2DPSK数字调制器的研究与设计.doc

华中师范大学武汉传媒学院毕业论文(设计)2DPSK数字调制器的研究与设计院 系： 传媒技术学院 专 业： 电子信息工程 班 级： B1101班 姓 名： 李 恒 学 号： 11405010125 指导教师： 谈 新 权 2015年5月7日2DPSK数字调制器的研究与设计The Research and Design of 2DPSK Digital Modulator摘 要 数字相位调制广泛应用于通信领域。2DPSK是一种基本的相移键控。PSK调制通常有两种实现方法：乘法器法和相位选择法。本文采用相位选择法实现PSK调制。文章首先介绍了两种实现方法的电路框图。接着论述了相位选择法实现2DPSK调制的各部分电路设计。相位选择开关采用了集成芯片74HC4051，这种模拟开关可通过三位数字信号的控制从8路模拟信号中选通其中的一路输出。本文中只用了二选一开关。用一位数字信号的高低电平选 出其中的一路信号，即选出初始相位为0或180的载波。从而实现了2DPSK的调制。文中还详细介绍了其他单元电路的设计，包括低通滤波电路，载波放大和形成电路，以及调制输出电路。论文最后完成了用Protel设计的总体电原理图。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。关键词：数字通信 数字调制 相移键控 相对相移键控 1Abstract Digital phase modulation is widely used in the field of communication.2DPSK is a kind of basic phase shift keying.PSK usually have two ways to realize the modulation:multiplier method and the phase selection method.The phase selection method is adopted to realize PSK modulation in this paper.Two methods are introduced to realize circuit diagram first.Then discussesed design of circuit that is the phase selection method to realize 2DPSK modulation.The integrated chip 74HC4051 is adopted as the phase selection switch which can be controlled by 3bit digital signals so that a channel signal is selected from eight analog signnals.One of two switch is only used for this paper .High and low level of a digital signal are used to choose one of the signals, that selectes the initial carrier phase that is 0 degrees or 180 degrees.In order to the modulation of 2DPSK modulation is achieved.And the design of the other circuit unit are introduced in this paper,including low pass filter circuit, amplifying circuit and the formation of carrier modulation, and the output circuitof modulation.Finally,The whole design of the electrical schematic diagram is completed by using the Protel.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。Key word: Digital Communication Digital Modulation Phase Shift Keying Relative Phase Shift Keying残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1 目 录摘 要I酽锕极額閉镇桧猪訣锥。AbstractII彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。目 录III謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。绪 论1厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1 总体方案设计2茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.1 2PSK的乘法器实现2鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.2 2PSK的相位选择法的实现3籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.3 相对调相3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。2 单元电路设计6渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.1 低通滤波器设计6铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2.2 载波放大与形成电路6擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.3 模拟开关MC74HC4051介绍（2DPSK调制器）7贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.4 调制输出电路设计8坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.5 差分编码器电路设计8蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。3 Protel 99 SE介绍10買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3.1 protel 99se主要的功能模块10綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3.2 protel 99se的组成10驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.3 protel 99se的基本操作10猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.4 电路原理总图11锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。结束语13構氽頑黉碩饨荠龈话骛。参考文献15輒峄陽檉簖疖網儂號泶。致谢16尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。1绪 论 数字调相（PSK)是一种基本的数字调制，数字调相适合于非线性衡参信道。2DPSK调制与解调都比较容易实现。通信系统中的一些现代高效调制技术一般都是从2DPSK或2PSK调制演变过来的，或者以此为基础发展起来的1。2DPSK数字调制国内的发展：当今社会通信信号调制识别成为研究热点之一，国内外都有相关方面的研究，并且取得很好的结果。近十年来，随着计算机，人工智能，模式识别和信号处理技术的飞速发展。数字调制传输在现代通信中发挥着越来越重要的作用，2PSK及2DPSK是数字调制传输两种常用的方式，PSK是由载波相位来表示信号占和空或者二进制1,0。对于有线线路商行较高的数据传输速率，可能发生4个或8个不同的相移，系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。数字调制传输在现代通信中发挥着越来越重要的作用，2PSK及2DPSK是数字调制传输两种常用的方式，PSK是由载波相位来表示信号占和空或者二进制1,02。对于有线线路商行较高的数据传输速率，可能发生4个或8个不同的相移，系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。本文主要研究的是如何用键控法实现二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息3。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。下面我们就设计相移键控的单元电路的各个部分，对2DPSK的基带信号进行调制，得到调制以后对应的基带信号4。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。161 总体方案设计1.1 2PSK的乘法器实现数字调相（PSK)是一种基本的数字调制，它适合于非线性衡参信道。2DPSK调制与解调都比较容易实现。通信系统中的一些现代高效调制技术一般是从2PSK或2DPSK调制演变过来的，或者以此为基础发展起来的。根据设计要求，首先写出了研究PSK数字调制器的分析方法与方法5。然后设计2DPSK调制器，画出2DPSK逻辑框图，接着对设计的器件进行选择与介绍，最后用Protel99se画出所设计的电路原路图。在这里要先对2DPSK乘法器的实现做一个描述。数字通信最简单的调制器是2PSK调制器也称为二相相移键控，这种调制器把数字信息“1”和“0”分别用载波的相位0和这两个离散值来表示。表达式为：凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 （1-1）式中取值0或是由数字信息比特取“1”或“0”决定。BPSK的信号可表达为： （1-2） （1-3） （1-4）根据BPSK的信号表达式，模拟乘法器实现2DPSK调制器的原理图如图1-1所示。图1-1 模拟乘法器实现2DPSK调制原理框图图中BPSK的信号经过电平转换得到信号时域信号D（t），再与时域信号相乘得到最后的调制信号S（t）。1.2 2PSK的相位选择法的实现 在所学过的调制方法当中有直接调相法;乘法器；相位选择法；脉冲插入法等方法，这里要用到的是相位选择法法，数字通信最简单的调制器是2DPSK调制器，也称二相相移键控，这种调制器把数字信息“1”和“0”分别用载波的相位0和这两个离散值来表示。其表达式为：S(t)=Acosct+(t)式中取值0或是由数字信息比特取“1”或“0”决定6。在实际应用中，2PSK调制器分为绝对调相和相对调相两种。绝对调相(BPSK):利用载波相位的绝对数值来传送数字信息叫做绝对相移键控，也称BPSK调制。例如输入一串二进制数字序列 ，其值是“1”或“0”随机变化,相对调相（DPSK):为了克服BPSK移相键控中的相位模糊问题，实际应用中常采用相对调相，或叫做差分移相键控，记作DPSK。它的调制规律与BPSK的区别在于：以每个数字比特的载波相位为基准来取值。也就是说,它利用了前后两个相邻比特的载波相位差来传送数字信息7。相位选择法2DPSK调制器框图如图1-1所示。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。图1-2 2PSK数字调制方框图1.3 相对调相 相对调相（DPSK）为了克服BPSK移相键控中的相位模糊问题，实际应用中常采用相对调 相，或叫做差分移相键控，记作DPSK。它的调制规律与BPSK的区别在于：以 每个数字比特的载波相位为基准来取值。也就是说，它利用了前后两个相邻比 特的载波相位差来传送数字信息。在2psk信号中，调制信号“1”和“0”值分别对应两个确定的载波相位（比如“0”和“”），即利用载波器相位的绝对数值携带数字信息，因此可称为“绝对调相”,利用前后码元载波器相位相对数值的变化也同样可以传送数字信息，这就是“相对调相”。相对调相信号的产生过程是：首先对数字基带信号进行差分编码，即由绝对码变为相对码（差分码），然后再进行绝对调相。基于这种形成过程的二相相对调相信号称为二进制差分相移键控信号，记做2DPSK8。我们经常用到的三种调制第一种是幅移键控；幅移键控就是数字信号振幅调制。换句话说，是利用在博得振幅变化去携带信息，而载波的频率、相位都保持不变。最简单的例子就是用一载波幅度为1和0，来携带数字信号“1”和“0”。在微波通信中一般中频波频率为70MHz。第二种就是频移键控。换句话说，是利用已调波的频率变化去携带信息，而载波的这幅和相位不变。二相频移键控调制器（2FSK），数子基带信号的“1”和“0”码分别在两个调制器中去键控各自的载波，用两种不同频率来表示数字信号“1”和“0”9。第三种就是相移键控，是利用已调载波信号的相位去携带数字信息，而载波的振幅和频率都不变化。二相相移键控调制器它只用两个相位来表征数字信号“1”和“0”。调相分为绝对调相和相对调相。对于数字信号“1”和“0”相位不变的相位调制方法称为绝对二相调制10。这里我们要用到的是相移键控法。由二进制基带信号通过选相开关得到调制以后的信号，基带信号中的二进制绝对码An与相对码Bn的波形图如图1-2所示。图中8位二进制码为1 0 0 1 0 1 1 0，这就是绝对码Ak。它们能对应的相对码Bk如图1-2（b）所示5。Bk与Ak之间的关系为鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 （1-5）（a） 绝对码（b）相对码图图1-3绝对码与相对码 图1-4 2DPSK波形图 图1-2（b)中，根据（1-1)对图1-2(a)的绝对码进行差分编码，并且设，即相对码的初始值为0。所以，绝对码，。图中1-3所示为2DPSK信号的波形图。2PSK、2DPSK信号波形与信息代码的关系如图1-3、1-4所示。2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时2PSK信号相位变化180，相同时，2PSK信号相位不变，可简称为异变同不变。2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180，码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1”变“0”不变。应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相位与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相位进行比较。实际工程中，2PSK和2DPSK信号的载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是哪种关系，上述结论总是成立的。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2 单元电路设计2.1 低通滤波器设计 低通滤波器电路如图2-1所示。图中输入的脉冲CK为2.2MHz的对称方波，经三极管V1放大后，在V1的集电极得到的仍然是方波。而调制载波为正弦波，所以要把方波经过低通滤波后得到正弦波。图中由L1,C2组成低通滤波器，经R5输出的就是频率为2.2MHz的正弦型信号，作为调制器的调制载波CAR。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。图2-1低通滤波器电路图2.2载波放大与形成电路载波放大与形成电路如图2-2所示，图中来自低通滤波器输出的CAR载波经三极管V2缓冲后送到形成电路V3。V3射极射出初相为0的载波CAR(0)，V3的集电极输出初相为180的载波CAR（180）。这两路载波送到选相开关电路，完成2DPSK的调制。图中，V2采用射极跟随器的目的是组成一个低阻输出，以减少前后之间的影响。V3组成一个分相器。产生两种相位的载波。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。图2-2 载波放大及形成电路原理图2.3 模拟开关MC74HC4051介绍（2DPSK调制器）74HC4051是一款高速CMOS器件，74HC4051引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC4051遵循JEDEC标准no.7A。74HC4051是8通道模拟多路选择器/多路分配器，带有3个数字选择端（9至11），1个低有效使能端（E），8个独立输入/输出端（X0至X7）和1个公共输入/输出端（Z）。 E为低时，8个开关的其中之一将被9至11选中（低阻态）。E为高时，所有开关都进入高阻态，直接无视9至11。VCC和GND是数字控制端（9至11，E）的供电引脚，74HC4051的VCC至GND范围为2.0 V10.0 V。74HC4051的模拟输入/输出端（Y0至Y7，Z）在上限VCC和下限VEE之间摆动，VCC-VEE应当不超过10.0 V。作为一个数字多路选择器/多路分配器，VEE将被连接到GND上（一般是接地）。输入信号为CAR,输出信号为NZR与CAR信号相乘得到的混合信号。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。2DPSK调制器电路原理图如图2-3所示。图中，初相为0的载波CAR(0)和180的载波CAR（180)分别经C6,C5加到V2的4脚和13脚。V2虽然是八选一开关，图中用作二选一开关，相对码BK加到9-11脚。当BK=1时，开关选通0的载波CAR(0)输出，当BK=0时，输出CAR（180)的载波。输出的2DPSK信号从U2的3脚输出，这样BK的两种状态（数字0和数字1),就变成了载波的两种初始相位。也就是载波的两种相位分别表示数字信号的两种状态。从而完成2DPSK的调制。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。图2-3 2DPSK调制器2.4 调制输出电路设计调制输出采用射极跟随器电路。射极跟随器指的是：信号从基极输入，从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级；也可用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。谚辞調担鈧谄动禪泻類。调制输出电路如图2-4所示。图中来自选相开关电路的已调信号经电容C7送到V4的基极，由V4的发射极经电容C8输出2DPSK信号。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。图2-4 调制输出电路原理图2.5 差分编码器电路设计 由U18A、U19A、U20E、U20D组成的差分编码电路图如图2-5所示。图2-5差分编码电路图图中，绝对码AK送到U19A的第2脚，从U19A的第3脚输出相对码BK。D触发器U18实现码位演示，延时时间为一个码元周期。BK送到U18A的D输入端（第2脚)，位同步BK送到U18A的时钟输入端（第3脚),从U18A的Q输入端（第5脚）输出。U19A完成异或操作，逻辑表达式为：熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 (2-1)3 Protel 99 SE介绍3.1 protel 99se主要的功能模块（1）电路原理设计模块。该模块主要包括设计原理图的原理图编辑器，用于修改、生成元件符号的元件库编辑器以及各种报表的生成器。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。（2）印刷电路设计模块。该模块主要包括用于设计电路板的编辑器，用于修改、生成元件封装的元件封装库编辑器以及电路板组件管理器。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。（3）可编程逻辑器件设计模块。该模块主要包括文本编辑器、用于编译和仿真设计结果分析以及观察仿真波形。（4）电路仿真模块。该模块兰要包括一个功能强大的数膜混合信号电路仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真11。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.2 protel 99se的组成Protel 99se是一款功能强大的EDA仿真软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。主要有两大部分组成，且每个部分各有几个模块12。第一部分是电路设计部分，包含原理图设计，PCB设计，布线，原理图元件库和PCB元件库等模块。第二部分是电路仿真和可编程逻辑器件设计部分。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。在protel 99se中，所有的设计文档都集成在一个单一的设计库中，管理这个设计库的工具就是design explorer，也就是设计管理器。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。3.3 protel 99se的基本操作本设计主要用该软件绘制2DPSK解调器的电路原理图，下面就简要讲解一下这款软件在绘制电路原理图时的一些基本操作。打开软件后，先新建一个数据库，然后在数据库里面建立一个原理图（schematic）文件，我们就可以看到protel原理图绘制的工作界面了。绘制原理图最重要的是放置元件。protel原理图的元件都分门别类地存放在不同的原理图元件库中，一般分为后缀为.lib和.ddb的这两个文件库。添加好元件库后就可以在左边的搜索框中选择自己想要的元器件，将电路图上面的各个元器件按照合适的位置和大小放置好，然后用工具栏上面的导线工具将各个元器件链接在一起。原理图大概就绘制的差不多了，但是还需要进行电器规则检查，如果没有错误，原理图就绘制完成了；但是如果反馈出来有错误，就需要将这些错误一一找出来并全部去纠正过来，直至检查出没有错误为止。电路原理图就绘制完成了。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。3.4 电路原理总图 如图3-1是用protel99se所设计的2DPSK的电路原理图，图中的基带信号为方波，经过由L1,C2组成的低通滤波器后输出信号为CAR,载波CAR经过三极管V2缓冲后送到形成电路V3，当相位为0输出是CAR(0)，当相位为180时，输出为CAR(180)。CAR载波输出后的信号经过2DPSK调制器以后，再通过随射器赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。来减少电路间直接相连所带来的影响，最后得到调制以后的2DPSK信号。图3-1 2DPSK电路原理图图中方输入信号CK经过低通滤波器以后滤掉高频分量得到数字输出信号CAR。输入的脉冲CK为2.2MHz的对称方波，经三极管V1放大后，在V1的集电极得到的仍然是方波。而调制载波为正弦波，所以要把方波经过低通滤波后得到正弦波。图中由L1,C2组成低通滤波器，经R5输出的就是频率为2.2MHz的正弦型信号，作为调制器的调制载波CAR。接着是信号CAR载波的放大，图中来自低通滤波器输出的CAR载波经三极管V2缓冲后送到形成电路V3。V3射极射出初相为0的载波CAR(0)，V3的集电极输出初相为180的载波CAR（180）。这两路载波送到选相开关电路，完成2DPSK的调制。图中，V2采用射极跟随器的目的是组成一个低阻输出，以减少前后之间的影响。V3组成一个分相器。产生两种相位的载波。当输出信号CAR通过与绝对码AK相乘以后得到的混合信号通过模拟开关MC74HC4051后得到相对码BK。图中，初相为0的载波CAR(0)和180的载波CAR（180)分别经C6,C5加到V2的4脚和13脚。V2虽然是八选一开关，图中用作二选一开关，相对码BK加到9-11脚。当BK=1时，开关选通0的载波CAR(0)输出，当BK=0时，输出CAR（180)的载波。输出的2DPSK信号从U2的3脚输出，这样BK的两种状态（数字0和数字1),就变成了载波的两种初始相位。也就是载波的两种相位分别表示数字信号的两种状态。从而完成2DPSK的调制。最后经过经过随射器得到调制信号2DPSK。调制输出采用射极跟随器电路。射极跟随器指的是：信号从基极输入，从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级；也可用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。图中来自选相开关电路的已调信号经电容C7送到V4的基极，由V4的发射极经电容C8输出2DPSK信号。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。结束语 在经过两个多月的努力，终于将2DPSK单元电路设计完成了，在此期间遇到了很多的问题第一个就是对word使用的不熟练对一些基本的操作都不知道但是在进过一个星期的使用后慢慢的开始熟练起来，再一个就是Protel99se，在使用这个软件设计单元电路图的时候也是因为不熟练，所以总在重画与修改中，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了。接下来对整个电路设计做一个总结，数字调制模块将数字信源模块晶振的输出信号CLK进行2分频、滤波后，得到2ASK和2DPSK的载波信号。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号分别被BK的“0”码和“1”码选通。2FSK信号有两个载波信号，一个是2ASK信号的载波，另一个是将CLK信号进行4分频、滤波得到的。2PSK、2DPSK信号波形与信息代码的关系如图1-3、1-4所示。2PSK信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异时2PSK信号相位变化180，相同时，2PSK信号相位不变，可简称为异变同不变。2DPSK信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180，码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变，可简称为“1”变“0”不变。应该说明的是，此处所说的相位变或不变，是指将本码元内信号的初相位与上一码元内信号的末相进行比较，而不是将相邻码元信号的初相位进行比较。实际工程中，2PSK和2DPSK信号的载波频率与码速率之间可能是整数倍关系也可能是非整数倍关系。但不管是哪种关系，上述结论总是成立的。本文的数字调制模块用码变换2PSK调制方法产生2DPSK信号，相对码AK,2DPSK调制器的输出就是2DPSK信号；相对于相对码BK，2PSK调制器的输出是PSK信号。已调制信号的相位与AK的关系是“1”和“0”不变，与BK的关系是异变同不变，友AK到BK的变换也符合“1”变“0”不变规律。放大器的模块主要是载波通过低通滤波后得到的两个载波信号，一个相位为0输出，一个相位为180输出。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。在不断的学习过程中我体会到：写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对元器件面临的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到理论与实践相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 参考文献 1 王兴亮,数字通信原理与技术(第二版).西安:西安电子科技大学出版社,2000.2 鲜继清,现代通信系统.西安:西安电子科技大学出版社,2003.3 王兴亮,通信系统教程.西安:西安电子科技大学出版社,2007.4 张维峰,通信原理与通信技术（第三版).西安:西安电子科技大学出版社，2012.5 韦迈乐,牛津高阶英语词典(第7版)英语版.北京:商务印书馆,2007.6 陈力平,PROTEL99SE设计与实训.北京:航空工业出版社,2003.7 刘泉,通信电子线路原理与应用.北京:高等教育出版社,2011.8 孙肖子,拟电子电路及技术基础.西安: