基于锁相环的FSK数据收发传输系统实现研究
目 录
摘 要 ............................................................................................................................. 错误!未定义书签。 ABSTRACT ..................................................................................................................... 错误!未定义书签。 目 录 ................................................................................................................................................................... I 第1章 绪论 ...................................................................................................................................................... 1
1.1 课题研究的背景和意义 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外的研究水平 ........................................................................................................................ 2 1.3 本文的主要研究内容及章节安排 ............................................................................................ 2 第2章 系统理论分析及总体设计方案 .................................................................................................. 4
2.1 二进制频移键控 ............................................................................................................................. 4
2.1.1 基本原理 .............................................................................................................................. 4 2.1.2 FSK信号产生方法 ............................................................................................................. 4 2.1.3 FSK信号的解调方法 ........................................................................................................ 5 2.2 锁相环 ................................................................................................................................................ 7
2.2.1 锁相环路的工作原理 ...................................................................................................... 7 2.2.2 锁相环路的组成部分 ...................................................................................................... 7 2.2.3 锁相环路的基本方程 ...................................................................................................... 9 2.2.4 锁相调频电路.................................................................................................................. 10 2.3 系统总体方案设计 ..................................................................................................................... 11
2.3.1 发射机方案设计 ............................................................................................................. 11 2.3.2 接收机方案设计 ............................................................................................................. 11 2.4 本章小结 ........................................................................................................................................ 12 第3章 系统的硬件设计 ........................................................................................................................... 13
3.1 发射机硬件设计 .......................................................................................................................... 13
3.1.1 锁相频率源设计 ............................................................................................................. 13 3.1.2 功率放大电路.................................................................................................................. 18 3.1.3 天线 ..................................................................................................................................... 18 3.1.4 STM32最小系统电路设计 .......................................................................................... 19 3.1.5 DAC和模拟开关 .............................................................................................................. 21
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3.1.6 发射机总体框图 ............................................................................................................. 23 3.2 接收机硬件设计 .......................................................................................................................... 23
3.2.1 低噪放大电路.................................................................................................................. 23 3.2.2 混频器电路 ...................................................................................................................... 24 3.2.3 窄带FSK接收机设计 ................................................................................................... 26 3.2.4 比较器 ................................................................................................................................ 27 3.2.5 接收机总体框图· ........................................................................................................... 28 3.3 本章小结 ........................................................................................................................................ 28 第4章 系统的软件设计 ........................................................................................................................... 29
4.1 STM32开发方式介绍................................................................................................................. 29 4.2 STM32实现系统整体控制的流程 ......................................................................................... 30 4.3 STM32实现对锁相环ADF4001的控制 ............................................................................. 30 4.4 STM32实现对DAC模块的控制 ............................................................................................ 32 4.5 STM32产生脉冲宽度调制信号 ............................................................................................. 33 4.6 本章小结 ........................................................................................................................................ 34 第5章 系统测试 ......................................................................................................................................... 35
5.1 FSK发射机测试 ............................................................................................................................ 35
5.1.1 锁相环测试 ...................................................................................................................... 35 5.1.2 DA输出电压与压控振荡器输出频率测试 ............................................................ 35 5.1.3 STM32生成脉宽可调的数字基带信号 .................................................................. 36 5.2 FSK接收机测试 ............................................................................................................................ 37
5.2.1 混频器测试 ...................................................................................................................... 37 5.2.2 接收机输出测试 ............................................................................................................. 37 5.3 本章小结 ........................................................................................................................................ 39 结 论 ............................................................................................................................................................... 40 参考文献 .......................................................................................................................................................... 41 致谢 .................................................................................................................................. 错误!未定义书签。
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着网络和各类移动终端普及，数字通信在不同的通信业务中得到了广泛的应用。
数字信号的传输方式有基带传输和带通传输两种。实际中的大多数信道并不能直接用
于基带信号的传输，原因是基带信号在传输过程中往往伴随着丰富的低频分量。为了使
基带信号能够在信道中完成信息传递，需要利用基带信号对系统载波进行调制。能对基带信号进行调制的方法有两种：（1）通过模拟电路实现数字基带信号的调制，即把数字调制当成模拟调制的一个特例，把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况进行处
理；（2）利用基带信号的离散取值特点通过开关电路键控载波频率值的大小。这种方法通常称为键控法，通过这种方法对载波的相位、振幅和频率分别进行键控，便可获得相移键控（PSK）、振幅键控（ASK）和频移键控（FSK）。而对于数字通信系统的接收端，要想恢复出数字基带信号，可采用相干解调和非相干解调两种解调方式。由于FSK信号产生方法简单、易于实现，且在解调过程中可以不恢复本地载波，抗噪声和
抗衰落性能也较强。因此，FSK调制技术在通信行业得到了广泛地应用。
实现FSK信号的调制解调的方式很多，国外相关芯片厂商已经生产出专门用于FSK信号的产生和解调的单片集成芯片。经过研究，本文以锁相环（PLL）为核心完成FSK信号产生，即传输系统的发射机部分；以单片集成解调芯片完成FSK信号的解调部分，用比较器电路恢复FSK的数字基带信号。其特点是，利用较少的电路元器件和较简单的硬件电路来完成FSK信号发射接收传输系统。
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字消息。在2FSK中，载波频率随二进
制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。在FSK信号的已调波形中，若二进制数字1对应于载频f1，则数字0对应于载频f2。从原理上讲，产生FSK信号的方法有两种：其一是通过模拟调频电路来实现；其二可以采用键控法来实现。模拟调频法是利用基带信号直接控制模拟电路输出信号频率的大小来产生FSK信号；键控法则是通过二进制
矩形脉冲信号来控制开关电路，通过开关电路对信号频率值大小不同的两个独立
频率源进行选通，进而产生FSK信号。本文基于模拟调频电路产生FSK信号。
锁相环(phase-locked loop)是无线发射系统中能提供稳定频率信号的一种电路。锁相环是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个模块电路组成的相位负反馈系统。
锁相环的本质是通过鉴相器对输入信号相位的比较去控制VCO输出端频率的大小。
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压控振荡器输出端信号分为两部分：其一作为锁相环输出，产生实验人员所需的频率信号；其二通过前置分频器与锁相环参考频率源产生的本振信号作相位比较，看两者是否有相位差。通过 VCO输出端信号相位和参考相位比较，若相位差存在，锁相环鉴相器的输出端电压大小发生变化，控制 VCO输出信号频率值大小发生变化，直到相位差恢复，达到锁频的目的。本文通过锁相环产生系统所需FSK信号的载波频率。
本课题的目的是通过制作FSK数据收发传输系统，进一步理解FSK信号和锁相环的理论知识。基于对FSK信号和锁相环理论知识的了解，解决在系统硬件制作和软件编写调试过程中遇到的问题，提升学生运用理论知识解决实际问题的能力。
1.2 国内外的研究水平
在通信数字化的今天，网络和各类终端之间的通信是通过二进制代码进行数据传输的。 然而，二进制基带信号并不能直接通过网络电缆、光纤或者无线媒介进行传输，需用频移键控原理把二进制基带信号调制为中心频率较高的 FSK信号，然后 FSK信号通过信道完成二进制数据在网络间信息传输。接收端通过将接收到的 FSK信号解调成二进制数据，通过相应转换将基带信号变成用计算机所能识别的二进制语言，最终完成网络和各类终端之间的数字通信。
由于计算机、手机等通讯设备在人们生活中的普及，人们对信息在终端之间传输的要求越来越高。信息传输的速率、正确性、及时性等都需要满足人们的使用需要。为了提前完成人类对信息交流所需要满足的技术条件，科研人员对FSK信号和其他数字调制技术进行了深入研究。通过对用户需求的不断满足，促进了人类通信技术的发展，也间接推动了社会的进步。
国内外对FSK信号的研究都到了一个较为成熟的阶段。运用FSK技术进行数字信号的传递，在若干年前就已实现。在数字通信系统中，由于FSK信号的简单易行，FSK信号已成为科研人员研究其他数字调制技术的理论基础。
1.3 本文的主要研究内容及章节安排
本文主要研究内容有以下两部分，其一是制作一套基于锁相环的FSK信号的发射系统，其二是以集成芯片HA12413为核心制作接收系统来验证发射系统的正确性。锁相环部分要求用鉴频器ADF4001和压控振荡器MC12148制作，接收机用解调芯片HA12413和运算放大器LM339制作，其余电路可选择相关电路器件进行自主设计。研究开始时要对FSK调制解调原理和锁相环原理进行理论分析，在深入了解相关理论的
第1章 绪论
基础上，进行硬件部分的设计工作。硬件部分结合微处理器STM32完成数字信号的调制，利用DA产生模拟电压控制压控振荡器，利用按键完成对FSK信号中心频率的键控。文章最后会对系统的性能和各个模块的指标进行详细的测试。 本文的技术指标要求如下：
1、设计一个中心频率在20-30MHz范围内可设置（频率步进值为0.25MHz）、频偏±15kHz的窄带FSK发射机；
2、使用单片接收机芯片HA12413设计一个FSK接收机验证FSK发射机设计的正确性；
3、提交可演示工作原理的原型系统，完成现场实物演示； 4、完成设计论文。 文章各章节的具体安排如下：
第二章对FSK信号收发传输系统进行原理分析。具体包括FSK信号的调制原理和相关的解调方法；锁相环的形成原理，理论分析和设计指标；锁相环在发射机调制系统的应用方式。并在本章节确定课题的总体设计方案。
第三章对FSK信号收发传输系统的硬件设计进行阐述。其中发射机部分包括锁相环模块、功率放大模块、DA模块、单片机STM32最小系统和按键、模拟开关等外围电路；接收机部分包括低噪放大模块、混频器模块、解调芯片HA12413及其外围电路。
第四章对发射机的软件设计进行阐述。既STM32处理器对发射机部分的整体控制，具体包括对锁相环产生频率值的控制和输入设备的控制，另外利用STM32处理器控制DA产生模拟电压和生成数字调制信号。
第五章对FSK信号收发传输系统的测试进行阐述。在理论分析的基础上，对各级模块进行系统测试，通过理论分析的结果和硬件测试的结果进行对比，给出最终结果。
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