1、湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 專業課程設計 課題名稱 2FSK時分復用通信系統的 研究與設計 專 業 電子信息工程 班 級 1102 學 號 3 姓 名 鄧輝 指導教師 浣喜明 2015年 01月02日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書課程名稱 專業課程設計 題 目 2FSK時分復用通信系統的研究與設計 專業班級 電子信息1102 學生姓名 鄧輝 指導老師 浣喜明 審 批 任務書下達日期 2014年 12 月 22日設 計 完成日期 2015年 01 月 02 日 設計內容與設計要求一、設計內容：設計一個2FSK時分復用通信系統，包括數字信源、數字終端、數字調制、2FSK解調、位同步

2、及幀同步模塊。1、設計系統方框圖以及各單元電路圖；2、應用SystemVIEW軟件對系統進行仿真。二、設計要求1、設計思路清晰，給出系統框圖以及各單元電路圖；2、給出SystemVIEW仿真結果；3、撰寫設計說明書。主要設計條件電腦一臺（已裝有SystemVIEW軟件）；通信原理實驗箱一個；說明書格式1. 課程設計封面；2. 任務書；3. 說明書目錄；4. 設計基本原理與系統框圖。5. 各單元電路設計；6. SystemVIEW仿真結果；7. 總結與體會；8. 附錄；9. 參考文獻。進度安排12月10日：下達設計任務書，介紹課題內容與要求； 12月11日12月25日：查找資料，設計系統框圖、各

3、單元電路、利用實驗裝置對系統進行調試。；12月26日12月29日：編寫并打印設計報告；12月30日：答辯。參考文獻1、樊昌信主編，通信原理，國防工業出版社。2、SystemVIEW使用手冊。3、通信原理實驗指導書。目錄1.設計基本原理與系統框圖12各單元電路設計22.1 數字信源22.2 數字終端32.3 2FSK調制62.4 2FSK解調72.5 位同步92.6 幀同步133SystemVIEW仿真144總結與體會175附錄186參考文獻191.設計基本原理與系統框圖圖1.1給出了2FSK時分復用通信系統的原理框圖，由信源（數據m1(t)和數據m2(t)兩路數據）、復接器、數字調制（2FSK

4、）、載波同步、解調（2FSK）、分接器、位同步、幀同步及數字終端（數據D1(t)和數據D2(t)兩路數據）等部分組成。m（t）為時分復用數字基帶信號，為NRZ碼。發濾波器與收濾波器的作用于基帶系統相同。由數字信源任意給出兩路不同速率的數據，將兩路不同速率的數據送到復接器，復接成一路數字基帶信號，經過2FSK來調制再經過信道的傳輸，在接收端將接收到的信號使用2FSK解調，用分接器將兩路信號分離出來這就是一個2FSK的通信系統。數字信源輸出時分復用數字基帶信號用單極性不歸零碼NRZ碼，其中有一個時隙為幀同步信號，兩個時隙為數據信號。幀同步與位同步模塊從NRZ中提取幀同步信號和位同步信號，并且將數據

5、和同步信號對齊后輸出。三路信號提供給終端，終端就可以把兩路復用數據信號正確的提取出來。噪聲D2(t)D1(t)載波同步幀同步位同步幀同步位同步m2(t)m1(t)復接器2FSK 調制器信道2FSK 解調器發濾波器收濾波器分接器幀同步圖1.1 2FSK時分復用通信系統原理框圖2各單元電路設計2.1 數字信源 本模塊是整個實驗系統的發終端，模塊內部只使用+5V電壓，其原理方框圖如圖所示。本單元產生NRZ信號，信號碼速率約為170.5KB。幀長為24位，其中首位無定義，第2位到第8位是幀同步碼（7位巴克碼），另外16位為2路數據信號，每路8位。此NRZ信號為集中插入幀同步碼時分復用信號，實驗電路中數

6、據碼用紅色發光二極管指示，幀同步碼及無定義位用綠色發光二極管指示。發光二極管亮狀態表示1碼，熄狀態表示0碼。 本模塊有以下測試點及輸入輸出點： · CLK晶振信號測試點 · BS-OUT信源位同步信號輸出點/測試點（2 個） · FS信源幀同步信號輸出點/測試點 · NRZ-OUT(AK)NRZ信號(絕對碼)輸出點/測試點（4個） 圖1-1中各單元與電路板上元器件對應關系如下： · 晶振CRY：晶體；U1：反相器7404· 分頻器U2：計數器74161；U3：計數器74193；U4：計數器40160· 并行碼產生器K1、K2

7、、K3：8位手動開關，從左到右依次與幀同步碼、數據1、數據2相對應；發光二極管：左起分別與一幀中的24位代碼相對應 · 八選一U5、U6、U7：8位數據選擇器4512 · 三選一U8：8位數據選擇器4512 · 倒相器U20：非門74HC04· 抽樣U9：D觸發器74HC74  圖 數字信源方框圖2.2 數字終端原理框圖如圖所示。它輸入單極性非歸零信號、位同步信號和幀同步信號，把兩路數據信號從時分復用信號中分離出來，輸出兩路串行數據信號和兩個8位的并行數據信號。兩個并行信號驅動16個發光二極管，左邊8個發光二極管顯示第一路數據，右邊8

8、個發光二極管顯示第二路數據，二極管亮狀態表示“1”，熄滅狀態表示“0”。兩個串行數據信號碼速率為數字源輸出信號碼速率的1/3。在數字終端模塊中，有以下測試點及輸入輸出點：· S-IN時分復用基帶信號輸入點· SD抽樣判后的時分復用信號測試點· BD延遲后的位同步信號測試點· FD整形后的幀同步信號測試點· D1分接后的第一路數字信號測試點· B1第一路位同步信號測試點· F1第一路幀同步信號測試點· D2分接后的第二路數字信號測試點· B2第二路位同步信號測試點· F2第二路幀同步信號測試點圖

9、數字終端原理方框圖圖中各單元與電路板上元器件對的應關系如下：· 延遲1U63：單穩態多諧振蕩器4528 · 延遲2U62:A：D觸發器4013 · 整形U64:A：單穩態多諧振蕩器4528；U62:B：D觸發器4013· 延遲3U67、U68、U69：移位寄存器40174· ÷3U72：內藏譯碼器的二進制寄存器4017· 串/并變換U65、U70：八級移位寄存器4094 · 并/串變換 U66、U71：八級移位寄存器4014(或4021)· 顯示 三極管9013；發光二極管 延遲1、延遲2、延遲3、整形及

10、÷3等5個單元可使串/并變換器和并/串變換器的輸入信號SD、位同步信號及幀同步信號滿足正確的相位關系，如圖4-3所示。 移位寄存器40174把FD延遲7、8、15、16個碼元周期，得到FD-7、FD-15、FD-8（即F1）和FD-16（即F2）等4個幀同步信號。在FD-7及的作用下，U65（4094）將第一路串行信號變成第一路8位并行信號，在FD-15和作用下，U70（4094）將第二路串行信號變成第二路8位并行信號。在F1及B1的作用下，U66（4014）將第一路并行信號變為串行信號D1，在F2及B2的作用下，U71（4014）將第二路并行信號變為串行信號D2。B1和B2的頻率為

11、位同步信號BS頻率的1/3，D1信號、D2信號的碼速率為信源輸出信號碼速率的1/3。U65、U70輸出的并行信號送給顯示單元。根據數字信源和數字終端對應的發光二極管的亮熄狀態，可以判斷數據傳輸是否正確。串/并變換及并/串變換電路都有需要位同步信號和幀同步信號，還要求幀同步信號的寬度為一個碼元周期且其上升沿應與第一路數據的起始時刻對齊，因而送給移位寄存器U67的幀同步信號也必須符合上述要求。但幀同步模塊提供的幀同步信號脈沖寬度大于兩個碼元的寬度，且幀同步脈沖的上升沿超前于數字信源輸出的基帶信號第一路數據的起始時刻約半個碼元（幀同步脈沖上升沿略遲后于位同步信號的上升沿，而位同步信號上升沿位于位同步

12、器輸入信號的碼元中間，由幀同步器工作原理可得到上述結論），故不能直接將幀同步器提取的幀同步信號送到移位寄存器U67的輸入端。終端模塊將幀同步器提取的幀同步信號送到單穩U64的輸入端，單穩U64設為上升沿觸發狀態，其輸出脈沖寬度略小于一個碼元寬度，然后用位同步信號BD對單穩輸出抽樣后得到FD。應指出的是，當數字終端采用其它電路或分接出來的數據有其它要求時，對位同步信號及幀同步信號的要求將有所不同，但不管采用什么電路，都需要符合某種相位關系的幀同步信號和位同步信號才能正確分接出時分復用的各路信號。2.3 2FSK調制要將NRZ碼經過2FSK調制成為2FSK信號主要有兩種方法：第一種是用二進制基帶矩

13、形脈沖信號去調制一個調頻器，使其能夠輸出兩個不同頻率的碼元；而另一種方法是用一個受基帶脈沖控制的開關電路去選擇兩個獨立頻率源的振蕩作為輸出。在此，我們采用第二種方法（鍵控法）。鍵控法產生的2FSK信號頻率穩定度可以做得很高并且沒有過渡頻率，它的轉換速度快，波形好。這里采用鍵控法來產生2FSK信號，其原理方框圖如圖2.3.1所示：頻率源1 f0開關電路 S（t）頻率源2 f1圖 2.3.1 2FSK產生方法調制模塊將輸入的絕對碼AK（NRZ碼）變為相對碼BK、用鍵控法產生2FSK信號。調制模塊內部只用+5V電壓，數字調制單元的原理方框圖和電路圖如圖2.3.2和2.3.3所示。晶振濾波器2FSK調

14、制濾波器 2FSK輸出 NRZ 圖 2.3.2 2FSK調制框圖圖 2.3.3 2FSK調制電路圖2.4 2FSK解調2FSK信號的解調方法有：包絡檢波法、相干解調法、鑒頻法、過零檢測法等，在這個課程設計里我們采用過零檢測法。過零檢測法是數字調頻波的過零點數隨不同載波而異，故檢出過零點數可以得到關于頻率的差異。輸入信號經限幅后產生矩形波序列，經微分整流后就形成與頻率相應的脈沖序列。這個序列就代表著調頻波的過零點，將其變換成具有一定寬度的矩形波，并經低通濾波濾除高次諧波，便能得到對應于原數字信號的基帶脈沖信號，從而達到解調的目的。2FSK解調的方框原理圖如圖2.4.1所示。圖 2.4.1 2FS

15、K解調方框圖2FSK解調電路通過反向器進行反相，使之成為一系列的脈沖信號，將整形后的信號通過單穩態觸發器并相加，以完成2FSK的過零檢測。信號在通過一系列的電容、電阻濾除掉高次諧波并將校信號放大，而此時，運算放大器LM318相當于一個低通濾波器。 圖 2.4.2 2FSK解調電路圖此時檢測到的信號是通過反向之后的信號，所以需要再通過一次整形將其還原后才能進行抽樣。為了讓輸入的信號的每一位都與輸入的信號同步，因而將位同步信號作為時鐘信號輸入D觸發器，由此才能得到解調后的輸出信號。其中的整形1和整形2的功能與比較器類似，在其輸入端將輸入信號疊加在2.5V上。74HC04的狀態轉換電平約為2.5V，

16、可把輸入信號進行硬限幅處理。整形1將正弦2FSK信號變為TTL電平的2FSK信號。整形2和抽樣電路共同構成一個判決電平為2.5V的抽樣判決器。單穩1與單穩2分別被設置為上升沿觸發和下降沿觸發。它們與相加器一起共同隊TTL電平的2FSK信號進行微分、整流處理。R16可以調節濾波器的頻率特性及LPF信號幅度，LPF不是TTL電平信號且不是標準的非歸零碼，必須進行抽樣判決處理。U34對抽樣及判決輸出信號進行整形。2FSK解調電路如圖2.4.2所示。 2.5 位同步 在數據通信中最基本的同步方式就是"位同步"(bit synchronization)或比特同步。比特是數據傳輸的最小

17、單位。位同步（比特同步）是指接收端時鐘已經調整到和發送端時鐘完全一樣，因此接收端收到比特流后，就能夠在每一位的中間位置進行判決（如下圖所示）。位同步（比特同步）的目的是為了將發送端發送的每一個比特都正確地接收下來。這就要在正確的時刻（通常就是在每一位的中間位置）對收到的電平根據事先已約定好的規則進行判決。位同步單元由控制器、鑒相器、量化器、數字環路濾波器、數控振蕩器、脈沖展寬等模塊組成原理框圖如2.5.1所示。 圖2.5.1位同步原理框圖數字瑣相環是一個單片機系統，數字環同步器是一個離散同步器，只有當輸入信號的電平發生跳變時才可能對輸入信號的相位和反饋信號的相位進行比較從而調整反饋信號的相位，

18、在兩次相位調整的時間間隔內，反饋信號的相位對輸入信號的相位是變化的,即數字環位同步器提取的位同步信號的相位是抖動的。輸入一個信號Ui使IE1置“1”，且是8254B2計數，對IE1進行位操作時又使之置“0”。控制器的作用是保證每次對8254B2進行讀操作之前鑒相器只輸出一個正脈沖，它由或門7432（U5：B）及16分頻器74190（U13）組成。當數字瑣相環輸入信號的碼速率與數控振蕩器的固有頻率完全相同時，環路瑣定后輸入信號與反饋信號（位同步信號）的的相位關系是固定的且符合抽樣判決器的要求。位同步電路圖及數字瑣相環的實現流程圖如圖2.5.2及圖2.5.3所示： 圖2.5.2 位同步電路圖否LO

19、OPLOOP1是否是否是初始化開始m=16,IE1=0置8254B2工作方式,計數常數,P1.7IE1=1?P1.7=1讀8254B2讀數大于NO?累加運算累加了m次?求平均值Nd置8254B0和8254B1工作方式,計數常數P1.4口輸出一個正脈沖LOOP是圖2.5.3 數字瑣相環的實現流程圖2.6 幀同步在時分復用通信系統中，為 正確地傳輸信息，必須在信息碼流中插入一定數量的幀同步碼，可以集中插入，也可以分散插入。在傳輸數據時則把若干個碼元組成一個個的碼組,即一個個的“字”或者“句”，通常稱之為群或者幀。群同步的任務是把字，句和碼組區分出來，群同步又稱為幀同步。在十分復用通信系統中，為了正

20、確地傳輸信息，必須在信息流中插入一定數量的幀同步碼，可以集中插入，也可以分散插入。在本系統中幀同步識別碼為7位巴克碼，集中插入到每幀的第2至第8個碼元的位置上，幀同步模塊的原理框圖如圖2.6.1所示。 FS-OUT單穩與門3BS-IN與門4或門S 觸 Q發R 器 與門1判決器相加器移位寄存器與門2S-IN GAL VC圖 2.6.1 幀同步原理方框圖3SystemVIEW仿真本次設計系統仿真采用SystemView，它是一個完整的動態系統設計、分析和仿真的可視化開發環境。它可以構造各種復雜的模擬、數字、數模混合及多速率系統，可用于各種線性、非線性控制系統的設計和仿真。本次設計主要是對系統的發端

21、和收端進行仿真，其發端測試點有HDB3的輸出端、2FSK調制器的輸出端、收端的輸入點（即加了噪聲后接收到的信號）、解調器的輸出端等幾個地方進行測試，其仿真電路圖及仿真波形分別如下所示 圖 2FSK的系統仿真電路圖 圖信源波形 圖3.1.3 2FSK調制波形 圖加了噪聲的2FSK信號 圖經過低通濾波器后的兩種不同頻率的波形 圖經過帶通濾波器后的兩個不同頻率的波形 圖3.1.7 2FSK解調波形4總結與體會經過這次的課程設計，我學到了很多東西：1.鞏固和加深了對通信原理的理解，提高綜合運用本課程所學知識的能力。2.培養了我選用參考書，查閱手冊及文獻資料的能力。3.培養獨立思考，深入研究，分析問題、解決問題的能力通過課程設計，培養了我嚴肅認真的工作作風，逐步建立正確的生產觀念、經濟觀念和全局觀念。剛開始的一個星期，只是一味的翻查資料，對課題的理解也是似懂非懂，但經過不懈的努力，和同學們不斷的探討以及老師細心的指導，最后終于自己設計出了2FSK調制的電路圖。但在SystemView系統仿真時，又遇上了很多的困難，因為對這個軟件并不是很熟悉，而且剩下的時間也不多了，差一點就手忙腳亂了。但仔細的看了書后，對這個軟件也就慢慢了解了，根據電路的設計思路，仿真圖也很快出來了，通過運行之后波形圖也終于符合了設計的要求，也總算松了一口氣。課程設計是把我們所學的理論知識進行系統的總結并應用于實踐的良好機