OOK调制解调电路的设计 - 图文

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实践教学

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题 目：专业班级：姓 名：学 号：指导教师：成 绩：

兰州理工大学

计算机与通信学院

2015年秋季学期

通信系统综合训练

OOK调制解调电路的设计 通信工程12级１班

122501

摘要

OOK（On-Off Keying）为二进制开关键控，调制原理是通过二进制序列控制开关器件开闭来控制载波的通过，从而使二进制信号加载到载波上。它是一种成本低且最容易实现的调制方式，被广泛应用于各种场合，但其缺点是传输效率太低和无法满足高速的传输。通过Multisim对OOK调制解调电路进行仿真，解调方式采用非相干解调，主要设计部分为载波发生电路、带通滤波器、包络检波器、低通滤波器和抽样判决器。通过仿真发现电路的错误和不足之处，再进行优化以达到最佳。 关键词：OOK

调制 非相干解调Multisim I

目录

摘要 ...................................................................................................................................................... I 前言 ...................................................................................................................................................... 1 一、基本原理 ...................................................................................................................................... 2

1.1调制原理 ................................................................................................................................. 2 1.2解调原理 ................................................................................................................................. 2 二、系统分析 ...................................................................................................................................... 4

2.1调制电路分析 ......................................................................................................................... 4

2.1.1基带信号模拟发生器 ................................................................................................... 4 2.1.2载波发生器 ................................................................................................................... 4 2.1.3开关电路 ....................................................................................................................... 5 2.2解调电路分析 ......................................................................................................................... 5

2.2.1带通滤波器 ................................................................................................................... 5 2.2.2全波整流电路 ............................................................................................................... 7 2.2.3低通滤波器 ................................................................................................................... 7 2.2.4抽样判决器 ................................................................................................................... 7

三、系统设计 ...................................................................................................................................... 8

3.1调制电路 ................................................................................................................................. 8

3.1.1基带信号发生电路设计 ............................................................................................... 8 3.1.2载波发生器电路设计 ................................................................................................... 9 3.1.3调制电路设计 ............................................................................................................. 10 3.2解调电路 ............................................................................................................................... 11

3.2.1带通滤波器电路设计 ................................................................................................. 11 3.2.2全波整流电路设计 ..................................................................................................... 11 3.2.3低通滤波器设计 ......................................................................................................... 12 3.2.4抽样判决器设计 ......................................................................................................... 13 3.2.5解调电路设计 ............................................................................................................. 14 3.3结论与建议 ........................................................................................................................... 15 心得体会 ............................................................................................................................................ 16 参考文献 ............................................................................................................................................ 17 致谢 .................................................................................................................................................... 18 附录 .................................................................................................................................................... 19

II

前言

通信技术发展迅速，如今调制方式众多，完全能够满足不同领域不同要求的通信要求。其中振幅键控（ASK:Amplitude Shift Keying）中的二进制振幅键控（2ASK）实现较为方便，成本也低。2ASK信号的产生可以通过乘法器和开关器件来实现，通过开关器件产生2ASK信号的调制称为OOK，由于开关器件的开闭速率不是很高，因此不能满足高效率和高速率的信号传输。OOK调制解调电路的结构简单，实现容易，价格便宜，被广泛应用于短距离遥控装置和无线信号灯系统等领域。

用Multisim软件对OOK调制解调电路进行仿真，主要设计部分为载波发生电路、带通滤波器、包络检波器、低通滤波器和抽样判决器。调制速率为30Mb/s，解调方式采用非相干解调，非相干解调法又称为包络检波法，是利用包络检波器或波形整流器对振幅键控信号进行检波以恢复基带信号的方法。包络检波器由于电路简单、检波效率高、稳定性好、价格便宜等优点，应用的较为广泛。但对于高速的数字传输系统，由于码元较窄，无明显的包络，则无法利用包络检波法，必须应用相干解调法。

1

一、基本原理

1.1调制原理

开关键控（OOK）原理如图1-1所示。开关电路受基带信号m(t)的控制。当m(t)信号为“1”时，载波f(t)通过开关电路，即s(t)?f(t)；当m(t)信号为“0”时，开关接地，f(t)输出为“0”，即s(t)?0。OOK调制过程中f(t)、m(t)和s(t)的波形如图1-2所示。

开关电路

f(t)

载波发生器 s(t)

m(t)

图1-1 OOK调制原理图

0 1 0 0 1 tm(t)

tf(t)

t s(t)

图1-2 调制过程中信号波形

1.2解调原理

非相关解调法又称为包络检波法，是利用包络检波器或波形整流器对幅度键控信号进行检波以恢复基带信号的方法，其原理框图如图1-3所示。系统中带通滤波器用来抑制噪声，抽样判决器用于提高接收机性能，恢复基带信号。简单的包络检波器电路如图1-4所示，它是利用二极管单向导电性及电容的充、放电来实现检波的。当载波信号为正半周时，VD导通，电容充电，电容电压迅速上升至输入信号峰值；当输入信号下降，由于电容电压大于输入信号，使VD反偏截止，电容通过电阻R缓慢放电。当下一个正半周期时，输入信号大于电容电压使VD再次导通，并对电容充电至峰值，如此反复，其波形示意如图1-5所示。此时，电容电压具有与载波频率相同的波纹，可通过低通滤波器滤除。

包络检波器由于电路简单、检波效率高、稳定性好、价格便宜等优点，应用得较为广泛。但对于高速的数字传输系统，由于码元较窄，无明显的包络，则必须应用相干解调法。

2

输入 已调信号 带通 滤波器 包络 检波器 低通 滤波器 定时 脉冲

输出 基带信号 抽样 判决器 图1-3 OOK解调原理框图

VD s(t) C R m (t)

图1-4 简易包络检波器电路图

s(t) 01 0 0 1 t

图1-5 OOK解调波形示意图 载波后 t

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二、系统分析

OOK系统主要分为调制部分和解调部分，调制部分有基带信号发生器、载波发生器、开关电路三部分，解调部分有全波整流器、低通滤波器、抽样判决器三部分，如果噪声干扰严重需要加上带通滤波器抑制噪声；要求载波发生器的频率有较高的精度，由于使用开关电路，码元速率不能太高。

2.1调制电路分析

调制电路主要由基带信号发生器、载波发生器和开关电路组成，分别对这三部分的性能和参数进行分析，得出最佳设计方案。 2.1.1基带信号模拟发生器

由于本次课题为计算机设计与仿真，采用Multisim真OOK电路。Multisim中不存在基带信号发生器，很多仿真用时钟发生器代替，但时钟波形“0”和“1”的比例和间隔都是一样的，实际中的基带信号具有一定的随机性。所以需要设计一个基带信号模拟发生器电路来模拟真实的基带信号。在Multisim中可以采用移位寄存器74LS194N和异或门74LS86N来设计基带信号模拟发生器。 2.1.2载波发生器

载波发生器采用正弦波电路，在正弦波振荡器中，主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡电路等几种。这几种电路，以石英晶体振荡器的频率最稳定，LC电路次之，RC电路最差。RC振荡器的工作频率较低，频率稳定度不高，但电路简单，频率变化范围大，常在低频段中应用。因而不能使用RC振荡电路，石英晶体振荡电路只有串联和并联两种电路，而且电路调试困难。LC振荡电路有变压器反馈式LC振荡器，电路易起振，振荡频率一般为几千Hz至几百千Hz。电感反馈式LC振荡器电路易起振且起振振幅大，振荡频率高达几十兆Hz，但其振荡波形的失真度也较大。电容反馈式LC振荡器又称为电容三点式振荡器，该电路的输出波形好，失真度较小，振荡频率高达100MHz，但其频率范围较小。综上所述，选择最后一种中的西勒振荡电路较为合适。西勒电路如图2-1所示，RL为负载电阻。其中心频率计算公式见式2-1。

图2-1 西勒振荡电路

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f0?1??C1C2C3?2?L??C4??CC?CC?CC2313?12??1 （2-1）

2?L(C3?C4)2.1.3开关电路

开关电路是OOK调制电路的核心部分，采用CD4066四双向模拟开关芯片实现开关电路，CD4066主要用作模拟或数字信号的多路传输。CD4066 的每个封装内部有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。

2.2解调电路分析

2.2.1带通滤波器

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。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带(bandpass，允许通过的频带)，同时限制所有通带外频率的波通过。但是实际上，没有真正意义的理想带通滤波器。真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率信号，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率(roll—of)。滚降斜率通常用dB度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。OOK解调电路中的带通滤波器主要作用是抑制噪声，对后续信号处理电路提供平滑的波形。

带通滤波器的中心频率f0和带宽BW之间的关系为：

Q?f0f0 （2-2） ?BWfH?fLf0?fHfL （2-3）

带通滤波器的电路形式有很多，这里以无限增益多反馈环型滤波器为例，介绍带通滤波器的设计和仿真过程。图2-2为无限增益多反馈环型滤波器的二环典型电路。

I4 Y4 I5 Y5 I3 I1 Y1 Y3 Y3 I2 A 5

图2-2 多反馈二环滤波器典型电路

在设计有源滤波器时，一般的设计步骤如下：

1．根据传递函数设计：根据对滤波器特性的要求，设计某种类型的n阶传递函数，再将n阶传递函数分解为几个低阶(如一阶、二阶或三阶)传递函数乘积的形式。

2．电路设计：按各个低阶传递函数的设计要求，设计和计算有源滤波器电路的基本节点。首先选择电路形式，再根据所设计的传递函数，设计和计算相应的元件参数值。

3．电路装配和调试：先设计和装配好各个低阶滤波器电路，再将各个低阶电路级联起来，组成整个滤波器电路。对整个滤波器电路进行相应的调整和性能测试，检验设计结果。

对于图2-2所示的多反馈二环典型电路，可以恰当的选择Yi的参数，构成低通、高通、带通和带阻等滤波器。只要Yi的参数由如下表达式选择时，就可构成带通滤波器。

Yi参数的表达式如下：

Y1?111，Y2?，Y3?sC3，Y4?sC4，Y5? （2-4） R1R2R5将以上各表达式代入传递函数表达式

G(s)?Uo(s)?Y1Y3 （2-5） ?Ui(s)Y5(Y1?Y2?Y3?Y4)?Y3Y4这可得到多反馈环型带通滤波器的传递函数为：

?G(s)?sR1C4111111s2?(?)?s?(?)R5C3C4C3C4C5R1R2 （2-6）

由式(2-4)和(2-6)可组成如图2-3所示的多环有源带通滤波器电路。

此多环有源带通滤波器的特性参数如下：

G0?1R1C(1?4)R5C3 （2-7）

?0???111(?) （2-8）

R5C3C4R1R2CC41(3?) （2-9） CC1143R5(?)R1R21?Q6

图2-3 有源带通滤波器电路

2.2.2全波整流电路

全波整流电路要求整流后振幅衰减不大，如果衰减过大则需另加放大电路，这样比较麻烦，且增大了电路的规模。所以采用含运放的全波整流电路较为合适，NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。使用NE5532和整流二极管设计全波整流电路既能起到整流作用又能起到放大作用，且噪声低。 2.2.3低通滤波器

低通滤波器是包络检波器的重要组成部分，它使全波整流后频率较高的波形变成频率等于码元速率且包络近似基带波形的波形。下一步就是通过比较器整形，使解调的波形与基带信号波形相同。低通滤波器采用有源二阶低通滤波器，使用NE5532作为有源二阶低通滤波器的运放。 2.2.4抽样判决器

抽样判决器是OOK解调器的最后一部分，也是整个OOK系统的最后一部分。首先使用电压比较器LM339对波形进行整形，然后使用SN74HC74N对信号进行抽样判决。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；

2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V； 3）对比较信号源的内阻限制较宽； 4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；

5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压； 6）输出端电位可灵活方便地选用。

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三、系统设计

3.1调制电路

3.1.1基带信号发生电路设计

工作原理如图3-1所示。在移位寄存器中值初值1010，经过模二加移位可得到二进制序列。

图3-1 信号序列发生器

基带信号发生电路图如图3-2所示。首先，开关S1是闭合的，即S0S1=10，当开关S1断开时，S0S1=11，此时74LS194N开始植入初值ABCD=1010；当开关S1再次闭合时，74LS194开始工作，QCQD中的值经过异或门74LS86N送入SR右移，右移产生连续的序列0101 1110 0010 011，通过示波器XSC1能够观察到输出的二进制序列。

图3-2 二进制信号序列发生器电路

通过观察发现波形正是序列0101 1110 0010 011的循环，如图3-3所示。从图中可以看到刻度为5V/Div，5V代表“1”，0V代表“0”。

图3-3 二进制序列波形

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3.1.2载波发生器电路设计

西勒振荡电路是另一种改进型电容三点式振荡器如图3-4所示。电容C2、C3、C4的取值原则同克拉泼振荡电路。它与克拉泼振荡电路的不同点仅在于回路电感L两端并联一个可变电容C6。这种电路同样具有频率稳定度高的显著特点。通过图3-4中的XFC1和XSC1能够观察到西勒振荡电路的频率和波形。

f0?1??C2C3C4?2?L??C6??CC?CC?CC3424?23??1?30MHz （3-1）

2?L(C4?C6)经计算得L?150nH，C4?10?F， C6?17.5pF。

图3-4中R1、R2、R3、R4、R5、C1、C2和2N2222A元件所在电路为放大器电路，C2、C3、C4、C6、L2所在电路为选频电路，微调C6和L2可以使振荡频率更精准。电阻R6为负载。

图3-4 西勒振荡电路

图3-5为频率计数器显示的振荡器产生的波形频率30MHz。

图3-5 振荡电路频率

图3-6为振荡器产生的波形图，由图可见波形峰值大于5V。

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图3-6 振荡电路波形

3.1.3调制电路设计

OOK调制电路如图3-7所示，载波信号接入MC74HC4066D的1A脚，二进制序列信号接入MC74HC4066D的1EN脚，载波信号与二进制序列信号经过MC74HC4066D作用后从1Y脚输出。调制波形如图3-8所示。

图3-7 OOK调制电路

图3-8为OOK调制中三种波形的对比图，最上面是使用移位寄存器模拟出来的二进制基带信号波形，中间的波形是振荡器产生的载波波形，最下面的波形是调制后的波形，可以看出码元为1的地方载波信号被保留，码元为0的地方载波信号被去除。

图3-8 OOK调制波形

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3.2解调电路

3.2.1带通滤波器电路设计

设计条件为G0?1，??0.5，?0?2??3?107（这里f0?30MHz）。C1?C4?C（选择一个恰当的参数，结合电路设计和要求，选取500pF的电容）。 设计计算如下：

Q?

1

? （3-2）

1R1?G0?0C? （3-3）

R2?(211 （3-4）

?2?G0)?0C?R3?1 （3-5） ?0C?将G0，C，?，?0的数值代入上式中，可得，Q?2，R1?10.6?，R2?10.6?，R3?21.2? 用根据式（2-2）和（2-3），可得到如下方程组：

?3?107?fH?fL?1.5?107?2? （3-6） fH?fL???14ff?9?10?HL?3?107?ffHL?解出上述方程组，可得到fH、fL的值。带通滤波器电路如图3-9所示，图中R1=R2、C1=C2，通过调节R1、R2、C1、C2、R3可以改变带通滤波器的带宽和中心频率。

图3-9 带通滤波器电路

3.2.2全波整流电路设计

全波整流电路如图3-10所示，该电路是一种基于运放的精密全波整流电路，由4个二极管组成。本电路设计中，R1=R2=R3=1K欧姆。工作原理：当输入信号为负时，运放U1A输出为正，二极管D1导通，因此电路相当于反相比例放大器，又因为R1=R2，所以Vo=-Vi；

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当输入信号为正时，运放U1B输出为正，二极管D4导通。两个运放出来的信号相加，从而达到全波整流的目的。该电路的优点是匹配电阻少，只要求R1=R2。

图3-10 全波整流电路

全波整流波形如图3-11所示，图中有两个波形，下面的波形是整流之前的信号波形，上面的波形为整流之后的信号波形，通过观察可以发现整流之后的波形是整流之前波形的下半部分向上翻转叠加而成的，但最终的整流波形没有理论的整流波形规则。

图3-11 全波整流波形

3.2.3低通滤波器设计

有源二阶低通滤波器电路如图3-12所示，截止频率为

1f? （3-7）

3?3.14?R?C电阻R1和电阻R2的阻值相同都是1K欧姆，电容C1和C2的容值相同都是10pF，芯片选择NE5532P，代入截止频率的计算公式可得二阶低通滤波器的截止频率约为15MHz。因为基带信号是468.78KHz，所以二阶低通滤波器的截止频率为15MHz符合要求，能够将调制信号中的高频成分去掉，保留包含带信号的低频成分。

图3-12中电容C3、C4为电源滤波电容，能够使电源电压更加稳定。电容C2、C1的快速充放电起到了包络检波的作用，其容值不能太大也不能过小。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1zbr.html