实验三 FSK调制解调系统实验
一、实验目的
l. 加深理解FSK调制工作原理及电路组成。
2. 加深理解利用锁相环解调FSK的原理和实现方法。
二、实验所用仪器
1. +5V、+l2V、-l2V三路直流稳压电源
2. 双踪示波器
3. 通信原理实验箱
4. 万用表
三、实验原理
(一)FSK调制电路工作原理
图3-1 FSK调制电原理框图
数字调频又可称作移频键控(FSK)，它是利用载频频率变化来传递数字信息。这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输系统中得到了较为广泛的应用。本实验电路中，载频频率经过本实验电路分频而得到的两个不同频率的载频信
号，则为相位连续的数字调频信号。图3-1为 FSK调制器原理框图。图3-2为 FSK调制器电路图。
由图3-2可知，输入的基带信号由转换开关K904转接后分成两路，一路控制32KHz的载频，另一路经倒相去控制 16KHz的载频。当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=32KHz，当基带信号为"0"时，模拟开关1关闭，模拟开关2开通。此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到已调的FSK信号。
电路中的两路载频(f1,f2)由内时钟信号发生器产生，经过开关K9Ol，K902送入。两路载频分别经射随、选频滤波、射随、再送至模拟开关U9Ol:A与U90l:B(4066)。
(二)FSK解调电路工作原理
FSK集成电路模拟锁相环解调器由于性能优越，价格低廉，体积小，所以得到了越来越广泛的应用。FSK集成电路模拟锁相环解调器的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频f1上，对应输出高电平，而对另一载频f2失锁，对应输出低电平，那么在锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列。
FSK锁相环解调器中的集成锁相环选用了MCl4046。MCl4046集成电路内有两个数字式鉴相器(PDI、PDII)、一个压控振荡器(VCO)，还有输入放大电路等，环路低通滤波器接在集成电路的外部，引脚排列图见3-3所示，引脚功能说明见表3-1所示。
图3-3 MC14046引脚排列图
表3-1：引脚功能说明
引脚号
符 号
功 能
1
PDO3
相位比较器2输出的相位差信号，为上升沿控制逻辑。
2
PDO1
相位比较器1输出的相位差信号，它采用异或门结构，即鉴相特性为PDO1=PDI1⊕PDI2。
3
PDI2
相位比较器输入信号，通常PD为来自VCO的参考信号。
4
VCOO
压控振荡器的输出信号。
5
INH
控制信号输入，若INH为低电平，则允许VCO工作和源极跟随器输出；若INH为高电平，则相反，电路处于降功耗状态。
6
CI
与第7引脚之间接一电容，以控制VCO的振荡频率。
7
CI
与第6引脚之间接一电容，以控制VCO的振荡频率。
8
GND
接地。
引脚号
符 号
功 能
9
VCOI
压控振荡器的输入信号。在锁相环路中，通常VCO来自相位差低通滤波器输出，以平均电压控制VCOI的振荡频率，其输出直接(或经分频后)作为参考信号加到相位比较器的输入端。
10
SFO
源极跟随器输出。
11
R1
外接电阻至地，分别控制VCO的最高和最低振荡频率。
12
R2
外接电阻至地，分别控制VCO的最高和最低振荡频率。
13
PDO2
相位比较器输出的三态相位差信号，它采用PDI1、PD I2上升沿控制逻辑。
14
PDI1
相位比较器输入信号，PDI1输入允许将0.1V左右的小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。
15
VI
内部独立的齐纳稳压二极管负极，其稳压值V≈5～8V，若与TTL电路匹配时，可以用来作为辅助电源用。
16
VDD
正电源，通常选+5V，或+10V，+15V。
FSK解调器框图如图3-4所示，解调器电路图如图3-5所示。
压控振荡器的中心频率设计在32KHz。图3-5中R1、R2、C1，主要用来确定压控振荡器的振荡频率。R3、C2构成外接低通滤波器，其参数选择要满足环路性能指标的要求。从要求环路能快速捕捉、迅速锁定来看，低通滤波器的通带要宽些;从提高环路的跟踪特性来看，低通滤波器的通带又要窄些。因此电路设计应在满足捕捉时间前提下，尽量减小环路低通滤波器的带宽。
当锁相环锁定时，环路对输入FSK信号中的32KHz载波处于跟踪状态，32KHz载波(正弦波)经输入整形电路后变成矩形载波。此时鉴相器PDII输出端（13脚)为低电平，锁定指示输出(1脚)为高电平，鉴相器PDI输出(2脚)为低电平，PDI输出和锁定指示输出经或非门U903:A(74LS32)和U904:B(74LS04)后输出为低电平，再经积分电路和非门U904:C(74LS04)输出为高电平。再经过U904:D(74LS04)整形电路反相后从输出信号插座S902输出。
当输入信号为16KHz时，环路失锁。此时环路对16KHz载频的跟踪破坏，鉴相器输入端的两个比较信号存在频差，经鉴相器PDI后输出一串无规则矩形脉冲，而锁定指示(第1引脚)输出为低电平，PDI输出和锁定指示输出经或非门U903:A与U904:B后，输出仍为无规则矩形脉冲，这些矩形脉冲经积分器和非门U904:C后输出为低电平。
可见，环路对32KHz载频锁定时输出高电平，对16KHz载频失锁时就输出低电平。只要适当选择环路参数，便它对32KHz锁定，对16KHz失锁，则在解调器输出端就得到解调输出的基带信号序列。
1. 对照说明书确认实验板上的元件和测试点的位置（元件位置见图3-6），检查确认板上无错误接线及杂物。
2. 设置跳线开关: KlOl1-2、K9Ol1-2、K9021-2。
若K9041-2，则2KHz的伪随机码，码序列为 1110010
若K9042-3，则8KHz的方波，码序列为 1100
当做FSK的解调实验时设置跳线开关K9O31-2、K9041-2。
3. 打开电源开关，检查电源电压。按下按键开关:K2、K3、K100、K900。按下“复位”、“开始”与“FSK”功能按键，显示代码“3”。
4. 在CA901上插电容，使锁相环中的压控振荡器工作在32KHz，电容在1800pf～2200pf之间。
5. 测试FSK调制电路TP9Ol一TP907各测量点波形，注意观察“1”、“0”码内所含载波的数目。
6．观察FSK解调输出TP908一TP910 波形，并作记录。同时比较TP905与TP910两者波形，观察是否有失真。
五、实验报告要求
1. 画出实验电路的方框图，并叙述其工作过程。
2. 画出实验过程中各测量点的波形图，注意各点相位关系，注明信号频率、峰-峰值。
六、注意事项
1. 实验前认真阅读本实验指导书。
2. 在实验中要细心，接线正确，避免因接线错误或探头抖动等导致测点短路；
3. 实验完成后，将示波器探头去掉，以免关电后因示波器引起的静电对芯片产生影响。然后先关掉其他几部分的电源，最后关编译码器的电源，以免在关电后仍有信号输入。