電子線路課程設(shè)計(jì)教學(xué)案例研究
——2FSK調(diào)制的簡(jiǎn)單數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬丕明 張露陽(yáng) 朱維紅

（山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東·青島 410073）

0 引言

電子線路課程設(shè)計(jì)是面向電子信息類本科生的專業(yè)必修課，是一門具備理論性和工程技術(shù)性的綜合實(shí)踐類課程。課程開設(shè)時(shí)，學(xué)生已經(jīng)完成了電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電子線路、信號(hào)與系統(tǒng)等基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，目的是使學(xué)生鞏固和加深理解電路基礎(chǔ)課程知識(shí)，培養(yǎng)良好的工程素養(yǎng)，同時(shí)訓(xùn)練學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和解決實(shí)際問題的能力。

在開設(shè)電子線路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的同時(shí)，學(xué)生也開始了數(shù)字信號(hào)處理和通信原理等專業(yè)必修課的學(xué)習(xí)。數(shù)字信號(hào)處理和通信原理是電子信息類學(xué)生的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)重點(diǎn)是信號(hào)處理過程和通信信號(hào)傳輸過程的數(shù)學(xué)分析和性能研究，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用軟件仿真實(shí)現(xiàn)，硬件實(shí)現(xiàn)方式過于復(fù)雜，學(xué)生很難在較短時(shí)間內(nèi)完成。

因此，本文對(duì)數(shù)字信號(hào)處理和通信原理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行提煉，考慮課程開設(shè)時(shí)間和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，以“2FSK調(diào)制的簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)”為題目，針對(duì)通信系統(tǒng)的信號(hào)處理和信號(hào)傳輸問題，采用中小規(guī)模集成電路，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。論文給出了通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)和要求，并給出硬件電路的設(shè)計(jì)思路和部分信號(hào)波形，便于學(xué)生進(jìn)一步查找資料、仿真和進(jìn)行具體的電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步，論文討論了電子線路課程設(shè)計(jì)課程的教學(xué)流程和階段性時(shí)間安排。

1 2FSK調(diào)制的簡(jiǎn)單數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，調(diào)制和解調(diào)是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的重要組成部分，頻移鍵控（Frequency-shift keying，F(xiàn)SK）是一種常用的數(shù)字調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)抗噪聲和抗衰減的性能，在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。二進(jìn)制FSK調(diào)制，也稱2FSK調(diào)制，將二進(jìn)制基帶信號(hào)的信息加載到兩種不同頻率的正弦波載波上。2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)組成如圖1所示，包括電源電路、基帶信號(hào)產(chǎn)生電路、正弦載波產(chǎn)生電路、調(diào)制電路、解調(diào)電路、碼元同步、抽樣判決。下面分別介紹有關(guān)電路原理和參數(shù)指標(biāo)。

圖1：2FSK通信系統(tǒng)組成

1.1 電源電路

電源電路需要產(chǎn)生±5V和±12V的直流電，主要由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路構(gòu)成。220V交流電信號(hào)經(jīng)變壓器降壓、整流和濾波后，再經(jīng)LM7805、LM7812、LM7905、LM7912組成的穩(wěn)壓電路，分別轉(zhuǎn)化為±5V和±12V的直流電。

1.2 基帶信號(hào)產(chǎn)生電路

基帶信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生時(shí)鐘為8kHz的15位m序列，其中8kHz信號(hào)由NE555產(chǎn)生，15位m序列由74LS194移位寄存器產(chǎn)生。

1.3 正弦載波產(chǎn)生電路

正弦載波信號(hào)的生成方法常用的有兩種，一種是采用正弦波振蕩器直接產(chǎn)生，如LC振蕩器或文氏橋振蕩器等；另一種是間接方法，由方波信號(hào)進(jìn)行濾波器得到。由NE555分頻產(chǎn)生128kHz和64kHz的方波，通過由運(yùn)算放大器TL084等構(gòu)成的低通或帶通濾波器，分別生成128kHz和64kHz的正弦波。

1.4 調(diào)制電路

調(diào)制電路的主要元件是雙向模擬開關(guān)CD4066，每個(gè)開關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端口。當(dāng)控制端加高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時(shí)，開關(guān)截止。電路原理圖如圖2所示。當(dāng)基帶信號(hào)是高電平時(shí)，128kHz的正弦波輸入；當(dāng)基帶信號(hào)是低電平時(shí)，64kHz的正弦波輸入。在輸出端對(duì)兩者進(jìn)行相加，所得即為2FSK調(diào)制信號(hào)，如圖3所示。

圖2：2FSK調(diào)制電路原理框圖

圖3：調(diào)制電路輸出的2FSK已調(diào)信號(hào)

1.5 解調(diào)電路

2FSK信號(hào)的常用解調(diào)方式是非相干解調(diào)，如圖4所示，可以通過兩路2ASK信號(hào)的包絡(luò)檢波實(shí)現(xiàn)解調(diào)。2FSK調(diào)制信號(hào)通過兩個(gè)中心頻率為64kHz和128kHz的帶通濾波器，分別進(jìn)行包絡(luò)檢波后進(jìn)行電壓比較。若128kHz帶通濾波器的輸出包絡(luò)大于64KHz的帶通濾波器的輸出，判為1；否則判決為0。

圖4：解調(diào)電路原理框圖

1.6 碼元同步電路

在數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中，需對(duì)接收端解調(diào)后的基帶信號(hào)進(jìn)行抽樣，生成抽樣時(shí)鐘信號(hào)的過程稱為碼元同步或時(shí)鐘同步。碼元同步常采用外同步法和自同步法，本文采用自同步法，電路圖如圖5所示。解調(diào)的基帶信號(hào)依次經(jīng)過低通、微分、整流、窄帶濾波和放大限幅，得到本地的時(shí)鐘同步信號(hào)。

圖5：碼元同步電路原理框圖

1.7 抽樣判決電路

抽樣判決電路主要由D觸發(fā)器構(gòu)成，將碼元同步得到的時(shí)鐘同步信號(hào)作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，解調(diào)恢復(fù)的基帶信號(hào)作為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)即為接收端恢復(fù)的基帶信號(hào)。

2 在電子信息專業(yè)課程教學(xué)體系中的作用

電子線路課程設(shè)計(jì)課程是綜合實(shí)踐課程，采用的方式是兩個(gè)學(xué)生為一組，課程持續(xù)時(shí)間為一個(gè)學(xué)期，使得學(xué)生有充分的時(shí)間，采用基本電子線路的硬件方式，完成信號(hào)處理和簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)電子信息專業(yè)課程教學(xué)體系中起到承上啟下的作用，可以引導(dǎo)學(xué)生在復(fù)習(xí)先修課程的同時(shí)，促進(jìn)對(duì)后續(xù)課程的主動(dòng)學(xué)習(xí)，理論聯(lián)系實(shí)際，提高綜合實(shí)踐能力。

根據(jù)以上對(duì)“2FSK調(diào)制的簡(jiǎn)單數(shù)字通信系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的描述，可以看出，采用中小規(guī)模的硬件集成電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，從信源到信宿完成整個(gè)通信系統(tǒng)的信息傳輸，需要學(xué)生具備足夠的理論知識(shí)和電路設(shè)計(jì)知識(shí)，是一個(gè)相對(duì)大的系統(tǒng)工程。從理論方面，學(xué)生需要理解數(shù)字調(diào)制、2FSK調(diào)制的基本概念，需要掌握調(diào)制和解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法和思路。從實(shí)現(xiàn)方面，學(xué)生需要根據(jù)指標(biāo)和參數(shù)要求，采用常用的集成電路來設(shè)計(jì)15位的m序列生成電路、兩個(gè)載波的生成電路、模擬開關(guān)調(diào)制電路、包絡(luò)檢波電路、碼元同步電路等。

在完成此題目的過程中，需要學(xué)生一方面學(xué)習(xí)通信原理課程的部分知識(shí)點(diǎn)，另一方面需要復(fù)習(xí)模擬電路、高頻電路、信號(hào)與系統(tǒng)的等課程的知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生需要把這專業(yè)課程的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地聯(lián)系在一起，在理解理論知識(shí)原理的基礎(chǔ)上，完成電路焊接、系統(tǒng)調(diào)試，通過測(cè)試信號(hào)波形，評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的性能。這是一個(gè)從課本的抽象的描述，到具體的信號(hào)波形的實(shí)現(xiàn)過程，學(xué)生的綜合理論實(shí)踐能力都會(huì)得到充分的鍛煉。例如，濾波器是通信系統(tǒng)中的重要組成部分，濾波的概念貫穿于信號(hào)系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理和通信原理等重要專業(yè)課的教學(xué)中。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生可以深入理解濾波器的概念，學(xué)會(huì)根據(jù)要求確定濾波器截止頻率、阻帶衰減等性能指標(biāo)，學(xué)會(huì)采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器，并學(xué)會(huì)采用信號(hào)源測(cè)試濾波器的幅頻特性的方法。

因此，以“2FSK調(diào)制的簡(jiǎn)單數(shù)字通信系統(tǒng)”為題目，可以充分發(fā)揮電子線路課程設(shè)計(jì)課程開設(shè)的作用，彌補(bǔ)軟件仿真實(shí)驗(yàn)的不足，用硬件電路來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。既鍛煉了學(xué)生電路焊接調(diào)試能力，又加深了信號(hào)系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理和通信原理等課程中的重要理論知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)理解。能夠很好的完成課程的教學(xué)目標(biāo)，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高工程實(shí)踐技能。

3 結(jié)語(yǔ)

電子線路設(shè)計(jì)課程的開設(shè)時(shí)間為一個(gè)學(xué)期，可以采用團(tuán)隊(duì)合作的PBL模式進(jìn)行，合理的設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生有充分的時(shí)間，采用基本電子線路的硬件方式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)教學(xué)體系過程中起到承上啟下的作用，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的了解，激發(fā)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新欲望，對(duì)電子電路綜合實(shí)踐課程的教與學(xué)具有積極的促進(jìn)作用。