OOK調制解調電路設計

1、*實踐教學* 蘭州理工大學計算機與通信學院2015年秋季學期通信系統(tǒng)綜合訓練 題 目： OOK調制解調電路的設計 專業(yè)班級： 通信工程12級班 姓 名： 學 號： 122501 指導教師： 成 績： 摘要OOK（On-Off Keying）為二進制開關鍵控，調制原理是通過二進制序列控制開關器件開閉來控制載波的通過，從而使二進制信號加載到載波上。它是一種成本低且最容易實現的調制方式，被廣泛應用于各種場合，但其缺點是傳輸效率太低和無法滿足高速的傳輸。通過Multisim對OOK調制解調電路進行仿真，解調方式采用非相干解調，主要設計部分為載波發(fā)生電路、帶通濾波器、包絡檢波器、低通濾波器和抽樣判決器。

2、通過仿真發(fā)現電路的錯誤和不足之處，再進行優(yōu)化以達到最佳。關鍵詞：OOK 調制 非相干解調 Multisim目錄摘要I前言1一、基本原理21.1調制原理21.2解調原理2二、系統(tǒng)分析42.1調制電路分析42.1.1基帶信號模擬發(fā)生器42.1.2載波發(fā)生器42.1.3開關電路52.2解調電路分析52.2.1帶通濾波器52.2.2全波整流電路72.2.3低通濾波器72.2.4抽樣判決器7三、系統(tǒng)設計83.1調制電路83.1.1基帶信號發(fā)生電路設計83.1.2載波發(fā)生器電路設計93.1.3調制電路設計103.2解調電路113.2.1帶通濾波器電路設計113.2.2全波整流電路設計113.2.3低通濾波

3、器設計123.2.4抽樣判決器設計133.2.5解調電路設計143.3結論與建議15心得體會16參考文獻17致謝18附錄19II前言通信技術發(fā)展迅速，如今調制方式眾多，完全能夠滿足不同領域不同要求的通信要求。其中振幅鍵控（ASK:Amplitude Shift Keying）中的二進制振幅鍵控（2ASK）實現較為方便，成本也低。2ASK信號的產生可以通過乘法器和開關器件來實現，通過開關器件產生2ASK信號的調制稱為OOK，由于開關器件的開閉速率不是很高，因此不能滿足高效率和高速率的信號傳輸。OOK調制解調電路的結構簡單，實現容易，價格便宜，被廣泛應用于短距離遙控裝置和無線信號燈系統(tǒng)等領域。用M

4、ultisim軟件對OOK調制解調電路進行仿真，主要設計部分為載波發(fā)生電路、帶通濾波器、包絡檢波器、低通濾波器和抽樣判決器。調制速率為30Mb/s，解調方式采用非相干解調，非相干解調法又稱為包絡檢波法，是利用包絡檢波器或波形整流器對振幅鍵控信號進行檢波以恢復基帶信號的方法。包絡檢波器由于電路簡單、檢波效率高、穩(wěn)定性好、價格便宜等優(yōu)點，應用的較為廣泛。但對于高速的數字傳輸系統(tǒng)，由于碼元較窄，無明顯的包絡，則無法利用包絡檢波法，必須應用相干解調法。一、基本原理1.1調制原理開關鍵控（OOK）原理如圖1-1所示。開關電路受基帶信號的控制。當信號為“1”時，載波通過開關電路，即；當信號為“0”時，開關

5、接地，輸出為“0”，即。OOK調制過程中、和的波形如圖1-2所示。載波發(fā)生器開關電路圖1-1 OOK調制原理圖01001圖1-2 調制過程中信號波形1.2解調原理非相關解調法又稱為包絡檢波法，是利用包絡檢波器或波形整流器對幅度鍵控信號進行檢波以恢復基帶信號的方法，其原理框圖如圖1-3所示。系統(tǒng)中帶通濾波器用來抑制噪聲，抽樣判決器用于提高接收機性能，恢復基帶信號。簡單的包絡檢波器電路如圖1-4所示，它是利用二極管單向導電性及電容的充、放電來實現檢波的。當載波信號為正半周時，VD導通，電容充電，電容電壓迅速上升至輸入信號峰值；當輸入信號下降，由于電容電壓大于輸入信號，使VD反偏截止，電容通過電阻R

6、緩慢放電。當下一個正半周期時，輸入信號大于電容電壓使VD再次導通，并對電容充電至峰值，如此反復，其波形示意如圖1-5所示。此時，電容電壓具有與載波頻率相同的波紋，可通過低通濾波器濾除。包絡檢波器由于電路簡單、檢波效率高、穩(wěn)定性好、價格便宜等優(yōu)點，應用得較為廣泛。但對于高速的數字傳輸系統(tǒng)，由于碼元較窄，無明顯的包絡，則必須應用相干解調法。輸入已調信號帶通濾波器包絡檢波器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出基帶信號圖1-3 OOK解調原理框圖CRVD圖1-4 簡易包絡檢波器電路圖載波后110000圖1-5 OOK解調波形示意圖二、系統(tǒng)分析OOK系統(tǒng)主要分為調制部分和解調部分，調制部分有基帶信號發(fā)生器、

7、載波發(fā)生器、開關電路三部分，解調部分有全波整流器、低通濾波器、抽樣判決器三部分，如果噪聲干擾嚴重需要加上帶通濾波器抑制噪聲；要求載波發(fā)生器的頻率有較高的精度，由于使用開關電路，碼元速率不能太高。2.1調制電路分析調制電路主要由基帶信號發(fā)生器、載波發(fā)生器和開關電路組成，分別對這三部分的性能和參數進行分析，得出最佳設計方案。2.1.1基帶信號模擬發(fā)生器由于本次課題為計算機設計與仿真，采用Multisim真OOK電路。Multisim中不存在基帶信號發(fā)生器，很多仿真用時鐘發(fā)生器代替，但時鐘波形“0”和“1”的比例和間隔都是一樣的，實際中的基帶信號具有一定的隨機性。所以需要設計一個基帶信號模擬發(fā)生器電

8、路來模擬真實的基帶信號。在Multisim中可以采用移位寄存器74LS194N和異或門74LS86N來設計基帶信號模擬發(fā)生器。 2.1.2載波發(fā)生器載波發(fā)生器采用正弦波電路，在正弦波振蕩器中，主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。這幾種電路，以石英晶體振蕩器的頻率最穩(wěn)定，LC電路次之，RC電路最差。RC振蕩器的工作頻率較低，頻率穩(wěn)定度不高，但電路簡單，頻率變化范圍大，常在低頻段中應用。因而不能使用RC振蕩電路，石英晶體振蕩電路只有串聯和并聯兩種電路，而且電路調試困難。LC振蕩電路有變壓器反饋式LC振蕩器，電路易起振，振蕩頻率一般為幾千Hz至幾百千Hz。電感反饋式LC振蕩器電

9、路易起振且起振振幅大，振蕩頻率高達幾十兆Hz，但其振蕩波形的失真度也較大。電容反饋式LC振蕩器又稱為電容三點式振蕩器，該電路的輸出波形好，失真度較小，振蕩頻率高達100MHz，但其頻率范圍較小。綜上所述，選擇最后一種中的西勒振蕩電路較為合適。西勒電路如圖2-1所示，RL為負載電阻。其中心頻率計算公式見式2-1。圖2-1 西勒振蕩電路 （2-1）2.1.3開關電路開關電路是OOK調制電路的核心部分，采用CD4066四雙向模擬開關芯片實現開關電路，CD4066主要用作模擬或數字信號的多路傳輸。CD4066 的每個封裝內部有4 個獨立的模擬開關，每個模擬開關有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸

10、出端可互換。當控制端加高電平時，開關導通；當控制端加低電平時開關截止。模擬開關導通時，導通電阻為幾十歐姆；模擬開關截止時，呈現很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關可傳輸數字信號和模擬信號，可傳輸的模擬信號的上限頻率為40MHz。各開關間的串擾很小，典型值為50dB。2.2解調電路分析2.2.1帶通濾波器帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。一個理想的帶通濾波器應該有平穩(wěn)的通帶(bandpass，允許通過的頻帶)，同時限制所有通帶外頻率的波通過。但是實際上，沒有真正意義的理想帶通濾波器。真實的濾波器無法完全過濾掉所設計的通帶之外的頻

11、率信號，在理想通帶邊界有一部分頻率衰減的區(qū)域，不能完全過濾，這一曲線被稱做滾降斜率(rollof)。滾降斜率通常用dB度量來表示頻率的衰減程度。一般情況下，濾波器的設計就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美通帶的設計。OOK解調電路中的帶通濾波器主要作用是抑制噪聲，對后續(xù)信號處理電路提供平滑的波形。帶通濾波器的中心頻率f0和帶寬BW之間的關系為： （2-2） （2-3）帶通濾波器的電路形式有很多，這里以無限增益多反饋環(huán)型濾波器為例，介紹帶通濾波器的設計和仿真過程。圖2-2為無限增益多反饋環(huán)型濾波器的二環(huán)典型電路。A圖2-2 多反饋二環(huán)濾波器典型電路在設計有源濾波器時，

12、一般的設計步驟如下：1根據傳遞函數設計：根據對濾波器特性的要求，設計某種類型的n階傳遞函數，再將n階傳遞函數分解為幾個低階(如一階、二階或三階)傳遞函數乘積的形式。2電路設計：按各個低階傳遞函數的設計要求，設計和計算有源濾波器電路的基本節(jié)點。首先選擇電路形式，再根據所設計的傳遞函數，設計和計算相應的元件參數值。3電路裝配和調試：先設計和裝配好各個低階濾波器電路，再將各個低階電路級聯起來，組成整個濾波器電路。對整個濾波器電路進行相應的調整和性能測試，檢驗設計結果。對于圖2-2所示的多反饋二環(huán)典型電路，可以恰當的選擇的參數，構成低通、高通、帶通和帶阻等濾波器。只要的參數由如下表達式選擇時，就可構成

13、帶通濾波器。參數的表達式如下：， （2-4）將以上各表達式代入傳遞函數表達式 （2-5）這可得到多反饋環(huán)型帶通濾波器的傳遞函數為： （2-6）由式(2-4)和(2-6)可組成如圖2-3所示的多環(huán)有源帶通濾波器電路。此多環(huán)有源帶通濾波器的特性參數如下： （2-7） （2-8） （2-9）圖2-3 有源帶通濾波器電路2.2.2全波整流電路全波整流電路要求整流后振幅衰減不大，如果衰減過大則需另加放大電路，這樣比較麻煩，且增大了電路的規(guī)模。所以采用含運放的全波整流電路較為合適，NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器（雙運放）集成電路。與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅動能力及相當

14、高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。因此很適合應用在高品質和專業(yè)音響設備、儀器、控制電路及電話通道放大器。使用NE5532和整流二極管設計全波整流電路既能起到整流作用又能起到放大作用，且噪聲低。 2.2.3低通濾波器低通濾波器是包絡檢波器的重要組成部分，它使全波整流后頻率較高的波形變成頻率等于碼元速率且包絡近似基帶波形的波形。下一步就是通過比較器整形，使解調的波形與基帶信號波形相同。低通濾波器采用有源二階低通濾波器，使用NE5532作為有源二階低通濾波器的運放。2.2.4抽樣判決器抽樣判決器是OOK解調器的最后一部分，也是整個OOK系統(tǒng)的最后一部分。首先使用電壓比較器LM339對波形進行整形

15、，然后使用SN74HC74N對信號進行抽樣判決。LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V-18V；3）對比較信號源的內阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。三、系統(tǒng)設計3.1調制電路3.1.1基帶信號發(fā)生電路設計工作原理如圖3-1所示。在移位寄存器中值初值1010，經過模二加移位可得到二進制序列。圖3-1 信號序列發(fā)生器基帶信號發(fā)生電路圖如圖3-2所示。首先，開關S1是閉合的，即

16、S0S1=10，當開關S1斷開時，S0S1=11，此時74LS194N開始植入初值ABCD=1010；當開關S1再次閉合時，74LS194開始工作，QCQD中的值經過異或門74LS86N送入SR右移，右移產生連續(xù)的序列0101 1110 0010 011，通過示波器XSC1能夠觀察到輸出的二進制序列。 圖3-2 二進制信號序列發(fā)生器電路通過觀察發(fā)現波形正是序列0101 1110 0010 011的循環(huán)，如圖3-3所示。從圖中可以看到刻度為5V/Div，5V代表“1”，0V代表“0”。圖3-3 二進制序列波形3.1.2載波發(fā)生器電路設計西勒振蕩電路是另一種改進型電容三點式振蕩器如圖3-4所示。電

17、容C2、C3、C4的取值原則同克拉潑振蕩電路。它與克拉潑振蕩電路的不同點僅在于回路電感L兩端并聯一個可變電容C6。這種電路同樣具有頻率穩(wěn)定度高的顯著特點。通過圖3-4中的XFC1和XSC1能夠觀察到西勒振蕩電路的頻率和波形。 （3-1）經計算得， 。圖3-4中R1、R2、R3、R4、R5、C1、C2和2N2222A元件所在電路為放大器電路，C2、C3、C4、C6、L2所在電路為選頻電路，微調C6和L2可以使振蕩頻率更精準。電阻R6為負載。圖3-4 西勒振蕩電路圖3-5為頻率計數器顯示的振蕩器產生的波形頻率30MHz。圖3-5 振蕩電路頻率圖3-6為振蕩器產生的波形圖，由圖可見波形峰值大于5V。

18、圖3-6 振蕩電路波形3.1.3調制電路設計OOK調制電路如圖3-7所示，載波信號接入MC74HC4066D的1A腳，二進制序列信號接入MC74HC4066D的1EN腳，載波信號與二進制序列信號經過MC74HC4066D作用后從1Y腳輸出。調制波形如圖3-8所示。圖3-7 OOK調制電路圖3-8為OOK調制中三種波形的對比圖，最上面是使用移位寄存器模擬出來的二進制基帶信號波形，中間的波形是振蕩器產生的載波波形，最下面的波形是調制后的波形，可以看出碼元為1的地方載波信號被保留，碼元為0的地方載波信號被去除。 圖3-8 OOK調制波形3.2解調電路3.2.1帶通濾波器電路設計設計條件為，（這里）。

19、（選擇一個恰當的參數，結合電路設計和要求，選取500pF的電容）。設計計算如下： （3-2） （3-3） （3-4） （3-5）將，C，的數值代入上式中，可得，用根據式（2-2）和（2-3），可得到如下方程組： （3-6）解出上述方程組，可得到、的值。帶通濾波器電路如圖3-9所示，圖中R1=R2、C1=C2，通過調節(jié)R1、R2、C1、C2、R3可以改變帶通濾波器的帶寬和中心頻率。圖3-9 帶通濾波器電路3.2.2全波整流電路設計全波整流電路如圖3-10所示，該電路是一種基于運放的精密全波整流電路，由4個二極管組成。本電路設計中，R1=R2=R3=1K歐姆。工作原理：當輸入信號為負時，運放U1A

20、輸出為正，二極管D1導通，因此電路相當于反相比例放大器，又因為R1=R2，所以Vo=-Vi；當輸入信號為正時，運放U1B輸出為正，二極管D4導通。兩個運放出來的信號相加，從而達到全波整流的目的。該電路的優(yōu)點是匹配電阻少，只要求R1=R2。圖3-10 全波整流電路全波整流波形如圖3-11所示，圖中有兩個波形，下面的波形是整流之前的信號波形，上面的波形為整流之后的信號波形，通過觀察可以發(fā)現整流之后的波形是整流之前波形的下半部分向上翻轉疊加而成的，但最終的整流波形沒有理論的整流波形規(guī)則。 圖3-11 全波整流波形3.2.3低通濾波器設計有源二階低通濾波器電路如圖3-12所示，截止頻率為 （3-7）電

21、阻R1和電阻R2的阻值相同都是1K歐姆，電容C1和C2的容值相同都是10pF，芯片選擇NE5532P，代入截止頻率的計算公式可得二階低通濾波器的截止頻率約為15MHz。因為基帶信號是468.78KHz，所以二階低通濾波器的截止頻率為15MHz符合要求，能夠將調制信號中的高頻成分去掉，保留包含帶信號的低頻成分。圖3-12中電容C3、C4為電源濾波電容，能夠使電源電壓更加穩(wěn)定。電容C2、C1的快速充放電起到了包絡檢波的作用，其容值不能太大也不能過小。圖3-12 低通有源二階濾波器電路圖3-13為低通濾波器濾波前后的信號波形圖，上面的波形為全波整流后的信號，也就是低通濾波前的信號，下面的波形為低通濾

22、波器濾波后的波形，從圖中可以看見低通濾波后的波形非常接近基帶信號波形，但放大看，波形存在微小的波動，邊緣不規(guī)則，需要進一步整形。 圖3-13 低通濾波器濾波前后的波形3.2.4抽樣判決器設計選用常用的電壓比較芯片LM339構成電壓比較器電路，通過調節(jié)電位器R11的阻值改變判決電壓的大小，當輸入信號的電壓大于判決電壓時，輸出為高電位，當輸入信號的電壓小于判決電壓時，輸出為低電位。抽樣判決的芯片選用SN74HC74N。當時鐘信號為上升沿時，輸出信號與輸入信號相同，并且在下一個上升沿到來前，輸出信號保持不變。抽樣判決器電路如圖3-14所示，電阻R1為滑動變阻器，滑片位于中間位置，所以判決電壓為2.5

23、V。當信號電壓值大于2.5V時判為“1”，當信號值小于2.5V時判為“0”。圖3-14 抽樣判決電路抽樣判決前后的波形如圖3-15所示,下方波形是判決前的波形，存在微小的抖動，波形不規(guī)則。上方波形是判決后的波形，波形平直規(guī)則，與基帶信號波形相同。圖3-15 抽樣判決前后的波形3.2.5解調電路設計OOK解調電路圖如圖3-16所示。最左端是帶通濾波器，R8到R12為全波整流電路，R13到比較器之前為低通濾波器，最右端是抽樣判決電路。通過四個模塊電路的首尾連接構成了OOK的解調電路。圖3-16 OOK解調電路3.3結論與建議OOK調制解調電路由于各個器件等原因，基帶信號碼元速率不能太高，開關器件實

24、現OOK沒有乘法器的效果好。優(yōu)點是OOK調制解調電路簡單易于實現，抗干擾能力強，信噪比較高，適合用于低速通信，被廣泛運用在短距離遙控電路中。設計時應選用最便宜器件實現，并選用簡單的設計方案，保證調制解調質量，進一步降低設計成本，爭取設計出最優(yōu)異的的OOK調制解調電路。仿真中時鐘電路使用時鐘發(fā)生器代替，且電源也是使用現有電源代替，不屬于一個完整的調制解調電路，建議增加設計時鐘發(fā)生電路和電源電路，并設計PCB圖，完成實物制作，使本次設計具有實用性，增加學生的綜合設計能力和動手能力。心得體會通信系統(tǒng)綜合訓練是通信工程教學環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，要求學生靈活運用所學專業(yè)知識對無線通信系統(tǒng)進行設計。OOK調制

25、解調電路設計首先需要有明確的設計步驟，有了明確的設計步驟設計才能順利進行，設計周期才能縮短。此次通信系統(tǒng)綜合訓練首先要熟悉OOK調制解調原理，熟悉原理之后對系統(tǒng)設計進行分析，確定調制電路和解調電路中所需要的電路模塊，設計好的各個模塊電路通過簡單有序的連接就能組成完整的OOK調制解調電路。為了設計出更簡單、性能更優(yōu)異的電路，需要對各個模塊擬定各種能夠實現的設計方案，根據器件的大小、性能、價格、實現難易程度等選擇最佳設計方案，根據最佳方案設計相應的模塊電路，并對各個模塊電路進行單獨仿真測試，以使各模塊電路的性能達到最佳，減少整機調試中出現的錯誤。最后，連接好各個模塊電路對整個系統(tǒng)進行測試分析并調試，提高系統(tǒng)的抗噪聲性能和減少誤碼率，使設計的通信系統(tǒng)電路能夠用于實際通信設備中。通過三周緊張有序的通信系統(tǒng)綜合訓練，使我對通信系統(tǒng)有了新的認識，加深了對專業(yè)知識的掌握，并