采用MCS-51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CPFSK調(diào)制

在遙測(cè)遙控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)是經(jīng)常遇到的問(wèn)題。一些自報(bào)測(cè)站不接收遠(yuǎn)方的遙控命令，只是定時(shí)采集參數(shù)或在參數(shù)變化時(shí)采集，并自動(dòng)將采集的參數(shù)發(fā)往監(jiān)控中心。這些遙測(cè)站不一定包含解調(diào)功能，但信號(hào)調(diào)制是遙測(cè)站的必要功能。

　　在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸大量采用超短波無(wú)線電臺(tái)。用模擬電臺(tái)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，調(diào)制方法多采用FSK。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)規(guī)范推薦的標(biāo)準(zhǔn)為CCITT V.21，即:數(shù)據(jù)串行速率為300波特率，數(shù)據(jù)電平“1”調(diào)制頻率為980Hz，數(shù)據(jù)電平“0”調(diào)制頻率為1180Hz。

　　調(diào)制解調(diào)的通常方法是采用專用的調(diào)制解調(diào)接口芯片，如MC145442、XR2211、XR2206等。采用專用調(diào)制解調(diào)接口芯片不僅增加了設(shè)備成本，而且芯片質(zhì)量直接影響測(cè)控設(shè)備的性能。就一般而言，設(shè)備中的元器件越多，設(shè)備的可靠性越低。因此，在滿足系統(tǒng)功能的前提下，應(yīng)盡可能減少設(shè)備中元器件的品種和數(shù)量。遙測(cè)遙控設(shè)備的信號(hào)調(diào)制解調(diào)是非常重要的環(huán)節(jié)，如果能夠減少或省去調(diào)制解調(diào)專用接口芯片，將對(duì)提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性大有好處。

　　目前，幾乎所有的遙測(cè)設(shè)備都使用單片機(jī)，其中MCS-51系列單片機(jī)又占了很大比例。本文將以MCS-51單片機(jī)為例，說(shuō)明利用單片機(jī)的軟件調(diào)制產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的FSK信號(hào)。

1 正弦波的調(diào)制

　　單片機(jī)的輸出接口一般只能輸出邏輯“0、1”，即0、Vcc兩種電位。要想得到FSK信號(hào)，首先要得到正弦波信號(hào)，再根據(jù)串行數(shù)據(jù)的變化產(chǎn)生FSK信號(hào)。

　　從單片機(jī)獲得正弦波，最簡(jiǎn)單的方法就是利用方波濾波得到正弦波。由于單片機(jī)的脈沖輸出只有正電平，沒(méi)有負(fù)電平，方波負(fù)半周，單片機(jī)無(wú)法產(chǎn)生負(fù)脈沖。因此產(chǎn)生的信號(hào)波形應(yīng)該疊加一個(gè)直流正電平，使信號(hào)波形完全處在正電平一側(cè)。如圖1所示。

然而，方波是由基波和一系列高次諧波組成。如果圖1可以用函數(shù)f(x)表示，將函數(shù)f(x)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開可以得到:

從式(1)可以看出，接近基波的諧波成分比重較大。采用低通濾波器濾波時(shí)，接近基波的諧波成分難以濾去，為了減小波形的失真往往需要增大濾波的強(qiáng)度，這樣在減小波形失真的同時(shí)，基波的損失也隨之增大。

　　如果采用正弦波脈寬調(diào)制(PWM)可以得到比較滿意的結(jié)果。PWM調(diào)制可以利用“0、1”變化的脈沖信號(hào)調(diào)制出模擬信號(hào)。

　　在計(jì)算機(jī)中，對(duì)連續(xù)曲線進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，通常將連續(xù)曲線用階梯圖形表示，當(dāng)階梯的步長(zhǎng)足夠小的時(shí)候，所表示的曲線被認(rèn)為是精確的。圖2的上圖表示了不同時(shí)段內(nèi)，電壓的不同階梯。

　　但是單片機(jī)輸出接口不能產(chǎn)生變化的電平，即不能產(chǎn)生如圖2所示的電壓階梯，所能做的只能是“0、1”電平的時(shí)間變化，即PWM調(diào)制。

所謂正弦波PWM調(diào)制就是調(diào)制出的波形盡可能接近正弦波，也就是傅里葉級(jí)數(shù)中的基波比重盡可能大，高次諧波的比重盡可能小。對(duì)于圖2來(lái)說(shuō)，在調(diào)制過(guò)程中使每個(gè)時(shí)段內(nèi)下圖的陰影面積與上圖對(duì)應(yīng)部分的陰影面積相等。在用PWM調(diào)制正弦波時(shí)，要求時(shí)段的分割是偶數(shù)，因?yàn)檎也▓D形是一種對(duì)稱圖形。