基于锁相环的FSK解调电路设计

基于锁相环的FSK 解调电路设计

摘要：介绍了一种FSK 信号调制解调电路的设计思想，发送端采用锁相环芯片CD4046实现了基带信号的FSK 调制，接收端采用普通鉴频法进行解调。将FSK 信号转换为ASK 信号，并采用检波和低通滤波电路恢复出其基带信号。该电路具有结构简单、成本低廉、工作可靠等优点，可适用于低速电力线载波通信中。

关键词：电力线载波通信；FSK ；锁相环芯片；调制；解调

A Method of Design for FSK Modem

Abstract:This paper describes a method of design for FSK modem.Adopting the phase —locked loop chip CD4046 at the sending —end to rea “ze FSK nlodulation for baseband signal ，and the frequency discrimination method is adopted to transfonn FSK signaI into ASK signal at the receiving end.The detection circuit and low pass filtercircuit are used to recover their baseband signaI.This kirld of circuit has the advantage of simple structure ，cheap cost and being reliable work ，and applicable for the low —speed power line carrier communication.

Keywords ：power line carrier communication ；FSK ；phase lock loop ；modulation ；demodulation

电力线载波信道中，远动装置的基带数字信号频率一般在3.4kHz 以下，一般要经过调制器调制，将频率搬移至载波通信频段40～500kHz ，然后将信号送至功率放大器放大，并经高压结合设备隔离后，送到高压输电线进行传输。在接收端，经高压结合设备隔离后的高频信号经接收装置的解调器还原成基带信号[1]。针对这种情况，本文介绍一种简单的FSK 信号调制解调器的设计方法。

1 基本原理

在中、低速异步传输用调制解调器常采用FSK 信号调制方式[2]，其原理如图1所示：FSK 信号调制又称数字调频，他是用两种不同的载频ω1、ω2来代表脉冲调制信号1和0，而载波的振幅和相位不变。如果载波信号采用正弦型波，则FSK 信号可表示为：

1m 2cos ,

1()cos ,2m U t S t U t ωω?=??代表数字码元“”代表数字码元“” 1-1

图1中G(t)为1时FSK 信号S(t)的频率为?1；G(t) 为0时FSK 信号S(t)的频率为?2，将S(t)分解为信号S 1(t)与S 2(t)之和，则有：

12()()()S t S t S t =+ 1-2

根据相关的公式可求得FSK 信号的带宽为：

12||2FSK B f f B =-+ 1-3 式中：1f 为对应脉冲调制信号1的载波频率；

2f 为对应脉冲调制信号0的载波频率；

B 为数字基带信号的带宽。

图1 FSK 调制原理 解调是调试的相反过程。由于移频键控调制是将脉冲调制信号1用FSK 信号1()S t ，0用2()S t 表示，那么在接收端，可从FSK 信号中恢复出其基带信号。本设计采用了普通鉴频法进行解调，将1()S t 恢复成码元1，把2()S t 恢复成码元0。图2为普通鉴频法的原理框图。

图2 普通鉴频法的原理框图

在接收端FSK 信号进入带通滤波器抑制掉干扰，经限幅器消除接收的信号在幅度上的畸变。解调器的关键部位是鉴频器，他把两种不同频率的FSK 信号变成两种不同的电压信号，然后送低通滤波器滤除高频分量，从而得到基波的包络线，最后经判决器恢复出其基带数字信号。

2 FSK 信号调制方法的实现

设计采用锁相环芯片CD4046来实现FSK 信号的调制，CD4046采用RC 型VC0工作方式，9引脚和4引脚分别为压控振荡器的输入与输出信号1VCO 和2VCO ，输入信号1VCO 控制对1C 的充放电电流0I ，以改变VCO 的振荡频率0f ，若d V GND =，则0I 最小，0f 最低，其值为0min f 1／R2(1C +80 pF)；若d D D V V =，则0I 最大，0f 最高，其值为0max f 1／1R (1C +80pF)+ 0min f ；其引脚11和12分别为1R 和2R ，通常外接电阻值取为1101k R Mk Ω≤≤Ω，分别控制VC0的最高振荡频率和最低振荡频率；6引脚和7引脚之间接一个电容C1，11000.01pF C F μ≤≤，控制VCO 的振荡频率[3]；CD4046输出的波形是方波，这样就完成了FSK 信号调制，CD4046的接线图如图3所示。

3 FSK 信号调制解调方法的实现

调制信号经过结合设备进行高低压隔离和信号耦合后送往电力线信道进行传输[4]。在接收端，先由耦合电容和结合滤波器滤掉50 Hz 的交流正弦信号，得到高频调制信号，再经解调电路从接收到的调制信号中恢复出原来的基带信号。FSK 信号的解调电路如图4所示，由LC 调谐电路、检波电路及滤波电路[5.6]3部分组成。

图3 CD4046接线图

图4 FSK 解调电路

LC 调谐放大电路的功能是将2种频率不同的载波转换成两种幅值不同的调制信号。基本原理是把载频1f 或2f 设置成LC 调谐放大器的谐振频率，则调制信号通过调谐电路时，其中的一个频率发生谐振，幅值最大，另一频率偏离谐振频率，幅值较小。FSK 信号经调谐电路后变为ASK 信号，然后采用ASK 的包络检波电路进行检波，其作用是要取出调幅波的包络线，以实现解调的目的。通常使用二极管检波电路进行调幅波的解调。LC 调谐电路的谐振频率为：

0ω=

或0f = 3-1 谐振时，回路等效阻抗为纯电阻性质，其值为： 102L Z RC =

=01Q L ω=2Q C ω 3-2 式中：12/1/()Q L R C R ωω==,成为回路品质因数，是用来评价回路损耗大小的指标。谐振曲线的形状与回路的Q 值有密切的关系。L 值越大或C 值越小时，Q 值越大，谐振曲线越尖锐，相角变化越快。

为了不失真地从调谐电路输出的调幅波中检出所需频率信号，必须妥善地选择时间常数RC 。设计将两路不同频率载波中的一路频率设置成谐振频率。这样，具有两种不同频率的调频波就可转换为具有两种幅值的调幅波，这样，采用包络检波电路便可进行调幅波的解调。解调电路中二极管是用来检波的，所以应该考虑到其工作频率是否可以承受所要检波

的载波频率。由于硅管的最高工作频率为3 kHz 左右，不适于检波，多用在整流电路中，所以设计选用锗二极管2APl 一7进行检波，主要用在150MHz 以下的电子设备中进行检波和小电流整流。此电路中要确定的参数有R ，L 和C 。参数设定的具体过程如下：检波电路的负载R 3越大，输入的调制波信号的振幅A 越大，检波效率就越高。但如果将R 3取得过大，接近于二极管的反向阻抗r b ，则正向电流和反向电流的差变小，整流器的效率会降低。所以就要在满足r b ≥ R 3的情况下，负载阻尼R 3越大越好。其中r b 为二极管的反向阻尼，其值一般为几百k Ω，最后确定R 3值确定为10k Ω。为了实现良好的保持，R 3C 3的时间常数必须远远大于载波的一个周期。而且为了能够无失真地跟随解调信号的变化，R 3C 3又必须远远小于调制信号的最高频率周期k ，故须满足：

max T <<33R C <

max max c c 31/1z 1/f 250k z R 10k T f kH T H =====Ω，，，R 3=10k Ω，则应满足40pF <<3C <<10000pF ，最后确定为C 3=2000pF 。为了彻底滤去载波，设截止频率为100kHz ，信号源内阻为100k Ω，则4R =100k Ω，41F F Z ωC =

,式中F ω，F Z 分别为频率的归一化因子和阻抗的归一化因子。其值分别为

F ω=314kHz ，F Z =100k Ω，433p C F =

4 结束语

运动系统中一般选择FSK 方式，运动装置的基带数字信号一般要经过调制器调制，将频率搬移至载波通信频段40-500kHz 进行传输。选取载波频率160kHz 和250kHz 对本设计电路进行验证，在接收端可观察到解调后波形较理想，数据正确，且该电路具有工作可靠、结构简单、成本低廉的特点。

参考文献

[1]刘美兰.张开生.李莉.基于低压端电力网的远程抄表监控系统[J].西北轻工业学院院报，1999，(3):91-95.

[2]柳永智.刘晓川.电力系统远动[M].北京：中国电力出版社,2002.

[3]田日才.刘文贵.低速FSK 制式的Modem[J].黑龙江通信技术,1995，（2）：4-6.

[4]盛寿麟.电力系统远程监控原理[M].北京：中国电力出版社,1998.

[5]豆耀华.群集放大、鉴频和锁笔电路的研制[J].西北地震学报,1997.(1)：85-86.

[6]吴仲光.FSK 调制解调器的单片机实现[J].四川大学学报,1995,(6):642-643.