统中帧同步识别码为7位巴克码，集中
17、插入到每帧的第2至第8个码元的位置上，帧同步模块的原理框图如图2.6.1所示。 FS-OUT单稳与门3BS-IN与门4或门S 触 Q发R 器 与门1判决器相加器移位寄存器与门2S-IN GAL VC图 2.6.1 帧同步原理方框图3SystemVIEW仿真3.1 帧同步模块仿真如图3.1.1是一个7位帧同步仿真原理图。其中使用了一个8位以为寄存器的前7位和3个非门构成检测电路，加法器的输出经过判决器检测出大于6单峰脉冲。数据简单的用了一个100Hz的PN序列代替，时钟信号的频率与PN数据流的速率一样也为100Hz。由于采用PN序列模拟实际带有的巴克码的数据流，因此，仿真运行时如果仿真的采样点数
18、太少则可能看不到单峰脉冲，此时可以重复仿真或加大采样点数。如图3.1.2是巴克码检测器检测单峰脉冲、数据与时钟的波形覆盖图。图 3.1.1 帧同步仿真原理图图 3.1.2 单峰脉冲、数据与时钟的波形覆盖图3.2 模数变换时分合复用模块仿真 如图3.2是实现模数变换时分合复用的模块仿真原理图（包括仿真结果），其中模拟信源1 为频率为1 kHz 的正弦波,模拟信源2为频率为2 kHz 的正弦波,通过抽样,非均匀量化后,通过A/ D 转换,把离散信号变为数字信号。通过TDUX 时分复用器同时实现并/ 串转化和时分复用,成为一路串行数字信号。这里要注意的是抽样时间和时分复用的时间的关系,这里的抽样频率
19、为8 kHz ,而TDMUX 的time per input 的参数为0. 001 s 。由于抽样后的仿真点数与原来模拟信号的仿真点数不一致,中间可能出现错误,这时需要加入Hold 单元来补偿缺失的仿真点数。从原理上讲,应当将数字信号调制,然后通过信道,再解调,这里为了简化实现的复杂度,用了比较简单的2FSK调制方式,通过单刀双掷开关来实现。而信道用了一个简单的线型信道,直接添加了一个高斯噪声,高斯噪声的均方误差为0. 01 。图 3.2 模数变换时分合复用模块仿真原理图3.3 2FSK调制、解调模块仿真 如图3.3.1是实现2FSK调制、解调的模块仿真原理图。其中模拟信源1是频率为1000H
20、z的弦信号，信源2是频率为2000Hz的正弦信号，信源0是频率为100Hz的用来代替数据流的PN序列。经过键控产生2FSK信号，然后加入高斯噪声分两路解调，带通滤波器6的参数设置为800Hz到1200Hz，带通滤波器7的参数设置为1500Hz到2200Hz，低通滤波器10和11的参数均设置为50Hz，最后经过模拟比较器输出解调后的信号。仿真结果如图3.3.2所示。图 3.3.1 2FSK调制、解调模块仿真原理图图 3.3.2 2FSK仿真结果4总结与体会为期三个星期的专业设计结束了，经过本次专业设计，自己对Systemview和protel软件有了进一步的了解，并且又加深了自己对2FSK通信系
21、统的理解。在做课程设计的过程中出现了很多问题，但通过自己对Systemview软件的学习，问题大多数被解决了。刚开始我只设计了2FSK调制及解调模块，因为其它的我觉得老虎咬天无处下口啊！不过后来我在图书馆借了一本systemview使用手册和一本systemview动态系统分析及通信仿真，再结合实验指导书终于设计出了较为完整的2FSK通信系统。首先，将两路模拟信号分别进行抽样、量化，然后进行AD变换，之后再进行时分合复用，接着将输出机保持器然后进行2FSK调制、解调，再进行时分份复用、DA转换，再进行扩展、抽样、滤波等最后还原出原来的模拟信号。在进行仿真的时候，遇到最大的困难就是参数的设置，这
22、其中的关键就是抽样的速率和采样的点数的设置。速率和点数太大就看不清波形，而且仿真时间长，有时候甚至仿真不出来。刚开始我把2FSK调制、解调模块的信源频率设置为100Hz和150Hz，要传输的信源频率设置为1000Hz和2000Hz,结果就仿真不出来，后来我把2FSK调制、解调模块的信源频率也设置为1000Hz和2000Hz就OK了。仿真出来后，接下来就是用protel画电路图，这个过程我没花太多的时间，因为那些电路图在实验指导书上都有，只要把图看懂照着画就行了。这次专业设计受获最大的我想应该是systemview软件的使用吧，以前虽然也接触过，但是没有认真的去用过、研究过！除此之外，对于2FS
23、K通信系统也较以前有了更为深刻的理解。5附录2FSK通信系统总体仿真如图5.1所示：图 5.1 2FSK通信系统总体仿真原理图6参考文献1、樊昌信主编，通信原理，国防工业出版社。2、SystemVIEW使用手册。3、通信原理实验指导书。4、罗卫兵，孙桦，张捷编著.SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计，西安电子科技大学出版社。5、鲜继清，张德民主编.现代通信系统，西安电子科技大学出版社。6、王钦笙，毛京丽，朱彤编著.数字通信系统，北京邮电大学出版社。7、阎石主编.数字电子技术基础，高等教育出版社。8、康华光主编.电子技术基础模拟部分，高等教育出版社。电气与信息学院课程设计评分表项 目评 价优良中及格差设计方案的合理性与创造性(10%)硬件设计或软件编程完成情况(10%)硬件测试或软件调试结果*(10%)设计说明书质量(10%)设计图纸质量(10%)答辩汇报的条理性和独特见解(10%)答辩中对所提问题的回答情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况（10%）综 合 评 分 指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容； 此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。