利用锁相环芯片NE564和CD4046实现FSK信号的调制与解调电路的设计

　　频移键控（FSK）操作方法简单，易于实现；在解调的过程中不须恢复本地载波，也可进行异步传输；并且抗噪声和抗衰落性能也都较强。因此，频移键控（FSK）的调制与解调技术在通信行业中得到了广泛地应用，且主要适用于低、中速数据的传输。本文主要介绍锁相环芯片NE564、CD4046和FSK信号的基本特点、工作原理和用途，并详细的阐述了利用锁相环芯片NE564和CD4046实现FSK信号的调制与解调工作的基本原理和主要设计过程。在技术方面，主要介绍FSK调制与解调的相关原理和基本技术。最后对整个实验设计过程进行总结分析，并深入探讨了课题的主要研究工作及意义，加深了对数字移频键控的调制与解调方法的理解；更加深入的学习了锁相环的设计原理，并加强了对锁相环的应用。

　　关键词：锁相环；NE564；CD4046；FSK；调制；解调

　　1 锁相环简介

　　1.1 引言

　　随着现代社会的不断进步，电子计算机和电子科学技术不断地普及到我们的家庭中。通信对我们来说也显得越来越至关重要，密不可分。对于通信技术而言，通信的质量问题也就显的非常的关键。在保证信息远距离传输正确性这一方面，数字通信系统拥有先天的优势，这也正是数据通信技术快速发展的真正原因。

　　数字频率调制是数据通信中一种常见的调制方式。由于频移键控（FSK）的调制和解调原理都相对比较简单，作为数字通信原理的一门入门学科，透彻的理解频移键控（FSK）后可以更好地理解其他较复杂的调制系统，为以后的进一步发展打下坚实基础［1］。

　　锁相环（PLL）是一种闭环的自动跟踪负反馈系统。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环的应用也越来越广。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。锁相环路之所以能得到如此广泛的应用，是由于其独特的优良性能所决定的。它具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可提供频率高稳定的频率源；可进行高精度的香味与频率测量等等。它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。它还具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量［2］。

　　对于不同的调制方式，还有其不同的独特的解调方法。在本实验中主要利用了锁相环的特性，实现了基于锁相环的数字信号移频键控的调制与解调。

　　1.2 锁相环的结构

　　锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域［3］。

　　锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图1-1所示

　　　
　电阻R（R=100W），只需外接一个定时电容tC就可产生振荡。VCO有两个电压输出端，其中01VCO输出TTL电平，02VCO输出ECL电平。后置鉴相器由单位增益跨导放大器3A和施密特触发器ST组成。其中，3A提供解调FSK信号时的补偿直流电平及用作线性解调FM信号时的后置鉴相滤波器；ST的回差电压可通过引脚16外接直流电压进行调整，以消除输出信号0TTL的相位抖动［4］

　　

 

　　图2-2 NE564的内部组成框图

　　2.2 CD4046介绍

　　锁相环过去多采用分立元件和模拟电路组成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046便是常用的锁相环集成电路［5］。

　　CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件，当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。其特点是电源电压范围宽为3V－18V，输入阻抗高约100WM，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。

　　图2-3是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各引脚功能如下： 1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比较Ⅰ的输出端。3脚比较信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器Ⅱ的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

　　　　新疆师范大学2013届本科毕业设计4图2-4 CD4046的内部电原理框图图2-4是CD4046内部电原理框图，它主要由相位比较Ⅰ、相位比较器Ⅱ、压控振荡器（VCO）、源跟随器、线性放大器、整形电路等部分组成。相位比较器Ⅰ采用异或门结构，当两个输人端信号iU、oU的电平状态不同时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号yU为高电平；反之，当iU、oU的电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），yU输出为低电平。当iU、oU的相位差Δφ变化在0°-180°的范围内时，yU的脉冲宽度m也随之改变，即占空比亦在改变。从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图2-5所示）可看出，其输出信号的频率是输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°的相位移动。对相位比较器Ⅰ而言，它要求iU、oU的占空比均为50%（即方波），这样才能使锁定的范围为最大。

　　

　　图2-5 比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形

　　相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高，并允许输入非对称的波形，它具有很宽很广的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波上。它可提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相位移动。对相位比较器Ⅱ而言，当14脚的输入信号比13脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1”。如果两个信号的频率相同而相位不同　　当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器Ⅱ输出的为正脉冲，当相位超前时则输出的为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都会有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。相位比较器Ⅱ会输出一个与两输入脉冲上升沿之间相位差相等宽度的正负脉冲。而当两个输入脉冲的频率和相位都一致时，相位比较器Ⅱ的输出为高阻态，则1脚输出为。图2-6为上述所示波形。由此可见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定的高电平高电平就可以判断出两个输入信号的情况了。当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器Ⅱ输出的为正脉冲，当相位超前时则输出的为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都会有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。相位比较器Ⅱ会输出一个与两输入脉冲上升沿之间相位差相等宽度的正负脉冲。而当两个输入脉冲的频率和相位都一致时，相位比较器Ⅱ的输出为高阻态，则1脚输出为。图2-6为上述所示波形。由此可见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定的高电平高电平就可以判断出两个输入信号的情况了。

　　

　　

　　当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器Ⅱ输出的为正脉冲，当相位超前时则输出的为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都会有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。相位比较器Ⅱ会输出一个与两输入脉冲上升沿之间相位差相等宽度的正负脉冲。而当两个输入脉冲的频率和相位都一致时，相位比较器Ⅱ的输出为高阻态，则1脚输出为。图2-6为上述所示波形。由此可见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定的高电平高电平就可以判断出两个输入信号的情况了。

　　图2-6 输入信号情况判断

　　CD4046内部的线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。源跟踪器是增益为1的放大器，VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。

　　综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号 iU从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图2-4开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号oU与输入信号iU作相位比较，从相位比较器输出的误差电压yU则反映出两者的相位差。yU经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压dU加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与iU进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同，不再赘述［6］。

　　3 FSK简介

　　3.1 FSK基本概念与特点

　　数字调制是指用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，实现数字调制的技术称为键控法。数字频率调制又称频移键控（FSK—Frequency Shift Keying），二进制频移键控记作2FSK。它是键控法的一种，是利用载波的频率变化来传送数字信息，即用所传送的数字信息来控制载波的频率。2FSK信号便是　　符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的［7］。

　　从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。而键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，它是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来较为容易、抗干扰能力强、传输距离远、转换速度快、波形好、稳定度高且抗噪声与抗衰减的性能较好，故在中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。

　　2FSK信号的表达式和波形图如下所示：

　　在2FSK信号中，载波的频率随二进制基带信号在1f和2f两个频率点间变化。故其表达式为：

　　　　假设二进制序列s（t）为l01001时，则2FSK信号的波形如图3-1所示

　　　　FSK调制原理框图如图4-1所示： 式（3-4） nj和nq分别是第n个信号码元的初相位。在移频键控中，nj和nq不携带信息，通常可令和为零。
3.2 FSK的发展及应用前景
1）FSK Modem MSM7512B在电力线通信中的应用：MSM7512B是由OKI公司推出的关于FSK调制解调的芯片。电力线作为一种通信传输介质，具有可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声以及等幅振荡波干扰等不利数据传输的特性。为了排除这些干扰，目前利用电力线进行通信的产品有很多，通信质量和距离各有差异。这里介绍的是利用FSK调制解调芯片MSM7512B来实现的一种点对点通信方式。这种传输方法是隔离（变压器隔离方式）的。当通信距离较远时，可用MSM7512B替代隔离的RS-485接口芯片。它具有抗干扰能力强、误码率低、可靠性高、投资少、建设方便等优点，同时也存在着数据传输速度低（只能达到1200bps），在通信距离变得很远时误码率有所增高的缺点。这种基于MSM7512B来实现电力线通信已经在智能小区数据通信的实践应用中取得了良好的使用效果。
2）来电显示：来电显示的传输信息的方式有2种：FSK和DTMF。FSK方式与DTMF方式相比有如下的优势：（l）数据传输速率高，在规定时间内能传的字符数较多；（2）FSK方式可以支持ASCII字符集，而DTMF方式只能支持数字及少数字符。目前采用FSK方式的国家和地区有：美国、中国、英国、加拿大、日本、西班牙、新加坡等；采用DTMF方式的则主要是以瑞典为代表的一些欧洲国家等。
3）蓝牙（Bluetooth）通信设备：蓝牙（Bluetooth）是应用FSK调制解调的一个重要领域之一。蓝牙可替代短距离线缆，实现在移动电话、便携式电脑和其他电子装置间的无缝线连接。越来越多的旅馆、邮局、高尔夫球场、飞机场、商场、会议中心和商业领域都在采用蓝牙技术［5］。4 利用锁相环芯片实现FSK信号的调制4.1 FSK信号调制的基本原理数字调频信号可以分为两种情况，即相位连续和相位离散。如果两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，则它们之间相位互不相关，称它为相位离散的数字调频信号；如果两个振荡频率由同一振荡信号源提供，只是将其中一个载频进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。

　   4 利用锁相环芯片实现FSK信号的调制

　　4.1 FSK信号调制的基本原理

　　数字调频信号可以分为两种情况，即相位连续和相位离散。如果两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，则它们之间相位互不相关，称它为相位离散的数字调频信号；如果两个振荡频率由同一振荡信号源提供，只是将其中一个载频进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。FSK调制原理框图如图4-1所示

　　　　
4.2 利用NE564实现FSK信号调制电路的设计

　　如下图4-2所示，该电路图是由NE564等构成的FSK调制电路。在电路中，NE564是一种模拟锁相环PLL集成电路，用双态信号控制CD4016模拟开关进行FSK调制。其中CD4016使NE564的2脚电压，在1.42V～5V之间转换，即5Vx［R2/（R1十R2）］=1.42V。因此，在相位连续的情况下，就可以改变压控振荡器（VCO）的输出。当VCO中心频率的电容C0固定不变时，FSK频率之间的偏移可通过R1和R2进行调整［9］。

　　 　　
4.3 利用CD4046实现FSK信号调制电路的设计

　　 　　
图4-3 FSK调制电路图

　　　
　为了使得CD4046的VCO振荡频率稳定，要求VCO控制端的控制电平稳定，为此在VCO控制端输入前加一级缓冲器。CD4046的VCO输出波形是占空比为50%的方波，因而要加入带通滤波器。CD4046中VCO的振荡频率由外接电容C，电阻R1、R2和控制端输入电压共同决定。设CD4046的电源电压为DDV，“地”电平电压为SSV，则当VCO控制端输入电压为SSV时，其振荡频率为：

　　

　　f和Sf的选值既要考虑实际信道的宽度，又要考虑调制指数h。

　　5 利用锁相环芯片实现FSK信号的解调

　　FSK信号的解调有多种方式，本论文选用集成锁相环CD4046进行FSK解调，我们知道，锁相环路鉴频门限比斜率鉴频器的鉴频门限值低3dB左右。在设计锁相环时，使其锁定在FSK的一个载频1f上，对应输出高电平，而对于另一载频2f失锁，对应输出低电平，那么锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列。选择锁相环路的同步带和捕捉带大于SMff-，且锁相环路中VCO的振荡频率覆盖Mf和Sf。当输入FSK信号时，锁相环路处于锁定状态；当输入频率为Mf信号时，环路中的低通滤波器输出为一高电平；当输入频率为Sf的信号时，低通滤波器输出为一低电平，这样就完成了FSK信号的解调。利用CD4046实现FSK信号的解调电路原理框图、电路图分别如图5-1及图5-2所示。

　　

　　　　6 实验结果分析

　　6.1 利用锁相环芯片实现FSK信号调制和解调的结果分析

　　通过利用锁相环NE564和CD4046设计的FSK信号调制和解调电路，我在整个电路板的设计和制作过程中收获到许多在课本中学不到和见不到的新知识。在其中，我感受到制作一个电路板的不易和艰辛，并且也磨练了自己的心智与耐心，懂得静下心去检查和调试电路。也学会了一些芯片的使用方法，并通过自己的努力做出了电路板，学会了芯片的封装、电路板的制作与焊接等工作。以下就为FSK信号调制与解调电路的实验结果。

　　1）锁相环NE564制作的FSK调制电路实验结果：

　　　　电路输入端接入矩形波，在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个频率源进行选通，使其在每个码元周期中输出f1或f2两个载波之一。当输入为矩形波的高电平时，由于锁相环的锁相功能，使得输出为频率较高的波形；

　　当输入为矩形波的高低电平时，同样，由于锁相环的作用，使得输出为频率较低的波形；最后就形成了输出波形为频率不同的疏密波。 2）锁相环CD4046制作的FSK解调电路实验结果：

　　

　　在电路中，是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行抽样判决，直接比较两路信号抽样值的大小，接收时比较上下支路的样值大小，若样值大，应判为“1”，反之判为“0”。这样就得到了输出信号的波形。

　　6.2 课题的主要研究工作及意义

　　课题主要研究了FSK信号的调制解调系统的实现，完成对数字信号的调制及解调，使系统简单，并要调制解调过程容易实现，能正确的完成调制解调任务。

　　数字调制解调技术在现代通信系统有着十分重要的地位，在数字通信系统中，由于基带数字信号包含了许多的低频部分，如果要实现远距离传输，特别是　　在有限带宽的高频信道或无线光纤信道传输时，就必须要对数字信号进行载波调制，使基带信号的功率谱可以搬移到较高的载波频率上，这种技术就称为数字调制（Digital Modulation）［11］ 。它可分别对载波的频率、幅度以及相位进行调制，从而就有了移频键控（FSK） 、移幅键控（ASK） 、移相键控（PSK） 等调制方式。同时，数字调制技术也是时分复用的基本技术，其中FSK 是利用数字信号去调制载波的频率，是一种较早的信息传输方式，也使得FSK也在通信系统中得到了广泛的应用。