電子線路課程設計教學案例研究
——2FSK調制的簡單數字通信系統設計與實現

馬丕明 張露陽 朱維紅

（山東大學信息科學與工程學院 山東·青島 410073）

0 引言

電子線路課程設計是面向電子信息類本科生的專業必修課，是一門具備理論性和工程技術性的綜合實踐類課程。課程開設時，學生已經完成了電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、高頻電子線路、信號與系統等基礎課的學習，目的是使學生鞏固和加深理解電路基礎課程知識，培養良好的工程素養，同時訓練學生的綜合實踐能力和解決實際問題的能力。

在開設電子線路設計課程設計的同時，學生也開始了數字信號處理和通信原理等專業必修課的學習。數字信號處理和通信原理是電子信息類學生的重要的專業基礎課，教學重點是信號處理過程和通信信號傳輸過程的數學分析和性能研究，相關的實驗教學多采用軟件仿真實現，硬件實現方式過于復雜，學生很難在較短時間內完成。

因此，本文對數字信號處理和通信原理課程的教學內容進行提煉，考慮課程開設時間和實現復雜度，以“2FSK調制的簡單通信系統”為題目，針對通信系統的信號處理和信號傳輸問題，采用中小規模集成電路，設計和實現簡單通信系統的發射機和接收機。論文給出了通信系統的性能指標和要求，并給出硬件電路的設計思路和部分信號波形，便于學生進一步查找資料、仿真和進行具體的電路設計和實現。進一步，論文討論了電子線路課程設計課程的教學流程和階段性時間安排。

1 2FSK調制的簡單數字通信系統設計和實現

在無線數字通信系統中，調制和解調是發射機和接收機的重要組成部分，頻移鍵控（Frequency-shift keying，FSK）是一種常用的數字調制方式，實現簡單，有較強抗噪聲和抗衰減的性能，在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。二進制FSK調制，也稱2FSK調制，將二進制基帶信號的信息加載到兩種不同頻率的正弦波載波上。2FSK調制解調系統組成如圖1所示，包括電源電路、基帶信號產生電路、正弦載波產生電路、調制電路、解調電路、碼元同步、抽樣判決。下面分別介紹有關電路原理和參數指標。

圖1：2FSK通信系統組成

1.1 電源電路

電源電路需要產生±5V和±12V的直流電，主要由變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路構成。220V交流電信號經變壓器降壓、整流和濾波后，再經LM7805、LM7812、LM7905、LM7912組成的穩壓電路，分別轉化為±5V和±12V的直流電。

1.2 基帶信號產生電路

基帶信號產生電路產生時鐘為8kHz的15位m序列，其中8kHz信號由NE555產生，15位m序列由74LS194移位寄存器產生。

1.3 正弦載波產生電路

正弦載波信號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，由方波信號進行濾波器得到。由NE555分頻產生128kHz和64kHz的方波，通過由運算放大器TL084等構成的低通或帶通濾波器，分別生成128kHz和64kHz的正弦波。

1.4 調制電路

調制電路的主要元件是雙向模擬開關CD4066，每個開關有輸入、輸出、控制三個端口。當控制端加高電平時，開關導通；當控制端加低電平時，開關截止。電路原理圖如圖2所示。當基帶信號是高電平時，128kHz的正弦波輸入；當基帶信號是低電平時，64kHz的正弦波輸入。在輸出端對兩者進行相加，所得即為2FSK調制信號，如圖3所示。

圖2：2FSK調制電路原理框圖

圖3：調制電路輸出的2FSK已調信號

1.5 解調電路

2FSK信號的常用解調方式是非相干解調，如圖4所示，可以通過兩路2ASK信號的包絡檢波實現解調。2FSK調制信號通過兩個中心頻率為64kHz和128kHz的帶通濾波器，分別進行包絡檢波后進行電壓比較。若128kHz帶通濾波器的輸出包絡大于64KHz的帶通濾波器的輸出，判為1；否則判決為0。

圖4：解調電路原理框圖

1.6 碼元同步電路

在數字信號系統中，需對接收端解調后的基帶信號進行抽樣，生成抽樣時鐘信號的過程稱為碼元同步或時鐘同步。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。解調的基帶信號依次經過低通、微分、整流、窄帶濾波和放大限幅，得到本地的時鐘同步信號。

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觸發器構成，將碼元同步得到的時鐘同步信號作為D觸發器的時鐘信號，解調恢復的基帶信號作為輸入信號，輸出信號即為接收端恢復的基帶信號。

2 在電子信息專業課程教學體系中的作用

電子線路課程設計課程是綜合實踐課程，采用的方式是兩個學生為一組，課程持續時間為一個學期，使得學生有充分的時間，采用基本電子線路的硬件方式，完成信號處理和簡單通信系統的設計和實現，在整個電子信息專業課程教學體系中起到承上啟下的作用，可以引導學生在復習先修課程的同時，促進對后續課程的主動學習，理論聯系實際，提高綜合實踐能力。

根據以上對“2FSK調制的簡單數字通信系統”的設計和實現的描述，可以看出，采用中小規模的硬件集成電路，設計實現通信系統的發射機和接收機，從信源到信宿完成整個通信系統的信息傳輸，需要學生具備足夠的理論知識和電路設計知識，是一個相對大的系統工程。從理論方面，學生需要理解數字調制、2FSK調制的基本概念，需要掌握調制和解調的實現方法和思路。從實現方面，學生需要根據指標和參數要求，采用常用的集成電路來設計15位的m序列生成電路、兩個載波的生成電路、模擬開關調制電路、包絡檢波電路、碼元同步電路等。

在完成此題目的過程中，需要學生一方面學習通信原理課程的部分知識點，另一方面需要復習模擬電路、高頻電路、信號與系統的等課程的知識點。學生需要把這專業課程的知識點有機地聯系在一起，在理解理論知識原理的基礎上，完成電路焊接、系統調試，通過測試信號波形，評價通信系統的性能。這是一個從課本的抽象的描述，到具體的信號波形的實現過程，學生的綜合理論實踐能力都會得到充分的鍛煉。例如，濾波器是通信系統中的重要組成部分，濾波的概念貫穿于信號系統、數字信號處理和通信原理等重要專業課的教學中。在整個系統設計過程中，學生可以深入理解濾波器的概念，學會根據要求確定濾波器截止頻率、阻帶衰減等性能指標，學會采用運算放大器設計低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器，并學會采用信號源測試濾波器的幅頻特性的方法。

因此，以“2FSK調制的簡單數字通信系統”為題目，可以充分發揮電子線路課程設計課程開設的作用，彌補軟件仿真實驗的不足，用硬件電路來實現簡單通信系統的設計和實現。既鍛煉了學生電路焊接調試能力，又加深了信號系統、數字信號處理和通信原理等課程中的重要理論知識點的學習理解。能夠很好的完成課程的教學目標，鍛煉學生理論聯系實際的能力，提高工程實踐技能。

3 結語

電子線路設計課程的開設時間為一個學期，可以采用團隊合作的PBL模式進行，合理的設置教學內容，使得學生有充分的時間，采用基本電子線路的硬件方式，實現信號處理和簡單通信系統的設計和實現，在整個教學體系過程中起到承上啟下的作用，引導學生對后續課程的了解，激發學生的自學能力、創新能力和創新欲望，對電子電路綜合實踐課程的教與學具有積極的促進作用。