基于2FSK調制解調的光通信系統(tǒng)(帶圖)

1、 i基于2FSK調制解調的白光led通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)實驗報告書指導老師：雅小冰通信5班曾顯華20123100135通信5班馮利斌20123100022通信7班吳湛強20123100079 引言FSK是信息傳輸中使用得較早的一種調制方式，它的主要優(yōu)點是：實現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應用。最常見的是用兩個頻率承載二進制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)。在數(shù)字化時代，電腦通信在數(shù)據(jù)線路(電話線、網(wǎng)絡電纜、光纖或者無線媒介)上進行傳輸，就是用FSK調制信號進行的，即把二進制數(shù)據(jù)轉換成FSK信號傳輸，反過來又將接收到的FSK信號解調成二進制數(shù)據(jù)，并將其轉換為用高，低

2、電平所表示的二進制語言，這是計算機能夠直接識別的語言。因此對FSK的研究具有很大的意義。本實驗利用FSK調制解調和白光通信的原理搭建通信系統(tǒng)，探究FSK系統(tǒng)的性能。一、系統(tǒng)的功能及原理描述1、本系統(tǒng)采用2FSK調制解調技術和白光通信實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端，調制部分采用數(shù)字調頻法，利用CD4046的壓控振蕩器產生兩個不同頻率的載波，然后將調制信號通過三極管驅動白光led傳送出去，三極管工作在小信號狀態(tài)。接收端采用光敏二極管將光信號轉化成電信號，然后經過放大。再利用相位比較器解調出基帶信號。2、系統(tǒng)參數(shù)指標基帶信號：單片機產生的隨機碼碼元速率：Rb=1kbs載波頻率：fmin=450kHz“0”

3、fmax=600kHz“1”傳輸距離：1米發(fā)射功率：3W3、主要工作：編寫單片機程序產生1kHz或5kHz的隨機碼調制電路led驅動光敏二極管電路、放大電路解調電路二、系統(tǒng)的結構框圖及基本工作原理1、系統(tǒng)框圖廠調制部分fl-600kHZf2-450kHzfh-llcH2（5kH2）f基帶信號A睡p振蕩器二偽隨機碼）C1衰減器）（短形濁）（D*押法器2fsk制與解調原理框圉調制部分，基帶信號是由單片機產生的隨機碼，碼元頻率為lKHz或5KHz。高電平5v代表“1”，低電平0v代表“0”。然后這些碼元經過壓控振蕩器產生兩個不同頻率的載波，“1”產生600kHz的方波，“0”產生450kHz的方波，

4、幅度為5V,因為1ed是非線性元件，想要使信號傳輸保持線性，所以led需要在小信號狀態(tài)，所以需要把調制信號利用衰減器和加法器變換為帶直流偏置的小信號。光信道，用大功率三極管驅動led把信號發(fā)送出去，接收端用光敏二極管接收信號。解調部分，因為光敏二極管的信號夾帶信道的噪聲和衰落現(xiàn)象，而且相位比較器需要較為嚴格的方波，所以需要經過比較器得出方波。相位比較器輸入兩個不同頻率的信號，其中一個是固定頻率的基準信號，其頻率fo為510KHz；另一個為調制信號fefsk，當頻率fefsk大于fo時，相位比較器輸出高電平“1”，當fefsk小于fo則輸出低電平“0”，這樣就可以解調出基帶信號了F面是各點的波形

5、:三、電路的結構與分析1、調制電路vccw*rvccTI1/CCI弘LKD3卜一|lLHPLIDl-fmin=l/R4(C2+100pf)fmax=l/R7(C2+10Opf)+fmin本設計采用鎖相環(huán)芯片CD4046芯片制作，CD4046里包含一個壓控振蕩器輸出看兩個載波，傳輸?shù)氖菙?shù)字的信號，初始設定碼元速率為lkbs,基帶信號中“1”的載波頻率為600kHz,“0”的載波頻率為450kHz。載波頻率的計算：fmax=R4(c3+100pF)1fmin=R7(C3+100pF)FSK調制信號的表達式：s1(t)COS(Wt+%)2FSK(t)=s2(t)cos(w2t+9)22因為載波信號是

6、幅度5V的方波，而且led的在大信號的情況的伏安特性是非線性的，所以必須將調制信號變?yōu)樾⌒盘?。首先將調制信號經過一個衰減器，衰減到1.2V左右，然后把信號加上直流偏置使其工作led的線性區(qū)。經過衰減和偏置后的函數(shù)表達式：eR2/(R2+R3)si(t)cos(w1t+9n)+752fsk(t)=(R2/(R2+R3)s2(t)cos(w2t+乜)+7.52、解調電路2FSK解調電路iSND550Yas3IJDGNDTteCAF5UGNT接收光倍號C4艮L如-級放犬率C伯一ILDtlFVOCC2-1|UlfCAT1+7-II-1if嗣GC.lPGCSLP:CAPR2SODVCCx-lD11PHO

7、3VDDPHO1ZE1TERPHEZFH11VCCCIPHD21THR2ClCB40J6E1ClDEMOV55VCO1U3163棊推埶率5百豐C12100p|3GNE二級放火|I-GNDL5_整形調制佶號相位比較器輸入R?IEVcu解闊信號輸出|*GND.;陽X.3lklOaxf接收模塊由光敏的二極管和高速運放OPA656組成，將光信號轉換成電信號，由于二極管和運放的寄生電容組成了低通濾波器，所以接收到的方波信號近似正弦波。因為信號幅度過小，所以調制信號需要經過二級放大才可以進行解調。第二級運放的放大倍數(shù)是10倍，可能出現(xiàn)輕微的截至失真的現(xiàn)象，但不影響頻率信息。因為相位比較器對輸入的波形要求比

8、較嚴格，必須幅度大于4V方波，所以先進過比較器，在進過比較器前需要在信號加入偏置，把信號控制在2.5v的上下變化，便于比較器處理，R7與R8就是起到偏置的作用。相位比較器，調制信號fc與振蕩器產生固定頻率fo信號進行比較，大于fo時輸出高電平，小于fo時輸出低電平。CD4046內集成了比較器、相位比較器、壓控振蕩器。只需要用電阻和電容設定上下限頻率就行了，使用起來非常簡單。固定頻率計算公式：f產(1/R+1/陽*l/(C12+10F)Vout_nfcfo0,fcfo3、電源電路整個系統(tǒng)需要的電壓有9.5v、5.0v、-5.0v,9.5v是供驅動led三極管使用，+-5供運放、CD4046和單片

9、機工作，而且運放對電壓的穩(wěn)定性要求較高，所以采用穩(wěn)壓芯片提供+-5v的電壓。電路圖如下：VQ?L.M7905VEE穩(wěn)壓電路4、裝置實物圖四、程序設計：初始定時器即設置單片機串口通信的波特率，波特率是單片機每秒鐘傳輸多少個碼元，等于碼元速率，單片機默認是9600bps，本設計的指標是1000bps，所以需要修改定時器的初值。這里單片機的串口發(fā)送數(shù)據(jù)，利用移位寄存器SUBF。循環(huán)發(fā)送。以下是程序流程圖:開始初始化定時器開串口發(fā)送數(shù)據(jù)yes繼續(xù)？no結束五、實驗所需的元器件清單:名稱數(shù)量單價CD4O462151單片機芯片15大功率三極管D88210.2大功率LED12高速運放0PA65620光敏二極

10、管10.57805,7905穩(wěn)壓芯片10.5磁珠20.1鉭電容若干陶瓷電容若干貼片電阻若干排針若干杜邦線若干六、電路測試步驟及測試結果探究一：兩個載波頻率的測量，兩個載波的理論頻率分別450kHz和900kHz。單獨取出調制部分的電路，接上+9.5V的電源。把基帶信號的輸入端接地，用數(shù)字示波器測量測量調制信號輸出端信號的頻率并記錄實驗結果把基帶信號的輸入端接+5v，用數(shù)字示波器測量測量調制信號輸出端信號的頻率并記錄實驗結果“0”450kHz“1”601kHz結果分析:這里測出“1”的載波與理論上的900kHz存在較大的差別，原因：1、電阻，電容存在15%的數(shù)值誤差。2、電路板產生了寄生電容。3

11、、芯片存在輸入阻抗。探究二：觀察基帶信號與調制信號的關系用單片機隨機碼的輸出引腳連接到調制電路的基帶信號輸入端，連接整個系統(tǒng)的電源。用示波器通道1接上基帶信號，通道2連接到接收端的調制信號的輸出的引腳。將電源設置為+9.5v和-9.0v,打開電源開關，將示波器調節(jié)到可以觀察到波形的設置，拍照記錄波形。探究三：觀察基帶信號與解調信號的關系在實驗二的基礎上，把示波器的通道二接到解調輸出的引腳上接上電源，觀察并記錄波形當單片機設置碼元為1Kbps時，可以看出解調情況良好。探究四：探究碼元速率對基帶信號與解調信號關系的影響(1)用函數(shù)發(fā)生器的TTL輸出引腳連接到調制電路的基帶信號輸入端,頻率調節(jié)至1k

12、Hz，連接整個系統(tǒng)的電源。用示波器通道1接上基帶信號引腳，通道2連接到接收端的調制信號的輸出的引腳。將電源設置為+9.5v和-9.0v,打開電源開關，將示波器調節(jié)到可以觀察到波形的設置，拍照記錄波形。將函數(shù)發(fā)生器的頻率分別設置為2kHz,4kHz,5kHz,8kHz,10kHz,15kHz,20kHz,25kHz,30kHz,重復步驟三1kHz2kHz4kHz5kHz8kHz10kHz15kHz20kHz25kHz30kHz結果分析上圖中上面的波形是基帶信號，下面是接收端的解調信號。六、實驗結論1、實際載波頻率為450kHz和603kHz，這里測出“1”的載波與理論上的900kHz存在較大的差

13、別。原因：電阻，電容存在15%的數(shù)值誤差。電路板產生了寄生電容。芯片存在輸入阻抗。2、基帶信號的碼元速率對解調效果影響5kHz后波形開始有較明顯的時延。10kHz的比15kHz的時延更大，20kHz的比25kHz的時延更大。30kHz及以后就完全不能解調了。所以為了穩(wěn)定性，國際標準建議FSK的碼元在1.2kbps七、收獲與心得碼元速率對解調性能的影響。我們小組在設計和調試該通信系統(tǒng)的過程中，查找了較多的文獻，一開始我們把碼元速率設置為72kbps,然而發(fā)現(xiàn)用了很多的方法的也解調不出來。最后在通信原理發(fā)現(xiàn)國際標準聯(lián)盟建議FSK的碼元速率要在1.2kbps以下，忙活這么久才知道解調不出來的原因，最

14、后只能把碼元速率降到1kbps。最后在多次實驗也獲知，該系統(tǒng)的性能較好的碼元速率在5kHz以下，但可能為了增大系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以標準建議1.2kbps以下。數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)的區(qū)別。在研究利用LED傳輸信號的過程中，也對比了數(shù)字傳輸系統(tǒng)與模擬傳輸系統(tǒng)對器件性能的要求。數(shù)字調制傳輸系統(tǒng)的信息載體是頻率，而且載波的頻率都是比較高，所以對頻率響應要求較高；而模擬基帶傳輸系統(tǒng)的信息就存在波形本身，所以要不失真的還原波形，對器件的線性要求較高。數(shù)字調制傳輸系統(tǒng)的抗噪能力明顯比模擬基帶傳輸系統(tǒng)的高。學會使用專業(yè)知識。通過這次的實驗的綜合設計，我們對通信系統(tǒng)和模擬電路有了更深的了解。因為實驗涉及的知

15、識面較廣，高等數(shù)學、模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、控制工程、傳感器技術、通信原理、C語言等，幫助我們學會使用專業(yè)知識。八、實驗分工曾顯華設計、制作、焊接電路板調試電路。馮利斌設計調制電路及后期數(shù)據(jù)分析。吳湛強編寫單片機程序，記錄實驗參數(shù)。九、文獻1鄧重一鎖相環(huán)在頻率調制與解調電路中的應用J.安全與電磁兼容，2003,(2):36-38.D0I:10.3969/j.issn.l005-9776.2003.02.011.2梁科，李國峰,李振等一種FSK數(shù)字解調器的結構與芯片設計J.固體電子學研究與進展，200&28(4):559-563,568.D0I:10.3969/j.issn.l000-3819.2008.04.020.3李玉強，肖利芬，畢鳴洲等.基于無線電模式的數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯縅.科技資訊，200&(17)