基于V/F转换的2FSK调制电路设计

胡之惠，　李　渊，　施　瑛，　王利平

(上海电机学院 电子信息学院， 上海 200240)



基于V/F转换的2FSK调制电路设计

胡之惠，李渊，施瑛，王利平

(上海电机学院 电子信息学院， 上海 200240)

摘要:为实现无外加频率源的2FSK调制，根据2FSK调制原理及V-F转换特性，对V-F转换电路进行改进，增加波形变换电路。实验结果表明，对应基带信号“1”和“0”，调制电路能产生两种稳定频率的正弦波。该电路设计在无外加频率源的情况下，实现了相位连续的2FSK调制，具有较强的实用性。

关键词:V/F转换； 二进制频移键控； 调制电路

随着电子计算机的普及，数字通信得到了迅速发展。频移键控(Frequency-shift Keying, FSK)作为一种常见的数字调制方式，其调制方法简单，易于实现，且解调时无需恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能较强，在中、低速数据传输中应用十分广泛。

FSK利用载波频率的变化来传递数字信息。二进制频移键控(2FSK)信号是指基带信号“1”对应于载频f1，基带信号“0”对应载频f0的已调波形，且f1、f0之间的改变是瞬间完成的[1]，表达式如下：

2FSK信号主要有两种产生方法[2]： ① 调频法，利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，产生相位连续的数字调频信号；② 开关法，利用矩形脉冲序列控制的开关电路对2个不同的独立频率源进行选通，由于频率源之间的相位互不相关，容易产生相位离散的数字调频信号。文献[3-5]中采用Matlab仿真实现了2FSK调制，文献[6]中采用SystemView仿真实现开关法2FSK调制，文献[7]中采用VC++进行2FSK正交调制。文献[8]中基于FPGA进行了2FSK调制的过程设计，文献[9]中在TMS320C6713型DSP芯片上实现了2FSK信号的调制。

电压/频率(V/F)转换电路能使输出波形的振荡频率与控制电压成正比，通过设置控制电压的电平变化，使输出矩形波产生2种不同的频率[10]。本文尝试利用V/F转换的这一特性，对电路进行改进，根据控制电压的2种电平变化，输出在2种不同频率间变化的正弦波，从而在无外加频率源的情况下，实现相位连续的2FSK调制。

1V/F转换原理[10]

图1为V/F转换电路，其中，A1、C1、R1等构成积分电路；A2、R5、R7等构成滞回比较器，其参考电压为U2，电压输出包含输出上限UOM和输出下限-UOM；电路输出UO经过反馈支路控制三极管T1的导通和截止，进而控制电容C1的充放电时间；输入电压U1的数值变化决定A1同相输入端电压UP1，从而控制积分电路的积分时间，使输出信号的频率随之改变。

图1　V/F转换电路Fig.1　V-F transformation circuit

由A2、R5、R7等构成的滞回比较器电路分析可得，A2同相输入电压为

(1)

当UO=+UOM时，比较器翻转阈值电压为

(2)

当UO=-UOM时，比较器翻转阈值电压为

(3)

设R5=100kΩ，R7=200kΩ，则

(4)

(5)

当UO=+UOM时，三极管T1饱和，忽略饱和压降得

(6)

式(6)简化为

(7)

设R1=100kΩ，且R2=R3=R4=50kΩ，得

(8)

当UO=-UOM时，三极管T1截止，得

(9)

(10)

由式(4)、(5)和式(8)分析可得

(11)

UO低电平持续时间为

(12)

由式(4)、(5)和式(10)分析可得

(13)

UO高电平持续时间为

(14)

因此，振荡频率为

(15)

综上所述，振荡输出信号为矩形波，频率随输入电压U1线性变化。

22FSK调制电路仿真设计

V/F转换电路能使输出矩形波的振荡频率与控制电压成正比，为实现2FSK调制，本文在V/F转换电路的基础上做进一步改进，实现由2种不同输入电平对应输出2种不同频率的正弦波。一般地，要将矩形波先经过积分转换为三角波，然后再经过波形变换转换为正弦波。经电路分析得，V/F转换电路中的积分电路本身能产生与通过滞回比较器后产生的矩形波频率相同的三角波，故本文将直接把该三角波作为变换电路的输入信号，经过系列电路变换后产生对应的正弦波。这样做一方面可以减少电路的复杂程度，使电路结构简洁；另一方面可以减少波形转换过程中的误差，提高了电路的精准性。

2.1　三角波—正弦波变换原理

利用差分放大电路的非线性传输特性可以实现三角波—正弦波的变换。根据典型差分放大电路的差模传输特性，其输出电流(电压)与差模输入电压之间的关系应符合双曲正切函数的变化规律[11-12]。当输入三角波接近差分管的饱和区时,输出波会被如图2所示的S形曲线削平，即输入合适电压时,可使输出的波形非常接近于正弦波。为使输出波形更接近于正弦波，差分放大电路的传输特性应尽可能对称，且线性区越窄越好。

图2　差分管的传输特性Fig.2　Transmission characteristics of　differential amplifier

2.2　2FSK调制电路设计

2FSK调制电路原理如图3所示。图中，左半部分为V/F转换电路，其中，U1、C1、R3等构成积分电路，U2、R6、R7等构成滞回比较器；右半部分为三角波—正弦波变换电路，利用严格对称的差分对管来产生正弦波[10]。该变换电路的输入信号为积分电路输出的三角波，其中，Q2和Q3、Q4和Q5分别为两对严格对称的三极管，Q4和Q5构成比例电流源，利用R16调整Q2的偏置状态，使其位于S形曲线的中心，利用R17调整输入信号的数值，使其在S形曲线的合适位置转移至输出端。

2.3　仿真结果分析

电路的电气规则检查(Electrical Rules Check， ERC)确定无误后[13]，在2FSK调制电路的输入端加入二进制序列“0101”，设定合适的偏置电压后，V/F转换输出如图4所示。图中，上方为码元信号，下方为矩形波信号，码元“1”和“0”分别对应输出2.5kHz和833Hz的矩形波，基本符合原理分析结果。积分电路输出如图5所示，其中，下方为码元信号，上方为三角波信号，三角波与图4中的矩形频率一致。经过三角波一正弦波变换后，输出的2FSK信号如图6所示。图中，下方为码元信号，上方为输出的2FSK信号，对应码元“1”和“0”，输出振幅一致，频率分别为2.5kHz和833Hz的正弦波。

通过仿真结果分析，该2FSK调制电路在无外加频率源的情况下，对应基带信号“1”和基带信号“0”分别输出了两种频率的正弦波，并且相位连续，波形过渡较平滑，与电路理论分析相符，达到预期设计要求。

3PCB设计

笔者通过电路的仿真设计后，导入原理图，然后进行印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)规划；在全面了解所选元器件封装的尺寸、规格、

图3　2FSK调制电路Fig.3　2FSK modulation circuit

图4　V/F转换结果Fig.4　Results of V-F transformation

图5　三角波输出Fig.5　Output of triangular wave

图6　2FSK信号Fig.6　2FSK signals

面积等要素后，从抗干扰性、电磁兼容性、交叉要少、走线要短、电源和地线的路径及去耦等方面综合考虑，合理地进行元件布局和导线布线[14-15]。然后，根据PCB文件刻板后，进行元器件安装焊接，设计制作的PCB板如图7所示。

图7　PCB板Fig.7　PCB

图8　2FSK输出Fig.8　The output of 2FSK

将二进制序列“0101”输入到2FSK调制电路的PCB板上，设定合适的偏置电压并调节部分电路的参数值，输出较为稳定的2FSK信号，如图8所示。图中，下方为码元“1”和“0”，上方为对应输出的1.63kHz和812Hz的正弦波，相位连续，波形过渡较平滑，振幅略微有些差别，与仿真结果较为相近。

4结语

本文根据2FSK原理和V/F转换特性，对V/F转换电路进行改进，实现由2种不同输入电平对应输出2种不同频率的正弦波。仿真结果和PCB板的测试结果表明，本文所设计的基于V-F转换的2FSK调制电路能在无外加频率源的情况下，对应二进制信号“0”和“1”产生两种频率稳定，波形过渡较平稳的正弦波，较理想地实现相位连续的2FSK调制，符合预期设计要求。今后的研究方向是避免因线路排版及电磁干扰等因素引起的输出正弦波的振幅波动。

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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

文献标志码:A

中图分类号:TN 761.8

文章编号2095 - 0020(2015)01 -0019 - 05

作者简介：胡之惠(1979-)，女，副教授，主要研究方向为电子通信，E-mail： huzh@sdju.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金青年 资助(61201258)

收稿日期：2014 - 09 - 19