基于ook调制解调设计的课程设计报告

青青 岛岛 科科 技技 大大 学学 本科综合课程设计报告本科综合课程设计报告 题题 目目 指导教师指导教师 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 院 部 院 部 专业 专业 班班 年年 月月 基于 ook 调制的水下无线光通信系统的设计与实现 王景景 欧泽世 信息科学技术学 信息工程 3 2015112 1 课程设计地点弘毅 D403课程设计时间 2016 12 25 2017 1 13 课程设计目的 1 综合学习和实践所学课程的内容 2 练习将所学知识解决实际问题的方法 3 讨论分析 ook 调制与解调方式 4 设计电路相应的电路实现相应调制 5 撰写报告 初步分析相应的调制 指导教师评语 指导教师签字 验收 答辩 意见 验收 答辩 人员签字 系 教研室 意 见 教研室主任签字 2 成 绩 百分制 1 摘要 摘要 由于海洋探索 水下观察等水下应用领域对通信技术的需求不断提高 构建一个高速并且有效的水下通 信系统成为一个新的课题 当前 水下无线光通信技术以其具有极高的信息承载能力和更高的传输速率 本论文就基于对水下无线光通信系统的相关技术 ook 调制进行对调制解调的设计与实现 运用 multisim 进行仿真 关键词 水下无线光通信 OOK 调制 Multisim 1 1 设计背景及目的设计背景及目的 1 11 1 背景及研究意义背景及研究意义 随着海洋开发和勘测进程的飞速发展 将水下探测和搜集产生的数据快速有效的传输有重要意义 例如 各种传感器在水下探测到的数据如果及时的传送到水上基站 无疑能够大幅度减小水下传感器的 存储容量和复杂度 对于水下实景的探测有助于更好的了解和重现水下面貌 然而这需要高速的传输速 率来解决水下摄像机拍摄到的画面传输问题 而且速率越高 对于传输拍摄画面的实效性和画面清晰度 越有好处 但是目前我们面临一个巨大的困难就是无法在水下传感器设备之间和水上基站之间快速而准 确的完成数据传输 而这一困难的主要原因是无线电磁波不能在水下很好的传输 为了解决这一问题 可利用可见光进行水下无线通信 特别是随着发光二极管技术和传感器技术的高速发展 使得这一方案 成为可能 通过发射机采用 OOK 键控调制方式来控制发光二极管 本设计就对 ook 调制方式的调制解调 进行设计 1 21 2 课程设计目的课程设计目的 1 综综合学习和实践所学课程的内容 2 练习将所学知识解决实际问题的方法 3 讨论分析 ook 调制与解调方式 4 设计电路相应的电路实现相应调制 5 撰写报告 初步分析相应的调制 2 基本原理基本原理 2 12 1 调制原理调制原理 开关键控 OOK 原理如图 1 1 所示 开关电路受基带信号的控制 当信号为 1 时 载 tm tm 波通过开关电路 即 当信号为 0 时 开关接地 输出为 0 即 tf tfts tm tf OOK 调制过程中 和的波形如图 1 2 所示 0 ts tf tm ts 载波发生器 开关电路 tf tm ts 1 图 1 1 OOK 调制原理图 图 1 2 调制过程中信号波形 2 22 2 解调原理解调原理 非相关解调法又称为包络检波法 是利用包络检波器或波形整流器对幅度键控信号进行检波以恢复 基带信号的方法 其原理框图如图 1 3 所示 系统中带通滤波器用来抑制噪声 抽样判决器用于提高接 收机性能 恢复基带信号 简单的包络检波器电路如图 1 4 所示 它是利用二极管单向导电性及电容的 充 放电来实现检波的 当载波信号为正半周时 VD 导通 电容充电 电容电压迅速上升至输入信号峰 值 当输入信号下降 由于电容电压大于输入信号 使 VD 反偏截止 电容通过电阻 R 缓慢放电 当下一 个正半周期时 输入信号大于电容电压使 VD 再次导通 并对电容充电至峰值 如此反复 其波形示意如 图 1 5 所示 此时 电容电压具有与载波频率相同的波纹 可通过低通滤波器滤除 包络检波器由于电路简单 检波效率高 稳定性好 价格便宜等优点 应用得较为广泛 但对于高 速的数字传输系统 由于码元较窄 无明显的包络 则必须应用相干解调法 图 1 3 OOK 解调原理框图 tm tf ts t t t 01001 输入 已调信号 带通 滤波器 包络 检波器 低通 滤波器 抽样 判决器 定时 脉冲 输出 基带信号 2 图 1 4 简易包络检波器电路图 图 1 5 OOK 解调波形示意图 3 3 系统设计系统设计 3 13 1 系统描述系统描述 OOK 系统主要分为调制部分和解调部分 调制部分有基带信号发生器 载波发生器 开关电路三部分 解调部分有全波整流器 低通滤波器 抽样判决器三部分 如果噪声干扰严重需要加上带通滤波器抑制 噪声 要求载波发生器的频率有较高的精度 由于使用开关电路 码元速率不能太高 3 23 2 系统运行环境系统运行环境 1 操作系统 Windows10 2 开发环境 Multisim 3 33 3 调制电路分析调制电路分析 调制电路主要由基带信号发生器 载波发生器和开关电路组成 分别对这三部分的性能和参数进行 分析 得出最佳设计方案 3 3 13 3 1 基带信号模拟发生器基带信号模拟发生器 ts t t 载波后 110 0 00 ts tm CR VD 3 由于本次课题为计算机设计与仿真 采用 Multisim 设计 OOK 电路 应为 Multisim 中不存在基带信 号发生器 仿真一般用时钟发生器代替 但是实际中的基带信号有一定的随机性 所以需要设计一个基 带信号模拟发生器电路来模拟真实的基带信号 在 Multisim 中可以采用移位寄存器 74LS194N 和异或门 74LS86N 来设计基带信号模拟发生器 3 3 23 3 2 载波发生器载波发生器 载波发生器采用正弦波电路 在正弦波振荡器中 在这使用电容反馈式 LC 振荡器 其又称为电容三 点式振荡器 该电路的输出波形好 失真度较小 振荡频率高达 100MHz 但其频率范围较小 综上所述 选择最后一种中的西勒振荡电路较为合适 西勒电路如图 2 1 所示 RL 为负载电阻 其中心频率计算公 式见式 2 1 图 2 1 西勒振荡电路 2 1 2 1 2 1 43 4 313221 321 0 CCL C CCCCCC CCC L f 3 3 33 3 3 开关电路开关电路 开关电路是 OOK 调制电路的核心部分 采用 CD4066 四双向模拟开关芯片实现开关电路 CD4066 主要 用作模拟或数字信号的多路传输 CD4066 的每个封装内部有 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 3 43 4 解调电路分析解调电路分析 3 4 13 4 1 带通滤波器带通滤波器 4 带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备 比如 RLC 振荡回路就是一个模 拟带通滤波器 一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带 bandpass 允许通过的频带 同时限制所有 通带外频率的波通过 但是实际上 没有真正意义的理想带通滤波器 真实的滤波器无法完全过滤掉所 设计的通带之外的频率信号 在理想通带边界有一部分频率衰减的区域 不能完全过滤 这一曲线被称 做滚降斜率 roll of 滚降斜率通常用 dB 度量来表示频率的衰减程度 一般情况下 滤波器的设计就 是把这一衰减区域做的尽可能的窄 以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计 OOK 解调电路中的带 通滤波器主要作用是抑制噪声 对后续信号处理电路提供平滑的波形 带通滤波器的中心频率 f0和带宽 BW 之间的关系为 2 2 LH ff f BW f Q 00 2 3 LH fff 0 带通滤波器的电路形式有很多 这里以无限增益多反馈环型滤波器为例 介绍带通滤波器的设计和 仿真过程 图 2 2 为无限增益多反馈环型滤波器的二环典型电路 图 2 2 多反馈二环滤波器典型电路 在设计有源滤波器时 一般的设计步骤如下 1 根据传递函数设计 根据对滤波器特性的要求 设计某种类型的 n 阶传递函数 再将 n 阶传递函 数分解为几个低阶 如一阶 二阶或三阶 传递函数乘积的形式 2 电路设计 按各个低阶传递函数的设计要求 设计和计算有源滤波器电路的基本节点 首先选择 电路形式 再根据所设计的传递函数 设计和计算相应的元件参数值 3 电路装配和调试 先设计和装配好各个低阶滤波器电路 再将各个低阶电路级联起来 组成整个 滤波器电路 对整个滤波器电路进行相应的调整和性能测试 检验设计结果 对于图 2 2 所示的多反馈二环典型电路 可以恰当的选择的参数 构成低通 高通 带通和带阻 i Y 等滤波器 只要的参数由如下表达式选择时 就可构成带通滤波器 i Y 参数的表达式如下 i Y 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 1 Y 4 Y 5 Y 3 Y 3 Y A 5 2 4 1 1 1 R Y 2 2 1 R Y 33 sCY 44 sCY 5 5 1 R Y 将以上各表达式代入传递函数表达式 2 5 4343215 31 YYYYYYY YY sU sU sG i o 这可得到多反馈环型带通滤波器的传递函数为 2 6 11 1 11 1 21543435 2 41 RRCCC s CCR s CR s sG 由式 2 4 和 2 6 可组成如图2 3所示的多环有源带通滤波器电路 此多环有源带通滤波器的特性参数如下 2 7 1 1 3 4 5 1 0 C C R R G 2 8 11 1 21435 0 RRCCR 2 9 11 11 3 4 4 3 21 5 C C C C RR R Q 图2 3 有源带通滤波器电路 3 4 23 4 2 全波整流电路全波整流电路 全波整流电路要求整流后振幅衰减不大 如果衰减过大则需另加放大电路 这样比较麻烦 且增大 了电路的规模 所以采用含运放的全波整流电路较为合适 NE5532 是高性能低噪声双运算放大器 双运 放 集成电路 与很多标准运放相似 但它具有更好的噪声性能 优良的输出驱动能力及相当高的小信 号带宽 电源电压范围大等特点 因此很适合应用在高品质和专业音响设备 仪器 控制电路及电话通 6 道放大器 使用 NE5532 和整流二极管设计全波整流电路既能起到整流作用又能起到放大作用 且噪声低 3 4 33 4 3 低通滤波器低通滤波器 低通滤波器是包络检波器的重要组成部分 它使全波整流后频率较高的波形变成频率等于码元速率 且包络近似基带波形的波形 下一步就是通过比较器整形 使解调的波形与基带信号波形相同 低通滤 波器采用有源二阶低通滤波器 使用 NE5532 作为有源二阶低通滤波器的运放 3 4 43 4 4 抽样判决器抽样判决器 抽样判决器是 OOK 解调器的最后一部分 也是整个 OOK 系统的最后一部分 首先使用电压比较器 LM339 对波形进行整形 然后使用 SN74HC74N 对信号进行抽样判决 LM339 集成块内部装有四个独立的电 压比较器 该电压比较器的特点是 1 失调电压小 典型值为 2mV 2 电源电压范围宽 单电源为 2 36V 双电源电压为 1V 18V 3 对比较信号源的内阻限制较宽 4 共模范围很大 为 0 Ucc 1 5V Vo 5 差动输入电压范围较大 大到可以等于电源电压 6 输出端电位可灵活方便地选用 4 4 电路具体设计电路具体设计 4 14 1 调制电路调制电路 4 1 14 1 1 基带信号发生电路设计基带信号发生电路设计 工作原理如图 3 1 所示 在移位寄存器中值初值 1001 经过模二加移位可得到二进制序列 7 图 3 1 信号序列发生器 基带信号发生电路图如图 3 2 所示 首先 开关 S1 是闭合的 即 S0S1 10 当开关 S1 断开时 S0S1 11 此时 74LS194N 开始植入初值 ABCD 1001 当开关 S1 再次闭合时 74LS194 开始工作 QCQD中的 值经过异或门 74LS86N 送入 SR 右移 上图是右移 对于 74LS194 应该是左移 右移产生连续的序列 1001 1010 1111 000 通过示波器 XSC1 能够观察到输出的二进制序列 图 3 2 二进制信号序列发生器电路 通过观察发现波形正是序列 0101 1110 0010 011 的循环 如图 3 3 所示 从图中可以看到刻度为 5V Div 5V 代表 1 0V 代表 0 8 图 3 3 二进制序列波形 4 1 24 1 2 载波发生器电路设计载波发生器电路设计 西勒振荡电路是另一种改进型电容三点式振荡器如图 3 4 所示 电容 C2 C3 C4 的取值原则同克拉 泼振荡电路 它与克拉泼振荡电路的不同点仅在于回路电感 L 两端并联一个可变电容 C6 这种电路同样 具有频率稳定度高的显著特点 通过图 3 4 中的 XFC1 和 XSC1 能够观察到西勒振荡电路的频率和波形 3 1 MHz CCL C CCCCCC CCC L f30 2 1 2 1 64 6 424332 432 0 经计算得 nHL150 FC 10 4 pFC 5 17 6 图 3 4 中 R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 和 2N2222A 元件所在电路为放大器电路 C2 C3 C4 C6 L2 所在电路为选频电路 微调 C6 和 L2 可以使振荡频率更精准 电阻 R6 为负载 图 3 4 西勒振荡电路 图 3 5 为频率计数器显示的振荡器产生的波形频率 30MHz 9 图 3 5 振荡电路频率 图 3 6 为振荡器产生的波形图 由图可见波形峰值大于 5V 图 3 6 振荡电路波形 4 1 34 1 3 调制电路设计调制电路设计 OOK 调制电路如图 3 7 所示 载波信号接入 MC74HC4066D 的 1A 脚 二进制序列信号接入 MC74HC4066D 的 1EN 脚 载波信号与二进制序列信号经过 MC74HC4066D 作用后从 1Y 脚输出 调制波形如 图 3 8 所示 10 图 3 7 OOK 调制电路 A 通道是对应的基带信号 B 通道对应的载波信号 C 通道则是最后调制输出信号 图 3 8 OOK 调制波形 4 24 2 解调电路解调电路 4 2 14 2 1 带通滤波器电路设计带通滤波器电路设计 设计条件为 这里 选择一个恰1 0 G5 0 7 0 1032 MHzf30 0 CCC 41 当的参数 结合电路设计和要求 选取 500pF 的电容 设计计算如下 3 2 1 Q 11 3 3 CG R 00 1 1 3 4 CG R 00 2 2 1 2 1 3 5 C R 0 3 1 将 C 的数值代入上式中 可得 0 G 0 2 Q 6 10 1 R 6 10 2 R 2 21 3 R 用根据式 2 2 和 2 3 可得到如下方程组 3 6 14 7 7 7 109 105 1 103 103 2 LH LH LH LH ff ff ff ff 解出上述方程组 可得到 的值 带通滤波器电路如图 3 9 所示 图中 R1 R2 C1 C2 通过 H f L f 调节 R1 R2 C1 C2 R3 可以改变带通滤波器的带宽和中心频率 图 3 9 带通滤波器电路 4 2 24 2 2 全波整流电路设计全波整流电路设计 全波整流电路如图 3 10 所示 该电路是一种基于运放的精密全波整流电路 由 4 个二极管组成 本 电路设计中 R1 R2 R3 1K 欧姆 工作原理 当输入信号为负时 运放 U1A 输出为正 二极管 D1 导通 因此电路相当于反相比例放大器 又因为 R1 R2 所以 Vo Vi 当输入信号为正时 运放 U1B 输出为正 二极管 D4 导通 两个运放出来的信号相加 从而达到全波整流的目的 该电路的优点是匹配电阻少 只 要求 R1 R2 12 图 3 10 全波整流电路 全波整流波形如图 3 11 所示 图中有两个波形 下面的波形是整流之前的信号波形 上面的波形为 整流之后的信号波形 通过观察可以发现整流之后的波形是整流之前波形的下半部分向上翻转叠加而成 的 但最终的整流波形没有理论的整流波形规则 图 3 11 全波整流波形 4 2 34 2 3 低通滤波器设计低通滤波器设计 有源二阶低通滤波器电路如图 3 12 所示 截止频率为 3 7 CR f 14 3 3 1 电阻 R1 和电阻 R2 的阻值相同都是 1K 欧姆 电容 C1 和 C2 的容值相同都是 10pF 芯片选择 NE5532P 代入截止频率的计算公式可得二阶低通滤波器的截止频率约为 15MHz 因为基带信号是 13 468 78KHz 所以二阶低通滤波器的截止频率为 15MHz 符合要求 能够将调制信号中的高频成分去掉 保 留包含带信号的低频成分 图 3 12 中电容 C3 C4 为电源滤波电容 能够使电源电压更加稳定 电容 C2 C1 的快速充放电起到 了包络检波的作用 其容值不能太大也不能过小 图 3 12 低通有源二阶滤波器电路 图 3 13 为低通滤波器滤波前后的信号波形图 上面的波形为全波整流后的信号 也就是低通滤波前 的信号 下面的波形为低通滤波器滤波后的波形 从图中可以看见低通滤波后的波形非常接近基带信号 波形 但放大看 波形存在微小的波动 边缘不规则 需要进一步整形 图 3 13 低通滤波器滤波前后的波形 4 2 44 2 4 抽样判决器设计抽样判决器设计 选用常用的电压比较芯片 LM339 构成电压比较器电路 通过调节电位器 R11 的阻值改变判决电压的 14 大小 当输入信号的电压大于判决电压时 输出为高电位 当输入信号的电压小于判决电压时 输出为 低电位 抽样判决的芯片选用 SN74HC74N 当时钟信号为上升沿时 输出信号与输入信号相同 并且在下 一个上升沿到来前 输出信号保持不变 抽样判决器电路如图 3 14 所示 电阻 R1 为滑动变阻器 滑片位于中间位置 所以判决电压为 2 5V 当信号电压值大于 2 5V 时判为 1 当信号值小于 2 5V 时判为 0 图 3 14 抽样判决电路 抽样判决前后的波形如图 3 15 所示 下方波形是判决前的波形 存在微小的抖动 波形不规则 上 方波形是判决后的波形 波形平直规则 与基带信号波形相同 图 3 15 抽样判决前后的波形 4 2 54 2 5 解调电路设计解调电路设计 OOK 解调电路图如图 3 16 所示 最左端是