頻移鍵控（FSK）操作方法簡單，易于實現；在解調的過程中不須恢復本地載波，也可進行異步傳輸；并且抗噪聲和抗衰落性能也都較強。因此，頻移鍵控（FSK）的調制與解調技術在通信行業中得到了廣泛地應用，且主要適用于低、中速數據的傳輸。本文主要介紹鎖相環芯片NE564、CD4046和FSK信號的基本特點、工作原理和用途，并詳細的闡述了利用鎖相環芯片NE564和CD4046實現FSK信號的調制與解調工作的基本原理和主要設計過程。在技術方面，主要介紹FSK調制與解調的相關原理和基本技術。最后對整個實驗設計過程進行總結分析，并深入探討了課題的主要研究工作及意義，加深了對數字移頻鍵控的調制與解調方法的理解；更加深入的學習了鎖相環的設計原理，并加強了對鎖相環的應用。

　　關鍵詞：鎖相環；NE564；CD4046；FSK；調制；解調

　　1 鎖相環簡介

　　1.1 引言

　　隨著現代社會的不斷進步，電子計算機和電子科學技術不斷地普及到我們的家庭中。通信對我們來說也顯得越來越至關重要，密不可分。對于通信技術而言，通信的質量問題也就顯的非常的關鍵。在保證信息遠距離傳輸正確性這一方面，數字通信系統擁有先天的優勢，這也正是數據通信技術快速發展的真正原因。

　　數字頻率調制是數據通信中一種常見的調制方式。由于頻移鍵控（FSK）的調制和解調原理都相對比較簡單，作為數字通信原理的一門入門學科，透徹的理解頻移鍵控（FSK）后可以更好地理解其他較復雜的調制系統，為以后的進一步發展打下堅實基礎［1］。

　　鎖相環（PLL）是一種閉環的自動跟蹤負反饋系統。60年代初隨著數字通信系統的發展，鎖相環的應用也越來越廣。在電子儀器方面，鎖相環在頻率合成器和相位計等儀器中起了重要作用。鎖相環路之所以能得到如此廣泛的應用，是由于其獨特的優良性能所決定的。它具有載波跟蹤特性，作為一個窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲中的信號；用高穩定的參考振蕩器鎖定，可提供頻率高穩定的頻率源；可進行高精度的香味與頻率測量等等。它具有調制跟蹤特性，可制成高性能的調制器和解調器。它還具有低門限特性，可大大改善模擬信號和數字信號的解調質量［2］。

　　對于不同的調制方式，還有其不同的獨特的解調方法。在本實驗中主要利用了鎖相環的特性，實現了基于鎖相環的數字信號移頻鍵控的調制與解調。

　　1.2 鎖相環的結構

　　鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統叫做鎖相環，簡稱PLL。它廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域［3］。

　　鎖相環主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成，如圖1-1所示

　　　
　電阻R（R=100W），只需外接一個定時電容tC就可產生振蕩。VCO有兩個電壓輸出端，其中01VCO輸出TTL電平，02VCO輸出ECL電平。后置鑒相器由單位增益跨導放大器3A和施密特觸發器ST組成。其中，3A提供解調FSK信號時的補償直流電平及用作線性解調FM信號時的后置鑒相濾波器；ST的回差電壓可通過引腳16外接直流電壓進行調整，以消除輸出信號0TTL的相位抖動［4］

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　　圖2-2 NE564的內部組成框圖

　　2.2 CD4046介紹

　　鎖相環過去多采用分立元件和模擬電路組成，現在常使用集成電路的鎖相環，CD4046便是常用的鎖相環集成電路［5］。

　　CD4046鎖相環采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件，當PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。其特點是電源電壓范圍寬為3V－18V，輸入阻抗高約100WM，動態功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。

　　圖2-3是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各引腳功能如下： 1腳相位輸出端，環路人鎖時為高電平，環路失鎖時為低電平。2腳相位比較Ⅰ的輸出端。3腳比較信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調輸出端，用于FM解調。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器Ⅱ的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內部獨立的齊納穩壓管負極。

　　　　新疆師范大學2013屆本科畢業設計4圖2-4 CD4046的內部電原理框圖圖2-4是CD4046內部電原理框圖，它主要由相位比較Ⅰ、相位比較器Ⅱ、壓控振蕩器（VCO）、源跟隨器、線性放大器、整形電路等部分組成。相位比較器Ⅰ采用異或門結構，當兩個輸人端信號iU、oU的電平狀態不同時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號yU為高電平；反之，當iU、oU的電平狀態相同時（即兩個均為高，或均為低電平），yU輸出為低電平。當iU、oU的相位差Δφ變化在0°-180°的范圍內時，yU的脈沖寬度m也隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號的波形（如圖2-5所示）可看出，其輸出信號的頻率是輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個輸入信號之間的中心頻率保持90°的相位移動。對相位比較器Ⅰ而言，它要求iU、oU的占空比均為50%（即方波），這樣才能使鎖定的范圍為最大。

　　圖2-5 比較器Ⅰ的輸入和輸出信號的波形

　　相位比較器Ⅱ是一個由信號的上升沿控制的數字存儲網絡。它對輸入信號占空比的要求不高，并允許輸入非對稱的波形，它具有很寬很廣的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定在輸入信號的諧波上。它可提供數字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當達到鎖定時，在相位比較器Ⅱ的兩個輸人信號之間保持0°相位移動。對相位比較器Ⅱ而言，當14腳的輸入信號比13腳的比較信號頻率低時，輸出為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。如果兩個信號的頻率相同而相位不同　　當輸人信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖，當相位超前時則輸出的為負脈沖。在這兩種情況下，從1腳都會有與上述正、負脈沖寬度相同的負脈沖產生。相位比較器Ⅱ會輸出一個與兩輸入脈沖上升沿之間相位差相等寬度的正負脈沖。而當兩個輸入脈沖的頻率和相位都一致時，相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態，則1腳輸出為。圖2-6為上述所示波形。由此可見，從1腳輸出信號是負脈沖還是固定的高電平高電平就可以判斷出兩個輸入信號的情況了。當輸人信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖，當相位超前時則輸出的為負脈沖。在這兩種情況下，從1腳都會有與上述正、負脈沖寬度相同的負脈沖產生。相位比較器Ⅱ會輸出一個與兩輸入脈沖上升沿之間相位差相等寬度的正負脈沖。而當兩個輸入脈沖的頻率和相位都一致時，相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態，則1腳輸出為。圖2-6為上述所示波形。由此可見，從1腳輸出信號是負脈沖還是固定的高電平高電平就可以判斷出兩個輸入信號的情況了。

　　當輸人信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖，當相位超前時則輸出的為負脈沖。在這兩種情況下，從1腳都會有與上述正、負脈沖寬度相同的負脈沖產生。相位比較器Ⅱ會輸出一個與兩輸入脈沖上升沿之間相位差相等寬度的正負脈沖。而當兩個輸入脈沖的頻率和相位都一致時，相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態，則1腳輸出為。圖2-6為上述所示波形。由此可見，從1腳輸出信號是負脈沖還是固定的高電平高電平就可以判斷出兩個輸入信號的情況了。

　　圖2-6 輸入信號情況判斷

　　CD4046內部的線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經源跟蹤器至10腳作FM解調用。齊納二極管可單獨使用，其穩壓值為5V，若與TTL電路匹配時，可用作輔助電源。

　　綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號 iU從14腳輸入后，經放大器A1進行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖2-4開關K撥至2腳，則比較器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號oU與輸入信號iU作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓yU則反映出兩者的相位差。yU經R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓dU加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1。VCO的輸出又經除法器再進入相位比較器Ⅰ，繼續與iU進行相位比較，最后使得f2＝f1，兩者的相位差為一定值，實現了相位鎖定。若開關K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過程與上述相同，不再贅述［6］。

　　3 FSK簡介

　　3.1 FSK基本概念與特點

　　數字調制是指用數字基帶信號控制載波，把數字基帶信號變換為數字帶通信號（已調信號）的過程。在接收端通過解調器把帶通信號還原成數字基帶信號的過程稱為數字解調。利用數字信號的離散取值特點通過開關鍵控載波，實現數字調制的技術稱為鍵控法。數字頻率調制又稱頻移鍵控（FSK—Frequency Shift Keying），二進制頻移鍵控記作2FSK。它是鍵控法的一種，是利用載波的頻率變化來傳送數字信息，即用所傳送的數字信息來控制載波的頻率。2FSK信號便是　　符號“1”對應于載頻，而符號“0”對應于載頻（與不同的另一載頻）的已調波形，而且與之間的改變是瞬間完成的［7］。

　　從原理上講，數字調頻可用模擬調頻法來實現，也可用鍵控法來實現。模擬調頻法是利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實現方法。而鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通，它是信息傳輸中使用得較早的一種調制方式，它的主要優點是：實現起來較為容易、抗干擾能力強、傳輸距離遠、轉換速度快、波形好、穩定度高且抗噪聲與抗衰減的性能較好，故在中低速數據傳輸通信系統中得到了較為廣泛的應用。

　　2FSK信號的表達式和波形圖如下所示：

　　在2FSK信號中，載波的頻率隨二進制基帶信號在1f和2f兩個頻率點間變化。故其表達式為：

　　　　假設二進制序列s（t）為l01001時，則2FSK信號的波形如圖3-1所示

　　　　FSK調制原理框圖如圖4-1所示： 式（3-4） nj和nq分別是第n個信號碼元的初相位。在移頻鍵控中，nj和nq不攜帶信息，通常可令和為零。
3.2 FSK的發展及應用前景
1）FSK Modem MSM7512B在電力線通信中的應用：MSM7512B是由OKI公司推出的關于FSK調制解調的芯片。電力線作為一種通信傳輸介質，具有可變信號衰減、阻抗調制、脈沖噪聲以及等幅振蕩波干擾等不利數據傳輸的特性。為了排除這些干擾，目前利用電力線進行通信的產品有很多，通信質量和距離各有差異。這里介紹的是利用FSK調制解調芯片MSM7512B來實現的一種點對點通信方式。這種傳輸方法是隔離（變壓器隔離方式）的。當通信距離較遠時，可用MSM7512B替代隔離的RS-485接口芯片。它具有抗干擾能力強、誤碼率低、可靠性高、投資少、建設方便等優點，同時也存在著數據傳輸速度低（只能達到1200bps），在通信距離變得很遠時誤碼率有所增高的缺點。這種基于MSM7512B來實現電力線通信已經在智能小區數據通信的實踐應用中取得了良好的使用效果。
2）來電顯示：來電顯示的傳輸信息的方式有2種：FSK和DTMF。FSK方式與DTMF方式相比有如下的優勢：（l）數據傳輸速率高，在規定時間內能傳的字符數較多；（2）FSK方式可以支持ASCII字符集，而DTMF方式只能支持數字及少數字符。目前采用FSK方式的國家和地區有：美國、中國、英國、加拿大、日本、西班牙、新加坡等；采用DTMF方式的則主要是以瑞典為代表的一些歐洲國家等。
3）藍牙（Bluetooth）通信設備：藍牙（Bluetooth）是應用FSK調制解調的一個重要領域之一。藍牙可替代短距離線纜，實現在移動電話、便攜式電腦和其他電子裝置間的無縫線連接。越來越多的旅館、郵局、高爾夫球場、飛機場、商場、會議中心和商業領域都在采用藍牙技術［5］。4 利用鎖相環芯片實現FSK信號的調制4.1 FSK信號調制的基本原理數字調頻信號可以分為兩種情況，即相位連續和相位離散。如果兩個振蕩頻率分別由不同的獨立振蕩器提供，則它們之間相位互不相關，稱它為相位離散的數字調頻信號；如果兩個振蕩頻率由同一振蕩信號源提供，只是將其中一個載頻進行分頻，這樣產生的兩個載頻就是相位連續的數字調頻信號。

　 ? 4 利用鎖相環芯片實現FSK信號的調制

　　4.1 FSK信號調制的基本原理

　　數字調頻信號可以分為兩種情況，即相位連續和相位離散。如果兩個振蕩頻率分別由不同的獨立振蕩器提供，則它們之間相位互不相關，稱它為相位離散的數字調頻信號；如果兩個振蕩頻率由同一振蕩信號源提供，只是將其中一個載頻進行分頻，這樣產生的兩個載頻就是相位連續的數字調頻信號。FSK調制原理框圖如圖4-1所示

　　　　
4.2 利用NE564實現FSK信號調制電路的設計

　　如下圖4-2所示，該電路圖是由NE564等構成的FSK調制電路。在電路中，NE564是一種模擬鎖相環PLL集成電路，用雙態信號控制CD4016模擬開關進行FSK調制。其中CD4016使NE564的2腳電壓，在1.42V～5V之間轉換，即5Vx［R2/（R1十R2）］=1.42V。因此，在相位連續的情況下，就可以改變壓控振蕩器（VCO）的輸出。當VCO中心頻率的電容C0固定不變時，FSK頻率之間的偏移可通過R1和R2進行調整［9］。

　　 　　
4.3 利用CD4046實現FSK信號調制電路的設計

　　 　　
圖4-3 FSK調制電路圖

　　　
　為了使得CD4046的VCO振蕩頻率穩定，要求VCO控制端的控制電平穩定，為此在VCO控制端輸入前加一級緩沖器。CD4046的VCO輸出波形是占空比為50%的方波，因而要加入帶通濾波器。CD4046中VCO的振蕩頻率由外接電容C，電阻R1、R2和控制端輸入電壓共同決定。設CD4046的電源電壓為DDV，“地”電平電壓為SSV，則當VCO控制端輸入電壓為SSV時，其振蕩頻率為：

　　f和Sf的選值既要考慮實際信道的寬度，又要考慮調制指數h。

　　5 利用鎖相環芯片實現FSK信號的解調

　　FSK信號的解調有多種方式，本論文選用集成鎖相環CD4046進行FSK解調，我們知道，鎖相環路鑒頻門限比斜率鑒頻器的鑒頻門限值低3dB左右。在設計鎖相環時，使其鎖定在FSK的一個載頻1f上，對應輸出高電平，而對于另一載頻2f失鎖，對應輸出低電平，那么鎖相環路濾波器輸出端就可以得到解調的基帶信號序列。選擇鎖相環路的同步帶和捕捉帶大于SMff-，且鎖相環路中VCO的振蕩頻率覆蓋Mf和Sf。當輸入FSK信號時，鎖相環路處于鎖定狀態；當輸入頻率為Mf信號時，環路中的低通濾波器輸出為一高電平；當輸入頻率為Sf的信號時，低通濾波器輸出為一低電平，這樣就完成了FSK信號的解調。利用CD4046實現FSK信號的解調電路原理框圖、電路圖分別如圖5-1及圖5-2所示。

　　　　6 實驗結果分析

　　6.1 利用鎖相環芯片實現FSK信號調制和解調的結果分析

　　通過利用鎖相環NE564和CD4046設計的FSK信號調制和解調電路，我在整個電路板的設計和制作過程中收獲到許多在課本中學不到和見不到的新知識。在其中，我感受到制作一個電路板的不易和艱辛，并且也磨練了自己的心智與耐心，懂得靜下心去檢查和調試電路。也學會了一些芯片的使用方法，并通過自己的努力做出了電路板，學會了芯片的封裝、電路板的制作與焊接等工作。以下就為FSK信號調制與解調電路的實驗結果。

　　1）鎖相環NE564制作的FSK調制電路實驗結果：

　　　　電路輸入端接入矩形波，在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關電路對兩個頻率源進行選通，使其在每個碼元周期中輸出f1或f2兩個載波之一。當輸入為矩形波的高電平時，由于鎖相環的鎖相功能，使得輸出為頻率較高的波形；

　　當輸入為矩形波的高低電平時，同樣，由于鎖相環的作用，使得輸出為頻率較低的波形；最后就形成了輸出波形為頻率不同的疏密波。 2）鎖相環CD4046制作的FSK解調電路實驗結果：

　　

　　在電路中，是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調，然后進行抽樣判決，直接比較兩路信號抽樣值的大小，接收時比較上下支路的樣值大小，若樣值大，應判為“1”，反之判為“0”。這樣就得到了輸出信號的波形。

　　6.2 課題的主要研究工作及意義

　　課題主要研究了FSK信號的調制解調系統的實現，完成對數字信號的調制及解調，使系統簡單，并要調制解調過程容易實現，能正確的完成調制解調任務。

　　數字調制解調技術在現代通信系統有著十分重要的地位，在數字通信系統中，由于基帶數字信號包含了許多的低頻部分，如果要實現遠距離傳輸，特別是　　在有限帶寬的高頻信道或無線光纖信道傳輸時，就必須要對數字信號進行載波調制，使基帶信號的功率譜可以搬移到較高的載波頻率上，這種技術就稱為數字調制（Digital Modulation）［11］ 。它可分別對載波的頻率、幅度以及相位進行調制，從而就有了移頻鍵控（FSK） 、移幅鍵控（ASK） 、移相鍵控（PSK） 等調制方式。同時，數字調制技術也是時分復用的基本技術，其中FSK 是利用數字信號去調制載波的頻率，是一種較早的信息傳輸方式，也使得FSK也在通信系統中得到了廣泛的應用。