胡之惠，　李　淵，　施　瑛，　王利平

(上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院， 上海 200240)

?

基于V/F轉(zhuǎn)換的2FSK調(diào)制電路設(shè)計(jì)

胡之惠，李淵，施瑛，王利平

(上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院， 上海 200240)

摘要:為實(shí)現(xiàn)無外加頻率源的2FSK調(diào)制，根據(jù)2FSK調(diào)制原理及V-F轉(zhuǎn)換特性，對V-F轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行改進(jìn)，增加波形變換電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對應(yīng)基帶信號(hào)“1”和“0”，調(diào)制電路能產(chǎn)生兩種穩(wěn)定頻率的正弦波。該電路設(shè)計(jì)在無外加頻率源的情況下，實(shí)現(xiàn)了相位連續(xù)的2FSK調(diào)制，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:V/F轉(zhuǎn)換； 二進(jìn)制頻移鍵控； 調(diào)制電路

隨著電子計(jì)算機(jī)的普及，數(shù)字通信得到了迅速發(fā)展。頻移鍵控(Frequency-shift Keying, FSK)作為一種常見的數(shù)字調(diào)制方式，其調(diào)制方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且解調(diào)時(shí)無需恢復(fù)本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能較強(qiáng)，在中、低速數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用十分廣泛。

FSK利用載波頻率的變化來傳遞數(shù)字信息。二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)信號(hào)是指基帶信號(hào)“1”對應(yīng)于載頻f1，基帶信號(hào)“0”對應(yīng)載頻f0的已調(diào)波形，且f1、f0之間的改變是瞬間完成的[1]，表達(dá)式如下：

2FSK信號(hào)主要有兩種產(chǎn)生方法[2]： ① 調(diào)頻法，利用一個(gè)矩形脈沖序列對一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)；② 開關(guān)法，利用矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對2個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通，由于頻率源之間的相位互不相關(guān)，容易產(chǎn)生相位離散的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)。文獻(xiàn)[3-5]中采用Matlab仿真實(shí)現(xiàn)了2FSK調(diào)制，文獻(xiàn)[6]中采用SystemView仿真實(shí)現(xiàn)開關(guān)法2FSK調(diào)制，文獻(xiàn)[7]中采用VC++進(jìn)行2FSK正交調(diào)制。文獻(xiàn)[8]中基于FPGA進(jìn)行了2FSK調(diào)制的過程設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[9]中在TMS320C6713型DSP芯片上實(shí)現(xiàn)了2FSK信號(hào)的調(diào)制。

電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換電路能使輸出波形的振蕩頻率與控制電壓成正比，通過設(shè)置控制電壓的電平變化，使輸出矩形波產(chǎn)生2種不同的頻率[10]。本文嘗試?yán)肰/F轉(zhuǎn)換的這一特性，對電路進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)控制電壓的2種電平變化，輸出在2種不同頻率間變化的正弦波，從而在無外加頻率源的情況下，實(shí)現(xiàn)相位連續(xù)的2FSK調(diào)制。

1V/F轉(zhuǎn)換原理[10]

圖1為V/F轉(zhuǎn)換電路，其中，A1、C1、R1等構(gòu)成積分電路；A2、R5、R7等構(gòu)成滯回比較器，其參考電壓為U2，電壓輸出包含輸出上限UOM和輸出下限-UOM；電路輸出UO經(jīng)過反饋支路控制三極管T1的導(dǎo)通和截止，進(jìn)而控制電容C1的充放電時(shí)間；輸入電壓U1的數(shù)值變化決定A1同相輸入端電壓UP1，從而控制積分電路的積分時(shí)間，使輸出信號(hào)的頻率隨之改變。

圖1　V/F轉(zhuǎn)換電路Fig.1　V-F transformation circuit

由A2、R5、R7等構(gòu)成的滯回比較器電路分析可得，A2同相輸入電壓為

(1)

當(dāng)UO=+UOM時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)閾值電壓為

(2)

當(dāng)UO=-UOM時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)閾值電壓為

(3)

設(shè)R5=100kΩ，R7=200kΩ，則

(4)

(5)

當(dāng)UO=+UOM時(shí)，三極管T1飽和，忽略飽和壓降得

(6)

式(6)簡化為

(7)

設(shè)R1=100kΩ，且R2=R3=R4=50kΩ，得

(8)

當(dāng)UO=-UOM時(shí)，三極管T1截止，得

(9)

(10)

由式(4)、(5)和式(8)分析可得

(11)

UO低電平持續(xù)時(shí)間為

(12)

由式(4)、(5)和式(10)分析可得

(13)

UO高電平持續(xù)時(shí)間為

(14)

因此，振蕩頻率為

(15)

綜上所述，振蕩輸出信號(hào)為矩形波，頻率隨輸入電壓U1線性變化。

22FSK調(diào)制電路仿真設(shè)計(jì)

V/F轉(zhuǎn)換電路能使輸出矩形波的振蕩頻率與控制電壓成正比，為實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制，本文在V/F轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)由2種不同輸入電平對應(yīng)輸出2種不同頻率的正弦波。一般地，要將矩形波先經(jīng)過積分轉(zhuǎn)換為三角波，然后再經(jīng)過波形變換轉(zhuǎn)換為正弦波。經(jīng)電路分析得，V/F轉(zhuǎn)換電路中的積分電路本身能產(chǎn)生與通過滯回比較器后產(chǎn)生的矩形波頻率相同的三角波，故本文將直接把該三角波作為變換電路的輸入信號(hào)，經(jīng)過系列電路變換后產(chǎn)生對應(yīng)的正弦波。這樣做一方面可以減少電路的復(fù)雜程度，使電路結(jié)構(gòu)簡潔；另一方面可以減少波形轉(zhuǎn)換過程中的誤差，提高了電路的精準(zhǔn)性。

2.1　三角波—正弦波變換原理

利用差分放大電路的非線性傳輸特性可以實(shí)現(xiàn)三角波—正弦波的變換。根據(jù)典型差分放大電路的差模傳輸特性，其輸出電流(電壓)與差模輸入電壓之間的關(guān)系應(yīng)符合雙曲正切函數(shù)的變化規(guī)律[11-12]。當(dāng)輸入三角波接近差分管的飽和區(qū)時(shí),輸出波會(huì)被如圖2所示的S形曲線削平，即輸入合適電壓時(shí),可使輸出的波形非常接近于正弦波。為使輸出波形更接近于正弦波，差分放大電路的傳輸特性應(yīng)盡可能對稱，且線性區(qū)越窄越好。

圖2　差分管的傳輸特性Fig.2　Transmission characteristics of　differential amplifier

2.2　2FSK調(diào)制電路設(shè)計(jì)

2FSK調(diào)制電路原理如圖3所示。圖中，左半部分為V/F轉(zhuǎn)換電路，其中，U1、C1、R3等構(gòu)成積分電路，U2、R6、R7等構(gòu)成滯回比較器；右半部分為三角波—正弦波變換電路，利用嚴(yán)格對稱的差分對管來產(chǎn)生正弦波[10]。該變換電路的輸入信號(hào)為積分電路輸出的三角波，其中，Q2和Q3、Q4和Q5分別為兩對嚴(yán)格對稱的三極管，Q4和Q5構(gòu)成比例電流源，利用R16調(diào)整Q2的偏置狀態(tài)，使其位于S形曲線的中心，利用R17調(diào)整輸入信號(hào)的數(shù)值，使其在S形曲線的合適位置轉(zhuǎn)移至輸出端。

2.3　仿真結(jié)果分析

電路的電氣規(guī)則檢查(Electrical Rules Check， ERC)確定無誤后[13]，在2FSK調(diào)制電路的輸入端加入二進(jìn)制序列“0101”，設(shè)定合適的偏置電壓后，V/F轉(zhuǎn)換輸出如圖4所示。圖中，上方為碼元信號(hào)，下方為矩形波信號(hào)，碼元“1”和“0”分別對應(yīng)輸出2.5kHz和833Hz的矩形波，基本符合原理分析結(jié)果。積分電路輸出如圖5所示，其中，下方為碼元信號(hào)，上方為三角波信號(hào)，三角波與圖4中的矩形頻率一致。經(jīng)過三角波一正弦波變換后，輸出的2FSK信號(hào)如圖6所示。圖中，下方為碼元信號(hào)，上方為輸出的2FSK信號(hào)，對應(yīng)碼元“1”和“0”，輸出振幅一致，頻率分別為2.5kHz和833Hz的正弦波。

通過仿真結(jié)果分析，該2FSK調(diào)制電路在無外加頻率源的情況下，對應(yīng)基帶信號(hào)“1”和基帶信號(hào)“0”分別輸出了兩種頻率的正弦波，并且相位連續(xù)，波形過渡較平滑，與電路理論分析相符，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

3PCB設(shè)計(jì)

筆者通過電路的仿真設(shè)計(jì)后，導(dǎo)入原理圖，然后進(jìn)行印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)規(guī)劃；在全面了解所選元器件封裝的尺寸、規(guī)格、

圖3　2FSK調(diào)制電路Fig.3　2FSK modulation circuit

圖4　V/F轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig.4　Results of V-F transformation

圖5　三角波輸出Fig.5　Output of triangular wave

圖6　2FSK信號(hào)Fig.6　2FSK signals

面積等要素后，從抗干擾性、電磁兼容性、交叉要少、走線要短、電源和地線的路徑及去耦等方面綜合考慮，合理地進(jìn)行元件布局和導(dǎo)線布線[14-15]。然后，根據(jù)PCB文件刻板后，進(jìn)行元器件安裝焊接，設(shè)計(jì)制作的PCB板如圖7所示。

圖7　PCB板Fig.7　PCB

圖8　2FSK輸出Fig.8　The output of 2FSK

將二進(jìn)制序列“0101”輸入到2FSK調(diào)制電路的PCB板上，設(shè)定合適的偏置電壓并調(diào)節(jié)部分電路的參數(shù)值，輸出較為穩(wěn)定的2FSK信號(hào)，如圖8所示。圖中，下方為碼元“1”和“0”，上方為對應(yīng)輸出的1.63kHz和812Hz的正弦波，相位連續(xù)，波形過渡較平滑，振幅略微有些差別，與仿真結(jié)果較為相近。

4結(jié)語

本文根據(jù)2FSK原理和V/F轉(zhuǎn)換特性，對V/F轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)由2種不同輸入電平對應(yīng)輸出2種不同頻率的正弦波。仿真結(jié)果和PCB板的測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于V-F轉(zhuǎn)換的2FSK調(diào)制電路能在無外加頻率源的情況下，對應(yīng)二進(jìn)制信號(hào)“0”和“1”產(chǎn)生兩種頻率穩(wěn)定，波形過渡較平穩(wěn)的正弦波，較理想地實(shí)現(xiàn)相位連續(xù)的2FSK調(diào)制，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。今后的研究方向是避免因線路排版及電磁干擾等因素引起的輸出正弦波的振幅波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊昌信.通信原理教程[M].3版.北京： 電子工業(yè)出版社，2013： 121-122.

[2]李曉峰，周寧，周亮，等.通信原理[M].2版.北京： 清華大學(xué)出版社，2014： 176-177.

[3]劉艷.2FSK調(diào)制解調(diào)的仿真分析[J].硅谷，2014(1)： 48-49.

[4]蘇雪，馬光善.2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的MATLAB實(shí)現(xiàn)[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，34(2)： 48-52.

[5]陸小菊，李金平，李鵬飛.基于Simulink的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，27(1)： 44-50.

[6]吳莉.基于SystemView的FSK通信系統(tǒng)仿真及研究[J].電子世界，2013(23)： 80.

[7]Bao Jinyu,Qin Kaiyu,Tang Bo,et al.Digital implementation method of base-band signal of FSK quadrature modulation[C]∥2012 National Conference on Information Technology and Computer Science.Lanzhou,China: Atlantis Press,2012: 105-108.

[8]周志法，艾文，張堯琴.基于FPGA的2FSK數(shù)字信號(hào)調(diào)制解調(diào)[J].電子科技，2012，25(3)： 121-123.

[9]張金昌，李博，男春暉.基于TMS320C6713的2FSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字通信，2012，39(5)： 81-83.

[10]勞五一，勞佳.模擬電子電路分析、設(shè)計(jì)與仿真[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2007： 130-138.

[11]余輝晴，吳雪芬，王其紅.模擬電子技術(shù)教程[M].3版.北京： 電子工業(yè)出版社，2014： 91-101.

[12]畢滿清，王黎明，高文華.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京： 高等教育出版社，2008： 135-142.

[13]王慶.Protel 99 SE & DXP電路設(shè)計(jì)教程[M].修訂版.北京： 電子工業(yè)出版社，2013： 25-27.

[14]寧鐸，馬令坤，郝鵬飛，等.電子工藝實(shí)訓(xùn)教程[M].2版.西安： 西安電子科技大學(xué)出版社，2010： 107-125.

[15]Li li,Hu zhihui,Kang Shaoyang,et al.Simulation on the Electromagnetic Radiation of PCB[C]∥2002 3rd International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Beijing,China： IEEE,2002: 767-770.

Circuit Design of 2FSK Modulation Based on V-F Transformation

HUZhihui，LIYuan，SHIYing，WANGLiping

(School of Electronic Information Engineering， Shanghai Dianji University， Shanghai 200240, China)

Abstract:To produce 2FSK signals without applying a frequency source, a V-F transformation circuit is improved, and a waveform transformation circuit is added based on the principle of 2FSK modulation and performance of V-F transformation. Experimental results show that the circuit can produce two kinds of sine signals with different frequencies according to whether a 1 or a 0 is transmitted. The circuit design is practical for continuous phase 2FSK modulation without a frequency source.

Key words:V-F Transformation； binary frequency-shift keying (2FSK)； modulation circuit

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN 761.8

文章編號(hào)2095 - 0020(2015)01 -0019 - 05

作者簡介：胡之惠(1979-)，女，副教授，主要研究方向?yàn)殡娮油ㄐ?，E-mail： huzh@sdju.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年 資助(61201258)

收稿日期：2014 - 09 - 19