2ASK调制解调电路的设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页共23页摘要在数字通信系统中，由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而同模拟调制一样，需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制（DigitalModulation）。本设计设计的是一款2ASK调制解调电路，调制部分以MC74HC4066D键控开关为核心，实现了2ASK键控法调制；调制载波频率=500kHz，频率误差小于1.5kHz，频率稳定度优于，载波幅度1V，数字cf310cmU基带信号（测试信号）频率F=1kHz。解调部分采用包络检波器实现，解调器在1V及无外部干扰的条件下，解调后误码率为0。imU关键词2ASK；调制；解调目录摘要.1第1章方案设计.21.12ASK调制电路总体方案.21.22ASK解调电路总体方案.3第2章硬件设计.62.12ASK调制电路设计.62.1.1LC振荡器.62.1.2载波缓冲放大器.82.1.3模拟双向开关调制器.102.1.42ASK信号缓冲放大器.102.22ASK解调电路设计.112.2.1带通滤波器.122.2.2整流器与低通滤波器.132.2.3比较器.13第3章系统测试.163.12ASK调制电路仿真测试.163.1.1LC振荡器的仿真.163.1.2载波缓冲放大器的仿真.173.22ASK解调电路仿真测试.18总结.19致谢.20参考文献.21附录12ASK调制器总体电路图.22附录22ASK解调器总体电路图.23第1页共23页第1章方案设计数字调制与模拟调制在本质上无多大区别，都属于正弦波调制。但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制是调制信号为模拟型的正弦波调制，因而数字调制具有自身的特点，并且对数字调制系统的技术要求也与模拟调制系统不同。一般说来，数字调制技术可分为两种类型：一是利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值特点去键控载波，从而实现数字调制。后一种方法通常称为键控法。比如对载波的振幅、频率及相位进行键控，便可获得振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）及移相键控（PSK）等调制方式。1.12ASK调制电路总体方案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（1-1）ttbtecos0）（）（式中，为载波角频率，是（他）为单极性NRZ矩形脉冲序列c（1-2）（）（banTtgtb其中，g(t)是持续时间为、高度为的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字，bTna当，出现概率为P；当，出现概率为（1-P）。1na0n2ASK信号的产生方法（调制方法）有两种，如图1-1所示。图a)一般的模拟幅度调制方法，不过这里的b(t)由公式（1-1）规定；图b)是一种键控方法，这里的开关电路受b(t)控制。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又称为通断键控信号（OOK信号）。载波发生器用b(t)控制电路开关电路S2ASK(t)K第2页共23页a）b）图1-12ASK信号的产生方法基于成本考虑，本设计调制部分选用键控法实现，总体设计方案如图1-2所示。图1-22ASK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。1.22ASK解调电路总体方案2ASK信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。包络检波法的原理如图1-3所示。带通滤波器恰好使2ASK信号完整的通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通过位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即,包络检波器输出为b(t)。经ttbetycos)()(0抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。naLC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cosctS2ASK(t)(b)第3页共23页y(t)图1-32ASK信号的包络解调相干检波法原理方框图如图1-4所示。相干检测就是同步调解，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为ttbtyzcc2os)(os)()2cos1()2ttb经低通滤波器滤除第二项高频分量后，即可输出b(t)信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。图1-42ASK信号的相干解调虽然2ASK信号中确定存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接受设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调2ASK信号。本设计解调部分选用包络检波法如1-5所示。图1-52ASK包络检波法系统框图低同滤波器整流器带通滤波器比较器2ASK已调信号比较电平输出)(tASKuy(t)b(t)带通滤波器包络提取低通滤波器抽样判决器定时脉冲S2ASK信号na定时脉冲低通滤波器带通滤波器抽样判决器nab(t)S2ASK信号costcz(t)第4页共23页整流器是一个整流装置组成，是将交流电源转化为直流的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电变成直流电，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。低通滤波器容许低频信号通过,但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。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。它能够实现这种比较功能的电路或装置。比较电平是由2ASK峰值检波并分压而得到。第5页共23页第2章硬件设计2.12ASK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。调制器总体电路见附录1，下面分别介绍各单元电路的设计过程。2.1.1LC振荡器1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2-1所示。Q12N3393R41.0kohmR31.0kohmR133kohmR25.1kohmLc10mHC35600pFC45600pFC21800pF12VVCCL100uHC1100pFCarrier_Out第6页共23页图2-1LC正弦波振荡器电路图在原理图中、和构成并联谐振回路；、和是稳定三L2C341R234R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1R2C射极通过交流接地。12参数计算与元件选择对电路性能的要求可以归纳以下三点：(1)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。(2)振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡。(3)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.EI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（2-1）LCf210式中，C为C、C和C串联后的总电容值，满足式。本设计中，2344321CkHz。500cf其次，振荡回路特性阻抗为(2-2)CfLfC0021考虑到电感地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，回路地又载品质因数太校，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(2-3)310521LCfo(2-4)00ff第7页共23页由上述二式可得H，实际取值为H。(2-5)5.91052330fL10LpF(2-6)1022LC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234响的角度考虑，可选：接入系数,可得pF，实际取值为pF。.02P5025602C反馈系数,可得pF，实际取值为pF。.3CFu33由，可得pF，实际取值1800pF。6.02.11324184C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。2.1.2载波缓冲放大器1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（如谐振阻抗变化），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，5C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。第8页共23页12VVCCQ22N3393R51.0kohmR610kohmR710kohmC520pFCarrier_InCarrier_Out图2-2载波缓冲放大器2参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2-2，将的基极电位与发射极电位的中点设定为=6V这是由于2Q21Vc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1Vcc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：BE2Q1B1EV(2-7)5.73121BECV(2-8)421EV的设定：射极跟随器上流过的电流通常选为100A5mA如设为4000A5R1CIAk，实际取值为1.0k。(2-9)405.15CEIV15.和的设定：在输入阻抗方面，和越大越好，但太大，则不能略去676R7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，2Q6R在此就取为=10k，=10k。67第9页共23页的计算：是输入的耦合电容，如设低频截止频率为500kHz则1C1pF。实际取20pF(2-10)7.635021)/(276Rf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。2.1.3模拟双向开关调制器1模拟双向开关CD4066简介模拟双向开关CD4066的引脚功能如下图2-4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。2113147vssvdd图2-4CD4066的引脚功能2CD4066电路设计U1AMC74HC4066D2113147vssvdd12VVCCCarrier_InputSignal_InputModulated_Output图2-3模拟双向开关调制电路2.1.42ASK信号缓冲放大器1电路结构与工作原理第10页共23页2ASK信号缓冲放大器的电路原理图如图2-5所示。C60.1uFC747uFR210kohmQ12N3393Modulated_Input12VVCC图2-52ASK信号缓冲放大器电路2ASK输出缓冲放大器与上述载波缓冲放大器内似，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。极管2N3393必须工作在放大区。2参数计算与元件选择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。根据上图2-5将的基极电位与发射极电位的中点设定为=6V这是由于1Q21Vc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2Vcc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：BE1Q2B2EV(2-11)5.73221BECV(2-12).41EV的设定：射极跟随器上流过的电流通常选为100A5mA如设为400A2R2CIAk，实际取值为10k。(2-13)405.2CEI2.2.22ASK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第11页共23页（二极管、三极管）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。本设计是用二极管包络检波电路来实现的。解调器总体电路见附录2，下面分别介绍各单元电路的设计过程。2.2.1带通滤波器1电路结构与工作原理2ASK解调电路的带通滤波器电路原理图如图2-6所示。L1100uHC1000pFR31.0kohmR47.5kohm12VVCCC70.1uFQ12N3393R122kohmR210kohmIn图2-6带通滤波器电路本电路也是采用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，原理图中为输入的耦合电容。三极管可以通过控制基极的电流来制集电极7C的电流，来达到放大的目的。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。本电路的带通滤波器是利用LC谐振电路，该电路是带放大器的有源滤波电路。LC谐振电路能够起到滤除不需要的杂波、谐波，选出需要的频率的作用。带通滤波器也就是利用这一作用来工作的，在上图2-6中电感具有阻流作用、调谐与选频等作用。2参数计算及元件选择本电路参数同调制器中的振荡回路的参数设计相似，=500kHz0fc(2-14)30210CfLfCH，实际取值为H(2-15)5.91052330fL1L第12页共23页pF取1000pF(2-16)10322LC考虑到信号带宽的要求以及调制器频率稳定度不是非常高的特点，确定带通滤波器的通频带kHz的有载品质因数：20bwf(2-17)250bwefQ可得k(2-18).74eR2.2.2整流器与低通滤波器1电路结构与工作原理整流器与低通滤波器都采用二极管包络检波电路。本电路中是由二极管1N4148和低通滤波器RC相串联而构成的二极管包络检波电路如图所示，检波电路是对已调幅信号进行处理的电路。D11N4148C30nFR1kohmOutIn图2-7二极管包络检波电路2参数计算及元件选择在图2-7中，设k则C的选择应满足下述要求：1Rms02.1cfms.Fms，则nF03.RC30在二极管包络检波电路中二极管（整流器）选用1N4148，该管为高速开关二极管。2.2.3比较器1电路结构与工作原理第13页共23页检波以后的信号是模拟信号，需要经过比较器与判决门限比较，才能还原为数字基带信号，本设计中使用的比较器电路如图2-8所示。32481U4ALM258AHR1047kohm12VVCCOutIn1IO1图2-8比较器电路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2-9所示。图2-9比较器传输特性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2v12v1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；vHV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2v112v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1LVHVL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sVsV12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510第14页共23页电压之差为10V，则该转换区域的宽度为LHmV1.01245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。2参数计算及元件选择比较器采用单电源运算放大器LM258做比较，比较电平可由2ASK信号峰植检波（注意，并非包络检波）并分压而得到，显然分压系数应为0.5。峰值检波器参数应满足：RC10/F=10ms。第15页共23页第3章系统测试3.12ASK调制电路仿真测试3.1.1LC振荡器的仿真1LC振荡器电路图（如图3-1所示）Q12N3393R41.0kohmR31.0kohmR133kohmR25.1kohmL110mHC1100nFC35600pFC45600pFC21800pF12VVCCL2100uHABTGXSC1图3-1LC振荡器电路2LC振荡器的仿真波形（如图3-2所示）图3-2LC振荡器的仿真波形结果表明，该电路可以实现正弦波振荡，工作频率kHz，满足指标要求。50f第16页共23页3.1.2载波缓冲放大器的仿真1载波缓冲放大器的电路图（如图3-3所示）Q12N3393R11.0kohmR21.0kohmR333kohmR45.1kohmL210mHC2100nFC15600pFC35600pFC41800pF12VVCCL1100uHABTGXSC2Q22N3393R51.0kohmR610kohmR710kohmC520pF图3-3LC振荡器与载波缓冲放大器的电路2载波缓冲放大器的仿真波形（如图3-4所示）图3-4载波缓冲放大器的仿真波形第17页共23页结果表明：输出频率kHz，满足指标要求。50f3.22ASK解调电路仿真测试1带通滤波器的仿真电路图（如图3-5所示）L1100uHC1000pFR31.0kohmR47.5kohmUi1V500kHz0Deg12VVCCC70.1uFQ12N3393ABTGXSC1R122kohmR210kohm图3-5带通滤波器电路图2带通滤波器的仿真波形（如图3-6所示）图3-6带通滤波器的仿真波形结果表明：输出载波频率kHz，满足指标要求。50cf第18页共23页总结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0解调，2ASK已调信号通过带同滤波器进行滤波，然后交流电压通过整流器变换成直流电压而整流电路的输出电压的纹波太大,必须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。在设计过程中我应用了所学的专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。我也遇到了很多困难，就在图书馆和网上查找了相应的知识，这让我学到了更多的东西。总之通过本次设计让我受益匪浅。第19页共23页致谢在论文即将完成之际，回顾紧张而又充实的学习和开发过程，本人在此向所有关心我的及帮助我的老师和同学们致以最真诚的感谢。在本次毕业设计中，我从指导老师-曾老师，身上学到了很多东西。他认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深