课程设计---二进制振幅键控信号的调制解调系统设计

课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ---二进制振幅键控信号的调制解调系统设计 一(课程设计目的--------------------------------2 二(设计 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ----------------------------------------2 三(工作原理----------------------------------------3 3.1数字调幅技术的原理和相关概念 3.2二进制幅移键控(ASK) (1)ASK 信号的产生 (2)ASK 信号的解调方式 四(基于PROTELDE的ASK调制解调的仿真电路------------7 4.1ASK 信号产生电路设计 4.2实际电路中乘法器的实现 4.3解调电路设计 (1)相干解调 (2)非相干解调(包络检波) 4.4.低滤波电路环节设计 4.5.比较电路环节设计 4.6.电压判决电路环节设计 4.7.ASK 调制解调仿真电路综合设计 五(Protel环境下仿真波形及波形分析-------------------23 5.1电路图标记各点在protel环境下的仿真波形 5.2波形分析 5.3.结论 六(心得体会--------------------------------------30 七(参考资料--------------------------------------------------------------------31 八(附件----------------------------------------------------------------32 一(课程设计目的 通过本课程的学习我们不仅能加深理解和巩固理论课上所学的有关2ASK调制与解调系统的基本概念、基本理论和基本方法，而且能锻炼我们分析问题和解决问题的能力;同时对我们进行良好的独立工作习惯和科学素质的培养，为今后参加科学工作打下良好的基础 二.设计内容: 1. 基于MATLAB和PROTEL实现2ASK的设计 2. 熟悉数字调幅技术的有关原理和实现方法。 3. 在PORTEL中设计ASK调制解调电路。 4. 在PROTEL中仿真ASK电路 5. 用MATLAB实现该数字通信系统，各模块的程序以及主 程序，设计相关参数。 三. 工作原理: 1. 数字调幅技术的原理和相关概念 (1)数字调制的概念 用二进制(多进制)数字信号作为调制信号，去控制载波某些参量的变化，这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。 (2)数字调制的分类 2 在二进制时分为:振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。其中，ASK 属于线性调制，FSK、PSK 属于非线性调制。 (3)数字调制系统的基本结构 (4)ASK调制波形与方框图: 2.二进制幅移键控(ASK) (1)ASK 信号的产生 3 图为 ASK 信号的产生原理 1110001 s(t) bTt 载波信号 2ASK信号t 二进制振幅键控信号时间波型 t 一个二进制的ASK 信号可视为一个单极性脉冲序列与一个高频载波的乘积，即ASK 的时域表达式为: (2)ASK 信号的解调方式 解调也可以分成相干解调与非相干解调两类。其中相干解调要求接收端提供相干载波。非相干解调，就是在接收端不需要相 4 干载波，而根据已调信号本身的特点来解调 a. 非相干解调的原理框图和波形图(包络检波法) 2ASK信号非相干解调过程的时间波形 b.相干解调的原理框图和波形图(同步检测法) 5 四(基于PROTELDE的ASK调制解调的仿真电路的设 计及 设置。 1. ASK 信号产生电路设计 6 本次设计中采用模拟法，在PROTEL仿真中V1是100KHZ的正弦波，V2是10KHZ的方波。 仿真图如下 其中aaa和aab对应的图形是信号源V1和V2产生的波形，两个信号经乘法器相乘后产生2ASK信号，如上图的aac所示，在PROTEL仿真中仅用一函数模块代替调制电路中的乘法器，该函数模块可实现两信号相乘的功能。即两信号分别从V1和V2端输入，相乘后的信号从 Q端输出。 7 Q端输出的信号如下图: 2. 实际电路中乘法器的实现 模拟乘法器是对两个模拟信号(电压或电流)实现相乘功能的的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比. 8 该乘法器使用MC1496，，其内部结构介绍如下: 图为MC1496的内部电路及引脚图 MC1496是四象限模拟乘法器，其内部电路图和引脚图如图10-1所示。其中V、V与V、V组成双差分放大器，以反极性1234 方式相连接，而且两组差分对的恒流源V与V又组成一对差分56 电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。V、V为差分放大器V与V6的恒流源。 785 9 3. 带通滤波器的设计 带通滤波器是对产生的2ASK信号滤波，其目的是滤除带外再生，减少带外噪声对有用信号的干扰。 设计带通滤波器时要注意其相关参数的设置，如带通滤波器的中心频率，带宽，增益以及品质因数Q.这些参数的设计要根据输入滤波器的信号设计。 在PROTEL仿真中，要对2ASK信号滤波，需要分析出该信号的频域特性。 PROTEL 仿真的2ASK信号的频域特性图如下: 对上图AAA的放大图如下:, 10 根据2ASK信号的频域特性图,其能量主要其中100KHZ左右，在设计带通滤波器是其中心频率应选在100KHZ处,滤波器的带宽设计为20KHZ.这样设计滤波器能保留主要有用信号而滤除带外噪声的干扰。 带通滤波器电路图如下: 11 在PROTEL仿真中由于用到的载波电路为100KHZ，要 求该滤波器参数为:中心频率为100KHZ，带宽为 20KHZ,Au=10. 在设计带通滤波器的相关参数时可根据如下 方法设计。 要求设计一个有源二阶带通滤波器，指标要求为: 通带中心频率 通带中心频率处的电压放大倍数: 带宽: 设计步骤: 选用上图电路。 12 2)该电路的传输函数: 品质因数: 通带的中心角频率: 通带中心角频率处的电压放大倍数: 取，则: 4( 解调电路设计 (1) 相干解调 本次设计中采用相干解调法，由常规双边带调幅(AM )信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。因此 V1、V2 相乘后所得 2ASK 信号再与 V3方波信号相乘即可实现 ASK 信号的解调。电路如下图所示: 13 其中V3采用方波信号，设置其低电平V2=0V,高电平V1=1V，延迟时间TD=0us,上升时间其中V3采用方波信号TR=O.00001us,下降时间TF=O.00001us,脉冲宽度PW=5us,脉冲周期PER=10us . 此过程为信号的解调过程，解调是调制的逆变换，即从调制过程的高频信号中提取原低频信号的过程。本设计采用模拟乘法器实现对信号的解调。 用模拟乘法器实现幅度解调的原理框图如下图: 低通滤波器 载波信号 音频信号 调幅信号 14 解调是调制的逆过程，同样是利用乘法器来实现将音频信号从调幅波中分离出来。乘法器的两个输入端分别接入调幅波(下边带) = 及与调制时的载波信号同频同相的载波信号=t,则可以得到输出信号为 =K[t+t] 通过低通滤波器滤除其中的高频分量，则可以得到输出电压幅值与原信号(=t)略有不同 ，但频率都为的低频信号。 (2)非相干解调(包络检波) 解调也可以分成相干解调与非相干解调两类。其中相干解调要求接收端提供相干载波。非相干解调，就是在接收端不需要相干载波，而根据已调信号本身的特点来解调 b. 非相干解调的原理框图和波形图(包络检波法) 15 b.相干解调的原理框图和波形图(同步检测法) 二极管包络检波电路: 16 5.低滤波电路环节设计 本设计采用一阶滤波电路，由于采用了脉冲周期:PER=10us(f=1/10us=100kHz) 的高频方波载波信号，故此处所用滤波器的时间常数=1/f=10us ，因此先选定电阻 R1=5k ,与之对应选择电容 C1=0.002uF,即可满足此时间常数要求。 17 上图是经低通滤波后的信号波形。 6.比较电路环节设计 其中 LM339与 R2、R3 构成一个反向器，LM339 工作的正端 电压设置为5Vdc。其电路如下图所示 该图为经比较电路仿真后的波形: 18 7.电压判决电路环节设计 该处电压抽样判决器中负端工作电压由 V6 处的 5Vdc 经 R4、R5构成的电压取样电路取得 1Vdc 与 LM339 的正端输入电压信号比较，当输入信号大于 1Vdc 时，LM339 输出为高电平，否则为低电平。从而将原低频调制信号解调还原出来。电路如下图所示 19 经电压判决后的仿真波形: 8.ASK 调制解调仿真电路综合设计 综合上述各个电路环节，最后得 ASK 调制解调的仿真电路以及 仿真结果如下如下图所示: 20 电路图1(仿真电路图) 电路图2(总体仿真效果图) 21 五(Protel环境下仿真波形及波形分析 1.电路图标记各点在protel环境下的仿真波形 该图为2ASK信号，为上图中的AAC节点处波形 上图显示的是调制后的信号，也就是2ASK信号，该信号是经调制信号和载频信号相乘的结果。 该图为相干解调后的波形，是电路图1中的AAE节点处波 形。 上图波形是相干解调后的波形，即2ASK信号与一个同频同相的载波相乘，也就是调制后的波形，该信号没经低通滤波，含 22 有高次谐波分量，要经相应的低通滤波滤除高次谐波后方可得到最后的调制信号。 该图为低通滤波后的波形，即为电路图1中AAF节点处 波形。 分别是比较判决后的波形 判决器的作用是把输入的信号与一个固定的信号进行比较，最后输出一个判决结果。例如在该2ASK调制解调中，就是把输入的信号与1进行比较，如果输入信号大于1，则经判决气后输出为1，要么为零。 23 总体仿真波形 2.波形分析: 通过观察各个关键点的波形可知，aac处的波形就是所要产生的2ASK 信号波形，即调制波形。AAE处的波形就是将上述2ASK 信号相干解调后所得波形，即解调波形。AAF处波形就是经滤波处理后所得波形，AAG处的波形就是电压判决器电路工作的工作基准电压波形,AAK处的波形就是解调还原出的调制信号波形，各观测点波形均为预期波形，说明仿真结果达到了设计要求，该设计具有可实用性。 3.结论 用一个乘法器将数字基带信号和载波信号相乘即可产生2ASK 信号，再将此 2ASK信号与一个同样的高频载波信号相乘即可将此 2ASK 24 信号实现相干解调，2ASK 信号通过滤波器滤除残余高频信号后，送到电压抽样判决器然后获得解调输出，其中抽样判决对于提高数字信号的接收性能十分必要。 六(心得体会 在此次课程设计中，我所选的课题为二进制振幅键控(2ASK)信号的调制解调系统设计及其在MATLAB和protel上的仿真实现。在上学期所学课程——《通信原理》中，我对2ASK信号有了一定的了解，诸如一个二进制振幅监控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘，而通常2ASK信号的产生有模拟幅度调制法和键控法两种，前者主要用一个乘法器实现，后者的主要部件是开关电路。同样，2ASK信号的基本解调方法也是有两种:相干解调(同步检测法)和非相干解调(包络检波法)，两种解调方式的区别在于相干解调需要引入一个同步载波，用来消除交流信号，因此更难实现，但同时采用相干解调产生的误码率总是小于采用非相干解调的误码率的。基于以上内容并查阅相关资料。我们可以设计出大致的原理框图，然后再通过验证分析，找出不足并修改。通过在MATLAB上的仿真调试或者protel上的仿真调试我们初步了解并掌握了该软件的一些基本知识及相关操作，如利用protel，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从protel配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果等。通过这次课程设计，我感觉首先加深了我对课本知识的了解，是我对二进制振幅监控有了更深刻的印象。然后我感觉到了我们所学知识的作用，毕竟把课本上抽象的东西运用到实际中来并完成了它的作用是一件很美妙的事。然后呢，通过运用各种软件我掌握了一些软件的基本操作知识，而今后的学习与工作中还会继续运用到这些软件，这将为以后的学习和工作打下一个好的基础。 25 七(参考资料 1 PROTEL 99SE -------夏陆毅--- 希望电子出版社 2 通信原理教材-------------------樊昌信等—高等教育出版社 3 高频电子线路-------------------黄亚平---- 机械工业出版社 4 模拟电子技术基础----------------杨拴科----高等教育出版社 5 MATLAB教材-------张明--- 希望电子出版社 6 PROTEL电路设计典例-------------------李振军—电子工业出 版社 7 PROTEL实用教程----------------张伟-----人民邮电出版社 26 八(附件 仿真原理图(1) 27 仿真结果图形(2) 28 PCB版原理图(3) 29 PCB图(4) 30 PCB版(5) 31 MATLAB程序仿真(6) 32