（电路与系统专业论文）车地通信系统中调制解调及检测模块设计.pdf

摘要 摘要 数字基带信号通过无线信道传输时，必须进行调制解调，即发射端将基带信 号加载到高频信号上，再通过天线送入无线信道；同时接收端对收到的射频信号 进行相应的解调便得到基带信号。 调制有三个显著的作用，一是把基带信号的频谱搬至较高的频率上，可以提 高发射效率；二是可以把多个基带信号分别搬移到不用的载频处，以实现信道的 多路复用，提高信道的利用率；三是扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落的 能力。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。常用的调制方式 使用正弦波作为载波并对其进行幅度调n ( h m ) 和角度调制即调频( f m ) 或调相 ( p m ) 。 本论文结合“3 8 g h z 磁悬浮车地通信系统的实用化、小型化要求，对频移 键控( f s k ) 的调制和解调方案进行了详细的比较，选取了对多普勒( d o p p l e r ) 频移和 频率容差不敏感的连续相位频移键控( c p f s k ) 作为该系统的数字调制方式。相应 地，在该车地通信系统的发射端采用了锁相调制的实现方案，而接收端则采用了 非相干解调的实现方案。 对于磁浮交通系统来说，通信子系统及控制子系统的可靠性直接关系到整个 系统的可靠性及安全工作。因此，本文还根据系统对各子系统的要求，针对调制 解调模块及整个毫米波通信子系统前端设计了用于工作状态检测的故障诊断模 块，并通过单片机把所有毫米波前端的工作状态信息传输给系统的状态检测中心 进行集中处理。 论文给出了各模块的设计方案、实际电路及各硬件成品的测试结果，并对测 试结果进行了简单的分析讨论。 关键词：调制解调，连续频移键控，非相干解调，故障诊断 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yt oh a v em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nc a r r i e do u tw h e nd i g i t a l b a s e b a n ds i g n a li st r a n s f e r r e di nw i r e l e s sc h a n n e l t oh a v et h i sd o n e ，d i g i t a lb a s e b a n d s i g n a ln e e d st ob ec a r r i e do n t oh i g hf r e q u e n c ys i g n a l ，a n ds e n tt ow i r e l e s sc h a n n e lb y a n t e n n a a tt h es a m et i m e ，s i g n a lr e c e i v e db yr e c e i v e rn e e dt ob em o d u l a t e di no r d e rt o o b t a i nb a s e b a n ds i g n a l m o d u l a t i o nm a k e so u tt h r e eo b v i o u se f f e c t s f i r s t l y , t r a n s m i tp o w e rc a nb e i n c r e a s e db yc h a n g i n gs p e c t r u mo fb a s e b a n ds i g n a lt oah i g h e rf r e q u e n c y s e c o n d l y ， b a s e b a n ds i g n a l sc a nb em o v e dt ou n u s e dc a r r i e r ss e p a r a t e l ya st or a i s eu t i l i z a t i o no f c h a n n e l s t h i r d l y ，b a n d w i d t hc a l lb ee x p a n d e dt oe n s u r et h ea b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e a n da n t i f a d i n g i nf r e q u e n t l yu s e dm e t h o d s ，s i n ew a v ei su s e da sc a r r i e rw i t ha m p l i t u d e m o d u l a t i o n ( a m ) ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( f m ) a n dp h a s em o d u l a t i o n ( p m ) i m p l i e d i ti n d i c a t e st h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o np l a no ff r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g ( f s k ) u n d e rt h ep r a c t i c a l i t ya n dm i n i m i z a t i o nr e q u i r e m e n to ft h e3 8 g h zc o m m u n i c a t i o n s y s t e mo fm a g l e vt r a i n ，u s i n gc o n t i n u o u sp h a s ef r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ( c p f s k ) w h i c hi sn o ts e n s i t i v et od o p p l e r sf r e q u e n c ys h i f ta n dt o l e r a n c ew h i l ec a r r y i n go u t d i g i t a lm o d u l a t i o nb ya n a l o gp h a s e - l o c k e dl o o pm o d u l a t i o n t h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e ma n dc o n t r o ls u b s y s t e ma f f e c t st h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fe n t i r es y s t e mf o rt h em a g i e vt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a st ot h e p a r to fd e m o d u l a t i o n ，n o n - c o h e r e n td e m o d u l a t i o na n dm u l t i p l i c a t i o np h a s ed e t e c ta r e e m p l o y e d i nt h em e a n t i m e ，t h i sp a p e rw o r k so u tad e t e c t i n gm o d u l eu s e dt o t e s t w o r k i n gc o n d i t i o no fm i l l i m e t e rr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r ，i nt h ew a y o fs e n d i n gw o r k i n g c o n d i t i o no fm i l l i m e t e rr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e rt ot h ef o l l o w i n gd e t e c t i o nc e n t e r a tl a s t ，t h ep r i n c i p l ed i a g r a ma n dt h ec i r c u i ta r ep r o v i d e da sw e l la sb r i e fa n a l y s i s a n dd i s c u s s i o no ft e s t i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，c o n t i n u o u sp h a s ef r e q u e n c y s h i f tk e y i n 岛 n o n c o h e r e n td e m o d u l a t i o n ，f a u l td e t e c t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 封宝 导师签名： 日期：知( 。年s 月0 日 第一章绪论 第一章绪论 随着通信技术的飞速发展，无线通信技术已经成为现代通信的核，t l , 。在无线 通信系统中，数字基带信号必须通过调制加载到高频载波上，才能利用天线转换 为电磁波向无线信道发射；而在接收端，必须对所收到的射频已调信号进行解调 才能得到基带信号。选取合适的调制解调方式可以提高信息传输效率及抗干扰性 能，从而降低系统误码率。 1 1 研究背景 磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列 车系统。它的时速可达到5 0 0 公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具， 有速度快、爬坡能力强、能耗低、运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等 优点。并且它采用高架方式，占用的耕地很少。高速磁悬浮列车作为一种新型的 轨道交通工具，是对传统轮轨铁路技术的一次全面革新。它不使用机械力，而是 主要依靠电磁力使车体浮离轨道，整个运行过程是在无接触、无磨擦的状态下实 现高速行驶。 国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式 悬浮系统一一e m s 系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理， 把列车吸引上来，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般为1 0 毫米左右。常导型高速 磁悬浮列车的速度可达每小时4 0 0 5 0 0 公里，适合于城市间的长距离快速运输；另 一个是以日本为代表的排斥式悬浮系统一一e d s 系统，它使用超导的磁悬浮原理， 使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较 大，一般为1 0 0 毫米左右，速度可达每小时5 0 0 公里以上。 在列车高速行驶的过程中，列车的位置信息和控制信息都必须时刻反馈给地 面控制中心，这样才能保证列车的安全行驶。由于磁悬浮列车和轨道是没有接触 的，所有列车的数据传输需要无线通信系统来传输。车地无线通信系统往往都是 采用毫米波无线系统。毫米波是以极窄的直射波在空间传播，具有很好的电波隐 蔽性，是一种不可多得的低截收概率通信。从工作频段看，目前大多选在3 8 g h z 、 6 0 g h z 和9 0 g h z ，原因在于这一频段附近的频率在传输的过程中受到大气的影响 电子科技大学硕士学位论文 较小，其传输衰减较小，同时毫米波还具有抗干扰、抗多径能力强的特点。德国 的车地无线通信系统采用的传输频率为3 8 g h z ，而日本采用的传输频率为 4 0 g h z 【1 1 。 1 23 8 ( h z 车地通信系统简介 3 8 g h z 车地通信系统由地面固定基站、车载移动基站以及地面基站光纤网三 大部分组成一个环路，如图1 1 所示。列车在行驶的过程中，车载移动基站把车辆 信息发送到地面固定基站，地面固定基站接收到信号以后再通过地面基站光纤网 把信息送到地面控制中心。同样地面控制中心通过环路也可以把控制信息反馈给 列车。 图1 - 13 8 g h z 车地通信系统构成图 车载移动基站和地面基站的结构是类似的。主要是由毫米波前端、同频调制 解调、编解码和检测部分构成，如图1 2 。本文的主要工作是车地通信系统中中频 调制解调部分和检测模块的设计。 i 毫米波前端 1 ii 中频调制解调 编解码部分 图1 - 2 基站内部构成 2 第一章绪论 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是车地通信系统中中频调制解调器和故障检测模块的设计。 在对频移键控( f s k ) 调制和解调原理进行详细阐述的基础上，选取针对多普勒 ( d o p p l e r ) 频移和频率容差不敏感的连续相位频移键控( c p f s k ) 作为调制方式，并采 用锁相调制的方案来实现数字调制；解调部分则采用正交非相干解调方案，即采 用相位鉴频的方式来实现解调。作为论文的另一项工作，是根据系统的要求，设 计用于毫米波前端故障诊断的工作状态检测模块，把所有毫米波前端的工作状态 信息传输给后一级的系统状态检测中心进行集中处理。 各章节的主要内容安排如下： 第一章为绪论。首先描述了国内外磁悬浮列车发展情况，然后简单介绍了 3 8 g h z 车地通信系统。最后介绍了本文的主要工作。 第二章为数字传输系统的介绍。介绍了二进制频移键控的基本原理，然后介 绍了连续相位频移键控的基本理论。最后介绍了连续相位频移键控的常用基带信 号。 第三章为f s k 的调制解调介绍。首先介绍了c p s f k 调制器设计，包括了锁相 环的基本原理和锁相环的各个部件以及锁相调制的原理。然后介绍了解调器的设 计。最后在考虑多普勒频移情况下对解调性能进行了仿真 第四章为调制解调器及检测模块的硬件设计。按照总体设计、方案论证、器 件选择、局部模块仿真和各模块电路设计的顺序进行具体阐述。 第五章为调试、测试过程和结果分析。首先讨论了各个模块的调试，最后到 系统联合调试，并对结果进行了分析。 最后为结论，总结了本文的工作和贡献，对不足之处提出了改进意见。 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字传输系统 数字信号的传输有基带传输和带通传输两种方式。在实际的数字信号传输过 程中，由于数字基带信号往往都含有丰富的低频分量，因此在大多数具有带通特 性的信道中( 如无线信道) 都是不能直接传送的。为了使数字信号能够在带通信道中 传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这 种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号( 已调信号) 的过 程称为数字调制。通常，把在发射端和接收端分别进行调制和解调过程的数字基 带传输系统叫做数字传输系统。 一般来说，数字调制有两种方式，一种是利用模拟调制的方法来实现数字调 制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况处理，从而用模拟调制的方式实 现数字调制；另一种方式是利用数字信号的离散取值的特点通过开关键控载波实 现数字调制。这种方法通常称为键控法。比如对载波的振幅、频率和相位进行键 控，便可以获得振幅键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 、频移键控( f r e q u e n c ys h i tk e y i n g ) 和相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g ) 一- - - 种基本的数字调制方式。图2 - 1 分别给出了a s k 、 f s k 和p s k 相对应的信号波形。 ( a ) 振幅键控 ( b ) 频移键控 ( c ) 相位键控 图2 一l 正弦载波的三种键控波形 在高速磁浮交通车地通信系统中，列车速度可高达5 0 0 k m h ，此时各个基站天 线所收到的信号强度将有严重的衰落，同时还会出现比较严重的多径时延现象以 及较大的多普勒( d o p p l e r ) 频移。为保证系统在高速条件下能为牵引、运控等提供 安全可靠的通信链路，有必要对采用的调制方式进行抗多普勒频移能力的分析。 在众多的通信调制方式中，c p f s k 调制是一种对多普勒( d o p p l e r ) 频移和频率容差 不敏感的调制方式，能够满足高速磁浮列车车地无线电通信中多普勒频移应用要 求。因此本章着重对二进制频移键控的原理以及c p f s k 调制的原理进行讨论。 4 第二章数字传输系统 2 1 二进制频移键控 2 1 1 基本原理 在二进制数孚调制中，看正弦载波的频翠随二进制基带信号在石和五两个频 率点间变化，则产生二进制频移键控信号( 2 f s k 信号) 。故其表达式为 = 躲荔端a d f l 0 9 焉 ， 鼢2 1 彳c 。s ( 哆f + 纯) 发送 ，时 ( 2 。1 ) 典型的波形如图2 - 2 所示。 lii ii ：1 ：0 ：1 ：0 ： ( a ) 2 f s k 信号 ( b ) s l ( t ) c o s c o , ( t ) 扩 厂、 、h 厂、厂、 ：vul：vvu t 7 ： ii ii i八：八：。 t t t 图2 22 f s k 信号的时间波形 由图可见，2 f s k 信号的波形( a ) 可以分解为波形( b ) 和波形( c ) ，即一个2 f s k 信 号可以看成是两个不同载频的2 a s k 信号的叠加而成的。所以，2 f s k 信号的时域 表达式又可以写成： e 2 r s 墨( f ) = i g ( t - n t ，) i c o s ( c o l t + 纸) + l 瓦吕p 一 z ) i e o s ( c 0 2 f + 包) ( 2 2 ) l jl 玎j 式中g ( t ) 为单个矩形脉冲，脉冲宽度为z 。为了计算方便，往往假设g ( t ) 是高度为 1 、宽度等于z 的矩形脉冲，即 电子科技大学硕士学位论文 g o ，= l ，：轰：三z 瓦是的反码，若- - 0 ，则瓦= 1 ；若口。- - 1 ，则瓦= 0 ； f 0 ，概率为p f 0 ，概率为1 一p 口n2 t l ，概率为1 p 盘h2 t 1 ，概率为p 和幺分别是第九个信号码元( 1 或o ) 的初始相位。在频移键控中， 携带信息，通常可令纯和o n 为零。因此，2 f s k 信号的表达式可简化为 乞脚o ) = s l ( t ) c o s c o l t + s 1 ( t ) c o s o ) 2 t 其中 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 纯和幺不 ( 2 5 ) j 。( f ) = g ( t - n t 。) s 2 ( t ) = 瓦g ( f 一以z ) ( 2 - 6 ) 如前所述，2 f s k 信号的产生主要有模拟调制和键控两种方式它们存在一些不 同之处：用模拟调制的方式来实现的2 f s k 信号，其在相邻的码元之间的相位是连 续变化的，这是一类比较特殊的f s k 信号，称为连续相位f s k ( c o n t i n u o u s p h a s e f s k ，c p f s k ) ，连续相位f s k 所占频谱一般比f s k 要窄；而键控法所产生的2 f s k 信号是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成的，所以相邻的码元之间的 相位不一定是连续的。键控法原理如图2 3 所示。 基 图2 - 3 键控法产生2 f s k 信号的原理图 2 f s k 信号的解调方式有多种，常用的有滤波法和模拟鉴频法。滤波法有非相 干解调( 包络检波) 和相干解调两种，如图2 - 4 所示。非相干解调的是将2 f s k 信号 分解为上下两路二进制振幅键控信号( 2 a s k ) ，分别进行a s k 解调，通过对上下两 路的抽样值进行比较最终判决出输出的信号。判决规则应该和调制规则相对应， 6 第二章数字传输系统 如调制时若规定“1 符号对应的载波频率为z ，则接收时上支路的抽样值较大， 应该判为“1 ”；反之则判为“0 ”1 2 1 。 【b ) 图2 - 4 ( a ) 非相干解调( 包络检波) 和( b ) 相干解调 鉴频法通常有斜率鉴频、脉冲式鉴频和相位鉴频等，其原理分别如图2 5 ( a ) 、 ( b ) 、( c ) 所示。 斜率鉴频器：调频波通过斜率一振幅网络，转变成调频调幅波，再通过包络 检波器检出信号。这种方法的关键是斜率一振幅网络的输出电压的幅度要完全反 映出输入信号瞬时频率的变化，因此对线性变换网络的幅频特性要求很高。由于 斜率一振幅网络在频率变化很小的范围内才能近似为线性的，所以斜率鉴频器仅 适用于频率变化比较小的调频信号解调，否则会产生非线性失真。工程上用得较 多的是具有s 型鉴频特性的双斜率鉴频器，它大大扩展了线性鉴频范围。 相位鉴频器：调频波通过线性频相网络，将其转换为调频调相信号，而且它 的附加相位的变化和频率变化成正比。之后再通过相位检波的方法实现频率检波。 常用的相位检波器有乘积型相位鉴频器。这种鉴频器输入的两个信号的相位要相 差9 0 0 才能得到线性而灵敏的鉴相输出【3 j 。 脉冲式鉴频器的原理如下：2 f s k 信号经过限幅、微分、整流以后形成和频率 7 电子科技大学硕士学位论文 变化相对应的尖脉冲序列，信号过零点的数目就是尖脉冲的个数，而信号的频率 的高低就由这些尖脉冲的密集程度来反映。为了增加这些尖脉冲的直流分量，可 以把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，而信号的频率的高低就和尖脉冲的直流 分量成正比。这些直流分量通过低通滤波以后，再判断它们的幅度上的差别就能 够还原出数字信号“l ”和“0 ”【4 】。 c a ) 斜率鉴频器 ( b ) 相位鉴频器 ( c ) 脉冲式鉴频原理 图2 5 三种鉴频原理框图 2 1 2 功率谱密度 ? 对于相位不连续的2 f s k 信号，可以看成由两个不同的载波z 和厶的2 a s k 信号相叠加所形成的，因此，相位不连续的2 f s k 信号的功率谱密度可以近似的看 成两个不同载波频率的2 a s k 信号功率谱密度相叠加。 由公式( 2 5 ) ，一个相位不连续的2 f s k 信号的时域表达式为 吃臌( f ) = s 1 ( t ) c o s 0 ) l t + j 1 ( t ) c o s c 0 2 t ( 2 - 7 ) 其中 _ ( f ) = q g ( t - n t , ) s 2 ( t ) = - dg ( t - n t ，) ( 2 - 8 ) 若假设s ( f ) 的功率谱密度为e ( 厂) ，则2 f s k 信号的功率谱密度为 昱力2 i 1 【只- ( 厂一彳) + 只t ( 厂+ 石刀 ( 2 9 ) + 以厂一五) + 以+ 倒 。 若令发送“1 ”和“0 ”的概率均为1 2 ，结合公式( 2 - 3 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 和( 2 9 ) n - - j 第二章数字传输系统 以得到2 f s k 信号的功翠谮罾度为： s r s x ( f ) 2 惫 万( 厂+ 石) z + 万( 厂一石) 础 + 生1 6 刀( 厂+ 以) z + 刀( 厂一z ) z ( 2 - 1 0 ) + 急万( 厂+ 彳) + 万( 厂一石) + j ( 厂+ 五) + 8 ( f 一五) 由公式( 2 1 0 ) 可以看出，相位不连续的2 f s k 信号的功率谱由离散谱和连续谱 构成，如图2 - 6 所示。其中，离散谱位于两个载频石和五处，连续谱由两个中心 位于石和五处的双边谱叠加形成。如果两载频石和五之差小于z ，则连续谱会在 丘处出现单峰；如果两载频石和以之差大于z ，则连续谱会出现双峰。如果以2 f s k 信号功率谱的第一个零点之间的频率间隔计算2 f s k 信号的带宽，则该2 f s k 信号 的带宽岛腿为 垦艘= i 六- a i + 2 t , ( 2 1 1 ) 其中f = 1 t 。 a - f ,f 、 矗氛矗k凡一t 图2 - 6f s k 信号功率谱密度 2 2 连续相位频移键控( c p f s k ) 2 2 1 基本理论 连续相位频移键控，是指在实现f s k 调制时f s k 信号在相邻的码元之间的相 位不会发生突变。由于产生的f s k 信号的相位是连续的，这就意味着每一个码元 信号必须是在当前码元结束时刻相位基础上的延续，或者说信号流“记忆 着载 9 电子科技大学硕士学位论文 波相位的变化。 假设f s k 的调制脉冲函数为d ( f ) ： d ( f ) = l 。g ( t - n t ) ( 2 1 2 ) 其中，l 表示脉冲的幅度n = l ，2 ，3 ，+ - ( m - 1 ) ， l ) 则表示由k 位二进制数 字信号序列映射而成的电平序列，：gm = 2 。若尼= 1 ，则l = 1 。 如果g ( f ) 是归一化调制脉冲函数： f l 2 t0 t t g ( ) 2 1 ( ；。砌e瑙(2-13) 则当调制载波频率为d ( f ) 的时候，其载波的相位变化可以表示为 她；驴2 万( 孚) 胁渺 p 式中，厶一彳= 石，称为峰值频率偏移，它表示为g ( f ) 在某个t 时间内频率的变化 量，如图2 7 所示。 d l 彳为g ( f ) 的幅度值，五三量：j i l 称为f s k 的调制指数，量纲是单位电压的频 率改变量。现有a = 1 2 t ，则h 可以表示为： h = 2 l t ( 2 - 1 5 ) 结合式( 2 1 4 ) 矛i ( 2 1 5 ) ，已调载波信号的相位变化又可以表示为 矽( f ；l ) = 2 7 r hl d ( r ) d r = 2 万五l 莓l g c 了一万z ， f 2 - 1 6 由于载波信号d ( f ) 的积分是连续的，所以通过对不连续的脉冲信号积分，可以 1 0 第二章数字传输系统 得到一个相位连续的信号。在任意的玎丁 t ( n + 1 ) t 的区间内的载波相位可以由式 ( 2 1 6 ) 来决定，则有 她；l ) 硼荟厶砌h i , q ( 阳d ( 2 - 1 7 ) = 幺+ 2 z c h i q ( t - n t ) ( n t t ( 玎+ 1 ) z ) 其中， ，r g ( f ) 2j ：g ( r 矽f 根据式( 2 1 3 ) ，g ( f ) 可以表示为 g ( f ) = n - i 幺= 砌l ( 2 1 8 ) k = - - - a o 0 ( t 至 o 丁 它的冲激响应为 7 s i n - - t g ( f ) = 手s a ( r c t l r ) 丁 图2 1 2 分别为理想低通的传输特性和冲激响应： ( a ) 传输特性 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 。g ( f ) _ 4 r 一- 2 r 2 ，- 4 r 。 ( b ) 冲激响应 f 图2 - 1 2 理想低通传输系统特性 从上图可以看出理想低通的冲激响应波形的衰减振荡幅度较大，是不适合作 为传输波形的。因为实际的传输系统总是可能存在定时误差的，这样就会导致严 重的码间串扰。 为了解决理想低通特性存在的问题，可以用具有滚降特性的余弦滤波特性。 它是将理想低通滤波器特性的边沿按照奇对称的条件进行滚降的结果。如图2 1 3 。 其传输函数g ( 国) 可以表示为 1 4 第二章数字传输系统 f z，i c o l ( 1 + 口) 衫z 其冲激响应g ( t ) 为 球篙骝 p 2 7 ， 式中：口为滚降系数，用来描述滚降程度。 n k 。 u 一? 氕 jlo r sj j i i i 厂 、i i i i 。 0 a 1 ( 2 - 2 8 ) j i ? 、jj (， 图2 1 3 奇对称的余弦滚降特性 当a = 0 时，即为前面所述的理想低通特性：当口= 1 时就是升余弦特性，其 频率特性为： 即) = ( ，+ 等灿等 p 2 9 ， 其相应的响应为： g ( t ) = s i n ( z r f z ) c o s ( 州z ) z c t t ，1 4 t 2 z 2 ( 2 3 0 ) 升余弦特性的单位冲激响应如图2 1 4 。由式( 2 - 2 8 ) 可知，升余弦滚降系统的冲 激响应是满足n y q u i s t 第一准则。同时它与f 2 成反比，所以在尾部衰减较快，有利 于减小码间串扰和位定时误差的影响【6 1 7 1 。 电子科技大学硕士学位论文 j l 矗【，j | t 、一、一 一 一3 z 一2 rrz2 z3 z 图2 1 4 升余弦冲激响应 1 6 第三章f s k 的调制与解调 第三章f s k 的调制与解调 3 1c p f s k 调制器设计 c p f s k 信号有多种实现方式，例如用电抗管、变容二极管等器件构成振荡器， 通过基带信号的作用，改变振荡器的频率，从而实现调频。这些方法的优点是能 够产生很大的频率偏移，不过也存在中心频率不稳定的缺点，需要增加稳频电路。 当然也可以采用专用的调制解调芯片直接实现c p f s k 调制，这种方式产生的 c p f s k 信号的频率稳定性和精度都比较高，但由于调制解调芯片只能实现特定载 频、特定调制频率上的c p f s k 调制，所以这种方式只适合于特定的应用场合。 将基带信号用作压控振荡器的控制电压，v c o 的输出频率就会随基带信号的 变化而变化，从而实现调频。但是它的输出中心频率通常是不稳定的。利用锁相 环的相位负反馈对频率的控制作用，能够很好地解决v c o 输出频率不稳定的问题。 所以本次c p f s k 调制器采用锁相调制的方式来实现，即用模拟调制的方法来实现 数字调制。这样既能保证相位的连续性，又能保证输出频率的高稳定性。 3 1 1 锁相环的基本理论 锁相环是一个相位自动控制系统，它由三部分构成，分别是鉴相器( p d ) 、环 路滤波器( l f ) 和电压控制振荡a ( v c o ) ，其基本结构如图3 - 1 所示。 图3 - 1 锁相环路的基本结构 3 1 1 1 鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位谚( t ) 与反馈信号相位 包( f ) 之间的相位差。输出的误差信号( t ) 是相差信号见( f ) 的函数，即 ( f ) = 厂阻( f ) ( 3 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 其中函数f lo ( t 1l 称为鉴相特性。由此可以看出鉴相器在锁相环中起误差敏 感元件的作用。鉴相器大致可以分为两大类：一类是模拟乘法器，它是将两路输 入信号相乘，通过比较两个输入信号相位的差异，从而得到误差电压，其大小是 由两个信号相位差来决定的。第二类是目前在频率合成器中广泛采用的电荷泵型 数字式鉴频鉴相器，它的输出为数字的电流信号l ( t 1 ，其脉宽反映了两输入信号 的相位差值，极性则反映了两输入信号的相位差的正负。鉴相器输出的有用信号 为低频信号，所以在鉴相器后要接一个低通滤波器。用作理论分析的正弦鉴相器 可用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型，如图3 - 2 ( a ) 所示；鉴相器的数学模 型如图3 2 m ) 所示哺3 。 ( 口)( b ) 图3 - 2 鉴相器的模型 3 1 1 2 环路滤波器 由于鉴相器输出的有用信号是一个低频信号，为了滤掉高频成分，环路滤波 器应为低通特性。它的特性会直接影响整个锁相环的性能参数，尤其是相位噪声 和锁定时间。常用环路滤波器有两类，一类是无源滤波器，包括r c 积分滤波器和 无源比例积分滤波器；另一类则是有源比例积分滤波器，它是由电阻、电容和运 算放大器构成的。 1 r c 积分滤波器，其电路结构如图3 - 3 ( a ) 所示。这是最简单的环路滤波器， 其传输算子为 ，( s ) 2 而1 ( 3 - 2 ) 式中，2 1 = r c 是时间常数。 2 无源比例积分滤波器，其电路结构如图3 3 ( b ) 所示，它与r c 积分滤波器相 比在电容之路上串连了一个电阻尼，这就增加了一个可调参数，它的传输算子为 f ( j ) = 警 ( 3 - 3 ) 式中，2 1 = ( r + r ) c ，乞= r c 。 第三章f s k 的调制与解调 ( a )【b )【c ) 图3 - 3 三种常见的环路滤波器 3 有源比例积分滤波器，其由运算放大器组成，电路结构如图3 - 6 ( e ) 所示。么 为运算放大器的开路电压增益。当增益彳很高时则该滤波器的传输算子为 f ( s ) = 警 ( 3 - 4 ) 式中q = ( 墨+ 么r + r 2 ) c ；r 2 = r 2 c 。 无源、有源比例积分滤波器都有一个相位超前因子，这对改善环路的稳定性 有很重要的作用。 3 1 1 3 压控振荡器( v c 0 ) 压控振荡器是一个电压频率变换装置，在环路中作为被控振荡器， 频率应随着输入控制电压“，t ) 而线性变化，即应有变换关系 q ( f ) = c o o + 亿( f ) 式中q ( t ) 是压控振荡器的瞬时角频率；c o o 为压控振荡器的中心频率， 灵敏度或称增益系数，单位为r a d s v ，它也是环路的一个重要参数。 它的振荡 ( 3 - 5 ) k 。为控制 在实际应用中，压控振荡器的控制特性的线性范围是有限的，超出这个线性 范围之后控制灵敏度将会下降。图3 4 中的实线为一条实际压控振荡器的控制特 性，虚线为符合式( 3 5 ) 的线性控制特性。 吃厂j 。 0 图3 - 4 压控振荡器的控制特性 1 9 电子科技大学硕士学位论文 由于压控振荡器的输出反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压( f ) 起作用 的不是其频率，而是其相位 f q ( r ) d f = c o o t + 疋f “。( f 沙( 3 - 6 ) 即： 包( f ) = k “( r 矽f ( 3 - 7 ) 改写成算子形式为 o o ( f ) = k p o ( f ) ( 3 8 ) 可见压控振荡器具有一个积分因子1 s ，这是相位与角频率之间的积分关系形 成的。这个积分作用是压控振荡器所固有的，通常称作压控振荡器的固有积分环 节，这个积分作用在环路中起着重要的作用。 3 1 1 4 锁相环的相位模型 根据上述对锁相环各部件的分析，再结合锁相环的基本结构，可以得到环路 的相位模型如图3 5 所示。 图3 5 锁相环的相位模型 根据图3 5 ，可以得到输入信号的相位、输出信号的相位以及误差电压之间的 关系： 包( t ) = e ( t ) - o o ( t )( 3 9 ) o o ( f ) ：k 掣s i n 包( f ) ( 3 0 1 0 ) 压控振荡器的输出反馈到鉴相器和输入参考信号的相位相比较，当存在频差 时，相位差就会变化，鉴相器输出的误差电压就不是一个恒定值，该电压通过环 路低通滤波后加到压控振荡器控制端使输出频率逐渐靠近输入参考信号的频率。 当压控振荡器的频率和参考信号频率相同，即二者之间的频差为零时，相位差不 再随时间变化，误差电压为一固定值。若满足一定的条件，环路就进入锁定状态。 蚜 第三章f s k 的调制与解调 把公式( 3 1 0 ) 代入到公式( 3 9 ) 中，就能够得到环路的动态方程： p 包( f ) = p g ( t ) - k f ( p ) s i n 包( t ) ( 3 1 1 ) 环路增益k = k o ，是误差电压的最大值，它与k 的乘积就是频率偏移 的最大值。p o e ( t ) 表示环路的瞬时频差；p 2 ( t ) 表示固有频差；p 包( f ) 是控制电 压加至压控振荡器所引起的振荡频率相对于自由振荡频率的频差，称为控制频差。 则上式可写为： 瞬时频差= 固有频差一控制频差 这个关系在环路动作的始终都是成立的。当锁相环开始工作的时刻，由于环 路还没有开始控制，所以此时控制频差为零，则瞬时频差等于固有频差。在捕获 的过程中，随着环路的控制作用逐渐明显，控制频差就会逐渐变大。因为输入的 参考频率是不变的，所以固有频差就不会改变，那么瞬时频差就会逐渐减小。瞬 时频差减小的过程，实际就是压控振荡器输出频率朝参考频率逼近的过程。当瞬 时频差等于零的时候，压控振荡器输出频率就等于参考频率，整个环路锁定。 从式( 3 1 1 ) 可以解出稳态相差： 包( ) = a r c s i n 面a ( 而o ( 3 - 1 2 ) 因为环路应用了正弦特性的鉴相器，所以上述模型和动态方程都是非线性的。 而在环路的同步状态，瞬态相差见( t ) 总是很小，可以近似为s i n a , ( t ) 包( t ) ，这 样就可以近似的得出锁相环的相位线性模型，如图3 6 所示 图3 - 6 锁相环的相位线性模型 由上图可算出锁相环路的开环传递函数、闭环传递函数和误差传递函数分别 如下【9 】： 开环传递函数： 闭环传递函数： 卧) = 揣k = 锱= k 掣 耶，= 描= 绱 2 1 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 误差传递函数： 它们三者之间的关系为： 跳) = 鬻= 南 ( 3 - 1 5 ) 耶) = 端 耶) 2 南 只( s ) = 卜i - i ( s ) 3 1 1 5 理想二阶环频率响应分析 对于环路滤波器采用有源比例积分器的锁相环， 称之为理想二阶环。根据前面对环路滤波器的分析， 传递输函数为 f ( s ) = 等 式中= ( r i + a r l + r 2 ) c ；乞= r c ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 当其环路增益为无穷大时， 理想二阶环的环路滤波器的 ( 3 - 1 9 )