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延边大学本科毕业设计说明书延边大学本科毕业设计说明书二〇〇八
延边大学
本科毕业设计说明书
二〇〇八年十二月
摘要
处于数字情报时代的今天,获得情报的方式有很多种。
例如,通过报刊,因特网等。
但是大部分都是通过计算机网络来实现。
其中,务必会涉及到信息的传输与接收。
数字信号的传输,通常分为基带传输和频带传输两种。
由消息转换过来的原始信号所固有的频带称为基本频带(简称基带)。
不搬移基带信号的频谱或只经过简单的频谱变换进行传输的方式。
叫做基带传输。
将基带信号的频谱搬移到某个载频频带,再进行传输的方式叫做频带传输
在数字信号的基带传输系统中,为了使数字基带信号能够在信道中传输,要求信道具有低通形式的传输特性。
但在实际信道中,许多信道具有带通传输特性,数字基带信号不能直接在这种信道中传输,因此,必须用数字基带信号对载波进行调制,产生各种已调数字信号。
用数字基带信号改变正弦型载波的幅度,频率或相位中的某个参数,产生相应的数字振幅调制,数字频率调制和数字相位调制。
振幅键控(ASK,AmplitudeShiftKeying)也称开关键控,它是用单极性二进制信号键控正弦载波的通与断。
它与用单极性二进制信号对载波进行AM调制等效。
先使用555集成电路来产生方波,产生的方波可以用傅立叶级数展开,通过计算可获得截止频率,并以此来设计低通滤波器。
方波通过滤波器后变成正弦波。
把产生的正弦波与我们所要传输的信息通过模拟开关就是本次论文所要的振幅键控。
关键字:
基带传输;频带传输;载波;振幅键控;傅立叶级数
Abstract
Todayinthedigitalinformationage,accesstoinformationinmanyways.Forexample,throughthepress,theInternetandsoon.However,mostofthemareachievedthroughcomputernetworks.Amongthem,besuretoinvolvethetransmissionandreceptionofinformation.
Basebandinthedigitalsignaltransmissionsystem,inordertomakethedigitalbase-bandsignalcanbetransmittedinthechannelrequirechannellow-passformoftransmissioncharacteristics.Butintheactualchannel,andmanychannelshaveaband-passtransmissioncharacteristic,thedigitalbasebandsignalcannotbedirectlytransmittedinthischannel,therefore,mustbedigitalbasebandsignalmodulatedcarriertoproduceavarietyofmodulateddigitalsignals.Withthedigitalbasebandsignaltochangethesinusoidalcarrieramplitude,frequencyorphaseofaparametertoproducecorrespondingdigitalamplitudemodulation,digitalfrequencymodulationanddigitalphasemodulation.
Amplitudeshiftkeying(ASK,AmplitudeShiftKeying),alsoknownasOn-OffKey,whichiskeyedwiththeunipolarbinarysignalsinusoidalcarrierpassandoff.ItiswiththecarrierwiththeunipolarbinarysignalequivalenttoAMmodulation.
Firstuseof555ICtogeneratesquarewave,squarewavecanbegeneratedbyFourierseriesexpansion,bycalculatingtheavailabilityofcut-offfrequency,andthustodesignalow-passfilter.Afterthesquarewaveintoasinewavethroughthefilter.Togeneratesinewaveandwewanttotransferinformationthroughtheanalogswitchisinthispapertobetheamplitudeshiftkeying.
Keywords:
base-bandtransmission;bandtransmission;carrier;amplitudeshiftkeying;Fourierseries
目录
引言................................................................1
第一章数字调制.....................................................2
1.1数字调制概述................................................21.2 调制方式...................................................3
1.2.1幅移键控(ASK,AmplitudeShiftKeying)...............4
1.2.2FSK频移键控(FrequencyShiftKeying)................5
1.2.3PSK相移键控(PhaseShiftKeying)....................6
第二章幅移键控(ASK,AmplitudeShiftKeying)生成原理..............9
2.1方波生成原理................................................9
2.1.1555时基集成电路概要.................................9
2.1.2555时基集成电路生成方波原理........................10
2.2二阶有源低通滤波器的设计原理...............................12
2.2.1方波博立叶级数展开..................................12
2.2.2二阶有源低通滤波器的设计原理........................14
第三章振幅键控(ASK,AmplitudeShift-Keying)设计..................15
3.1方波.......................................................15
3.2二阶有源低通滤波器设计....................................16
3.3振幅键控(ASK,AmplitudeShift-Keying)生成................18
结论..............................................................19
参考文献...........................................................20
附录...............................................................21
谢辞...............................................................24
引言
处于数字情报时代的今天,获得情报的方式有很多种。
例如,通过报刊,因特网等。
但是大部分都是通过计算机网络来实现。
其中,务必会涉及到信息的传输与接收。
数字信号的传输,通常分为基带传输和频带传输两种。
由消息转换过来的原始信号所固有的频带称为基本频带(简称基带)。
不搬移基带信号的频谱或只经过简单的频谱变换进行传输的方式叫做基带传输。
将基带信号的频谱搬移到某个载频频带,再进行传输的方式叫做频带传输。
在数字信号的基带传输系统中,为了使数字基带信号能够在信道中传输,要求信道具有低通形式的传输特性。
但在实际信道中,许多信道具有带通传输特性,数字基带信号不能直接在这种信道中传输,因此,必须用数字基带信号对载波进行调制,产生各种已调数字信号。
与模拟调制相同,可以用数字基带信号改变正弦型载波的幅度,频率或相位中的某个参数,产生相应的数字振幅调制,数字频率调制和数字相位调制,也可以用数字基带信号同时改变正弦型载波的幅度,频率或相位中的某几个参数,产生新型的数字调制。
振幅键控(ASK,AmplitudeShiftKeying)也称开关键控,它是用单极性二进制信号键控正弦载波的通与断。
它与用单极性二进制信号对载波进行AM调制等效。
第一章数字调制
1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制(PCM)的概念,从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了,但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。
随着时代的发展,用户不再满足于听到声音,而且还要看到图像;通信终端也不局限于单一的电话机,而且还有传真机和计算机等数据终端。
现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。
1.1数字调制概述
“调制”是用模拟信号承载数字或模拟数据。
“调制”与“解调”才是完全相反的两个过程。
模拟通信中可采用调幅、调频、调相等多种调制方式来调制信号;在数字通信中,数字数据通常采用:
幅移键控(AmplitudeShiftKeying,ASK)、频移键控(FrequencyShiftKeying,FSK)、相移键控(PhaseShiftKeying,PSK)这三种调制方式。
数字信号的载波调制是信道编码的一部分,之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制,未经处理的数字信号源不能适应这些限制。
由于传输信道的频带资源总是有限的,因此在充分得利用现有资源的前提下,提高传输效率就是通信系统所追求的最重要指标之一。
模拟通信很难控制传输效率,最常见到的单边带调幅(SSB)或残留边带调幅(VSB)可以节省近一半的传输频带。
由于数字信号只有“0”和“1”两种状态,所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关键控制载波的过程,因此数字信号的调制方式一般均为较简单的键控方式。
常用的数字调制技术有2ASK(AmplitudeShiftKeying,幅移键控)、4ASK、8ASK、BIT/SK(PhaseShiftKeying,相移键控)、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等,频带利用率从1bit/s/Hz~3bit/s/Hz。
更有将幅度与相位联合调制的QAM(QuadratureAmplitudeModulation,正交振幅调制)技术,目前数字微波中广泛使用的256QAM,其频带利用率可达8bit/s/Hz,8倍于2ASK或BIT/SK。
此外,还有可采用减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术,为某些专门应用环境提供了强大的工具。
近年来,四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展,并已应用于高速MODEM中,为进一步提高传输效率奠定了基础。
总之,数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信,调制技术的种类也远远多于模拟通信,大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。
1.2 调制方式
数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。
所用载波一般是余弦信号,调制信号为数字基带信号。
利用基带信号去控制载波的某个参数,就完成了调制。
调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。
其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上,即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。
数字信号只有几个离散值,因此调制后的载波参数也只有有限个值,类似于用数字信息控制开关,从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量,为此把数字信号的调制方式称为“键控”。
数字调制分为调幅、调相和调频三类,分别对应“幅移键控”(ASK)、“相移键控”(PSK)和“频移键控”(FSK)三种数字调制方式。
在“幅移键控”方式中,当“1”出现时接通振幅为A的载波,“0”出现时关断载波,这相当于将原基带信号(脉冲列)频谱搬到了载波的两侧。
如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号,就是“频移键控”的方法,当“1”出现时是低频,“0”出现时是高频。
这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控。
如果用“0”和“1”来改变载波的相位,则称为“相移键控”。
这时在比特周期的边缘出现相位的跳变,但在间隔中部保留了相位信息。
接收端解调通常在其中心点附近进行。
一般来说,PSK系统的性能要比开关键控FSK系统好,但必须使用同步检波。
调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行调制,其基本公式如下:
载波S(t)=Acos(ωt+ψ)
S(t)的参量包括:
幅度A、频率ω、初相位ψ,调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。
其中ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1;FSK调制方式是用载波的两个不同频率表示0和1;而PSK调制方式是用载波的起始相位的变化表示0和1。
根据传输信号是二进制信号还是多进制信号和对载波的哪个参数进行调制,可以把数字频带传输分为:
二进制、多进制数字振幅键控(ASK)
二进制、多进制数字频移键控(FSK)
二进制、多进制数字相移键控(PSK)
二进制、多进制差分相移键控(DPSK)
除上面所述的二相位、二频率和二幅度系统外,还可以采用各种多相位、多振幅和多频率的方案。
在DVB系统中卫星传输采用QPSK,有线传输采用QAM方式,地面传输采用COFDM(编码正交频分复用)方式。
但ASK、PSK和FSK这三种数字调制方式仍是最主要的,所以本节要对这三种调制技术,以及上面提到的QAM调制技术分别进行具体介绍。
1.2.1幅移键控(ASK,AmplitudeShiftKeying)
“幅移键控”又称为“振幅键控”,记为ASK。
也有称为“开关键控”(通断键控)的,所以又记作OOK信号。
ASK是一种相对简单的调制方式。
幅移键控(ASK)相当于模拟信号中的调幅,只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已。
幅移就是把频率、相位作为常量,而把振幅作为变量,信息比特是通过载波的幅度来传递的。
二进制振幅键控(2ASK),由于调制信号只有0或1两个电平,相乘的结果相当于将载频或者关断,或者接通,它的实际意义是当调制的数字信号为“1”时,传输载波;当调制的数字信号为“0”时,不传输载波。
原理如图1所示,其中s(t)为基带矩形脉冲。
一般载波信号用余弦信号,而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列,而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘,就可以把频谱搬移到载波频率附近,实现2ASK。
实现后的2ASK波形如图2所示。
图1
图2
1.2.2FSK频移键控(FrequencyShiftKeying)
所谓FSK就是用数字信号去调制载波频率,是数字信号传输中用的最早的一种调制方式。
此方式实现起来比较容易,抗噪声和抗衰减性能好,稳定可靠,是中低速数据传输最佳选择。
频移就是把振幅、相位作为常量,而把频率作为变量,通过频率的变化来实现信号的识别,原理如图1所示。
在FSK中传送的信号只有0和1两个,而在M-FSK中则通过M个频率代表M个符号。
输出后的2FSK波形如图2所示。
图1
图2
1.2.3PSK相移键控(PhaseShiftKeying)
在PSK调制时,载波的相位随调制信号状态不同而改变。
如果两个频率相同的载波同时开始振荡,这两个频率同时达到正最大值,同时达到零值,同时达到负最大值,此时它们就处于“同相”状态;如果一个达到正最大值时,另一个达到负最大值,则称为“反相”。
一般把信号振荡一次(一周)作为360度。
如果一个波比另一个波相差半个周期,我们说两个波的相位差180度,也就是反相。
当传输数字信号时,“1”码控制发0度相位,“0”码控制发180度相位。
PSK相移键控调制技术在数据传输中,尤其是在中速和中高速的数传机(2400bit/s~4800bit/s)中得到了广泛的应用。
相移键控有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。
我们主要讨论二相和四相调相,在实际应用中还有八相及十六相调相。
PSK也可分为二进制PSK(2PSK或BIT/SK)和多进制PSK(MPSK)。
在这种调制技术中,载波相位只有0和π两种取值,分别对应于调制信号的“0”和“1”。
传“1“信号时,发起始相位为π的载波;当传“0”信号时,发起始相位为0的载波。
2PSK的调制原理如图1所示。
由“0”和“1”表示的二进制调制信号通过电平转换后,变成由“–1”和“1”表示的双极性NRZ(不归零)信号,然后与载波相乘,即可形成2PSK信号,如图2所示。
图1
图2
第二章幅移键控生成原理
先使用555集成电路来产生方波,产生的方波可以用傅立叶级数展开,通过计算可获得截止频率,并以此来设计低通滤波器。
方波通过滤波器后变成正弦波。
把产生的正弦波(即载波)与我们所要传输的信息通过模拟开关就是我们所要的振幅键控。
2.1方波生成原理
2.1.1555时基集成电路概要
555时基集成电路是数字集成电路,是由21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻组成的定时器,有分压器、比较器、触发器和放电器等功能的电路。
它具有成本低、易使用、适应面广、驱动电流大和一定的负载能力。
在电子制作中只需经过简单调试,就可以做成多种实用的各种小电路,远远优于三极管电路。
555时基电路国内外的型号很多,如国外产品有:
NE555、LM555、A555和CA555等;国内型号有5GI555、SL555和FX555等。
它们的内部结构和管脚序号都相同,因此,可以直接互相代换。
但要注意,并不是所有的带555数字的集成块都是时基集成电路,如MMV555、AD555和AHD555等都不是时基集成电路。
常见的555时基集成电路为塑料双列直插式封装(见下图),正面印有555字样,左下角为脚①,管脚号按逆时针方向排列
555时基集成电路各管脚的作用(详细请参考附录):
脚
功能
脚
功能
脚①
公共地端为负极
脚⑤
用来调节比较器的基准电压,简称控制端VC,不用时可悬空,或通过0.01μF电容器接地
脚②
低触发端TR,低于1/3电源电压以下时即导通
脚⑥
高触发端TH,也称阈值端,高于2/3电源电压发上时即截止
脚③
输出端V,电流可达2000mA
脚⑦
放电端DIS
脚④
强制复位端MR,不用可与电源正极相连或悬空
脚⑧
电源正极VC
2.1.2555生成方波原理
555集成回路,在它的输入端与地之间连接一只电容器C,再在输出(3脚)端与输入端(2脚或6脚)之间连接一只反馈电阻RT,就构成了一个直接反馈式555多谐振荡电路,如下图。
下面介绍直接反馈式555多谐振荡电路的工作过程,其工作过程及波形如下图。
(1)电容C上电压为零。
在接通电源瞬间,由于电容上的电压不会突变,故C上的电压为零,对555等效触发器来说,等效与VR=0,VS=0,故而使输出端为高电平,即VO=1。
于是电源电压通过内阻R01等效输出开关SAQ555电路3脚反馈电阻RT,对电容C进行充电,充电通路如图1(a)所示。
电容C上电压增长的规律如图1(c)中VC(t)曲线的a---b段。
(2)电容C上电压上升至阈值电压VT+
随着不断的充电,当电容C上的电压上升至大于阈值电压,既VT+>(2/3)Vcc时,等效R-S触发器的输入为VR=1,VS=1,输出端就会从高电瓶翻转为低电瓶:
VO=0。
于是,电容C上所充的电荷又通过反馈电阻RT等效输出开关SAQ内阻R02地,进行放电,放电通路如图1(b)中虚线箭头走向所示。
此时,电容C上电压下降的规律曲线如图1(c)中VC(t)曲线的b---c段。
(3)电容C上电压下降至低于阈值电压VT-
随着电容的不断放电,当电容C上电压逐渐下降至低于阈值电压,即VT-<(1/3)Vcc时,输入又变为VR=0,VS=0,输出又翻转为高电瓶:
VO=1。
于是电源电压又开始对电容C进行充电,重复图1(a)的充电过程,电容C的充电曲线如图1(c)中VC(t)曲线的c---d段。
(4)电容C上电压上升至大于阈值电压VT+
随着电容的充电,电容C上的电压又上升到大于VT+时,就会重复图1(b)的放电过程。
由于施密特触发器有2个不同的阈值电压,所以电容在2个阈值电压之间交替地充电和放电,循环不停,它的输出电压就成为一串连续的矩形脉冲,如图1(c)中VO的波形。
(5)充放电时间常数
在555时基集成电路的内部,其输出的内电阻值R01与R02是很小的,与RT反馈电阻值相比,可以忽略不计,充电时的暂稳态时间t1和放电时的暂稳态时间t2及T,f分别为:
式中,RT的单位为Ω,C的单位为F,T的单位为s,f的单位为Hz。
例如:
RT=68KΩ,C=0.01μF则:
F=0.722/68*103*0.01*10-6=1kHz
2.2低通滤波器的设计原理
2.2.1方波博立叶级数展开
博立叶级数可表示为如下,
设函数f(x)周期为
的周期函数,它在[-
,
]的表达式为:
展开成博立叶级数,可得
博立叶级数为:
2.2.2二阶有源低通滤波器的设计原理
在这里我们用Sallen-Key二阶有源低通滤波器来设计我们的低通滤波器。
如下图
先设正反馈上的两个电阻,两个电容各相等。
品质因数表明了滤波器通带的状态。
一般要求Q=0.707。
由此可以得到
截止频率w0=w =1/RC,即
fc=1/2pi*RC
小结:
方波经过低通滤波器后,就会生成我们所需要的载波(正弦波),我们把此载波与我们所需要传输的数字信号输入至模拟开关,就会生成我们所需要的振幅键控(ASK,AmplitudeShift-Keying)。
第三章振幅键控(AmplitudeShift-Keying)设计
3.1方波
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