（电路与系统专业论文）磁悬浮车地通信系统中频解调器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 无线通信是当今广泛应用的通信手段，调制解调技术作为无线通信的重要组 成部分己经得到了广泛的研究和应用。本文结合“3 8 g h z 磁悬浮车地通信系统” 的要求，在简要介绍各种通信调制体制的基础上着重对其中的多通道，多功能中 频解调器的研制工作进行了阐述。为使数字信号在带通信道中传输，必须使用数 字信号对载波进行调制。其中的频率调制是现代传送信息所用的主要调制制式之 一，它广泛应用于通信、广播、遥测、遥控方面。使用的频率范围很宽，包括中 短波、超短波以及微波等波段。根据所调制的信号，调频又可分为模拟信号调频 和数字信号调频。在解调方面，二进制频移键控的解调可以分为非相干和相干两 种。 由于调频解调器的技术已经很成熟，尤其对应二进制频移键控的解调也较容 易。所以本文主要介绍如何根据系统指标设计、仿真及实现一个符合系统功能的 实际应用的解调器电路。本文从分析数字信号的基带普切入，介绍了相关的调制 及解调的基本概念和方法，比较了各种调制及解调技术的优缺点，最后结合实际 电路，对电路的设计做了详细的分析。本论文的重点不是对理论的分析而是对实 际设计电路的讨论。因此，本文具有一定的工程意义。 在论文的最后给出了设计原理图及实际电路，并对测试结果进行了简单的分 析讨论。 关键字无线通信频移键控解调 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a d i o c o m m u n i c a t i o ni su s e d w i d e l yt o d a y t h et e c h n o l o g yo f m o d u l a t o r - d e m o d u l a t o ra so n ei m p o r t a n tp a r to fr a d i o c o m m t m i c a t i o nh a sb e e n r e s e a r c h e dw i d e l yt o o a c c o r d i n gt o “t h e3 8 g h zc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fm a g i e v t r a i n ，t h i sp a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho fm u l t i c h a n n e la n dm u l t i f u n c t i o n a li f d e m o d u l a t o ro nt h eb a s eo fs o m ec o n c e p t sa b o u tm o d u l a t o r w em u s tm o d u l a t et h e c a r r i e rw a v eb yd i 百t a ls i g n a l si fw ew a n tt ot r a n s m i tt h ed i 百t a ls i g n a l s i ti sc a l l e d b i n a r yd i g i t a lm o d u l a t o rw h e nt h em o d u l a t es i g n a li sb i n a r ys i g n a l t h e 丘e q u e n c y m o d u l a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm o d u l a t i o n i ti su s e d w i d e l yi n c o m m u n i c a t i o n ，b r o a d c a s t ，t e l e m e t r ya n ds oo n t h ef r e q u e n c yr a n g ei sv e r yb r o a d w h i c hc o n t a i n sm i d d l e - s h o r t w a v e , s u p e r - s h o r t w a v ea n dm i c r o w a v e t h e r ea r et w o d i f f e r e n tf r e q u e n c ym o d u l a t i o na c c o r d i n gt ot h em o d u l a t e ds i g n a l o n ei sa n a l o g 矗e q u e n c ym o d u l a t i o n ，t h eo t h e ri sd i 百t a lf r e q u e n c ym o d u l a t i o n a n dt h e r ea r ea l s o t w om e t h o d sf o rr e c o v e r i n gt h ed e m o d u l a t i n gs i g n a l t h et e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yd e m o d u l a t o ri sn o tv e r yc o m p l e x ，s ot h i sp a p e ri s m o s t l yd i s c u s s e da b o u th o wt od e s i g na na c t u a lc i r c u i ta c c o r d i n gt ot h es y s t e m s t a r g e t t h ep a p e rb e g i n sw i t ht h ea n a l y s i so fp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , t h e nii n t r o d u c e s o m ei m p o r t a n tm e t h o d sa n dc o n c e p t sr e l a t et om o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n a n di h a v e d o n es o m ew o r kt oc o m p a r et h ed i f f e r e n td e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i nt h ee n d ，i s h o wt h ed e t a i l sa b o u tt h ec i r c u i t s ot h i sp a p e rh a ss o m eu s e f u l e n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e a tt h el a s t ，y o uc a nf i n dt 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 t a n dia l s og i v e s o m ea n a l y s i sa b o u tt h er e s u l to f t e s t k e y w o r d s ：r a d i o c o m m u n i c a t i o n f r e q u e n c ys h i f tk e yd e m o d u l a t o r 独仓性声明 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。 签名之塑遂 吼聊年，月矽日 关于论文使用授权的说明 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： 乏诌鹇 导师签名： 溆霉纠 1 日期：卸 年月z 1 日 第一章3 8 g h z 磁悬浮车地通信系统简介 第一章3 8 g h z 磁悬浮车地通信系统简介 1 1 毫米波通信的特点 毫米波是指波长从l c m 到l m m ( 对应频率从3 0 g h z 一3 0 0 g h z ) 范围内的电磁波。 需要说明的是关于毫米波频率范围的划分问题，国际上没有严格、一致的规范， 但这并不影响人们对他的研究和利用。毫米波概括起来有三个基本的特点：波长极 短、带宽很宽、在空间的传播和大气环境密切相关。毫米波通信是一种新型的通 信方式。由于毫米波的三个特点，从而构成了毫米波通信独特的优点和缺点【l 】。 1 毫米波波长极短，它非常有利于射频设备的小型化和获得较强的方向性。 这在军事通信中对提高通信系统的抗干扰、抗截获能力是十分有效的。同时波长 短在应用中也会带来负面效应，为了保证系统的性能，设备的加工精度要求会很 高，元器件的寄生参数要降到最低，这就导致了毫米波元器件和设备的价格昂贵， 而小尺寸也限制了元器件的功率容量。 2 毫米波的带宽很宽，这说明毫米波的频谱资源是十分丰富的，可以满足信 息时代人们对数据、宽带图像业务等大容量信息传输与处理的需求。在军事通信 中，丰富的频谱资源提供了抗干扰、抗截获的另一种途径，扩频通信。此外，与 较低的射频相比，毫米波频率具有强的抗闪烁能力，电波在核爆炸后能较快恢复 正常，因而受到军事通信的特别青昧。 3 毫米波在空间的传播和大气环境密切相关，大气中的水蒸气和氧气是引起 毫米波衰减的主要原因。但在毫米波频谱中，存在四个窗口频段，在这些频段屯， 毫米波的衰减很小。毫米波的这种大气中的强衰减性使得毫米波满足保密通信的 要求，在点对点通信中，选择合适的发射功率，使毫米波的传播超过指定范围后， 信号衰减到无法恢复的状态从而满足保密通信的要求。除了大气中的水蒸气和氧 气吸收以外，雨、雪和冰雹引起的衰减更为严重，特别使降雨的影响，会严重制 约毫米波通信的应用，这就需要采取有效的抗雨衰技术来保证可靠的通信。 1 2 毫米波通信的应用领域 毫米波通信主要有毫米波波导通信、毫米波无线地面通信和毫米波卫星通信， 电子科技大学硕士学位论文 其中又以无线地面通信和卫星通信为主。下面主要介绍毫米波无线通信。 毫米波通信中有一个很重要的应用就是点对点之间的保密通信，或者叫做低 截获概率通信。毫米波本身就具有隐蔽性和抗干扰性，同时由于毫米波在大气中 的衰减和使用小口径天线就可获得极窄的波束和很小的旁瓣，所以对毫米波通信 的截获和干扰变的非常困难。 毫米波通信不仅可以使用窗口频率，也可以使用吸收峰频率。而且毫米波天 线具有很强的方向性、波束很窄、不易被截获，有利于实现保密通信；利用强方 向、多波束星载天线。可实现波段转换，从而扩大覆盖区域；采用分集接收。可 在较差的天气条件下提高通信的可靠性。 根据上述的毫米波通信的优点，国i 勾# 1 - 的高速磁悬浮列车的通信系统都采用 了毫米波通信。 1 33 8 g h z 磁悬浮车地通信系统简介 磁悬浮列车作为一种新型的交通工具，具有速度快、无污染、噪音小，对地 形适应性强，乘坐舒适的优点，符合现代交通工具的要求，因此具有广阔的发展 前景。磁悬浮列车主要包括磁悬浮路线、车辆、牵引供电系统及车超速防护、列 车自动驾驶和列车自动监控运控系统。 图卜i 是磁悬浮列车运控系统中的通信系统的简单示意图，整个系统主要分 为车载收发系统，地面收发系统和光纤回路三个主要部分。为了保证通信系统的 可靠性，车载部分包括两套收发系统分别应用于a 、b 两个不同环路的通信，每套 收发系统由图卜2 所示的各部分组成。 图1 - 1 磁浮列车通信系统示意图 接收部分包括天线、毫米波前端、中频解调电路、数字分集、解码；发射部 分由编码、中频调制、毫米波前端、天线构成。地面部分的收发系统与车载部分 基本相同。 2 第一章3 8 g h z 磁悬浮车地通信系统简介 广一一一一一一1 双工器 图1 23 8 g h z 车地通信系统框图 其中，中频调制信号的载波为2 8 0 m h z ，调制后的信号经过放大后上变频，由 3 8 g h z 毫米波前端发射，经过无线信道由另外一个毫米波前端接收后下变频。得 到的中频调制信号放大后输入到解调器中进行解调，解调出的信号经过解码之后 得到原始的数据，这样就实现了一次单向通信。在磁悬浮列车的通信系统中是采 用双工的方法实现双向通信。为提高系统的可靠性接收部分接收到的中频信号分 为7 0 m h z 和1 2 0 m h z ，毫米波前端的频率为3 8 g h z 。 1 4 本文所做的主要工作 本文首先对数字调频信号做了简单的分析和介绍，并对几种常用的数字调频 信号的解调方法作了比较，选择了一种最为适合磁悬浮车地通信系统要求的方法 设计了7 0 m h z 和1 2 0 m h z 的中频解调器电路。为保证通信系统的可靠性，实现 分集接收，每个电路设计为具有同样功能的4 个通道；同时每个通道都能够提供 准确的接收信号电平指示。所设计完成的中频解调器在系统的实际调试和运行中 基本达到了预定要求。 电子科技大学硕上学位论文 第二章数字信号的基带谱及载波传输 2 1 基带信号的频谱特性 在研究载波传输系统时，对于载波信号频谱的分析是十分必要的。要研究载 波信号的频谱，则对于基带信号频谱的分析就十分重要。由于基带信号是一个随 机脉冲序列，敌我们面临的是一个随机序列的谱分析问题。 随机脉冲序列的谱分析，根据实际给定条件的不同，应采用不同的方法。一 种是由随机过程的相关函数去求功率( 或能量) 谱密度的方法，另一种就是下文 中将要介绍的方法【2 】。 设一个二进制的随机脉冲序列如图2 - 1 所示。这里晶( f ) 和g z ( t ) 分别表示符 号0 和l ，i 为每一码元的宽度。应当指出，图中虽然把g ，( f ) 及9 2 ( d 都画成了三 图2 。1 角形( 高度不同) ，但实际上品( f ) 和岛( f ) 可以是任意的脉冲。 现在假设序列中任一码元时间霉内毋( f ) 和9 2 ( t ) 出现的概率分别为p 和 1 - p ，认为它们的出现是互不依赖的( 统计独立) ，则改序列j ( f ) 可表示成 j ( f ) = g ( t - n t , ) ( 2 1 ) 或 其中 s ( f ) = 矗( f ) 4 ( 2 2 ) 娜八可 哕盟他。八五 尔一 第二章数字信号的基带谱及载波传输 r - g 。“一，z 霉) ，概率为p 矗2 - 9 2 ( t 一以z ) ，概率为l p ( 2 3 ) 下面来确定j ( f ) 的功率谱密度只( 回。由于随机脉冲序列通常是功率型的，因此， s ( f ) 的功率谱密度为： 荆：熙掣 设截取时间? 为 t = ( 2 + 1 ) z 式中，为一个足够大的数值。 则s t ( t ) 可以表示成 ， 唧( f ) = ( f ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 且式( 2 - 4 ) 变成 g ( o o ：l i m 删( 2 - 7 ) 2 茜再孝 我们可以把截短信号s t ( t ) 看成是一个由稳态波v a t ) 和一个交变波u ，( f ) 构 成。这里所谓的稳态波，即是随即信号s r ( t ) 的平均分量，它可表示成 v r ( t ) = p g l o 一，l z ) + ( 1 一尸) 9 2 ( t - n t , ) 这样，交变波峰即为 于是，我们得到 = l e g 。( f 一”z ) + ( 1 一p ) 9 2 ( t - n t , ) ( 2 - 8 ) 月一n “r ( f ) = 曲( f ) 一v r ( t ) 5 ( 2 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 其中 u t ( f ) = ( f ) 一n o ) = a n 【g 。o n z ) 9 2 ( t h z ) 】 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 广1 p ，概率为p 2 l p ， 概率为 1 一尸 ， ( 2 1 2 ) 由式( 2 8 ) 及式( 2 1 0 ) 看到，稳态波及交变波都有相应的确定表示式，因而可 以分别找到他们的频谱特性。这样，根据式( 2 9 ) 关系，我们就可最后找n s ，( f ) 的频谱特性。 1 求稳态波吩( f ) 的功率谱密度 由式( 2 8 ) 可知，当r 斗0 0 时，v r ( t ) 变v ( t ) ，且有 v o ) = p g l o 一以z ) + ( 1 一p ) g ：o n c ) 】 ( 2 1 3 ) 此时，因为v o + z ) = v ( t ) ，故v ( f ) 是以z 为周期的周期性信号。于是，v ( f ) 可展开 成傅里叶级数，即 其中 v ( f ) = c e 2 哪 ( 2 1 4 ) g = 土t $ d 严- t ”1 2 v ( f ) e 川州。疵= = 三t sa 门- r 2 e 一即萎州h 驴( 1 _ p ) 9 2 ( i 矽 6 第二章数字信号的基带谱及载波传输 = z 委麟瞰讣( 1 _ p ) “f ) e - 1 2 - m f a t , - n t , ) 以 = ze 尸g 。( t ) + ( 1 - p ) 9 2 ( t ) e - s 2 嘶d t = f a p 6 , ( m f , ) + ( 1 一尸) g 2 ( 蜕) 】 又 g l ( ，蜕) = g , ( t ) e - j 2 “g d t g 2 ( ，矾) = g ：( t ) e - 2 ” c ：d t 于是，v ( f ) 的功率谱密度只( c o ) 为 ( 2 1 5 ) 只( 功：妻i z 【尸g l ( 蜕) + ( 1 一p ) g 2 ( 峨) 】1 2 c s ( f 一喊) ( 2 - 1 6 ) 2 求交变波蜥( f ) 的功率谱密度 现在先求交变波u ，o ) 的频谱函数坼( c o ) 。由( 2 1 0 ) ，显然有 u a c o ) = u r ( f ) g 一埘a r t = 芝以c g 。o 一玎巧) 一9 2 ( t 一一z ) 】9 1 2 即以 l q = a n e 叫2 嗍 g i ( ，) 一g 2 ( 力】 n = - 1 y 于是 j ( 甸j 2 = ( ) ( 国) ( 2 1 7 ) n = a m 口。e 7 2 吖一珥【g l ( ，) 一g 2 ( 力】x 【g l ( ，) 一g 2 ( ，) 】 ( 2 1 8 ) 卧 ka = 一n 其统计平均为 e t l u ，( 由) 门：兰妻e ( 吒) d 2 * r c n - m nx g l ( f ) 一g 2 ( 厂) 】 g 1 ( s o g 2 】 ( 2 1 9 ) ；一p 7 电子科技大学硕士学位论文 当m = 栉时 所以 当m ，l 时 咿。鸹2 ( 1 - 一p 户鬟p p 1 一p 一 概率为一 研吒2 = p o d 2 + ( 1 一d 尸2 = p ( 1 一p ) ( 2 2 0 ) ：- - ( i p 1 2 ， 概率为p q = o ( 2 2 5 ) m = l ( 1 ) 对于单极性波形：若设g ( t ) 随机脉冲序列的功率谱密度( 双边) 为 g ( c o ) ：f , p ( 1 一p ) i g ( 厂) | 2 + 妻l z ( 1 一p ) g ( m f , ) 1 2 6 ( f m l ) ( 2 - 2 6 ) 式中，g 是g o ) 的频谱函数。当p = 1 2 ，且占为矩形脉冲，即 厂1f 三 g ( f ) 2 l0 ，其它f 其频谱函数为 阶t ”s i n 屈z j t , 那么，式( 2 2 6 ) 将变成 脚，= 扣2 专等n 1 聊= 和明_ 1 町巾功， ( 2 ) 对于双极性波形：若设岛( f ) = - 9 2 ( t ) = g ( t ) ，则有 只( 叻= 4 f , e ( 1 一p ) i g ( 厂) 1 2 + 妻阮 ( 2 p 一1 ) g ( 喊) 1 2 a ( f m l ) ( 2 - 2 8 ) 当p = 1 2 时，则式( 2 2 8 ) 可变成 只( 动= f i g ( 州2 9 ( 2 2 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 若g ( f ) 为矩形脉冲，那么上式可写成 一z l 札警忙s i n z j t , 2 瑚硼江s 。， 由以上分析可知，随机脉冲序列的功率谱密度可能包括两个部分：连续谱 p f ( ) 及离散谱g ( c o ) 。对于连续谱而言，代表数字信息的g t ( t ) 及9 2 ( f ) 不能完全 相同，故g l ( 厂) g 2 ( 厂) ，因而，只( 国) 总是存在的，对于离散谱来说，在一般情 况下，它也总是存在的。但我们容易观察倒，若晶( f ) 及9 2 ( t ) 是双极性的脉冲， 且波形出现概率也相同，则式( 2 2 5 ) 中的二、三项为零，故此时没有离散谱( 即 频谱图中没有线谱成分) 2 2 数字信号的载波传输 为使数字信号在带通信道内传输，必须用数字信号对载波进行调制 3 。如同 传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅度键控、频 移键控和相移键控。他们分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基 带信号，可以看成是模拟线性调制和角调制的特殊情况。 本节主要研究在实际中已经取得广泛应用的数字调制和解调技术，包括他们 的原理、频谱特性和特殊情况。 调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。二进制数字 调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态【5 1 。 2 2 1 二进制幅度键控( 2 a s k ) 在“磁悬浮车地通信系统”中要求要能够传输报头信号，在实际电路的设计 中是通过二进制幅度键控来实现的。用报头信号去控制副载波的通断，所得到的 信号和1 0 2 4 m b p s 的数据叠加在一起再经过锁相环路完成对载波的调制。在幅度 键控中载波幅度随着调制信号的变化而变化。最简单的形式是载波在二进制信号 1 或0 的控制下通或断，这种二进制幅度键控的方式称为通一断键控( o o k ) 。它的 时域表达式为 s o o k ( t ) = a n a c o s 国c f ( 2 - 3 1 ) 这里，4 为载波幅度，嗥为载波频率，a 。为二进制数字， 1 0 第二章数字信号的基带谱及载波传输 口：j1 ， 出现概率为p q , l0 ，出现概率为1 一p 典型波形如图2 - 2 所示。 a a 1 ：0 1 ： 厂八、|扒八八|。 vv 卜一vv f 7 幽2 20 0 1 ( 信号的典型波形 在一般情况下，调制信号可以是具有一定波形形状的二进制序列( 二元基带信号) ， 即： 曰( f ) = 口。g ( f 一，l z ) ( 2 3 2 ) 这里， z 为信号间隔，g ( t ) 为调制信号的时间波形，二进制幅度键控信号的一般 时域表达式为 ( f ) = l a g ( t - n t , ) i c o s q f ( 2 - 3 3 ) l 月j 由上式可知，这是双边带幅度信号的时域表达式。 若- 进, t j 序列的功率谱密度为( 回，二进制幅度键控信号的功率谱密度为 ( 曲，则有 铲( 却2 掣 + 吐) + d p b ( c o q ) 】 ( 2 _ 3 4 ) 由( 2 2 7 ) 可知 ( 功= 吾疋2 ( 力z ) + 1 6 ( f ) 电子科技大学硕士学位论文 ( ，j 、l ，。 ( a ) 基带信号 甚掰一一， q 丢哪 ( b ) 己调信号 图2 - 3o o k 信号的功率谱( 未含线谱) 由此可知二进制幅度键控信号的频谱宽度时二进制基带信号的两倍。图2 - 3 给出了o o k 信号的功率谱示意图，理论上来说这中信号的频谱宽度为无穷大。 为了限制频带可以采用限带信号作为基带信号。图2 4 给出基带信号的升余弦滚 降信号时的功率谱示意图。 ( a ) 基带信号 1 2 一一一一 i_。，l 第二章数字信号的基带谱及载波传输 i仍。( f ) 7 笊。爪 ( b ) 已调信号 图2 _ 4 升余弦滚降基带信号的2 a s k 信号功率谱 二进制幅度键控的调制器可以用一个相乘器来实现，如图2 5 所示。对于通 断键控信号来说，相乘器则可以用一个开关电路来代替，调制信号为l 时开关电 路导通，为0 时开关电路切断4 1 。 基带信号墨卜 已调信号 载波a c o s e t 图2 52 a s k 调制器 2 a s k 信号的解调器有非相干解调和相干解调两种，被传输的信号只有1 和 0 两种，因此只需要在每个信号间隔内做一次判决即可，这由采样判决电路来实 现。这两种解调器的方框如图2 - 6 所示。 ( a ) 非相干解调 定时脉冲 j 3 定时脉冲 电子科技大学硕士学位论文 ( b ) 相干解调 图2 - 62 a s k 信号的解调器框图 下面是用s y s t e m v i e w 对2 a s k 信号采用非相干解调法和相干解调法进行的仿 真6 1 ， 图2 72 a s k 信号解调仿真电路图 ( a ) o o k 璇控信号输m 波彤( 嘴调信号渡彤辕街 图2 - 8 仿真输出结果 2 2 2 二进制频移键控( 2 f s k ) f s k 是信息传输中使用得较早的一种调制方式，也是数字通信中用得较广泛 的一种方式。它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好， 在衰落信道中传输数据时被广泛应用。在3 8 g h z 磁悬浮车地通信系统中，调频技 术采用的是在二进制频移键控。载波频率随着调制信号l 或0 的而改变，1 对应 于载波频率z ，0 对应于载波频率五。二进制频移键控己调信号的时域表达式为 1 4 第二章数字信号的摹带谱及载波传输 最。( 。= 莓。g o 一”t ) c o s q r + 莓瓦g o n t ) c o s 咤r ( 2 一，s ) 这里，q = 2 硕，哆= 2 嘎，瓦是吒的反码，有 广0 ，概率为p广o ，概率为1 一尸 n2 l 1 ，概率为1 - p 吒2l l ，概率为 p 在最简单也是最常用的情况下，g ( f ) 为单个矩形脉冲。2 f s k 典型波形如图2 - 9 所 示。 a a 1 tr 厂八八八八。 vvj vv r 7 五z以 图2 - 92 f s k 信号的典型波形 由式2 3 6 可知，二进制频移键控已调信号可以看成式两个不同载频的幅度键 控已调信号之和，因此它的频带宽度式两倍基带信号的带宽( 曰) 与i 五一石i 之和， 即 v f = 2 b + i 厶一 f ( 2 3 6 ) 图2 一l o 给出了它的功率谱示意图口1 。 丘一1 5 足z rz 一0 5 足z 五十o 5 r z + 疋z + 1 5 足， 图2 - 1 02 f s k 信号的功率谱 二进制f s k 信号的常用的解调方法同样分为非相干检测法和相干检测法如图 1 5 电子科技大学硕上学位论文 2 - 1 l ( a ) 和( b ) 所示 ( a ) 非相干解调法 ( b ) 相干解调法 图2 - 1 12 f s k 信号的解调原理框图 根据上述的原理框图可以用s y s t e m v i e w 对2 f s k 信号的解调搭建仿真电路图 如图2 1 2 所示，对解调性能进行仿真其结果如图2 1 3 所示。 ( a ) 2 f s k 信号非相干解调仿真电路图 1 6 第二章数字信号的基带谱及载波传输 ( b ) 2 f s k 信号相干解调仿真电路图 图2 - 1 22 f s k 信号解调s y s t e m v i e w 仿真 图2 - 1 3 调制前与解调后数据波形比较图 2 2 3 二进制相移键控( 2 p s k ) 二进制相移键控( 2 f s k ) 方式是载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一 种数字调制方式。就是根据数字基带信号的两个电平( 或符合) 使载波相位在两 个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。两个载波相位通常差1 8 0 度，此时 称为反向键控( p s k ) ，也称为绝对相移方式。已调波形图如图2 1 4 所示。 由于2 p s k 信号是恒包络信号，因此2 p s k 信号的解调必须采用相干解调。可以 各种鉴器来完成恢复原始信号，但是如何得到同频同相的载波是个关键问题。因 为2 p s k 信号是抑制载波的双边带信号，不存在载波分量，所以无法从已调信号 中直接用滤波法提取本地载波。只有采用非线性变换才能产生新的频谱分量。常 用的载波恢复电路有两种，一种是图2 1 5 ( a ) 所示的平方环电路，另一种如图 1 7 电子科技大学硕七学位论文 2 - 1 5 ( b ) 所示的科斯塔环。 皆一? 一。；。二一。二。；“。一一，。 喱一l ( b ) ( a ) 平方环( b ) 科斯塔环 图2 1 5p s k 载波恢复电路 根据高速磁悬浮列车通信系统的特点，要求所采用的调制方式对频率容差和 多普勒频移不敏感，最终采用的调制方式二进制频移键控的调制方式，在下一章 中则着重介绍如何设计一个调频信号的解调器。 第三章2 f s k 信号的解调器设计与实现 第三章2 f s k 信号的解调器设计与实现 3 1 任务与要求 3 8 g h z 磁悬浮车地通信系统中频解调部分的主要任务是将1 0 2 4 m b p s 数据和 报头信号从毫米波接收单元提供的7 0 m h z 和1 2 0 m h z 的调频中频信号中解调出来， 提供给后级电路以实现进一步的解码和分集合并处理。 为使后级子系统实现分集接收，每张解调电路板需要提供四个功能相同的通 道，并且每个通道要能够提供准确的接收功率指示电平。整个系统要求在数据传 输过程中误码率小于l o “，延时不大于3 m s 。 接口 解调器的外部接口主要包括：与毫米波前端的调制信号输入接口；与编解码 板相连的数据输出接口；与分集单元的报头信号输出和接收信功率指示电平输出 接口；电源单元的电源接口；人机界面接口。 输入接口： 毫米波单元： 中频输入接口l 4 ：s m a 5 0 k 中频频率：a 型：7 0 m h z b 型：1 2 0 m h z 中频信号带宽：2 5 m h z 中频信号电平：一3 0 + 1 3 d b m 电源单元： + 1 5 v ：+ 1 5 v ，i h ，矩形插座，j p 2 0 0 0 _ a 1 - l - 5 v ：+ 5 v ，i a ，矩形插座，j p 2 0 0 0 _ a 3 - - 5 v ： - - 5 v ，5 0 0 m a ( 备用) ，矩形插座，j p 2 0 0 0 a 5 输出接口： 编解码部分： 数据输出：t t l 电平，矩形插座，c h i ：j p 2 0 0 0a 1 0 c h 2 ：j p 2 0 0 0 _ a 1 4 c h i ：j p 2 0 0 0a 1 8 1 9 电子科技大学硕j 学位论立 分集合并单元 报头输出：t t l 电平，矩形插座 信号强度指示输出：o - - 5 v 模拟信号， c h i ：j p 2 0 0 0 一a 8 c h 2 ：j p 2 0 0 0 _ a 1 2 c h i ：j p 2 0 0 0a 1 6 c h l ： p 2 0 0 0 _ h 2 0 矩形插座，c h i ：j p 2 0 0 0a 9 c h 2 ：j p 2 0 0 0 1 3 c h i ：j p 2 0 0 0a 1 7 c h i ；j p 2 0 0 0 _ 2 1 人机界面接口： 接收信号指示c h i n c h 4 ：4 x 绿色l e d 3 22 f s k 信号的解调器设计方案 根据系统所要求的指标综合考虑，中频解调器的系统框罔设计如h3 - 1 所示 图3 - l 解碉器框图 由图3 - 1 所示的系统框图可知：从毫米波前端接收得到的中频调频信号茸先 经过一个, r g 型衰减器，其目的是用于补偿车、地设备之间的不同电缆损耗。信号 第三章2 f s k 信号的解调器设计与实现 先经滤波、对数放大、检波，获得接收信号强度指示电平，然后将中频信号送入 鉴频器进行频率解调。解调输出经过滤波、放大和分离电路后分别送入报头解调 及处理电路和数据处理电路。最后获得满足系统要求的报头和数据信号的r r l 电 平。 3 3 系统方案的仿真与验证 为了验证上述设计的可行性，可以通过s y s t e m v i e w 对系统性能作仿真。图 3 - 2 为对7 0 m h z 已调中频进行数据与报头解调的s y s t e m v i e w 系统仿真1 羽 6 - 7 1 ，图 3 3 为数据输入、升余弦滤波输出和解调数据输出的对比波形，图3 - 4 为解调复 合输出信号、报头二次解调输出信号及经过整形后的最终报头输出信号对比波形； 图3 - 2 数据与报头解调的s y s t e m v i e w 系统仿真图 2 l 电子科技大学硕士学位论文 图3 3 数据输入、升余弦滤波输出和数据解调输出 报头二次解调输出 整形后的最终报头输出 图3 _ 4 解调复合输出、报头二次解调输出及整形后的最终报头输出 通过s y s t e m v i e w 的仿真可以得到，上述的解调器的设计方案完全是可行的。 下面的工作是设计具体电路。2 f s k 信号的解调方法可以分为两类，即相干解调与 第三章2 f s k 信号的解调器设计与实现 非相干解调。在实际应用中，根据目前数字调频使用的特点，以非相干解调为主。 所谓非相干解调，就是在接收端不需要相干信号，而根据调频信号本身的特点来 解调【8 】o 3 42 f s k 信号的解调器电路设计 本节主要涉及到的是电路中各个具体部件的设计及所使用的芯片的选择。前 文中提到系统要求设计两个中频分别为1 2 0 m h z 和7 0 m h z 的解调器，在设计的过程 中两者的主要区别是在鉴频器的设计上，电路的其他部分基本上是一样的。在设 计7 0 m h z 中频解调器时，有m o t o r o l a 公司专用的宽带限幅f m 正交鉴频芯片 m c l 3 1 5 5 可以用来做鉴频器，在m c l 3 1 5 5 的器件资料中提供了7 0 m h z 鉴频电路的 参考电路。但是m c l 3 1 5 5 上限频率无法满足1 2 0 m b z 的要求，因此对于1 2 0 m h z 中 频解调器采用了不同的方法来设计鉴频器。接下来将对两种中频的解调器设分别 加以介绍。 对于1 2 0 m h z 中频解调器，根据系统的要求，其调制信号的带宽为2 5 m h z ， 对滤波器的参数的要求如表3 一l 所示。 表3 - 1l c 滤波器指标要求 l r f ob w ( - 3 d b )b w ( 一4 0 d b )b w ( 一7 0 d b ) 带内 带外抑制( d b a ) 驻 ( d b ) m h zm h z m h z波动波 2 5 m h z f o - 3 5 m m z f o + 3 5 m h z 54 57 0 1 m h z0 5 d b7 07 0i 4 中频信号经带通滤波器滤除高频于扰输出后，送到放大器进行放大，放大器 所选择的芯片是a d i 公司的a d 8 1 3 8 ，使其能够实现放大信号以及将单端输入信 号转换为差分输出信号，因为后面所要应用到的用来作接收信号强度指示的对数 放大其要求信号输入为差分输入。a d 8 1 3 8 具有3 2 0 m h z 的3 d b 带宽，由图3 5 可 知，当工作在1 2 0 m h z 时，增益为i d b 。 电子科技大学硕士学位论文 露 l 眷 器 o 蠢o l v s 。5 v c f m q p f 8 _ 1 0 , 繇- , 4 9 9 k f 、，。t 瞒m 0 2 vp - p o _ 舳o n g 博5 ，鼗p 辅9 k 1 、煺i 0隅 壤 g 一2 ，r 一1 k 髓 、 ll l | | | l g - t r f * 4 9 9 9 i 簿 o1 0 01 0 0 0 f r e q u e 甜y m h z 图3 - 5a d 8 3 1 8 的频率与增益曲线( 摘自a d i 公司器件资料) 此外系统要求能够提供接收信号强度电平指示，之所以要向下级电路提供信 号强度电平指示是因为分集接收电路要通过电平来初步判断接收到的信号的质 量，相互比较从而选择出较好的信道的信号来进行处理，实现分集接收从而提高 系统的可靠性以及抗干扰能力。 我们选用的是a d i 公司的a d s 3 1 0 芯片来实现这个功能的，a d 8 3 1 0 是一个 大动态范围的对数放大器。 l 5 e 铂n vp 蕻爱 拱v l s l 0 辩 2 5 n s p e r ， 0 f vs k i n 。1 ：二i _ = 二二二7 t_*_ go 醛隧口r e fe 雌# i：e v l o m r v t l p 觚e r iil5 l 触群 黼确黼 4 捌v i $ 1 0 ，i h 掰 训 i n p u t l i删 一 ( a ) 小信号r s s i 冲击响应 第三章2 f s k 信号的解调器设计与实现 瑚日轴 i z 知o 赫 童 兹有 矽 7 t 4 4 0 ti 睦 纩 。 ( b ) r s s i 输出与输入功率的关系( 在频率分别为2 0 0 m h z ，3 0 0 m h z 和4 4 0 m h z 时) 图3 - 6a d 8 3 1 0 的r s s 响应及动态范围( 摘自a d i 公司器件资料) 由图3 6 及a d i 公司提供的器件资料可知，a d 8 3 1 0 的动态范围是9 5 d b ：一 7 8 d b m 到+ 1 7 d b m ，完全满足系统所提供的调频信号的功率要求：- - 3 0 d b m 到+ 1 3 d b m 。此芯片在1 0 0 m h z 时线性误差为0 4 d b ，由图3 - 6 可见在2 0 0 m h z 以内， a d s 3 1 0 的线性度都是非常好的。因此应用于1 2 0 m h z 线性度没有问题。单端供电 要求为2 7 v 一5 ，5 v ，可见方便地实现供电。所以a d s 3 1 0 能够满足系统的要求。 有一个需要解决的问题是本系统要求接收信号的动态范围为：- - 3 0 d b m 到+ 1 3 d b m ，如果直接把a d 8 3 1 0 的输出作为信号强度指示电平，分辨率就会不够。而 且，分集板要求的电平指示范围是0 5 v ，因此要对a d 8 3 1 0 的输出信号做一些变 换来满足实际应用中的要求。在电路设计中是通过一个运算放大器来实现的。另 外，因为在电路中还需要设计个比较器，比较器的输出控制最后解调信号输出 的通断。此处的处理速度要求和精度要求不是很高，所以我们用一个运算放大器 来实现比较器的功能可以满足要求。这样一来我们选择一个内部具有两个集成运 算放大器的芯片，从电路设计的复杂程度和设计成本来说都是合理的。因为a g c 要求的范围是o 一5 v 的输出，a d i 公司的a d 8 6 0 2 内部是双运放，供电为2 7 6 v ， 实际设计中采用的是5 v 供电，f i d 8 6 0 2 可以实现轨到轨输出，其闭环增益曲线如 图3 7 所示，此处对增益的要求不是很高，所以可以满足我们的要求。 电于科技大学硕士学位论文 萼硒 笳 卜 8 illl 蚝# 错 。一l # 拶e 4 t o o w - 1 0 、 + 4 埘 ： “ # l * w -陈 o 怒 盘 弧 ”撼 l k1 0 kl o o k，辅i o m1 伽雌 f i r e q i , i e i n y 一搬 图3 7a d 8 6 0 2 的闭环增益曲线( 摘自a d i 公司器什资料) 这里我们先介绍电平转换部分电路的设计，在下面的篇幅中再提到比较器的 设计。 电平转换部分的电路设计如图3 8 所示 哆 r 一一一一一一一一一一一一一一一_ 图3 - 8 电平转换电路 由电路图我们可得到 r ， 铲一首叫： ( 3 - 1 ) 其中q 是图中所示的电阻网络的等效电阻。 我们需要实现当输入信号功率的为- - 3 0 d b m 时，电平指示为0 v ；当输入信 第三章2 f s k 信号的解调器最计与实现 号的功率为- t - 1 3 d b m 时，电平指示为+ 5 v 。为了实现电平转换必然有以下关系： p o = 一等u l + v i j ( 3 2 ) 1 d 5 = 一等v j l + 2 ( 3 3 ) q m ，和u ，分别时输入信号功率为- - 3 0 d b m 和+ 1 3 d b m 时测量得到的a d 8 3 1 0 的输 出电压，由式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 我们可以求出电位器，所需要的值。由此 可以完成信号强度指示电平的转换。 当信号的功率低于一定程度时，电路将无法正常地完成调频信号的解调工作。 所以将a d 8 3 1 0 的输出送入到一个比较器中，由比较器的输出控制开关电路的通 断。这里开关选用的是a d 7 3 6 ，其内部具有两个可选