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1、 简单实用型无线数据传送系统研究与设计 毕 业 设 计题 目: 简单实用型无线数据传送系统研究与设计 院 系： 应用技术学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 200713020111 指导教师： 完成日期： 2011年6月13日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计
2、（论文）任务书题目： 简单实用型无线数据传送系统研究与设计 姓名 刘佳 系 应用技术学院 专业 电子信息 班级 0781 学号 11 指导老师 胡晓东 职称 讲师 教研室主任 刘望军 一、 基本任务及要求：1 基本任务 设计一个简单的无线数据传送系统系统； 使用PROTEL画出系统硬件图，并用Proteus软件对单片机控制部分进行仿真 2系统要求 无线数据传输的距离不低于80米； 工作频率在430MHz； 二、 进度安排及完成时间：第1周 布置任务、下达设计任务书 第2周 熟悉课题，了解无线通信技术的分类及其发展历程 第3周第4周 毕业实习，撰写实习报告 第5周 撰写文献综述、开题报告 第6周
3、第8周 学习通信系统中调制解调部分知识 选择适当无线收发芯片 选择合适的单片机 第9周第10周 熟悉阻抗匹配部分知识，设计一个单端天线 学习PROTEL软件，画出整体电路图，学习使用KEIL C51 第11周第12周 用C语言进行程序编写 第13周第14周 学习使用Proteus仿真软件 用Proteus软件对单片机的数据键入以及显示进行仿真 第15周第16周 撰写毕业论文 第16周 毕业设计答辩 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论1.1 课题研究背景11.2 无线数据传送的现状与发展趋势11.3本课题研究的主要内容和主要工作4第2章 无线通信系统基本理论52.1 数字通信系统基本组
4、成52.2 无线数据传输原理52.2.1调制与解调52.2.2编码与解码92.2.3 PLL锁相环9第3章 系统硬件设计133.1系统整体设计133.2 无线收发芯片的选择143.3 nRF401无线模块153.3.1内部结构与引脚功能153.3.2应用电路及设计应注意问题173.3.3工作原理193.3.4天线的设计193.4 单片机控制模块的选择203.5 AT89C51单片机内部结构与引脚功能213.6 键盘接口技术243.7 显示器接口技术25第4章 系统软件设计284.1 主程序设计284.2 从机点菜程序设计29总结33致谢34参考文献35附录36简单实用型无线数据传送系统研究与设
5、计摘要：文章介绍了基于AT89C51以及 nRF401 芯片的实用型无线数据传送系统的研究与设计。系统通过无线方式进行数据双向传输，采用半双工方式通信、主机-从机体系结构。主机可同时接收多个从机发送的数据。 随着无线通信技术的发展，无线数据传输系统的应用领域不断扩大，基于射频技术的无线数据传送系统应运而生，是无线数据传输在通信领域的重要应用典型实例，为各个行业带来了崭新的管理理念与服务手段，优化了业务流程，为客户提供了更好的服务，实现企业价值最大化同时又使成本最低化，是现代生活步入信息化时代的一个重要标志。它有效地利用了计算机应用、无线通信等先进的现代化科学技术，是一套集先进性、实用性、简易性
6、、严密性于一体的应用系统。论文详细介绍了无线数据传输平台硬件模块的功能及其实现原理、单片机间的数据传输及其输入与显示的实现原理。基于无线数据传输的系统平台同时可以广泛的应用于工业控制领域，具有广泛的发展前景。 关键词：AT89C51；nRF401；无线数据传输The Study and Design of System about Simple and Practical Wireless Data Transmission Abstract: The article describes the study and design of practical wireless data trans
7、mission system which is based on chips of AT89C51 and nRF401. System transmits data two-way through wireless means, and uses half-duplex communication and the master-slave structure.The host can simultaneously receive multiple data from theslaves. As the wireless communication technology develops co
8、ntinuously, the field of applications of wireless data transmission system is expanding. Wireless data transmission system that based on radio frequency technology comes into being, and it is the typical example on the important applications of communications. It brings new ideas and service managem
9、ent for every field, optimizes business processes, and provides better service for customers. It achieves maximum business value while keeping the lowest cost really, and it is an important signs that our life style develops toward the information. It uses advanced modern science and technology abou
10、t computer applications, wireless communications, and so on effectively. It is a set of advanced, practical, simplicity, rigor in one application. Paper introduces hardware modules functions of the platform for wireless data transmission and how to realize these functions. Also it describes the prin
11、ciple of data transmission between the microcontroller and the principle of input and display. System platform which is based on wireless data transmission can be widely used in the field of industrial control and has broad prospects for development. Key words: AT89C51; NRF401; Wireless Data Transmi
12、ssion 简单实用型无线数据传送系统研究与设计 第1章 绪论 1.1 课题研究背景 在现代通信中，数据传输系统是各种智能化控制系统的重要组成部分，其需要在单片机之间或单片机与微机之间实现数据的发送与接收，而且在数据处理系统中，往往需要通过上位机对接收到的下位机的数据进行处理。一般在传输距离比较短的情况是，可以采用有线连接的数据通信方式。如并行传送、串行传送、CAN总线和Lonworks总线等等。在这些有线传输的方式中，数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或是光纤。但是在许多比较特殊的环境有线连接则往往不能满足需求。对于传输范围比较广的情况采用有线数据传输方式通信需要较高的代价。再如高腐蚀环境、现
13、场无法实现明线连接或者为了保证安全等许多条件下，采用传统的数据传输信道即通过有线传输采集的数据已经不能满足数据传输的需要，这时采用无线数据传输就显示出巨大的优势，无线数据传输与有线相比有成本低，通信距离远，没有凿墙钻孔布线的烦恼等优点。其不受地理环境、气候、时间等条件的限制，通过真空或空气实现数据传送，可以不考虑传输线缆的安装问题，从而节省大量线缆，并且降低施工难度和系统成本，具有广阔的应用前景。目前应用在许多领域，比如：RFID，无线餐饮点菜系统，无线抄表，水文监测，低功率遥感勘测，住宅和建筑自动控制等。1.2 无线数据传送的现状与发展趋势 无线技术是通过无线电波在自由空间(包括空气和真空)
14、传播信息的技术，它利用导体中电流强弱的改变会产生无线电波这一原理，将信息加载于无线电波之上，当电波通过空间传播到达接收端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过一定的方法将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息与数据传输的目的。随着无线技术的快速发展，无线数据传输技术呈现出强劲的发展后劲。无线数据传输的范围很广，在一般意义上，只要收发双方通过无线电波传输信息，并且可以根据自己的需要控制传输距离。其中短距离无线数据传输技术具有应用广泛、种类多样、频段丰富、免执照申请等特点，近期的发展情况表明，该领域将形成一个巨大的新兴产业。时至今日，无线技术的应用己经渗透到各行各业的角角落落。现代无线通
15、信技术大致可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)、通用分组无线传输技术(GPRS)、EDGE等。二是基于局域网的技术，如IEEE802.11、WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。主要介绍如下： 红外通信技术（IrDA） 红外无线技术是以红外线作为传输工具的一种无线通讯方式，自1974年发明以来，得到了很普遍的应用。但是由于红外线的固有特性，红外传输方式在大信息量的数据传输中使用得比较少。红外传输是一种点对点的传输，而且距离不能太远，其传输距离只有l2 m，并且对发射和接收器要求对准，并且中间不能有阻隔，且无法控制信息
16、传输的进度。目前红外传输技术已经渐渐退出市场，逐渐被蓝牙技术取代。系统构成上，采用红外无线接入技术的系统需要将MPU与红外模块进行连接，传输采用串行通讯模式。 蓝牙技术（Bluetooth） 蓝牙实际上是一种短距离无线电技术利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之问的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM( 即工业、科学、医学) 频
17、段。其数据速率为lMbPS。采用时分双传输方案实现全双1传输。其协议层区别于OSI，TCP/IP或者是802中的任何种模型。其底层为无线电层，负责无线电中的位信息传输。第二层为带层，负责将位信息流转化成可以识别的帧。第三层为L2CAP( 逻辑链路控制适应层)负责存设备间建立逻辑信道，包括电源管理、认证和服务质量等等。更高的几层即是协议层，由各种不同的通信协议组成，并且为应用程序服务。其最常用的Class B版本传输距离为830 m，速率约为700-800kbps。 IEEE802.l1b(Wi-Fi) IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz的ISM频段，采用直接
18、序列扩频技术（DSSS）进行调制解调，从而增强了抗干扰能力，提高了传输速度。802.l1b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP(Access Point)，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.l1b具有有线等价保密机制WEP(Wired Equivalent Privacy)确保数据安全，并具有穿透能力、全方位传送、建网速度快、可用来组建大型无线网络、运营成本低、投资回报快等特点，因而受到电信制造商和运营商的青睐。由于该设备比较昂贵，进而妨碍了其推广和应用，目前更多新的Wi-Fi标准正在
19、制定之中。速度更快的802.l1g使用与802.l1b相同的正交频分多路复用（OFDM）调制技术，它同样工作在2.4GHz频段，速率达54Mbit/s，比目前通用的802.l1b快了5倍，并且完全向后兼容802.l1b。802.l1g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，下一代的Wi-Fi标准802.l1n可望达到100Mbit/s。 微功率近距离无线通信技术 近年来，随着大规模集成电路技术的发展，近距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集
20、成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代近距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。 UWB技术 UWB(Ultra Wide Band)是一种新发展起来的无线通
21、信技术，通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲(小于1ns)产生极大带宽的信号，采用脉位调制(Pulse Position Modulation, PPM)或二进制移相键控(Bi-Phase Shift Keying, BPSK)调制。UWB被允许在3.110.6GHz的波段内工作，主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。其中，最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)。UWB有可能在10m范围内，支持高达110Mb/s的数据传输率，且不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。从以上介绍可以看出，各种不同的近距离无线通信标
22、准都是根据不同的使用场合、不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。因此，应用者可视实际需求考虑采用性价比最高的解决方案。 近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。随着计算机技术，通信技术、集成电子技术的飞速发展，在国内射频（RF）技术也趋于成熟，开发出了种类齐全的射频无线数据传输芯片。这些射频芯片不仅传输速率快而且有相对较高的灵敏度。如今这些芯片正向集成化，小型化的方向发展，使用成本也大大降低，采用射频芯片来开发嵌入式产品有非常广阔的应用前景。目前，国内外知名厂商都非常重视射频传输芯片开发研究以及应用射频芯片的嵌入式系统的设计。随着
23、现代射频技术的发展，无线传输芯片尺寸越来越小，功能越来越齐全，再加上辅助原件后在性能上更加优越，传输距离更远，信号的稳定性更高，传输速率更快，抗干扰性更强，特别是用于工业控制场合，现在市场上的无线传输芯片主要为 FSK 调制方式，其频率发生器种类繁多，但基本上可分为三大类：一、采用LC振荡器，可靠性低但价格便宜；二、采用声表振荡器，频率稳定性高于LC振荡器；三、采用锁相环技术，稳定性很高但价格较贵。在国内，这些高集成度芯片广泛应用到国民经济的各个领域中：如无线数据采集传输系统，车辆监控，小型无线网络，无线抄表，工业数据采集系统，水文气象监控，机器人制造等等。这些应用使我们的现代办公和生活更加方
24、便安全。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。总之，无线通信技术未来的发展趋势表现为：各种无线技术互补发展，各尽所长，向接入多元化、网络一体化、应用综合化的宽带无线网络发展，并逐步实现和宽带固定网络的有机融合。1.3本课题研究的主要内容和主要工作 本课题研究的主要内容是基于一种简单的无线数据传送系统，主要应用AT89C51单片机控制Nordic公司的无线数字收发芯片nRF401，通过无线方式进行双向传输，采用半双工方式通信，在手持机站点和主控站点之间传输数据，主控器与主站PC之间
25、通过串口进行通信。本人在前人的基础上，通过翻阅大量的图书资料以及检索很多网络信息，论述了基于51单片机以及单片无线收发芯片的无线点菜系统的设计原理和总体方案，重点阐述了系统的硬件设计和软件设计，综合全文，所做的主要工作如下：（1）根据课题的研究背景，了解当前无线数据传输技术的发展现状，通过对比选择适合无线点菜系统的无线通信技术。（2）分析了无线数据传输的基本原理及各模块的功能和主要的性能指标。（3）针对任务书给出的数据要求，确定了无线数据传送系统的总体设计方案。（4）通过分析nRF401的应用电路以及所给出的频率要求最终确定外围电路以及其各部分元器件参数。（5）确定无线数据传送单片机部分的硬件
26、设计，主要包括键盘输入、LED显示、单片机串口发送。（6）分析了单片机仿真时出现的各种问题，并及时解决问题。 第2章 无线通信系统基本理论2.1 数字通信系统基本组成通信既是人类社会的重要组成部分，又是社会发展和进步的重要因素。广义的讲，通信就是从一地向另一地传递和交换信息。实现信息传递所需的一切技术、设备和传输煤质的总和称为通信系统。其基本的组成框图如图2.1所示。低噪声放大信源 解调信宿解码信道功放调制编码 图2.1 通信系统基本组成 信源是消息的来源，它的作用是把各种消息转换成原始电信号即基带信号。 图中编码、调制、功放，实际上还有滤波、发射等都是作为发送端的发送设备模块。其作用是将信息
27、源产生的消息信号变换成适合在信道传输的信号，使信息源与信道匹配起来。由发信源发出的基带信号的特点是频谱从零频附近开始延伸到几兆赫的有限值。基带信号可以直接在信道中传输，大多数通信系统需要通过调制将基带信号变换为更适合在信道中传输的形式。信道是指传输信号的物理煤质，在无线信道中，信道可以是大气。作为接受设备的基本功能是完成发送设备的反变换。它主要包括低噪声放大、解调、解码等模块。主要任务是对带有干扰的接收信号进行一系列处理，以便正确恢复出相应的原始基带信号来。信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。2.2 无线数据传输原理2.2.1调制与解调 无线数据传输是以电信号的形
28、式进行的，最基本的的无线通信系统由发射机、接收机和通常作为无线连接的信道组成。信道就是电磁波传播的途径。一般来说，信号源的信息(也称为信源)含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。由于无线电不能直接使用如人类语音那样的低频所以基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输，这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号，这个过程叫做调制。调制的逆过程叫做解调，它是在接收机中进行的。调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的，调制的类型根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的
29、不同可分为以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。线性调制是指输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性搬移关系。线性调制的已调信号种类有幅度调制（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）等。非线性调制又称角度调制。其已调信号的频谱和调制信号的频谱结构有很大的不同，除了频谱搬移外，还增加了许多新的频率成分。非线性调制包括调频（FM）和调相（PM）两大类。本文详细介绍线性调制中的幅度调制、非线性调制中的调频和调相。 线性调制主要有幅度调制（AM），是指用调制信号去控制高频载波的
30、幅度，使其随调制信号呈线性变化的过程。（1） AM信号的时域和频域表达式 （2-1） （ 2-2） 图2.2 AM的波形和相应的频谱图（2）AM信号的带宽 （2-3） 式中，为调制信号的最高频率。（3） AM信号的功率与调制效率 （2-4） 式中， 为不携带信息的载波功率；为携带信息的边带功率。 （2-5） AM调制的优点是可用包络检波法解调，不需要本地同步载波信号，设备简单。AM调制的最大缺点是调制效率低。 线性调制系统的解调方式有两种：相干解调与非相干解调。相干解调适用于各种线性调制系统，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）信号。1、相干解调所谓相干解调是为了从接收的已调信号中，不失真地恢
31、复原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同频同相。2、非相干解调 所谓非相干解调就是在接收端解调信号时不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信息来恢复原基带信号。因此，非相干解调一般只适用幅度调制（AM）系统。 非线性分为频率调制（FM）和相位调制（PM），它们之间可相互转换。1、相位调制（PM） 载波的幅度不变，调制信号控制载波的瞬时相位偏移，使按的规律变化，则称之为相位调制（PM）。令 ，其中为调相器灵敏度，其含义是单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量，单位是弧度/伏（rad/V）。所以，调相波的表达式为 （2-6）对于调相波，其最大相位偏移为 （2-7）2、频率调制（FM）载
32、波的振幅不变，调制信号控制载波的瞬时角频率偏移，使载波的瞬时角频率偏移按的规律变化，则称之为频率调制（FM）。令 ，即，其中为调频器灵敏度，其含义是单位调制信号幅度引起FM信号的频率偏移量，单位是赫兹/伏（Hz/V）。所以，调频波的表达式为 （2-8）其最大角频率偏移为 （2-9） 非线性解调中调频信号的解调也分为相干解调和非相干解调两种。相干解调仅适用于窄带调频信号，且需同步信号；而非相干解调适用于窄带和宽带调频信号，而且不需同步信号，因而是FM系统的主要解调方式。 对应于模拟调制的数字调制是指数字信号对载波的调制。与模拟信号对载波的调制类似，它同样可以去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化
33、。但由于数字信号的特点时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为“键控法”。数字信号对载波振幅调制称为振幅键控，即ASK。对载波频率调制称为频移键控，即FSK。对载波相位调制称为相移键控即PSK。数字信号可以是二进制的，也可以是多进制的。若数字信号u(t)是二进制，则ASK、FSK、PSK实现原理框图及键控信号的输出波形可由图2.3表示。 图2.3 二进制数字调制的波形和方框图 本文主要介绍频移键控调制方式，该调制方式是用不同频率的载波来传送数字信号，用数字基带信号控制载波信号的频率。二进制频移键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载波信号再进行
34、逆变换成数字信号，完成信息传输过程。FSK信号的产生有两种方法：直接调频法和频率键控法。直接调频法是用数字基带信号直接控制载频振荡器的振荡频率。这种方法产生的调频信号是相位连续的。直接调频法还有许多实现电路，虽然实现方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能做得太快。频率键控法也称频率选择法，它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制转换开关，选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制。键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波型好。键控法也常常利用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，从而实现FSK调制。 数字频率解调的方法常用的有同步
35、相干解调法、过零检测法和差分检波法等。在同步解调中,FSK信号的同步解调器分为上、下两个支路，输入的FSK信号经过f1和f2两个带通滤波器后变成了上、下两路ASK信号，之后其解调原理与ASK类似，但判决需对上、下两支路比较来进行。FSK信号包络解调相当于两路ASK信号包络解调。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1和f2的高频脉冲，经包络检波后分别取出它们的包络。过零检测法则是利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。2.2.2编码与解码如通信系统组成图2.1所示，在调制之前要先进行信源编码和信道编码。信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩
36、；作用之二是当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分，组成所谓“抗干扰编码”。 相应的，接收端在解调后要进行信道译码和信源译码。接收端信源译码是信源编码的逆过程，接收端信道译码是信道编码的你逆过程。一种比较常见的编码形式-曼彻斯特编码。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的电位不同来区分1和0，即用正的电压跳变表示0，用负的电压跳变表示1，因此这种编码又称双相编码，由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为同步时钟，因此这种编码还称为
37、自同步编码。这种编码是一种超越传统数字传输极限并且抗干扰能力较强的编码方式，这使得它更适合于信道传输，解决了传输数据没有时钟的问题。其实质是将普通NRZ二进制数据与其位率时钟相异或而得。根据这种编码方式的特点可以推出有两种解码方法，包括间隔读取法和连续检测法。所谓间隔读取法是指通过定时器控制每隔一段时间对数据进行一次读取。所谓连续检测法则是一直监视着电平的变化，然后通过波形维持高电平和低电平的时间长度以及高低电平的有序组合来判断当前的数据是“1”还是“0”。2.2.3 PLL锁相环在通信系统的接收或者解调时，常常需考虑同步问题，特别是涉及数字信号时更是如此。在一个数字通信系统中包含多种同步问题
38、。例如，PSK信号在相干解调时，接收端需要产生一个和接收信号同频、同相本地载波，用以和接收的PSK信号相乘。因此，这个本地载波的频率和相位信息必须来自接收信号，或者说是需要从接收信号中提取载波同步信息。本地载波和接收信号载频的同步问题称为载波同步。载波同步的方法可以分为两大类，第一类是在发送端的发送信号中插入一个专门的导频用于载波同步。第二类是在接收端设法从有用信号中直接提取出载波，而不需要传送专门的导频。在直接提取法中可用平方法提取载频、其中可以使用锁相环(PLL)代替窄带滤波器来滤出载频分量。由于锁相环的输出信号具有更好的稳定性，并且不必须有连续的输入信号所以它的应用较为广泛。锁相环是指一
39、种电路或者模块，在现代无线电通信系统中，锁相环路可说是无所不在。它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说，对于接收到的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步或相干的。锁相环可使某一特定系统的信号频率，能随另一系统追踪而行。PLL基本上是一个闭环的反馈控制系统，一般是由鉴相器，环路滤波器和压控荡器(VCO)三个基本电路组成。其基本原理是压控振荡器的输出经过采集和基准信号同时输入鉴相器，鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压控制VCO，使它的频率改变。这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一
40、期望值。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uc(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。锁相环中的环路滤波器用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑，大多数情形下是一个低通滤波器，用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。由于锁相环路具有一些特殊的性能，被广泛地应用于电子技术的各个领域。锁相调频电路就是其在调制解调技术中的应用之一。锁相调频电路能够得到中心频率稳定度很高的调频信号。其原理框图如图2.4所示。实现锁相调频的条件是，调制信号的频谱要处于低通滤波
41、器通带之外，并且调制指数不能太大。这样，调制信号不能通过低通滤波器，因而在环路内不能形成交流反馈，调制频率对环路无影响。锁相环路只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带之内）起作用，使其中心频率锁在晶振频率上。因此，输出调频波的中心频率稳定度很高。这样，锁相调频能克服直接调频中心频率稳定度不高的缺点。设计频率合成器的锁相环路时要设定一些必要的参数如所需的最高输出信号频率、最低输出信号频率、分频器的输出信号频率、中心频率、参考信号频率、环路低通滤波器的截止频率、VCO的灵敏度、增流器的增益、环路滤波器的相位界限、分频器的除数、频道间距等等。 调制信号鉴相器环路滤波器压控振荡器信号输入 误差信号 控制信号 输出信号 误差相位 图2.4 锁相调频电路原理方框图下面分别介绍锁相环路的三个模块： 鉴相器是相位比较装置，用来比较参考信号与压控震荡器输出信号的相位，产生对应