FSK调制解调系统的仿真与分析设计说明

FSK调制解调系统的仿真与分析毕业论文(设计)任务书学院(系)物理与电信工程学院通信班1103班学生粉粉1.毕业论文(设计)题目:FSK调制解调器系统的仿真与分析二。2015年1月10日至2015年6月15日毕业论文(设计)工作。三。毕业论文(设计)地点:物理与电信工程学院实验室。四。毕业论文(设计)内容要求:数字调制解调技术的发展是不断更新的。现在现实中应用的数字调制系统，大部分都经过了改进，性能良好。然而，作为理论上最成熟的调制解调方式，对FSK的研究仍然具有重要的意义。因此，选择FSK调制解调方式进行仿真研究。本次毕业设计使用仿真软件分析FSK调制解调器系统的性能。本次毕业设计要求:1.利用仿真软件实现三种二进制下FSK调制解调过程的仿真，观察调制解调过程中各环节的时域和频域波形；2.比较了三种不同信道环境下FSK调制解调系统的频谱特性和误码率；3.分析模拟结果。五、毕业论文(设计)应收集的资料和参考文献:阅读和学习有关FSK调制解调系统和计算机仿真技术的专业资料，参考不少于3篇国外文献。不及物动词毕业论文(设计)时间表:1月10日-3月20日:查阅资料，完成原文和开题报告的翻译。3月21日-4月20日:完成FSKmodem系统基本仿真设计，提交中期检查报告。4月21日-5月20日:进一步完善FSKmodem系统仿真设计，为工程验收做准备。5月21日-6月15日:撰写并修改毕业论文，准备并完成答辩。教导处(教研室)系(教研室)主任签字及批准日期FSK调制解调系统的仿真与分析[摘要]数字调制技术是通信系统中最重要的技术，也是提高通信系统性能的重要途径。在本设计中，利用MATLAB软件的仿真环境Simulink建立了2FSK、4FSK和8FSK的仿真模型。其次，分析了三种不同二进制FSK在高斯、瑞利和莱斯信道下的误码率和频谱性能。最后，相同二进制的FSK在高斯信道环境下波形失真较大，但整体性能最好，在瑞利信道环境下最差。随着小数位数的增加，不同小数位数的FSK频谱主瓣越来越宽，误码率越来越大。[关键词]MATLAB；FSK调制；FSK解调；模仿现在社交传播技术的发展速度可谓是日新月异。计算机的出现在现代通信技术的各种媒体中占据了独特的地位。在当今社会的许多领域，计算机不仅用于各种信息处理设备，而且与通信相结合，丰富了电信服务。本课题来源于教师，旨在设计一个FSK调制解调器系统，并对其波形、频谱和误码率进行分析。了解FSK调制/解调的基本理论，分析设计一套完整的FSK收发系统，并对系统进行仿真设计，从而提高你的分析素材、解决问题和设计能力。调制技术在通信系统中起着非常重要的作用。从消息转换的原始信号具有低频谱分量，并且该信号不适合在许多信道中传输。因此，通信系统中的发射端往往需要调制过程，而接收端则需要逆调制过程——解调过程。调制是根据调制信号的变化规律，改变高频载波的某些参数的过程。解调的本质是频谱的移动。它的质量决定了通信系统的性能，是软件无线电的关键。总之，FSK调制解调技术的研究不仅可以更精确地处理信号相位，提高系统带宽，而且可以将数字电路与软件相结合，广泛应用于数字基带传输系统中。1837年莫尔斯电磁电报的发明标志着电子通讯的开始。从那以后，关于电通信的研究取得了很大进展。1866年，通过海底电缆实现了横跨大西洋的电报通信。贝尔在1876年发明了它，因为它比电报更便于通信，所以直到20世纪上半叶，这种利用模拟技术的通信技术比电报发展得更迅速、更广泛。里维斯在1937年发明的脉码调制标志着数字通信的开始。20世纪60年代以后，集成电路和电子计算机的出现使数字通信迅速发展。70年代末在全球发展起来的模拟移动，90年代中期被数字移动取代，现有的模拟电视正在被数字电视取代[1]。就大多数FSK调制解调技术而言，主要由发射机、中间传输信道和接收机三部分组成。在FSK中，接收端在接收到载波信息并对接收到的信号进行调制后，会将信息发送到信道进行传输，然后发送给接收端，再由接收端利用解调来恢复信道传输过来的信息。总的来说，FSK调制解调技术的研究可以让人们的生活变得便捷和智能化，让人们的生活越来越好。提供更高的频谱效率；必须具有良好的频谱特性，以减少带外辐射和干扰；它具有抗多径衰落等特性，保证良好的信噪比以获得良好的误码性能；易于采用简单的调制和解调方法；易于实现，成本低，可以减小设备的体积。FSK调制解调系统广泛应用于各个领域。它还在电力线载波通信系统中得到了应用。目前采用FSK模式的国家和地区有:美国、中国、日本、英国、加拿大、比利时、西班牙、新加坡等。另外，对于FSK信号在这些领域的应用，国外已经有了很多研究成果。应用案例:(1)蓝牙通讯设备。(2)微电子器件的医学植入。(3)便携式消费电子产品。(4)铁路信号控制系统的移频自动闭塞系统。本文共分为四章。第一章是FSK调制解调系统仿真的研究思路。第二章是对FSK调制解调系统工作原理的分析和掌握；第三章是基于仿真软件的FSK调制解调系统的仿真与分析。第一章是研究方案，介绍本次毕业设计的研究目标和方案设计。它包括文本描述和框图表示，方案分析和选择。在比较了三种方案的优缺点后，最终确定了一种方案用于毕业设计和软件引入。给出了本次毕业设计的实现平台及其他介绍。第二章是FSK的工作原理，概述了数字信号调制解调的原理，2FSK信号、4FSK信号和8FSK信号的产生原理，以及如何实现数字调制信号和解调信号。第三章是系统的仿真与分析。基于第一章和第二章的知识，借助MATLAB软件平台完成了2FSK信号和4FSK信号的模块仿真和8FSK信号程序仿真，并根据任务书观测了各环节的时域和频域波形。比较了三种不同信道环境下FSK调制解调系统的频谱特性和误码率。最后对仿真结果进行了分析。第四章是结论，因为在设计过程中会遇到很多问题，比如:基础知识薄弱，缺乏一些常用应用软件的应用，缺乏全面的知识，缺乏系统设计仿真的经验等。，这就需要我们自我反思，与老师沟通，学会高效查阅资料，利用参考书和利用网络查找资料，不断修改模块参数，才能达到预期的效果。1.1研究目标(1)设计具体的FSK调制解调系统；(2)系统模拟三种二进制的调制解调系统；(3)在前面步骤的基础上，用modem系统对系统进行三通道仿真；(4)观察调制解调过程中各链路的时域和频域波形；(5)分析仿真结果的频谱特性和误码率。1.2方案设计方案一:基于单片机的FSK方案设计用集成电路构建FSK调制解调器是一种很好的方案，但难以应用于线路干扰强的场合。我用MCS51系列单片机实现FSK调制解调器，不仅结构简单，而且实用[2]。FSK通过一个频率调制器产生不同的频率，二进制中常用和、和两种频率，分别代表符号“0”和符号“1”。调制码元决定了调频器的输出频率，实现其FSK有选频法、调频法和数字调频法。选频法输出频率稳定准确，但相位不连续，容易产生带外辐射，影响邻道。调频法虽然相位连续，但频率精度不高，稳定性差，在外界条件变化时容易发生频率漂移。数字调频法解决了上述问题，具有两者的优点。因此，在单片机的设计中，我选择数字调频法[3]。数字调频法的原理框图如图1.1所示。晶体振荡器数（字）－模固定分频可变分频脉冲形成晶体振荡器数（字）－模固定分频可变分频脉冲形成调制数据输入图1.1基于单片机的调制原理框图在单片机中，FSK解调就是从FSK载波信号中恢复出原来的基带信号，其方法有相干解调和非相干解调。其中，非相干解调易于在单片机中实现，因此常用非相干解调[3]，其原理框图如图1.2所示。带通滤波器做整形手术鉴频带通滤波器做整形手术鉴频判断图1.2非相干解调原理框图载波经过带通滤波器后，变成不同宽度的方波，这些方波代表不同的符号。鉴频器确定对应的载波频率，并根据频率判断对应的符号。FSK解调涉及的技术难度相当大。一般有带通滤波器、倍频器、锁相环等。并且电路更加复杂。方案二:基于FPGA的FSK方案设计在基于FAPGA的FSK调制解调器系统的仿真中，其设计在调制解调器中具有灵活性。方案设计也是基于键控法设计调制模块，解调模块采用过零检测法实现，从而最终输出原始基带信号。在这种FPGE设计中，其输出信号与基带信号原则上是一致的，也符合整个设计的要求，整个系统具有很高的稳定性[4]。在调制模块中，它由两个分频器、两个载波和选通开关组成[5]。调制原理框图如图1.3所示。时钟信号时钟信号开始2载波2分频器已调制信号从两个中选一个门开关1个载波1个分频器基带信号图1.3基于FPGA的调制原理框图基于FPGA的解调由分频器、寄存器、计数器和判决器组成。其中，分频器是一种基本电路，通常用来对某一频率进行分频，以得到所需的频率。整数分频器可以通过计数器设计来实现。判决器根据判决阈值[5]来判决输入符号。详细的解调原理框图如图1.4所示。时钟信号时钟信号开始注册判断计数器分频器基带信号基带信号图1.4基于FPGA的解调原理框图方案三:基于MATLAB的FSK方案设计在基于MATLAB的FSK仿真中，数字频移键控是利用载波的频率来传输数字信息，即传输的数字信息控制载波的频率。原则上，产生2FSK信号有两种方式:1.模拟法，即采用数字基带信号作为调制信号进行调频。模拟频率调制器基带FSK信号模拟频率调制器11个振荡器蝰蛇换流器门开关振荡器2门开关图1.5模拟方法2.键控法，注意:选通开关也可以作为乘法器使用。图1.6键控方法移频键控信号常见的解调方法有很多，包括相干解调、非相干解调(包络检波)、过零检测、鉴频和差分检测等。非相干解调法，具体原理框图如图1.7所示。带通滤波器带通滤波器1采样脉冲带通滤波器2抽样判断包络检波器包络检波器图1.7非相干解调方法原理框图2.相干解调法。具体原理框图如图1.8所示。低通滤波器低通滤波器2带通滤波器2带通滤波器1低通滤波器1乘数乘数抽样决策器采样脉冲图1.8相干解调方法原理框图 3.过零检测方法。具体原理框图如图1.9所示。脉冲展宽脉冲展宽抽样判断限幅带通滤波器改正，矫正；[化工]精馏；[电]整流；[数]求长差别低通图1.9过零检测方法原理框图1.3方案分析和选择方案一:单片机方案分析单片机是一种集成电路芯片。它是利用超大规模集成电路技术，将具有数据处理能力的CPURAM、ROM、各种I/O端口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路复用器、A/D转换器等电路)集成在一个硅片上的一个小型而完善的计算机系统。其特点如下:优点:(1)系统结构简单，使用方便，模块化；(2)单片机可靠性高；(3)处理功能强，速度快；(4)低电压、低功耗，易于生产便携式产品；(5)控制功能强，环境适应性强。缺点:(1)运行速度慢是因为指令结构集中，芯片采用12分频方式抗干扰；(2)所有I/O口都是准双向口，I/O口驱动能力弱；(3)芯片的P0端口没有上拉电阻；(4)芯片不能定义为部分复位模式，只能通过外部差分电路复位；(5)芯片部分没有RC振荡。如果芯片正常工作，需要外部振荡源。(6)功耗比较高，抗干扰能力不是很强。方案二:FPGA方案分析FPGA是一种现场可编程门阵列，可以设计各种逻辑功能，设计灵活。当然也可以嵌入各种CPU作为处理器，比如CPU。FPGA用8051，ARM，NIOS_ii等等；新的FPGA可用器件\t"://wenda.haosou/q/_blank"乘法器/\t"://wenda.haosou/q/_blank"寄存器/块结构软核。其特点如下:优点:(1)在高速信号处理中，可以采用并行结构，大大提高了处理速度，甚至超过了目前最快的DSP，适用于高速场合；(2)设计周期短，逻辑单元灵活；(3)高集成度；(4)可以实现大规模电路；(5)编程灵活。缺点:(1)功耗高；(2)当系统断电时，编程数据信息丢失；(3)使用方法复杂，效果差。方案三:MATALB方案分析MATLAB是美国MathWorks公司生产的商业数学软件。是用于算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算的高级技术计算语言和交互环境，主要包括MATLAB和Simulink。其特点如下:优点:(1)在计算要求相同的情况下，MATLAB编程的工作量大大减少；(2)MATLAB工具包都是现成的，调用方便；(3)在各种仿真中，MATLAB主要用于解决电子信息中的问题并能做出仿真结果；(4)强大的计算功能，速度快，精度高；(5)程序简单易懂。缺点:与其他数学软件相比，主要有两个缺点，即:(1)循环的执行速度和符号计算功能较弱；(2)参数设置困难；(3)价格比较贵。方案选择在本次设计中，我将利用MATLAB平台完成FSK调制解调系统的仿真。有几个原因:考虑到实现软件功能的灵活性和方便性以及电路的复杂性，事先采用了MATLAB。在实际情况下，需要观察每个周期的波形变化和误码率，尤其是频谱特性。硬件电路中元件较多，调制解调时波形容易失真，不易观察，但在软件中很容易实现。在硬件电路中，多电平移频键控很难完成，调试阶段的难度可想而知。主要原因是由于他们自己。一方面，我硬件弱，硬件不是一两次就能成功的，需要不断的调试。另一方面，在仿真领域，我们接触最多的是MATLAB仿真。在Simulink环境下构建模块更加方便，能够满足完整设计的要求。美中不足的是参数设置不好调试。综上所述，由于种种原因，我将使用基于MATALB的Simulink环境对FSK调制解调系统进行仿真分析。1.4软件介绍MATLAB简介MATLAB是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。因为它简单易用，扩展方便，特别是世界上有成千上万不同领域的研究人员在自己的研究过程中不断扩展MATLAB的功能，使其成为一个巨大的知识宝库。MATLAB的基本数据单元是矩阵，其指令表达式与数学和工程中常用的指令表达式非常相似。所以，用MATLAB解决问题比用C、FORTRAN等语言完成同样的事情要简单得多。而且Mathworks还吸收了Maple等软件的优点，使得MATLAB成为一个强大的数学软件。在新版本中，我们还增加了权利C、FORTRAN、C++，JAVA支持。可以直接调用，也可以由用户将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中，以便以后调用。MATLAB功能强大，应用广泛，可用于多种工作，如:数值分析，数值和符号计算，工程和科学绘图，控制系统的设计和仿真，数字图象处理技术，数字信号处理技术、通信系统设计与仿真、金融与金融工程等。MMATLAB被称为第四代计算机语言。它最突出的特点就是简洁。它将C和FORTRAN语言冗长的代码替换为更直观的符合人们思维习惯的代码。它给用户带来了最直观、最简洁的程序开发环境。Simulink简介Simulink是Matlab的重要组成部分。Simulink是MATLAB软件的附加组件，具有相对独立的功能和使用方法。Simulink的文件类型是。mdl。Simulink支持连续和离散系统，以及线性和非线性系统。Simulink包括一些控制工具箱，如控制系统工具箱、模糊逻辑工具箱、非线性控制设计模块等。用户还可以创建和定制自己的功能模块，而不是只使用simulink系统软件提供的标准模块。这样，用户可以自行扩展软件的应用范围。Simulink的主要功能是实现动态系统建模、仿真和分析的MATLAB软件包。它支持连续和离散的线性和非线性系统，也支持不同采样率和不同部件的仿真系统。它提供了丰富的模拟模块。其主要功能是实现动态系统建模、仿真和分析。它可以提前对系统进行仿真分析，并根据最佳的仿真结果对控制系统的参数进行调试和调整。Simulink仿真分析的主要步骤是:从模块库中选择所需的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，分析比较输出结果。2.12FSK的表达和波形图在二进制数字调制中，如果正弦载波的频率随着二进制基带信号在两个频点之间变化，就会产生二进制频移键控信号(2FSK信号)[6]。在二进制基带信号中，数字1可以表示载波频率，数字0表示载波频率。所以时域表达式如2.1所示。(2.1)根据上述2FSK信号的产生原理，调制信号的数字表达式可以表示为2.2所示。(2.2)其中s(t)是单极不归零矩形脉冲序列，如2.3所示。(2.3)(2.4)G(t)是持续时间为1，高度为1的门函数；是s(t)逐符号反相形成的脉冲序列，即公式如2.5所示。(2.5)对，反码，即如果=0，那么=1；如果=l，那么=0，所以公式如2.6所示。(2.6)和第n个单元的初始阶段。一般来说，键控法得到的东西与序号N无关，它反映在表中，只表明它的相位在变化时是不连续的；当采用模拟调频方式时，由于其变化时相位是连续的，所以不仅与第n个单元有关，而且两者之间也应保持一定的关系。从等式(2-2)可以看出，一个2FSK信号可以看作是两个2ASK信号的组合，其中一个以s(t)为基带信号，另一个以s(t)为载频。2.2FSK信号的调制和解调产生二进制频移键控的方法如图2.1所示，其中(a)FSK信号用模拟方法产生，(b)FSK信号用键控方法产生。实施键控方法时，和是两个独立的载波频率。当基带脉冲到来时，输出一个载波频率，即实现2FSK信号的调制。模拟调制产生的2FSK连接符号信号的相位是连续变化的，而(b)产生的2FSK信号是在两个独立的频率之间转换的，因此其相邻符号之间的相位是不连续的[7]。模拟调制器键控调制器模拟调制器键控调制器(a)模拟法(b)键控法图2.12FSK信号产生和波形显示二进制频移键控常用的解调方法有很多，如非相干解调、相干解调、过零检测、鉴频和差分检测等。非相干解调、相干解调和过零检测的原理框图如图2.2和2.3所示。非相干解调和相干解调的原理是将调制后的2FSK信号经过带通滤波器后分成上下两个幅度的键控信号，分别进行解调，然后通过判断上下两个通道的采样值来输出信号。这里，如果采样判断是基于两个采样值的大小，则不需要设置阈值。应该根据调制规则做出决定。调制时，如果符号1是对应的载波，如果上支路或下支路的样本值较大，则判断为1，否则为0[7]。带通滤波器带通滤波器1包络检波器采样脉冲包络检波器带通滤波器2抽样决策器图2.2非相干解调方法原理框图带通滤波器带通滤波器2带通滤波器1低通滤波器1低通滤波器2乘数乘数抽样决策器采样脉冲图2.3相干解调方法原理框图过零解调法的原理框图如图2.4所示。其基本原理是:单位时间内信号通过零点的次数可以用来测量频率。数字调频波的过零点个数随着载波频率的不同而不同，因此通过检测过零点个数可以得到频率差，这是过零点检测方法的基本思想。在图中，2FSK信号被限幅、微分和整流以形成对应于频率变化的尖峰序列。这些尖峰信号的强度反映了信号的频率，尖峰信号的数量就是信号过零点的数量。这些尖脉冲被转换成宽矩形脉冲，以增加其DC分量，其大小与信号频率成正比。然后通过低通滤波器取出DC分量，从而完成频幅转换，再根据DC分量的幅度差异还原出数字信号“1”和“0”[7]。带通滤波器带通滤波器限幅差别抽样决策器脉冲展宽低通改正，矫正；[化工]精馏；[电]整流；[数]求长图2.4过零检测方法原理框图2.3MFSK调频系统多进制数字频率调制简称MFSK，是2FSK方式的延伸。MFSK的表达式可表示为2.7所示。(2.7)在公式中，当传输信号在时间间隔0≤t<Ts内为I时；，当在时间间隔0<=t<Ts时，发送的信号不是I[7]。其中w是角度载波频率，有m个值。通常载频为=，n为正整数。此时，M种传输信号彼此正交[7]。在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在和两个频率点之间变化。类似地，4FSK中基带脉冲序列的四个符号(00011011)可以用作四个载波之一。八个符号(000001010...110-111)是可用的，...八大运营商之一。M进制的条件与2FSK信号相同，即每个载频之间的距离要足够大，滤波后符号可以分离，或者符号相互正交。MFSK的调制原理和二进制一样，大部分都是通过键控来实现的。解调部分通过非相干和相干解调实现。图2.5是其调制和解调部分的原理框图。门控电路抽样决策器门控电路抽样决策器波段1包络检波器波段1包络检波器接收滤波器逻辑电路接收滤波器逻辑电路串行/并行转换逻辑电路门控电路蝰蛇引导波段2包络检波器串行/并行转换逻辑电路门控电路蝰蛇引导波段2包络检波器┊┊门控电路通过m包络检波器门控电路通过m包络检波器图2.5多频段数字调频系统组成框图发射端采用键控方式实现，脉冲到达后，M个频率中只会选择一个频率。接收端采用非相干解调。输入的MFSK信号经过M个带通滤波器，分离出M个频率并发送出去，然后通过包络检波器、采样判决器和逻辑电路恢复二进制信息[7]。3.12FSK调制解调仿真2FSK的调制采用键控方式实现。调制电路中的主要模块有伯努利二进制信号发生器、两个不同频率的载波和选通开关。Nubelli二进制信号发生器主要产生随机二进制波形；两个正弦波可以产生两种不同的频率；选通开关在两个独立的频率源之间切换，得到的信号就是2FSK的调制信号，完成调制过程。在仿真中，相干解调方法用于2FSK解调。解调电路由带通滤波器、乘法器、低通滤波器、采样判决器、延迟器和零阶保持器组成。在2FSK相干解调中，带通滤波器可以最大限度地使整个频段的信号通过，同时也起到了分路的作用，而它的带阻可以衰减和抑制通过的信号。通过带通滤波器的信号分别乘以相应的同步相干载波，然后低通滤波器分别滤除第二频率信号，取出包含基带数字信息的低频信号；采样判决器在采样脉冲到达时比较并判决两个低频信号的采样值，然后可以恢复基带数字信号。其中，采样判决器作为比较器，同时向采样判决器发送两个信号进行比较。以便确定输出基带数字信号。2FSK整体模块电路图如图3.1所示。图3.1Simulink仿真平台搭建的2FSK调制和相干解调系统示意图3.1.12FSK系统模块参数设置1)信号源参数的设置(1)信号是纽堡信号发生器的来源；(2)取0的概率为0.5；(3)初始种子值为61；(4)采样时间为0.005；(5)输出数据类型为double。2)载波的参数设置(1)载波是正弦载波；(2)载频分别设置为1000*2*pi/3000*2*pi；(3)振幅设置为1；(4)采样时间值均为1e-5；3)门控开关参数的设置选通开关在两个独立的频率之间进行选择，输出信号为2FSK调制信号。(1)阈值(一个效果能产生的最低或最高值)参数设置为0.5；(2)采样时间为-1。4)带通滤波器的参数设置在解调模块中，有两个带通滤波器来分离信号。(1)中心频率Fs=48000Hz；(2)带通滤波器1:下频段Fc1=800Hz，上频段Fc2=1200Hz；(3)带通滤波器2:下频段Fc1=2800Hz，上频段Fc2=3200Hz；(4)使用的窗口是海明窗口。5)低通滤波器的参数设置(1)截止频率设置为3000*2*pi(2)顺序设置为8；(3)选择巴特沃兹作为设计方法。6)采样决策器的参数设置(1)采样频率设置为0.005；(2)其他设置为默认值。7).差错率计数器参数设置(1)模块延时设置为0；(2)其他为默认模式。8).高斯信道参数设置(1)方差设置为0.1；(2)初始种子设置为41；(3)采样时间设置为1e-5。9)瑞利信道参数的设置(1)适马设置为0.1(设置越小越好，因为瑞利信道和莱斯信道很容易影响其性能)；(2)初始种子设置为41；(3)采样时间设置为1e-5。10).大米通道参数设置(1)莱斯K因子设置是默认值；(2)适马设置为0.1(越小越好，因为瑞利信道和莱斯信道很容易影响其性能)；(3)初始种子设置为41；(4)采样时间设置为1e-5。3.1.2三个通道下运行结果的波形显示三个通道中2FSK调制解调信号的波形也不同。由于高斯信道、瑞利信道和莱斯信道这三个信道的传输特性不同，在调制信道中加入这三种噪声会影响调制后的传输波形和解调后恢复的原始基带信号波形，但影响程度不同。在具体的调制模块电路中，我在通道后面加了一个示波器，方便观察两个载波的波形，调制后的波形和加噪后的波形。在解调模块电路中，我在输出端添加了示波器，将解调后的波形与原始基带信号波形进行比较。具体观察结果如下。(1)载波f1；(2)载波F2；(3)调制波形；(4)高斯信道后的波形。图3.4高斯信道下调制部分波形图解调基带数字信号；(2)原始基带信号。图3.3高斯信道解调后的波形图(1)载波f1；(2)载波F2；(3)调制波形；(4)瑞利信道后的波形。图3.4瑞利信道中调制部分的波形图(1)解调的基带数字信号；(2)原始基带信号。图3.5瑞利信道解调后的波形图(1)载波f1；(2)载波F2；(3)调制波形；(4)莱斯通道后的波形。图3.6Rice信道调制部分波形图解调基带数字信号；(2)原始基带信号。图3.7Rice信道解调后的波形图从上图可以看出:在同一系统的三个噪声信道下，调制波形经过信号发送端的三个信道，即调制解调过程中，高斯信道对调制波形的影响最大，其次是莱斯信道和瑞利信道。在接收端没有错误。3.1.3三个通道下运行结果的频谱显示任何信号都可以通过。\t"://wenda.haosou/q/_blank"傅立叶变换把它分解成一个\t"://wenda.haosou/q/_blank"直流分量(也就是一个\t"://wenda.haosou/q/_blank"常数)和几个(通常是无限的)\t"://wenda.haosou/q/_blank"正弦信号和。每个正弦分量都有自己的频率和。\t"://wenda.haosou/q/_blank"幅值这样，以频率值为横轴，以幅值为纵轴，将上述正弦信号的幅值绘制在它们对应的频率上，就做出了信号的幅频分布图，即所谓的频谱图。此外，还有相频分布，但意义不大。在频谱分析中，将信道中的高斯噪声、瑞利噪声和莱斯噪声的方差值设置为相同，便于比较。二进制频移键控的具体频谱图如图3.8所示。(a)基带信号的频谱；(b)通过高斯信道恢复基带信号的频谱。(c)通过瑞利信道恢复基带信号的频谱；(d)通过莱斯信道恢复基带信号的频谱。图3.8三个通道下的频谱图显示当方差为0.1的高斯噪声被添加到信道中时，解调基带信号的频谱与原始基带信号的频谱相比几乎没有失真。在二进制中，在三个通道下，它的频谱变化不大。但查阅大量数据后发现，在相同方差下，瑞利和莱斯比高斯信道失真更大。3.24FSK调制解调仿真4FSK的调制也是用键控法实现的。调制电路中的主要模块有伯努利二进制信号发生器、四个不同频率的载波///和三个选通开关。Nubelli二进制信号发生器主要产生随机二进制波形；四个正弦波可以产生四种不同的频率；前两个选通开关在两个独立的频率源之间切换，得到的信号是2FSK的调制信号。在第三个门控开关中，对两个二进制调制信号进行串并转换，得到4FSK的信号，完成调制过程[8]。在仿真中，采用相干解调方法对4FSK进行解调。解调电路由带通滤波器、乘法器、低通滤波器、全波整流器、采样判决器、延迟器、零阶保持器和选通开关组成。在4FSK相干解调中，带通滤波器可以最大限度地使整个频段的信号通过，同时也起到了分路的作用，而它的带阻可以衰减和抑制通过的信号。通过带通滤波器的信号分别乘以相应的同步相干载波，然后通过低通滤波器滤除第二频率信号，取出包含基带数字信息的低频信号；当采样脉冲到来时，采样判决器对两个低频信号的采样值进行比较和判决，从而恢复出基带二进制信号，然后通过后面的三个选通开关进行并串转换，最终输出基带4FSK数字信号。同样，采样判决器作为比较器，同时将两个信号送到采样判决器进行比较，从而判决并输出基带数字信号。4FSK总体模块的电路图如图3.9所示。图3.9Simulink仿真平台搭建的4FSK调制和相干解调系统图3.2.14FSK系统模块参数设置1)信号源参数的设置(1)信号源是纽伯格信号发生器；(2)小数是4；(3)初始种子值为37；(4)采样时间为0.05；(5)输出数据类型为double。2)载波的参数设置(1)两个载波都是正弦载波；(2)两个载波的幅度都是1；(3)载频分别为300*2*pi/500*2*pi/700*2*pi/900*2*pi；(4)采样时间为1e-4；(5)其余为默认值。3)门控开关参数的设置三个选通开关在四个独立的频率之间选择并进行串并转换，输出信号为4FSK调制信号。(1)阈值(一个效果能产生的最低或最高值)参数设置为0.5；(2)采样时间为-1。4)带通滤波器的参数设置在解调模块中，有四个带通滤波器来分离信号。(1)中心频率Fs=10000Hz；(2)带通滤波器1:下频段Fc1=280Hz，上频段Fc2=320Hz；(3)带通滤波器2:下频段Fc1=480Hz，上频段Fc2=520Hz；(4)带通滤波器3:下频段Fc1=680Hz，上频段Fc2=720Hz；。(5)带通滤波器4:下频段Fc1=880Hz，上频段Fc2=920Hz；(6)使用的窗口是海明窗口。5)低通滤波器的参数设置(1)中心频率Fs=10000Hz；(2)设定截止频率FC=200Hz；(3)使用的函数窗口是汉明窗口。6)采样决策器的参数设置(1)采样频率设置为0.005；(2)其他设置为默认值。7).差错率计数器参数设置(1)模块延时设置为0；(2)其他为默认模式。8).高斯信道参数设置(1)方差设置为0.1；(2)初始种子设置为37；(3)采样时间设置为0.05。9)瑞利信道参数的设置(1)适马设置为0.1(设置越小越好，因为瑞利信道和莱斯信道很容易影响其性能)；(2)初始种子设置为37；(3)采样时间设置为0.05。10).大米通道参数设置(1)莱斯K因子设置是默认值；(2)适马设置为0.1(越小越好，因为瑞利信道和莱斯信道很容易影响其性能)；(3)初始种子设置为37；(4)采样时间设置为0.05。3.2.2三个通道下运行结果的波形显示在研究四进制波形时，其仿真思路与二进制类似。同样，在四进制系统中，也有高斯信道、瑞利信道和莱斯信道三种信道，并且4FSK调制解调信号在三种信道中的波形也是不同的。在具体的调制模块电路中，我在通道后加了一个示波器，方便观察二进制调制的两个波形、四进制调制的波形和带噪声的波形的变化。在解调模块电路中，我还在输出端增加了一个示波器，用来比较解调后的波形和原来的基带信号波形。具体观察结果如下。(1)载波f1；(2)载波F2；(3)调制波形；(4)高斯信道后的波形。图3.10高斯信道中调制部分的波形图解调基带数字信号；(2)原始基带信号。图3.11高斯信道解调后的波形图载波f1；(2)载波F2；(3)调制波形；(4)瑞利信道后的波形。图3.12瑞利信道中调制部分的波形图解调基带数字信号；(2)原始基带信号。图3.13瑞利信道解调后的波形图(1)载波f1；(2)载波F2；(3)调制波形；(4)莱斯通道后的波形。图3.14Rice信道中调制部分的波形图解调基带数字信号；(2)原始基带信号。图3.15Rice信道解调后的波形图从上图可以看出，在同一系统的三个噪声信道下，调制波形经过信号发射端的三个信道，即调制解调过程中，高斯信道对调制波形的影响最大，其次是莱斯信道和瑞利信道。在接收端，也就是解调部分，存在误差，其主要原因是各模块参数设置不当，以及噪声信道造成的误差或乱码。3.2.3三个通道下运行结果的频谱显示在四元系中，观测方法与二元系相同。同样，在频谱分析中，将信道中的高斯噪声和瑞利噪声、莱斯噪声的方差值设置为相同，便于比较。四进制移频键控的频谱显示图如图3.16所示。(a)基带信号的频谱；(b)通过高斯信道恢复基带信号的频谱。(c)通过瑞利信道恢复基带信号的频谱；(d)通过莱斯信道恢复基带信号的频谱。图3.16三个通道下的频谱图显示当方差为0.1的高斯噪声被添加到信道中时，解调基带信号的频谱与原始基带信号的频谱相比几乎没有失真。在四元系统中，从频谱图可以看出，在三个信道中相同方差下，瑞利和莱斯比高斯信道失真更大。并且在四进制中，4FSK调制前后的频谱比二进制大，换句话说，四进制的带宽比二进制大。3.38FSK调制解调仿真3.3.18FSK软件设计思路(1)模块法实现8FSK系统仿真。从图3.17可以看出，其模块化方法实现的8FSK由三部分组成:调制部分、噪声通道和解调部分。调制部分实现数字信号的模拟，以使信号适合在信道中传输；将一些解调后的模拟信号数字化，这样就可以从调制后的信号中恢复出原始信号。调制模块噪声信道调制模块噪声信道解调模块图3.178FSK模块方法的实现(2)实现8FSK系统仿真的编程方法。编程时主要由五部分编程模块组成，分别是:随机序列产生、调制波形显示、调制频谱显示、噪声处理和解调部分显示[10]。随机序列生成随机序列生成调制后波形显示调制光谱显示噪声添加处理解调部分显示图3.188FSK编程方法的实现原理框图8FSK具体调制解调原理框图如图3.19所示。它由三部分组成，一部分是调制电路模块，二是通道，三是解调电路模块。串行/并行转换巡逻卷电流路串行/并行转换巡逻卷电流路2门控电路门控电路门控电路门控电路门控电路门控电路照片增加用具认为方法接收滤波器六级第五波段四级波段2波段1波段3包络检波器包络检波器包络检波器包络检波器包络检波器包络检波器抽样决策器逻辑电路图3.198FSK调制解调原理框图3.3.3模拟结果分析在8FSK调制解调过程中，有许多棘手的问题。首先，M进制中的调制原理框图有串并转换，对应的解调模块有并串转换。我在网上搜过资料，看了很多参考书，但是找不到串并转换/并串转换的相关理想和具体实现方法。其次，在4FSK中，我是用三个键来实现它的串并/并串转换，但是当我在8FSK中使用它的思路和方法时，发现根本行不通，要么是因为键的设置，要么是因为哪个模块参数的设置。最终在自己无法搭建模块的时候，我和同学讨论如何通过编程实现它的功能，发现程序比模块更完善。编程实现的具体8FSK信号程序见附件[12]。(1)随机序列的生成利用MATLAB的一个函数Random-rand产生一个固定长度的二进制随机序列x，stem是将二进制随机序列转换成棒状信号，每个载频之间的间隔为，最后得到二进制基带数字信号。生成的随机序列如图3.20所示。图3.20随机序列(2)调制波形显示在调制过程中，调用MATLAB中的固有函数dmod，生成上述随机序列的调制函数Y。调制点数是二进制随机码的个数与系统采样频率的乘积，其纵轴周长为[-4±4]。调制后的波形如图3.21所示。(一)密集时的调制波形(b)抽空期间的调制波形图3.21调制后的波形(3)调制后的频谱显示。在调制频谱显示中，设置调制波形长度为L，调用MATLAB中的固有函数FFT生成上频谱，绘制单边带幅度的频谱图。调制频谱如图3.22所示。图3.22调制后的频谱(4)添加噪声。为了观察经过不同通道后的波形，通道的参数设置一致，便于观察。在查看数据进行不耐烦的处理时，没有现成的内置函数可以使用。所以我参考给模块加噪声的方法来编程，给调制信号Y加噪声，取其纵轴周长为[-88]。三个通道后的波形显示如图3.23所示。(a)基带信号通过高斯信道后的频谱和调制波形(b)通过瑞利信道恢复基带信号的频谱和调制波形(c)通过莱斯信道恢复基带信号的频谱和调制波形图3.23三个通道下的频谱图显示从上图可以看出:在同一系统下，经过三个通道后，调制信号的频谱和波形都或多或少受到通道的影响。调制频谱受莱斯信道的影响，其次是瑞利信道和高斯信道。从调制波形可以知道，其信道的影响正好相反。(5)解调部分显示同样，在解调过程中，使用MATLAB自带的函数ddmod对函数Y进行解调，解调后生成一个定长的二进制随机序列。stem就是把解调后的信号以棒子的形式表现出来，也就是最终结果是二进制基带数字解调信号。解调后的波形如图3.24所示。(a)原始基带信号(b)通过高斯信道恢复的基带信号(c)通过瑞利信道恢复基带信号；(d)通过莱斯信道恢复基带信号。图3.24显示三个通道中恢复的基带信号从上图可以观察到，在编程实现的调制解调过程中，解调部分是没有误差的。3.4误码率显示在数字信息传输中，误码率是衡量数字通信系统的重要指标之一。本文中2FSK和4FSK采用模块法实现其功能，计数器模块用于误码率显示，其功能是计算一个计数的数字信号中错误的传输信号值[15]。2FSK中各模块的参数设置比4FSK中更合适，误码率模块显示为0；但在4FSK中，误码率显示不为零。同样的模块，设置相似的参数，结果显示不一样，很难解释。原因是在计算错误传输时是一个动态的过程，在模块中显示时只是最终的结果，无法观察到某个通道中信号传输的错误率。所以在这种情况下，我用编程的方法调用搭建好的模块，这些模块都可以显示三个二进制在三个信道下的误码率的路由过程。运行程序显示的2FSK、4FSK、8FSK的误码率如图3.25、3.26、3.27所示。图3.252FSK误码率示意图显示图3.264FSK误码率示意图显示图3.278FSK误码率示意图显示3.5频谱特征和误差率分析从上面的仿真过程可以看出，在2FSK和4FSK的模块仿真中，我们可以观察到调制部分和解调部分在各个时刻的波形图，以及基带信号和解调信号的频谱图，也可以通过编程8FSK观察到各个环节的波形变化。下面从MFSK的频谱特性和误码率两个方面进行分析。3.5.1频谱特征和波形分析(1)三个通道下的波形分析三进制在高斯信道中波形失真最大，解调端恢复的解调信号与原始数字基带信号几乎相同。然而，在瑞利信道和莱斯信道中，虽然调制后的波形影响不大，但解调后的信号比原始基带信号失真要大得多。(2)三通道下的频谱分析。从仿真结果来看，在三进制的情况下，其主瓣宽度随着十进制数的增加而增加，其旁瓣宽度和高度也逐渐增加。也就是说，在主瓣之后还有一个拖尾旁瓣来影响其传输特性。根据各种参考文献，十进制数越大，其带宽越宽，其频谱资源利用率越低。因此，MFSK多用于调制速率低、多径时延严重的信道，如无线短波信道[16]。错误率分析(1)同一系统下的错误率分析从图3.25、3.26、3.27可以看出，在同一系统的三个信道下，瑞利信道的误码率最大，其次是莱斯信道，高斯信道的影响最小。主要原因是瑞利信道和莱斯信道容易影响系统的传输性能。(2)不同二进制下的错误率分析。和A一样，可以在三个图中进行比较:如果在同一个横坐标轴上取同一个点，比如取的时候，同一信道的误码率会随着小数的增加而逐渐增加。我这次毕业设计的题目是FSK调制解调的仿真与分析。需要使用仿真软件实现三种二进制下FSK调制解调过程的仿真，观察调制解调过程中各个环节的时域和频域波形；比较了三种不同信道环境下FSK调制解调系统的频谱特性和误码率。最后对仿真结果进行了分析。在实际设计过程中，首先要进行电路设计:首先要构思电路实现流程，选择合适的模块实现其功能。数据分析:准确的数据设置可以实现电路的功能，而不合理的数据设置可能会造成波形失真等后果。仿真:只有在能够实现所需功能的情况下，才能进行波形观察和性能分析。在模拟电路中，根据原理框图构建的模块电路的输出结果并不是一蹴而就的。在自己和老师的分析调试下，出现了FSK(2FSK，4FSK)仿真结果，但是波形没有我们理论的那么完美，存在一些误差。经过分析，由于调制部分基带信号和信道参数设置不当，经过仔细检查和修改后出现了理想的波形。然后是8FSK信号的调制解调。我花了很多时间来构建这个模块。因为调制部分需要串并转换，解调部分需要并串转换。但是我在做的时候查阅了很多资料，却没有提到串并转换的具体过程。所以在构建4FSK的时候，我采用三种键控方式来实现4FSK的调制，相应的解调部分也采用三种键控方式来实现其功能。但在8FSK中，随着模块数量的增加，难度也会增加，尤其是在参数设置上。当你设置一个参数不当，最终结果会以失败告终。在尝试了无数次之后，你决定用程序完成8FSK的调制解调。在设计过程中，在老师和同学的指导下，查阅了大量与通信原理相关的电子电路设计，学到了很多书本上学不到的东西。通过这次设计，我知道了:理论与实践相结合的重要性。平时学的东西不去实践，那就是纸上谈兵。只有将理论知识与实践相结合，才能提高自己的实践能力和独立思考能力。也可以测试一下我们从设计中学到了多少理论知识，巩固已经学过的知识，不断学习已经错过的新知识，让这门课更加扎实。总之毕业设计匆匆而过。对于信息工程专业的学生来说，通信系统设计是一门非常重要的专业课。我认真完成了所有的设计，在这次设计中学到的知识对我们提升专业知识有很大的帮助。即使经历了一次又一次的迷茫，也积累了一些知识。整个课程设计过程中遇到的问题主要有三个。一是基础知识不扎实，主要是对一些常用的Simulink仿真模块的形式和功能不太清楚，对书本的理解不够透彻。二是一些常用应用软件的应用不足，体现在系统仿真时对这些软件的操作不熟练，浪费了大量时间。三是相关知识不够全面，缺乏系统设计和仿真的经验。主要是在解调的过程中，一开始采用了非相干解调，但是实际模块的参数设置不当，导致最终的剧情出现问题。即使是多系统调制解调过程中的串并转换，也不是找很多相关资料就能解决的。虽然设计过程中有很多问题，但是我感觉无论是从理论知识还是实际操作上都学到了很多知识。我想从以下六个方面总结一下。第一，这次毕业设计后，让我接触了更多以前从未接触过的科学仪器和仿真软件，从而获得相关的调试经验。同时我也发现了这方面的很多不足。我意识到理论知识对实践有很大的指导作用，它让我知道只有在正确的理论指导下，才能设计出符合实际需要的电路。第二，我学会了如何有效地获取信息，使用参考书，并使用网络查找信息。我发现我们用的书上有些知识在实际应用中并不理想，各种参数都需要自己调整。偶尔会遇到数据错误的现象，这就需要我们更加注重实践。再次，在毕业设计中，要注意重点与细节的关系；失败不可怕，只要不低头，昂起头，希望总会有。可以说，毕业设计是对大学所学知识的应用和复习，同时对自学能力提出了很高的要求。所以平时学习的时候离开思考是一个严重的错误。学习上不能偏科，各方面的知识都要接触。这样才能为毕业设计打下基础。派遣我选这个题目的时候觉得比较简单，因为我们刚学了相关的理论知识，而modem仿真正是我感兴趣的。此外，设计过程中查阅资料、积极与老师沟通也起到了很大的作用，在一定程度上决定了设计的成败。经过老师的耐心指导和不懈努力，毕业设计按时顺利完成，这是对我们把课本的理论知识运用到实践中的一次系统考验。通过自己这段时间的经历，在建立电路模型、分析数字调制解调器仿真系统、调整模块参数、撰写报告等方面得到了老师和同学的帮助。临近毕业论文的尾声，我想真诚地感受一下我们的老师，他给了我很大的帮助和悉心的指导。在毕业设计一个多月的过程中，当我遇到困难和问题，当我们需要他的时候，老师总是第一时间出现在我们面前。他让我们学习以前课堂上没有的东西。此外，我要特别感谢我所有的朋友，他们给了我巨大的勇气和信心去克服困难。我们在毕业设计中合作得非常愉快。当我们遇到困难时，我们会一起讨论和学习，一起克服它们，我们所有人都会分享克服问题和困难后的喜悦。与此同时，我们也发扬我们慷慨鼓励的精神:能吃苦，能攻关，能战斗，能奉献。在这里我表达我的真情！[1]王炳军，王少勇。通信原理基础课程[M]。:邮电大学，2005年。滕强元，洪，。用89C52单片机实现FSK调制解调[J].电子技术，2001(01).10-15。[3]吴重光。FSK调制解调器的单片机实现[J].大学学报(自然科学版)，1995(06).3-6。玉伽泽良金泽。基于FPGA的FSK信号的设计与实现[J].中国新通信，2010(01).4-6。[5]于梅。基于FPGA的FSK调制解调器的设计与实现[J].电子科学与技术，2009(05).3-6。[6]范长新。通信原理教程(第二版)[M]。电子工业，2008.06.143-162。[7]范长新，丽娜。通信原理(第6版)[M]。国防工业，2009.01。[8]王文博，常永玉。移动通信原理与系统[M]。:邮电大学，2005年。[9]王立宁。MATLAB与通信仿真[M]。人民邮电，2000.126-188。[10]德丰。MATLAB通信工程仿真[M].:机械工业，2003。[11]ShinsukeHara，AttapolWannasammaytha，yuujiTsuchida，等.一种利用短时DFT分析的低轨卫星通信系统FSK解调方法[J].IEEE车辆技术汇刊，1997[12]曹军，马·。Simulink的建模与仿真[M].电子科技大学，2005。13阿利斯塔尔·芒罗。可重构软件无线电的移动中间件[J].IEEE通信杂志.200014菲利普·乔治林，文卡特·克里什纳瓦米。实现基于C++的顺序等价性检查的设计方法学[J].2006年设计自动化会议[15]徐明远、邵玉斌主编。MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].电子科技大学，2005。[16]何兵，袁洁萍。Simulink通信仿真教程[M]。国防工业，2005.102-147。英文原文无源无线微系统的设计技术熊亮·赖(电气工程硕士，美国犹他州，2009年8月数学硕士，美国堪萨斯州，2004年12月电信工程学士，北京，2000年7月)摘要:无线获取能量的独特优势使无源无线微系统发展成为一项快速发展的高影响力技术。本文针对无源无线微系统日益严格的要求，提出了几种新的设计技术。由于没有板载电池，无源无线微系统的功耗极低。最近的研究表明，多电压片上系统大大降低了功耗，因此迫切需要高能效的片上电压电平转换器。本论文提出了一种基于二极管箝位-整流电路的新型电压电平转换器。电压电平转换器由输入信号无源供电，没有静态电流消耗，并且能够双向转换输入信号以适应不同的电压域。移位步骤可以是连续的，并且不受分立的晶体管阈值和电源轨的限制。无源无线微系统的第二个瓶颈是无线功率采集效率，它限制了无线通信距离以及片上电路的复杂性和功能性。本文提出了一种基于变压器的阻抗匹配网络，大大提高了从接收天线到片上电路负载的功率传输效率。该变压器还能够通过一种新颖的低功耗可变电流调谐技术，自动校准其输入阻抗，以匹配天线阻抗。在无源无线微系统中，数据调制方式在很大程度上决定了功率传输效率和数据通信速度。利用FSK调制的恒定载波包络，本文提出了一种适用于无源无线微系统中FSK接收机的双槽结构。双接收槽通过在每个交替FSK载波上提供高品质因数谐振槽电压，显著提高了片内交流至DC电压倍增器的功率转换效率。高数据传输速率也是通过在全数字和电压电平移位FSK解调器中探索双槽来实现的。感谢作者衷心感谢他的导师和导师袁菲教授，感谢他的灵感、技术和个人见解，以及对整个工作的坚定支持。他的热情、远见和经验是取得这些成就的最大源泉和动力。作者还感谢其他委员会成员，GulN.Khan教授、VadimGeurkov教授、FarrokhShari教授和约克大学RichardHorsey教授审阅本文。我要感谢瑞尔森大学集成电路和系统研究组的成员、周、AlaaAL-Taee和ShaulPeker，感谢他们的有益讨论、建设性建议和宝贵的技术投入。特别感谢研究小组的前成员DominicDiClemente博士，感谢他在建立晶圆测量设施方面所做的努力，感谢TarekKhan完成Cadence仿真环境。我的博士项目部分由瑞尔森大学、安大略省培训部、学院和大学以及加拿大自然科学和工程研究委员会(NSERC)提供的研究生奖学金资助。我仍然感谢这些支持。最后，我要感谢我的家人这些年来给我的爱和支持。介绍射频供电的微系统，也称为无源应答器，在许多应用中都是必不可少的，例如自动支付系统、水泥结构中不可恢复的压力传感器和远程跟踪设备。他们还发现了可植入电子产品[1，2，3，4，5，6]、视网膜假体装置[7]、神经肌肉刺激[8]、无线环境监测[9]、RFID[10]和医疗内窥镜[11，12]等新兴应用。其最新发展涉及从环境或专用源(如移动电话、手持无线电、移动基站和电视/无线电广播站)收集RF能量的无源应答器[13，14]。无源应答器的最大优点是没有机载电源。这使得它可以无限期运行，无需更换电池或充电。此外，由于没有电源，应答器可以制造成非常小的尺寸，没有连接器、电缆和电池接入面板，这使得它们对于生产消费电子产品很有吸引力，例如电子书阅读器和耳机，以及用于可植入离散无线节点和RFID跟踪标签的ASIC传感器。在本章中，我们首先在1.1节中介绍无线无源微系统的一些基本背景信息。然后，我们将在第1.2节讨论无源微型系统中的一些当前设计问题，以了解我们的动机和目标。第1.3节介绍了本文的贡献。第1.5节简要介绍了论文的组织结构。第1.5节对本章进行了总结。1.背景射频供电的微系统起源于1899年初Tesla提出的无线电力传输(WPT)的想法[1]。1964年，布朗等人成功地展示了微波驱动直升机的工作原理[2]。最近的研究发现，低功率无线无源转发器可以由环境射频能量供电，如移动基站、移动电话、WiFi、蓝牙和ZigBee[15，16]。无线无源微系统主要通过电场或磁场耦合的方式工作。使用共振磁耦合，磁场的感应耦合已经在短距离内以高效率被广泛采用[2]。第二种称为整流天线，通常结合整流器和天线，通过电场耦合电力。混合磁场和电场耦合以形成用于无线无源微系统的RF波传播使得能够在更长的工作距离上实现更小规模的功能集成。射频应答器是一个小型无线系统，它与附近的一个称为阅读器的站点进行通信。由阅读器和转发器组成的射频功率微系统的基本结构如图1.1所示。阅读器通过无线信道向转发器提供功率和初始信息。读取器-应答器通信协议总是以相对较长的加电周期开始，在此期间应答器的存储电容器被充电到工作电平[1]。此时，读取器可以发送数据请求，如果所请求的数据可用，则应答器将对该数据请求进行确认。应答器数据通常是传感器读数或识别码。这些数据由读取器处理，以获得应答器环境的知识或识别携带该设备的对象。2.动机和目标尽管无线供电的无源微系统有许多优点，但要使这些优点可行，必须克服这些系统中的挑战。这些挑战包括:提到的高效RF功率接收小天线、1.1.2节提到的针对输入功率和输出负载阻抗变化的高效匹配网络、1.1.3节提到的出色RF-DC功率转换效率、1.1.4节提到的新型低功率调制/解调电路，以及无线无源微系统架构的优化。2.1电压电平转换器由于无源微系统接收的功率非常有限，图1.2所示无源微系统架构中的每个模块都必须进行优化，以实现低功耗的全功能运行。在这篇论文中，我们将在第二章提出一系列低功率被动式电压移位器。通过正确配置建议的电压电平转换器，图1.2中的解调器模块可用于低功耗ASK和FSK无线解调方案。所提出的电压电平移位器也可以应用于图1.2中的匹配网络块，用于匹配网络的自动校准，以实现最大的功率收获。我们将在第3章中看到这种通过电压电平转换的自动校准峰值幅度检测技术。此外，为了降低无源无线微系统中的功耗，这些系统的非关键部分中的器件通常以降低的电源电压在亚阈值模式下工作，而诸如电可擦除可编程只读存储器的其他模块以较高的电源电压在超阈值模式下工作[22，23，10]。需要提供适当电压信号以桥接亚阈值和超阈值模块的电压电平转换器[24，25]。电压电平移位器通常在以下拓扑结构中实现:(1)半锁存拓扑结构:半锁存拓扑结构利用了其简单的配置和较小的传播延迟。然而，这些电压电平转换器具有长的传播延迟、大的下拉NMOS晶体管和过大的短路电流。半锁存电压电平转换器的低电流驱动能力可以通过用电流镜取代上拉PMOS锁存器来缓解，但代价是静态功耗过大[26]。(2)自举技术:自举技术通过用单独的低摆幅信号驱动上拉PMOS和下拉NMOS来降低半锁存电压电平转换器的功耗[27]。在自举技术中，Kwon和Min提出的电压电平移位器通过采用辅助电平移位器来提高速度并降低功耗[28]。(3)亚阈值-超阈值转换:Ltkemeier和Rckert提出了一种基于威尔逊电流镜的电压电平移位器，用于亚阈值到超阈值的信号传输[29]。Wooters等人提出的高能效亚阈值电压电平移位器使用低VTH晶体管与为电压电平移位器供电的低VDD电路接口，以提高电流驱动能力[30]。(4)栅极耦合技术:Baek等人通过将保护晶体管的栅极容性耦合至输入端，提出了一种高能效上变频器[31]。(5)多VTH晶体管拓扑结构:哈桑贝戈维奇和奥内特的电压电平转换器利用多VTH晶体管，低VTH晶体管放置在速度至关重要的位置，高VTH晶体管放置在漏电流至关重要的位置[32]。前面的电压电平移位器仅提供数字信号，而不能提供连续的电压电平移位。尽管源极跟随器、共源极、共栅极配置或电路等是用于移动模拟信号中值的便利选择，但是它们在低功率应用中的有用性很大程度上受到以下因素的阻碍:(1)过度的静态功耗，(2)这些电压移位器能够提供的电压移动的最小量通常受到饱和MOSFETs的栅极-源极电压的下限，以及(3)这些电压移位器能够提供的最大电压移位量受到电源轨电压的上限和下限的限制，这进一步限制了它们在诸如无源无线微系统之类的系统中的应用，在这些系统中，这些系统的功率采集器的输出通常比接收到的射频信号的幅度高得多。在这篇论文中，我们将提出一种基于二极管电压倍增器整流特性的电压电平转换器。我们将证明这些电压电平转换器能够消除上述电压电平转换器的缺点。2.2阻抗匹配无源微系统不配备内部电池。它们的工作能量必须通过无线方式获取。如图1.2所示，功率采集模块包括天线、匹配网络和电荷泵电压倍增器。需要对匹配网络进行优化，以实现从天线到电压倍增器的最大功率传输。理想情况下，电压倍增器要求输入电压幅度尽可能大，以实现高效的交流DC转换。功率采集的效率决定了基站和微系统之间可以建立的可靠链路的最大距离、随后微系统的功能的复杂性以及采集足够量的功率所需的最小时间量。射频功率采集的效率主要由下列三个关键因素决定:(1)天线的效率:天线的效率越高，天线中的电压越大。天线产生的电压由天线的类型和尺寸决定，这两者通常由应用来设置。(2)电压倍增器的效率:提高电压倍增器效率的有效方法是最大化从天线馈入电压倍增器的输入电压[33]。电压倍增器的功率转换效率的损失是由于整流装置[18，21，19]的电压降。它可以通过提高输入电压的幅度或使用低阈值整流器件来改善，如肖克利二极管和零VTMOSFET[20]。(3)阻抗匹配网络的准确性:电压倍增器输入端的电压可以通过在天线和电压倍增器之间插入一个谐振回路来提升，该谐振回路以载波频率谐振[10，34，17，35，36]。为了最大化输入电压，在[33]中，提出了一种电感匹配技术，利用电压倍增器的等效输入电容，将电压倍增器的输入与谐振LC储能电路的并联电感器并联。通过在电压倍增器[17，35，36]的输入端应用LC匹配网络，可以进一步提升电压倍增器两端的输入电压。片上螺旋电感的低品质因数严重影响谐振LC储能电路的有效性。此外，如果采用变容二极管来提供频率调谐，变容二极管的电阻损耗也会对储能电路的品质因数产生不利影响。LC匹配网络的性能，特别是电压增益，可以通过用升压螺旋变压器[37]代替螺旋电感来大大提高。(4)阻抗匹配网络的最佳负载:没有找到最佳匹配网络，[38]分析了在任意输入阻抗条件下产生最大可能功率效率的最佳负载。对于[37]中介绍的升压螺旋变压器，初级绕组的大匝数比和宽螺旋产生大的品质因数和大的电压增益。由于电压倍增器的负载随着应用而变化，在其次级绕组处具有电压倍增器负载的变压器匹配网络的输入阻抗也将变化，导致天线和变压器之间的阻抗不匹配，从而导致从天线传递到变压器的能量损失。此外，工艺扩展还会引起变压器电感、寄生电容和电阻的误差，导致工艺扩展引起的输入阻抗和变压器匹配网络谐振频率的漂移。前者影响从天线传输到变压器的功率量，而后者影响变压器的输出电压，尤其是当变压器的品质因数高时。非常希望可以调谐变压器匹配网络的参数，使得它不仅向天线提供匹配阻抗以最大化从天线到变压器的能量传输，而且在期望的频率，即载波频率下谐振，以最大化变压器次级绕组的电压。本文提出了一种用于无源无线微系统高效能量采集的变压器阻抗匹配和频率调谐技术。所提出的方法利用插入在天线和电压倍增器之间的升压变压器来执行用于功率匹配的阻抗变换和用于提高电压倍增器效率的电压放大。2.3FSK解调器无线无源微系统有多种调制技术，其中ASK调制技术因其实现简单、功耗低而成为最受欢迎的调制技术。FSK调制因其恒包络调制方案最近被用于无源无线微系统。当FSK被用于编码从基站传输到无源无线微系统的数据时，ASK中遇到的波动功率传输的缺点被消除。因为基带数据是由载波的频率而不是幅度来表示的，所以噪声的影响并且也减少了对数据传输的干扰。FSK的另一个独特特性是能够以高数据速率传输数据，因为FSK调制信号的解调不需要使用具有大时间常数的低通滤波器提取载波包络。这对于生物医学植入物尤其重要，因为不仅诸如耳蜗植入物和视觉假体植入物的这些微系统的数据速率高，而且由于人体在高频下对电磁波的高度吸收，这些植入物的载波频率通常为13.56MHz。在基于FSK的无源无线微系统中，无源无线微系统和它们的基站之间的耦合变压器的品质因数通常被最大化，以便提升接收到的RF信号的幅度，从而最大化下游电压倍增器的功率效率[39]。然而，当使用FSK时，最大化耦合变压器的品质因数会降低功率效率，因为FSK使用两个频率相差很大的载波来调制基带数据。为了确保在两个载波频率下接收信号的幅度相同，两个载波频率必须与耦合变压器的谐振频率等距，从而导致功率效率降低。为了提高功率效率，已经提出了几种技术:(1)Ghovanloo和Naja提出了一种宽带电感链路，由发射机侧的并联和串联LC储能电路以及接收机侧的LC储能电路的串联组合组成[40]。发射机侧的两个LC储能电路被调谐为在FSK载波频率下谐振，以最大化发射信号的电压。由于耦合变压器仅在单一频率下谐振，这种FSK解调器的功率效率仍然较低。(2)Jung等人提出了一种简单的FSK解调器，使用元件对接收的FSK信号进行延迟和采样[41]。与Ghovanloo-NajaFSK解调器相比，JungFSK解调器通过在特定时刻对输入数据进行采样来恢复基带数据，而不是测量载波的两个正弦周期。Ghovanloo-NajaFSK解调器取消了高频振荡器，有效降低了功耗。然而，付出的代价是降低了可靠性。(3)[42]中提出的FSK解调器由多路复用器、移位寄存器、相位频率检测器和电荷泵组成。(4)[43]中提出的交错调谐技术通过分别调谐发射器和接收器储能电路来提高FSK解调器的功率效率。前面的FSK解调器的一个共同缺点是，由