基于V/F轉換的2FSK調制電路設計

胡之惠，　李　淵，　施　瑛，　王利平

(上海電機學院 電子信息學院， 上海 200240)

?

基于V/F轉換的2FSK調制電路設計

胡之惠，李淵，施瑛，王利平

(上海電機學院 電子信息學院， 上海 200240)

摘要:為實現(xiàn)無外加頻率源的2FSK調制，根據(jù)2FSK調制原理及V-F轉換特性，對V-F轉換電路進行改進，增加波形變換電路。實驗結果表明，對應基帶信號“1”和“0”，調制電路能產(chǎn)生兩種穩(wěn)定頻率的正弦波。該電路設計在無外加頻率源的情況下，實現(xiàn)了相位連續(xù)的2FSK調制，具有較強的實用性。

關鍵詞:V/F轉換； 二進制頻移鍵控； 調制電路

隨著電子計算機的普及，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)字調制方式，其調制方法簡單，易于實現(xiàn)，且解調時無需恢復本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能較強，在中、低速數(shù)據(jù)傳輸中應用十分廣泛。

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

2FSK信號主要有兩種產(chǎn)生方法[2]： ① 調頻法，利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調頻，產(chǎn)生相位連續(xù)的數(shù)字調頻信號；② 開關法，利用矩形脈沖序列控制的開關電路對2個不同的獨立頻率源進行選通，由于頻率源之間的相位互不相關，容易產(chǎn)生相位離散的數(shù)字調頻信號。文獻[3-5]中采用Matlab仿真實現(xiàn)了2FSK調制，文獻[6]中采用SystemView仿真實現(xiàn)開關法2FSK調制，文獻[7]中采用VC++進行2FSK正交調制。文獻[8]中基于FPGA進行了2FSK調制的過程設計，文獻[9]中在TMS320C6713型DSP芯片上實現(xiàn)了2FSK信號的調制。

電壓/頻率(V/F)轉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]。本文嘗試利用V/F轉換的這一特性，對電路進行改進，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，實現(xiàn)相位連續(xù)的2FSK調制。

1V/F轉換原理[10]

圖1為V/F轉換電路，其中，A1、C1、R1等構成積分電路；A2、R5、R7等構成滯回比較器，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的導通和截止，進而控制電容C1的充放電時間；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間，使輸出信號的頻率隨之改變。

圖1　V/F轉換電路Fig.1　V-F transformation circuit

由A2、R5、R7等構成的滯回比較器電路分析可得，A2同相輸入電壓為

(1)

當UO=+UOM時，比較器翻轉閾值電壓為

(2)

當UO=-UOM時，比較器翻轉閾值電壓為

(3)

設R5=100kΩ，R7=200kΩ，則

(4)

(5)

當UO=+UOM時，三極管T1飽和，忽略飽和壓降得

(6)

式(6)簡化為

(7)

設R1=100kΩ，且R2=R3=R4=50kΩ，得

(8)

當UO=-UOM時，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)時間為

(12)

由式(4)、(5)和式(10)分析可得

(13)

UO高電平持續(xù)時間為

(14)

因此，振蕩頻率為

(15)

綜上所述，振蕩輸出信號為矩形波，頻率隨輸入電壓U1線性變化。

22FSK調制電路仿真設計

V/F轉換電路能使輸出矩形波的振蕩頻率與控制電壓成正比，為實現(xiàn)2FSK調制，本文在V/F轉換電路的基礎上做進一步改進，實現(xiàn)由2種不同輸入電平對應輸出2種不同頻率的正弦波。一般地，要將矩形波先經(jīng)過積分轉換為三角波，然后再經(jīng)過波形變換轉換為正弦波。經(jīng)電路分析得，V/F轉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，經(jīng)過系列電路變換后產(chǎn)生對應的正弦波。這樣做一方面可以減少電路的復雜程度，使電路結構簡潔；另一方面可以減少波形轉換過程中的誤差，提高了電路的精準性。

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系應符合雙曲正切函數(shù)的變化規(guī)律[11-12]。當輸入三角波接近差分管的飽和區(qū)時,輸出波會被如圖2所示的S形曲線削平，即輸入合適電壓時,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調制電路設計

2FSK調制電路原理如圖3所示。圖中，左半部分為V/F轉換電路，其中，U1、C1、R3等構成積分電路，U2、R6、R7等構成滯回比較器；右半部分為三角波—正弦波變換電路，利用嚴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分別為兩對嚴格對稱的三極管，Q4和Q5構成比例電流源，利用R16調整Q2的偏置狀態(tài)，使其位于S形曲線的中心，利用R17調整輸入信號的數(shù)值，使其在S形曲線的合適位置轉移至輸出端。

2.3　仿真結果分析

電路的電氣規(guī)則檢查(Electrical Rules Check， ERC)確定無誤后[13]，在2FSK調制電路的輸入端加入二進制序列“0101”，設定合適的偏置電壓后，V/F轉換輸出如圖4所示。圖中，上方為碼元信號，下方為矩形波信號，碼元“1”和“0”分別對應輸出2.5kHz和833Hz的矩形波，基本符合原理分析結果。積分電路輸出如圖5所示，其中，下方為碼元信號，上方為三角波信號，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信號如圖6所示。圖中，下方為碼元信號，上方為輸出的2FSK信號，對應碼元“1”和“0”，輸出振幅一致，頻率分別為2.5kHz和833Hz的正弦波。

通過仿真結果分析，該2FSK調制電路在無外加頻率源的情況下，對應基帶信號“1”和基帶信號“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，達到預期設計要求。

3PCB設計

筆者通過電路的仿真設計后，導入原理圖，然后進行印制電路板(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調制電路Fig.3　2FSK modulation circuit

圖4　V/F轉換結果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，合理地進行元件布局和導線布線[14-15]。然后，根據(jù)PCB文件刻板后，進行元器件安裝焊接，設計制作的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

將二進制序列“0101”輸入到2FSK調制電路的PCB板上，設定合適的偏置電壓并調節(jié)部分電路的參數(shù)值，輸出較為穩(wěn)定的2FSK信號，如圖8所示。圖中，下方為碼元“1”和“0”，上方為對應輸出的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，與仿真結果較為相近。

4結語

本文根據(jù)2FSK原理和V/F轉換特性，對V/F轉換電路進行改進，實現(xiàn)由2種不同輸入電平對應輸出2種不同頻率的正弦波。仿真結果和PCB板的測試結果表明，本文所設計的基于V-F轉換的2FSK調制電路能在無外加頻率源的情況下，對應二進制信號“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，較理想地實現(xiàn)相位連續(xù)的2FSK調制，符合預期設計要求。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。

參考文獻：

[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： 清華大學出版社，2014： 176-177.

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

[4]蘇雪，馬光善.2FSK調制解調系統(tǒng)的MATLAB實現(xiàn)[J].玉林師范學院學報(自然科學版)，2013，34(2)： 48-52.

[5]陸小菊，李金平，李鵬飛.基于Simulink的2FSK調制解調器設計與實現(xiàn)[J].北京聯(lián)合大學學報，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)字信號調制解調[J].電子科技，2012，25(3)： 121-123.

[9]張金昌，李博，男春暉.基于TMS320C6713的2FSK調制的實現(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、設計與仿真[M].北京： 清華大學出版社，2007： 130-138.

[11]余輝晴，吳雪芬，王其紅.模擬電子技術教程[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.模擬電子技術基礎[M].北京： 高等教育出版社，2008： 135-142.

[13]王慶.Protel 99 SE & DXP電路設計教程[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.電子工藝實訓教程[M].2版.西安： 西安電子科技大學出版社，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

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN 761.8

文章編號2095 - 0020(2015)01 -0019 - 05

作者簡介：胡之惠(1979-)，女，副教授，主要研究方向為電子通信，E-mail： huzh@sdju.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金青年 資助(61201258)

收稿日期：2014 - 09 - 19