2ASK调制解调.doc

1 CDIO设计目的了解2ASK信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。理解2ASK调制的工作原理及电路组成。理解2ASK解调的原理及实现方法。掌握2ASK信号的频谱特性。掌握2ASK调制与解调的设计方法和过程。2 CDIO设计正文2.1 2ASK调制解调工作原理2.1.1 2ASK调制工作原理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。在2ASK调制中，载波的幅度只有两种变化状态，即利用数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续的输出。有载波输出时表示“1”，无载波输出时表示发送“0”。2ASK信号可表示为（2-1）式中，为载波角频率，是为单极性NRZ矩形脉冲序列（2-2）其中，g(t)是持续时间为的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字，当，出现概率为P；当，出现概率为（1-P）。调制部分选用键控法实现，总体设计方案如图2-1所示。LC振荡器模拟双向开关2ASK信号缓冲放大器载波缓冲放大器数字基带信号b(t)输出图2-1 2ASK键控法调制框图模拟双向开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。LC振荡器简单的说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。它能够完成从直流电能到交流电能的转化。缓冲放大器的作用主要是提高负载能力和减少负载对信号源的影响，兼有增加抗干扰能力。2.1.2 2ASK解调工作原理本设计解调部分选用包络检波法如图2-2所示。低 通滤波器比较器2ASK已调信号比较电平输出图2-22ASK包络检波法系统框图低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号通过。比较器的功能是对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序，比较电平是由2ASK峰值检波并分压而得到。2.2 2ASK调制解调电路设计2.2.1 2ASK调制电路设计调幅电路又称幅度调制电路，是指高频载波信号的幅度随调制信号的规律而变化的调制电路。幅度调制电路有多种电路形式，其中晶体管调制电路是利用晶体二极管、三极管的非线性特性，对输入的信号进行变换而产生新的信号，再利用电路中的LC谐振回路，选出所需的信号成分，从而完成调幅过程。本设计是用集电极调幅电路它是利用三极管的非线性特性实现调幅的。它具有较高的工作效率、调制度深等优点。1.LC振荡器电路结构及工作原理LC正弦振荡器是以LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器，采用正反馈连接方式实现等幅正弦振荡。本设计中，LC振荡器的作用是产生频率为500kHz、输出幅度大于1V的载波，其电路原理图如图2-3所示。在原理图中、和构成并联谐振回路；、和是稳定三极管静态工作点；其中、也是分压式偏置电阻；为基极耦合电容。三极管发射极通过交流接地。图2-3LC正弦波振荡器电路图参数计算与元件选择对电路性能的要求可以归纳以下三点：保证振荡器接通电源后能够从无到有建立起具有某一固定频率的正弦波输出。振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡。当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏。LC振荡器工作点的选择原则为：在保证起振的条件下，静态工作点电流应尽量小。在本电路中，采用分压式偏置电路，上、下偏置电阻分别为33k和5.1k，发射极偏置电阻为1k，0.9mA。扼流圈Lc选为10mH,集电极电阻为1k，其作用可防止扼流圈与电容形成振荡。振荡回路元件参数的计算较为复杂，下面给予详细讨论。首先，振荡频率（2-3）式中，C为C、C和C串联后的总电容值，满足式。本设计中，kHz。其次，振荡回路特性阻抗为(2-4)考虑到电感的自损耗电阻约为零点几至几欧姆，而回路空载品质因数不宜过低，可选的取值也不能太大，否则，不利于振荡和提高频率稳定度。又上述分析，可得下列二式：Hz(2-5)(2-6)由上述二式可得H，实际取值为H。(2-7)pF(2-8)而C为C、C和C串联后的总电容值，从减少三极管和负载对振荡回路的影响的角度考虑，可选：接入系数,可得pF，实际取值为pF。反馈系数,可得pF，实际取值为pF。由，可得pF，实际取值1800pF。若振荡器频率的实际结果与期望值有误差，可通过调整电感和电容参数来消除。2.载波缓冲放大器电路结构及工作原理载波缓冲放大器将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时，会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常采用射极跟随器电路。也就是基极分压偏置电路的共集放大电路，信号从基极输入，发射极输出，原理图如图2-4，图中为输入的耦合电容。共集放大电路是利用三极管的电流控制作用来实现，其实质上是一种能量转换器。三极管可以通过控制基极的电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的。放大电路就是利用三极管的这种特性来组成放大电路。三极管2N3393必须工作在放大区。图2-4载波缓冲放大器参数计算及元件选择缓冲放大器就是电压增益约为1倍,以高输入阻抗和低输出阻抗为特征的放大器,从低电压、且电路简单的理由出发,在此决定采用选三极管2N3393构成射极跟随器，作为振荡器输出缓冲放大器。根据图2-4，将的基极电位与发射极电位的中点设定为=6V这是由于从输入侧来看，希望基极电位为，而从输出侧来看，发射极电位为，所以取其中间值。因此，如设为3V，则的基极电位与发射电位如下：V(2-9)V(2-10)的设定：射极跟随器上流过的电流通常选为100A 5mA如设为4000AAk，实际取值为1.0k。(2-11)和的设定：在输入阻抗方面，和越大越好，但太大，则不能略去的基极电流引起的的下降，所以通常选取几十千欧至几百千欧。根据这些条件，在此就取为=10k，=10k。的计算：是输入的耦合电容，如设低频截止频率为500kHz则pF，实际取20pF。(2-12)缓冲放大器,选三极管2N3393构成射极跟随器作为振荡器输出缓冲放大器。3.模拟双向开关调制器模拟双向开关CD4066简介模拟双向开关CD4066的引脚功能如下图2-5所示。每个封装内部有4个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时,开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时,导通电阻为几十欧姆;模拟开关截止时,呈现很高的阻抗,可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号,可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小,典型值为50dB。图2-5CD4066的引脚功能CD4066电路设计设计电路如图2-6所示。图2-6模拟双向开关调制电路4.2ASK信号缓冲放大器电路结构与工作原理2ASK信号缓冲放大器的电路原理图如图2-7所示。2ASK输出缓冲放大器与上述载波缓冲放大器类似，也是采用共集放大电路，信号从基极输入，发射极输出，三极管可以通过控制基极的电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的。放大电路就是利用三极管的这种特性来组成放大电路。三极管2N3393必须工作在放大区。图2-72ASK信号缓冲放大器电路参数计算与元件选择2ASK信号缓冲放大器的参数计算与载波缓冲放大器的参数计算相似。根据图2-7将的基极电位与发射极电位的中点设定为=6V这是由于从输入侧来看，希望基极电位为，而从输出侧来看，发射极电位为，所以取其中间值。因此，如设为3V，则的基极电位与发射电位如下：V(2-13)V(2-14)的设定：射极跟随器上流过的电流通常选为100A 5mA如设为400AAk，实际取值为10k。(2-15)2.2.2 2ASK解调电路设计在解调电路中，不论哪种振幅调制信号，对于同步检波电路而言，都可以实现解调。对于普通调制信号来说，由于载波分量的存在，可以直接采用非线性器件实现相乘作用，得到所需的解调电压，不必另加同步信号，这种检波电路称为包络检波。本设计是用包络检波电路来实现的。 1.低通滤波器电路结构与工作原理低通滤波器都采用二极管包络检波电路。本电路中是由理想二极管和低通滤波器RC相串联而构成的二极管包络检波电路，检波电路是对已调幅信号进行处理的电路，电路如图2-8所示。图2-8二极管包络检波电路参数计算及元件选择在图2-8中，设k则C的选择应满足下述要求：msmsms，则nF。2.比较器电路结构本设计中使用的比较器电路如图2-9所示。工作原理比较器实际上是工作在开环状态下的运算放大器，它是用来比较两个电压大小的器件，其传输特性如图2-10所示。比较器的工作原理比较简单，当稍高于时，输入端的电压差-经过具有很大电压增益的集成运放进行放大，输出时达到高电平饱和状态；当稍低于时，输入经过具有很大电压增益的集成运放进行放大，输出时达到高电平饱和状态。饱和输出电压和分别接近于正电源电压和负载电源。当时，对应的区域称为转换区域，它是输出电压不在任何一个饱和状态的区域。若集成运放的开环增益为，两个输出饱和状态电压之差为10V，则该转换区域的宽度为mV即转换区域内输入差模电压的范围是很小的在此电路中忽略这一转换区域。图2-9比较器电路 图2-10比较器传输特性2.2.3 2ASK调制解调电路总体电路图2ASK调制解调总体电路如图2-11所示。图2-11 2ASK调制解调总体电路其PCB版图如图2-12 所示。该图在Altium Designer6.9中生成，由于个人缘故，没有熟练操作Altium Designer，也没有找到仿真中所用模拟开关和比较器的封装，所以该图中由其它模拟开关和比较器代替。图2-12 2ASK PCB版图2.3 2ASK调制解调电路仿真测试经仿真，调制信号如图2-13所示，解调信号如图2-14所示，波形没有明显失真，符合设计要求。2-13 调制信号波形2-14 解调信号波形3 设计总结 经过近两完周的仿真实践，我完成了2ASK 调制解调电路的设计。本设计分为调制电路和解调电路两部分，调制电路选用的是键控法实现，它是由数字基带信号和通过载波缓冲放大器的LC振荡器产生的信号共同通过模拟双向开关调制再通过2ASK信号缓冲放大器输出信号。解调部分选用的是包络检波法来实现解调，2ASK已调信号经过低通滤波器滤波，使其平滑接近直流然后再与比较电平一起通过比较器输出二进制基带信号。设计过程中遇到了很多麻烦，由于理解能力差，对这些理论知识从来都是一知半解，以前掌握的东西也因长时间不用而逐渐淡忘。此次设计，通过各方面查找资料及老师的耐心指导才对2ASK调制解调有了初步认识，也对我们专业所学知识及发展方向有了新的见解。单纯的理论知识如果死记硬背固然可以熟记于心，但缺乏实践的知识对于以后的运用也不过是一张白纸，只有理论联系实践才算是真正的掌握。回顾上一学期学过的数电及模电，虽然当时觉得自己掌握的还不错，如今运用到2ASK调制解调设计中却处处碰壁，真怀疑自己当初有没有学过这些知识。在仿真过程中，由于疏忽大意，连线错误，总是得不到合适的波形，才发现，如果不能真正理解，即使有了参照，也不过是一纸空文。作为一名信息的学生，更不能只是仿照别人，一定要有自己独到的见解。通过这次课程设计我收获了很多，我体会最深刻的三点是：第一，求学是一个严谨的过程，一定要谨小慎微，一个小小的错误就可能导致功亏一篑。第二，要敢于面对失败并承担失败，不能因为一两次的失败就轻言放弃，要从失败中汲取教训，从失败中总结经验，然后应用到下次的实践当中，直至成功。第三，天道酬勤，相信努力就有收获，千里之行，始于足下；为山九仞，功亏一篑。不轻言放弃，就一定能有所收获。平时生活中，更应该博览群书，不然，书到用