【正文】 中南大學(xué) 通信原理 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2FSK 信號(hào)的調(diào)制解調(diào)及抗噪聲性能分析 周 楊 信息科學(xué)與工程學(xué)院 通信 1303 班 0905130323 題 目 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 目 錄 第一部分 硬件實(shí)驗(yàn) 1 實(shí)驗(yàn)五、數(shù)字鎖相環(huán)與位同 步????????????? 1 2 實(shí)驗(yàn)六、幀同步 ??????????????????? 9 3 實(shí)驗(yàn)七、時(shí)分復(fù)用數(shù)字基帶通信系統(tǒng) ?????????? 15 第二部分 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn) 1 MATLAB軟件簡(jiǎn)介 ?????????????????? 2 20 2 理論分析 ???????????????????? ? 20 1 2FSK 信號(hào)的產(chǎn)生????????????????? 20 1 2FSK 信號(hào)的解調(diào)方式???? ?????????? 22 3 MATLAB實(shí)現(xiàn)程序 ?????????????????? 21 生成 2FSK 的程序???????????????? 22 2FSK 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真源程序?????? 24 4 仿真結(jié)果????????????????????? 25 5 心得體會(huì) ???????????????????? ? 30 6 參考文獻(xiàn) ???????????????????? ? 30 通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 1 第一部分 硬件實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)五 數(shù)字鎖相環(huán)與位同步 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 掌握數(shù)字鎖相環(huán)工作原理以及觸發(fā)式數(shù)字鎖相環(huán)的快速捕獲原理。 2. 掌握用數(shù)字環(huán)提取位同步信號(hào)的原理及對(duì)信息代碼的要求。 3. 掌握位同步器的同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間、位同步信號(hào)同步抖 動(dòng)等概念。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 觀察數(shù)字環(huán)的失鎖狀態(tài)、鎖定狀態(tài)。 2. 觀察數(shù)字環(huán)鎖定狀態(tài)下位同步信號(hào)的相位抖動(dòng)現(xiàn)象及相位抖動(dòng)大小與固有頻差、信息代碼的關(guān)系。 3. 觀察數(shù)字環(huán)位同步器的同步保持時(shí)間與固有頻差之間的關(guān)系。 三、 基本原理 可用窄帶帶通濾波器，鎖相環(huán)來(lái)提取位同步信號(hào)。實(shí)驗(yàn)一中用模數(shù)混合鎖相環(huán)（電荷泵鎖相環(huán)）提取位同步信號(hào)，它要求輸入信號(hào)是一個(gè)準(zhǔn)周期數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)三中的模擬環(huán)也可以提取位同步信號(hào)，它要求輸入準(zhǔn)周期正弦信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字鎖相環(huán)提取位同步信號(hào)，它不要求輸入信號(hào)一定是周期信號(hào)或準(zhǔn)周 期信號(hào)，其工作頻率低于模數(shù)環(huán)和模擬環(huán)。 用于提取位同步信號(hào)的數(shù)字環(huán)有超前滯后型數(shù)字環(huán)和觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)，此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的位同步提取模塊用的是觸發(fā)器型數(shù)字環(huán)，它具有捕捉時(shí)間短、抗噪能力強(qiáng)等特點(diǎn)。位同步模塊原理框圖如圖 51 所示，電原理圖如圖 52 所示（見附錄）。其內(nèi)部?jī)H使用 +5V 電壓。 BSO U TBSN cui u d N dP 1 .7 u o晶振數(shù)控振蕩 器數(shù)字環(huán)路濾 波 器控制器鑒相器量化器脈沖展寬SIN 圖 51 位同步器方框圖 位同步模塊有以下測(cè)試點(diǎn)及輸入輸出點(diǎn)： ? SIN 基帶信號(hào)輸入點(diǎn) /測(cè)試點(diǎn)（ 2 個(gè)） ? BSOUT 位同步信號(hào)輸出點(diǎn) /測(cè)試點(diǎn)（ 3 個(gè)） 通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2 圖 51 中各單元與電路板上元器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： ? 晶振 CRY3：晶體； U39： 7404 ? 控制器 U48：或門 7432； U41：計(jì)數(shù)器 74190 ? 鑒相器 U40： D 觸發(fā)器 7474 ? 量化器 U45：可編程計(jì)數(shù)器 8254 ? 數(shù)字環(huán)路濾波器 由軟件完成 ? 數(shù)控振蕩 U4 U45： 8254 ? 脈沖展寬器 U47：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74123 位同步器由控制器、數(shù)字 鎖相環(huán)及脈沖展寬器組成，數(shù)字鎖相環(huán)包括數(shù)字鑒相器、量化器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器等單元。 下面介紹位同步器的工作原理。 數(shù)字鎖相環(huán)是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，主要器件是單片機(jī) 89C51 及可編程計(jì)數(shù)器 8254。環(huán)路中使用了兩片 8254，共六個(gè)計(jì)數(shù)器，分別表示為 8254A0、 8254A 8254A 8254B0、 8254B8254B2。它們分別工作在 M0、 M M2 三種工作模式。 M0 為計(jì)數(shù)中斷方式， M1 為單穩(wěn)方式， M2為分頻方式。除地址線、數(shù)據(jù)線外，每個(gè) 8254 芯片還有時(shí)鐘輸入端 C、門控信號(hào)輸 入端 G和輸出端 O。 數(shù)字鑒相器電原理圖及波形圖如圖 53（ a）、圖 53（ b）所示。輸出信號(hào)寬度正比于信號(hào) ui及 uo上升沿之間的相位差，最大值為 ui的碼元寬度。稱此鑒相器為觸發(fā)器型鑒相器，稱包含有觸發(fā)器型鑒相器的數(shù)字環(huán)路為觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)。 E cu i(b ) 波形(a ) 電路u du ou du oQDR DR Dcp DcpE c u iQ 圖 53 數(shù)字鑒相器 量化器把相位誤差變?yōu)槎噙M(jìn)制數(shù)字信號(hào)，它由工作于 M0方式、計(jì)數(shù)常數(shù)為 N0的 8254 B2完成（ N0為量化級(jí)數(shù)，此處 N0=52）。 ud作為 8254B2的門控信號(hào)， ud為高電平時(shí) 8254B2進(jìn)行減計(jì)數(shù)， ud為低電平時(shí)禁止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束后從 8254B2讀得的數(shù)字為 Nd= N0N’d 式中 N’d為 ud脈沖寬度的量化值（下面用量化值表示脈沖寬度和時(shí)間間隔）， N0≥ N’d， 讀數(shù)結(jié)束后再給 8254B2寫入計(jì)數(shù)常數(shù) N0。讀數(shù)時(shí)刻由 8254A2控制，它工作在 M1模式，計(jì)數(shù)常數(shù)為N0， ui作為門控信號(hào)。一個(gè) ui脈沖使 8254A2產(chǎn)生一個(gè)寬度為 N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖送到 89C51 的 1INT 端，而 89C51 的外中斷 1 被設(shè)置為負(fù)跳變中斷申請(qǐng)方式。由于 8254A2產(chǎn)生的脈沖寬度不小于 ud 脈沖寬度且它們的前沿處于同一時(shí)刻，所以可以確保中斷申請(qǐng)后通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3 對(duì) 8254B2讀數(shù)時(shí)它已停止計(jì)數(shù)。 數(shù)字環(huán)路濾波器由軟件完成?？刹捎迷S多種軟件算法，一種簡(jiǎn)單有效的方法是對(duì)一組N0作平均處理。設(shè)無(wú)噪聲時(shí)環(huán)路鎖定后 ui與 uo的相位差為 N0/2，則在噪聲的作用下，鎖定時(shí)的相位誤差可能大于 N0/2 也可能小于 N0/2。這兩種情況出現(xiàn)的概率相同，所以平均處理可以減小噪聲的影響， m 個(gè) Nd值的平均值為 ??? mi did mNN 1 （ 52） 數(shù)字濾波器的輸出為 Nc = No / 2 + Nd (53） 數(shù)控振蕩器由四個(gè) 8254 計(jì)數(shù)器及一些門電路構(gòu)成，其原理框圖如圖 54 所示，圖中已注明了各個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式和計(jì)數(shù)常數(shù)。 以下分析環(huán)路的鎖定狀態(tài)及捕捉過(guò)程，此時(shí)不考慮噪聲的影響。 u oG 4N c 2u 4Cu 5N c 2CN oGOGO8254B 0M 1 N c 28254A 1M 2 N oG 2G 3N ou 3P 1. 4Gu 2OC8254A 0M 1 N oG 1N oCGO8254B 1M 2 N c 3u 6+G 6G 5u 1 圖 54 數(shù)控振蕩器 環(huán)路開始工作時(shí)，軟件使 8254B0和 8254B1輸出高電平，從而使 8254A1處于計(jì)數(shù)工作狀態(tài)、 8254B1處于停止計(jì)數(shù)狀態(tài) ， G6處于開啟狀態(tài)， 8254A1輸出一個(gè)周期為 N0的周期信號(hào)。若環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，則 N’d=N0/2，由式（ 51）及式（ 52）得 Nd=N0/2。此時(shí) 89c51的 口不輸出觸發(fā)脈沖， 8254A0輸出端仍保持初始化時(shí)的高電平，從而使 8254B0的門控端 G 保持低電平、輸出端 O 保持高電平。這樣可保持 8254A 8254B1的工作狀態(tài)不變、環(huán)路仍處于鎖定狀態(tài)。若環(huán)路失鎖，則 N’d≠ N0/2， Nd≠ N0/2， 口輸出一個(gè)正脈沖 u2，在 u2作用下， 8254A0輸出一個(gè)寬度為 N0的負(fù)脈沖，倒相后變?yōu)檎}沖 u3送給與門 G2。 G2的另一個(gè)輸入信號(hào) u1來(lái)自 8254A1。在 G1輸出的寬度為 N 0的正脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)， 8254A1一定有（也只有）一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)輸入，此負(fù)脈沖經(jīng) G4倒相后與 G1輸出的正脈沖相與后給 8254B0的 G端送一個(gè)觸發(fā)信號(hào) u4。在 u4的作用下， 8254B0輸出一個(gè)寬度為 N02的負(fù)脈沖。在這段時(shí)間內(nèi)， 8254A1停止計(jì)數(shù)工作， 8254B1進(jìn)行減計(jì)數(shù)且在此時(shí)間內(nèi)的最后一個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)負(fù)脈沖。 8254B0通信原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 4 輸出的負(fù)脈沖的后沿重新啟動(dòng) 8254A1，使它重新作247。 N0分頻。設(shè) m=1，上述過(guò)程的有關(guān)波形如圖 55 所示，圖中 u?O為環(huán)路鎖定狀態(tài)下數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)。由圖 55 可見，不管失鎖時(shí)相位誤差多少（不會(huì)大于 N0），只要對(duì)數(shù)控振蕩器作一次調(diào)整，就可使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)快速捕捉。 程序流程如圖 56 所示，輸入信號(hào) ui使 IE1 置“ 1”，且使 8254B2計(jì)數(shù)，對(duì) IE1 進(jìn)行位操作時(shí)又使之置“ 0”。由于量化誤差，故當(dāng) Nd為 N0／ 2， N0/2＋ 1 或 N0/2－ 1 時(shí)，環(huán)路皆處于鎖定狀態(tài)，不對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。程序中令 m=16，進(jìn)行 16 次鑒相后做一次平均運(yùn)算，若發(fā)現(xiàn)環(huán)路失鎖，則對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行一次調(diào)整。 控制器的作用是保證每次對(duì) 8254B2 進(jìn)行讀操作之前鑒相器只輸出一個(gè)正脈沖，它由或門 7432（ U5:B）及 16 分頻器 74190（ U13）組成。 uiu1u2u3NOu4u5NC2u6uOu ’ONONO+1NONON O2NON’dNd18 2 5 4 B0開始計(jì)數(shù)NC 38 2 5 4 B1開始計(jì)數(shù) NO /2 + Nd 11NONO 圖 55 捕獲過(guò)程波形 當(dāng)數(shù)字環(huán)輸入信號(hào)的碼速率與數(shù)控振蕩器的固有頻率完全相同時(shí)，環(huán)路鎖定后輸入信號(hào)與反饋信號(hào)（即位同步信號(hào)）的相位關(guān)系是固定的且符合抽樣判決器的要求（當(dāng)然開環(huán)