电子线路课程设计教学案例研究——2FSK调制的简单数字通信系统设计与实现

马丕明 张露阳 朱维红

（山东大学信息科学与工程学院 山东·青岛 410073）

0 引言

电子线路课程设计是面向电子信息类本科生的专业必修课，是一门具备理论性和工程技术性的综合实践类课程。课程开设时，学生已经完成了电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、高频电子线路、信号与系统等基础课的学习，目的是使学生巩固和加深理解电路基础课程知识，培养良好的工程素养，同时训练学生的综合实践能力和解决实际问题的能力。

在开设电子线路设计课程设计的同时，学生也开始了数字信号处理和通信原理等专业必修课的学习。数字信号处理和通信原理是电子信息类学生的重要的专业基础课，教学重点是信号处理过程和通信信号传输过程的数学分析和性能研究，相关的实验教学多采用软件仿真实现，硬件实现方式过于复杂，学生很难在较短时间内完成。

因此，本文对数字信号处理和通信原理课程的教学内容进行提炼，考虑课程开设时间和实现复杂度，以“2FSK调制的简单通信系统”为题目，针对通信系统的信号处理和信号传输问题，采用中小规模集成电路，设计和实现简单通信系统的发射机和接收机。论文给出了通信系统的性能指标和要求，并给出硬件电路的设计思路和部分信号波形，便于学生进一步查找资料、仿真和进行具体的电路设计和实现。进一步，论文讨论了电子线路课程设计课程的教学流程和阶段性时间安排。

1 2FSK调制的简单数字通信系统设计和实现

在无线数字通信系统中，调制和解调是发射机和接收机的重要组成部分，频移键控（Frequency-shift keying，FSK）是一种常用的数字调制方式，实现简单，有较强抗噪声和抗衰减的性能，在中低速数据传输中得到了广泛的应用。二进制FSK调制，也称2FSK调制，将二进制基带信号的信息加载到两种不同频率的正弦波载波上。2FSK调制解调系统组成如图1所示，包括电源电路、基带信号产生电路、正弦载波产生电路、调制电路、解调电路、码元同步、抽样判决。下面分别介绍有关电路原理和参数指标。

图1：2FSK通信系统组成

1.1 电源电路

电源电路需要产生±5V和±12V的直流电，主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路构成。220V交流电信号经变压器降压、整流和滤波后，再经LM7805、LM7812、LM7905、LM7912组成的稳压电路，分别转化为±5V和±12V的直流电。

1.2 基带信号产生电路

基带信号产生电路产生时钟为8kHz的15位m序列，其中8kHz信号由NE555产生，15位m序列由74LS194移位寄存器产生。

1.3 正弦载波产生电路

正弦载波信号的生成方法常用的有两种，一种是采用正弦波振荡器直接产生，如LC振荡器或文氏桥振荡器等；另一种是间接方法，由方波信号进行滤波器得到。由NE555分频产生128kHz和64kHz的方波，通过由运算放大器TL084等构成的低通或带通滤波器，分别生成128kHz和64kHz的正弦波。

1.4 调制电路

调制电路的主要元件是双向模拟开关CD4066，每个开关有输入、输出、控制三个端口。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时，开关截止。电路原理图如图2所示。当基带信号是高电平时，128kHz的正弦波输入；当基带信号是低电平时，64kHz的正弦波输入。在输出端对两者进行相加，所得即为2FSK调制信号，如图3所示。

图2：2FSK调制电路原理框图

图3：调制电路输出的2FSK已调信号

1.5 解调电路

2FSK信号的常用解调方式是非相干解调，如图4所示，可以通过两路2ASK信号的包络检波实现解调。2FSK调制信号通过两个中心频率为64kHz和128kHz的带通滤波器，分别进行包络检波后进行电压比较。若128kHz带通滤波器的输出包络大于64KHz的带通滤波器的输出，判为1；否则判决为0。

图4：解调电路原理框图

1.6 码元同步电路

在数字信号系统中，需对接收端解调后的基带信号进行抽样，生成抽样时钟信号的过程称为码元同步或时钟同步。码元同步常采用外同步法和自同步法，本文采用自同步法，电路图如图5所示。解调的基带信号依次经过低通、微分、整流、窄带滤波和放大限幅，得到本地的时钟同步信号。

图5：码元同步电路原理框图

1.7 抽样判决电路

抽样判决电路主要由D触发器构成，将码元同步得到的时钟同步信号作为D触发器的时钟信号，解调恢复的基带信号作为输入信号，输出信号即为接收端恢复的基带信号。

2 在电子信息专业课程教学体系中的作用

电子线路课程设计课程是综合实践课程，采用的方式是两个学生为一组，课程持续时间为一个学期，使得学生有充分的时间，采用基本电子线路的硬件方式，完成信号处理和简单通信系统的设计和实现，在整个电子信息专业课程教学体系中起到承上启下的作用，可以引导学生在复习先修课程的同时，促进对后续课程的主动学习，理论联系实际，提高综合实践能力。

根据以上对“2FSK调制的简单数字通信系统”的设计和实现的描述，可以看出，采用中小规模的硬件集成电路，设计实现通信系统的发射机和接收机，从信源到信宿完成整个通信系统的信息传输，需要学生具备足够的理论知识和电路设计知识，是一个相对大的系统工程。从理论方面，学生需要理解数字调制、2FSK调制的基本概念，需要掌握调制和解调的实现方法和思路。从实现方面，学生需要根据指标和参数要求，采用常用的集成电路来设计15位的m序列生成电路、两个载波的生成电路、模拟开关调制电路、包络检波电路、码元同步电路等。

在完成此题目的过程中，需要学生一方面学习通信原理课程的部分知识点，另一方面需要复习模拟电路、高频电路、信号与系统的等课程的知识点。学生需要把这专业课程的知识点有机地联系在一起，在理解理论知识原理的基础上，完成电路焊接、系统调试，通过测试信号波形，评价通信系统的性能。这是一个从课本的抽象的描述，到具体的信号波形的实现过程，学生的综合理论实践能力都会得到充分的锻炼。例如，滤波器是通信系统中的重要组成部分，滤波的概念贯穿于信号系统、数字信号处理和通信原理等重要专业课的教学中。在整个系统设计过程中，学生可以深入理解滤波器的概念，学会根据要求确定滤波器截止频率、阻带衰减等性能指标，学会采用运算放大器设计低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器，并学会采用信号源测试滤波器的幅频特性的方法。

因此，以“2FSK调制的简单数字通信系统”为题目，可以充分发挥电子线路课程设计课程开设的作用，弥补软件仿真实验的不足，用硬件电路来实现简单通信系统的设计和实现。既锻炼了学生电路焊接调试能力，又加深了信号系统、数字信号处理和通信原理等课程中的重要理论知识点的学习理解。能够很好的完成课程的教学目标，锻炼学生理论联系实际的能力，提高工程实践技能。

3 结语

电子线路设计课程的开设时间为一个学期，可以采用团队合作的PBL模式进行，合理的设置教学内容，使得学生有充分的时间，采用基本电子线路的硬件方式，实现信号处理和简单通信系统的设计和实现，在整个教学体系过程中起到承上启下的作用，引导学生对后续课程的了解，激发学生的自学能力、创新能力和创新欲望，对电子电路综合实践课程的教与学具有积极的促进作用。