2DPSK解調(diào)電路的研究與設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1目錄一、二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）基本原理 21.12DPSK信號(hào)基本原理 21.22DPSK信號(hào)的解調(diào)原理 4二、2DPSK解調(diào)電路總設(shè)計(jì)思路 5三、各單元電路模塊解析 53.1帶通濾波器模塊 53.2本地載波與2DPSK信號(hào)相乘模塊 63.3低通濾波器模塊 83.4抽樣判決模塊 93.5逆碼變換模塊 10四、2DPSK解調(diào)電路的仿真 124.12DPSK相干解調(diào)法的仿真電路圖 124.22DPSK相干解調(diào)法的仿真波形圖 13五、2DPSK解調(diào)總電路圖 14六、總結(jié)與心得體會(huì) 15附錄、參考文獻(xiàn) 16一、二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）基本原理1.12DPSK信號(hào)基本原理在傳輸信號(hào)中，2PSK信號(hào)和2ASK及2FSK信號(hào)相比，具有較好的誤碼率性能，但是，在2PSK信號(hào)傳輸系統(tǒng)中存在相位不確定性，并將造成接收碼元“0”和“1”的顛倒，產(chǎn)生誤碼。這個(gè)問(wèn)題將直接影響2PSK信號(hào)用于長(zhǎng)距離傳輸。為克服此缺點(diǎn)，并保存2PSK的優(yōu)點(diǎn)，將2PSK體制改進(jìn)為二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK），即相對(duì)相移鍵控。2DPSK是利用相鄰碼元載波的相對(duì)值表示基帶信號(hào)“0”和“1”的。現(xiàn)在用Ф表示載波的初始相位。設(shè)Ф為當(dāng)前碼元和前一碼元的相位之差：Ф=0發(fā)送“0”時(shí)（1-1）Ф=發(fā)送時(shí)則信號(hào)碼可以表示為：S（t）=cos(w0t+Ф+Ф)（1-2）式中，W0=2πf0為載波的角頻率：Ф為前一碼元的相位。下面以基帶信號(hào)111001101為例，說(shuō)明2DPSK信號(hào)的相位關(guān)系：基帶信號(hào)111001101111001101Ф初始相位Ф02DPSK碼元相位（Ф+Ф）由此例可知，對(duì)于相同的基帶輸入碼元序列，由于初始相位不同，碼元的相位可以不同。也就是說(shuō)，碼元的相位并不直接代表基帶信號(hào)；相鄰碼元的相位差才表示基帶信號(hào)。為了解決碼元定時(shí)問(wèn)題，可使當(dāng)前碼元的相位相對(duì)于前一碼元的相位改變QUOTE90度。因此，在相鄰碼元之間必定有相位突跳。在接收端檢測(cè)此相位突跳就能確定碼元的起止時(shí)刻。從接收端來(lái)看，若收到一個(gè)信號(hào)序列，其碼元相位為：，則此序列所代表的基帶信號(hào)有多種可能。若發(fā)送端采用的是2DPSK體制，且其初始相位為0，則此信號(hào)序列代表的基帶信號(hào)是111001101.但是，若發(fā)送端采用的是2PSK體制，符合規(guī)律。相位0代表“0”，則它代表的基帶信號(hào)是：101110110.這表明僅從接收信號(hào)看，它既可能是2PSK信號(hào)，也可能是2DPSK信號(hào)。只有接收端預(yù)先知道發(fā)送信號(hào)體制，才有可能正確接收。從這種現(xiàn)象中受到啟發(fā)，可以得到如下所述的在發(fā)送端產(chǎn)生2DPSK信號(hào)的一種間接方法。仍以上例為例，若待發(fā)送的基帶信號(hào)序列是111001101。我們可以先把它變成序列101110110，再用后者對(duì)載波進(jìn)行2PSK調(diào)制，所得結(jié)果和用愿基帶信號(hào)序列直接進(jìn)行2DPSK調(diào)制是一樣的。這個(gè)過(guò)程列表如下：基帶序列111001101（絕對(duì)碼）變換后序列（0）101110110（相對(duì)碼）2PSK調(diào)制后的相位（0）π0πππ0ππ0我們將基帶序列稱作絕對(duì)碼，變換后的序列稱作相對(duì)碼。由上面的過(guò)程不難看出，基帶序列的變換規(guī)律是絕對(duì)碼中的碼元010使相對(duì)碼元改變：絕對(duì)碼元000使相對(duì)碼元不變。這種變換是很容易實(shí)現(xiàn)的，例如，用一個(gè)雙穩(wěn)觸發(fā)器，它僅當(dāng)輸入010時(shí)狀態(tài)才反轉(zhuǎn)。由于這種間接法進(jìn)行差分相移鍵控實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，所以被實(shí)際采用。數(shù)字信息序列與2DPSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系可舉例表示如2PSK信號(hào)是用載波的不同相位直接去表示相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)而得出的，在接收端只能采用相干解調(diào)，它的時(shí)域波形圖如圖1-1所示。圖1-12DPSK信號(hào)在這種絕對(duì)移相方式中，發(fā)送端是采用某一個(gè)相位作為基準(zhǔn)，所以在系統(tǒng)接收端也必須采用相同的基準(zhǔn)相位。如果基準(zhǔn)相位發(fā)生變化，則在接收端回復(fù)的信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字信息完全相反。所以在實(shí)際過(guò)程中一般不采用絕對(duì)移相方式，而采用相對(duì)移相方式。1.22DPSK信號(hào)的解調(diào)原理2DPSK信號(hào)最常用的解調(diào)方法有兩種，第一種方法是2DPSK信號(hào)先經(jīng)過(guò)帶通濾波器，濾除調(diào)制信號(hào)頻帶以外的在信道中混入的噪聲，此后該信號(hào)分為兩路，一路延時(shí)一個(gè)碼元的時(shí)間后與另一路的信號(hào)相乘，再經(jīng)過(guò)低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號(hào)的低頻信號(hào)，將其送入抽樣判決器中進(jìn)行抽樣判決，抽樣判決器的輸出即為原基帶信號(hào)。它的原理框圖如圖1-2所示。圖1-2相位比較法原理方框圖第二種方法是2DPSK信號(hào)先經(jīng)過(guò)帶通濾波器，去除調(diào)制信號(hào)頻帶以外的在信道中混入的噪聲，再與本地載波相乘，去掉調(diào)制信號(hào)中的載波成分，再經(jīng)過(guò)低通濾波器去除高頻成分，得到包含基帶信號(hào)的低頻信號(hào)，將其送入抽樣判決器中進(jìn)行抽樣判決的到基帶信號(hào)的差分碼，再經(jīng)過(guò)逆差分器，就得到了基帶信號(hào)。它的原理框圖如圖1-3所示。圖1-3相干解調(diào)法原理方框圖二、2DPSK解調(diào)電路總設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)采用相干解調(diào)法研究解調(diào)電路。其總體設(shè)計(jì)思路是先把接收信號(hào)當(dāng)做絕對(duì)相移信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，解調(diào)后的碼序列是相對(duì)碼；然后再將此相對(duì)碼序列作逆碼變換，還原成絕對(duì)碼，即原基帶信號(hào)碼元序列。這種相干解調(diào)法又稱極性比較法。如圖2-1給出了其系統(tǒng)框圖。帶通帶通濾波器相乘器低通濾波波器抽樣判決器逆碼變換本地載波2DPSK圖2-1相干解調(diào)法系統(tǒng)框圖三、各單元電路模塊解析3.1帶通濾波器模塊在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，解調(diào)的輸入端輸入2DPSK信號(hào)，在輸入系統(tǒng)之前有一個(gè)帶通濾波器來(lái)濾掉帶外的白噪聲，并確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，帶通濾波器原理框圖和電路如圖所示：輸出輸入低通高通輸出輸入低通高通圖3-1（a）帶通濾波模塊圖3-1（b）帶通濾波器原理框圖帶通濾波器用兩個(gè)電阻于兩個(gè)電容實(shí)現(xiàn)，前部分為低通濾波，后面部分是高通濾波，兩部分構(gòu)成帶通濾波器。經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的波形如圖3-2：圖3-2經(jīng)過(guò)帶通濾波器后的波形3.2本地載波與2DPSK信號(hào)相乘模塊本設(shè)計(jì)是用MC1496做乘法器去把2DPSK信號(hào)與本地載波進(jìn)行相乘，MC1496集成芯片內(nèi)部含有由雙電流源驅(qū)動(dòng)的上部差分放大器，輸出集電極連至一起以平衡乘法器的輸入電壓，這樣輸出信號(hào)就是輸入信號(hào)乘積的常數(shù)倍，在芯片的輸出端同樣需要外接負(fù)載電阻。這里的MC1496從“10”和“1”端輸入2DPSK信號(hào)和載波信號(hào)，進(jìn)行相乘后從“12”號(hào)管腳輸出它們的相乘信號(hào)。具體電路如圖3-3所示。圖3-3本地載波與2DPSK信號(hào)相乘模塊相乘后的波形為已調(diào)制完成的2DPSK加載到本地載波的復(fù)合相乘信號(hào)的波形，因?yàn)楸镜剌d波未含有碼元信號(hào)，只有傳輸過(guò)來(lái)的2DPSK信號(hào)才有碼元變換的信息，所以從“12”管腳輸出的信號(hào)，為2DPSK加載到本地載波的波形，接收到的是已調(diào)制完成的2DPSK信號(hào)和相乘后信號(hào)的波形如圖所示：圖3-4本地載波信號(hào)圖3-5本地載波信號(hào)與2DPSK相乘后的信號(hào)3.3低通濾波器模塊低通濾波器又有源的低通濾波器和周邊電路構(gòu)成，所選的是集成運(yùn)放LM741與電阻和電容組成的二階有源，低通濾波器，具體電路如圖3-6所示，它由兩節(jié)RC濾波電路電路和反相比例放大器組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，可以隔離前一節(jié)對(duì)后一節(jié)的影響，有利于減少電路的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。由LM741構(gòu)成的反相比例放大電路電壓增益就是低通濾波器通帶的電壓增益。圖3-6低通濾波模塊此濾波器不但有濾波作用還有對(duì)信號(hào)的放大，隔離前后兩節(jié)，減少相互之間的干擾的作用，通過(guò)低通濾波器后的波形如圖3-7所示；經(jīng)過(guò)乘法器的高頻信號(hào)已經(jīng)被濾掉，只剩下正半周的低頻信號(hào)。圖3-7經(jīng)過(guò)低通濾波器后的信號(hào)3.4抽樣判決模塊通過(guò)相乘器MC1496的信號(hào)，輸出的信號(hào)均值不等于0，此信號(hào)經(jīng)過(guò)電容和濾波器后，反向放大器后得到的均值為零但正負(fù)不對(duì)稱的信號(hào)，在此2DPSK系統(tǒng)中，抽樣判決器輸入信號(hào)是一個(gè)均值為零且正負(fù)對(duì)稱信號(hào)，判決電平Vc由比較器LM710的負(fù)向段對(duì)地的電平?jīng)Q定，電位器R39來(lái)調(diào)節(jié)Vc的電平的高低，使判決電平處于信號(hào)輸入的圖眼的中心位置（即最佳判決門限），確保對(duì)輸入信號(hào)的解調(diào)不會(huì)出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象，比較判決后的信號(hào)為經(jīng)低通濾波器波形的規(guī)范化后的矩形波。圖3-8抽樣判決比較模塊抽樣判決電路的核心器件是比較器LM311和雙D觸發(fā)器74LS74，其中雙D觸發(fā)器74LS74是用來(lái)實(shí)現(xiàn)抽樣功能的。前面輸入的LPF和電壓VC作比較后，得到2DPSK的矩形波，通過(guò)對(duì)最佳門限判決的電平Vc的比較和一個(gè)D觸發(fā)器的起伏電平的翻轉(zhuǎn)就可以將信號(hào)解調(diào)得到相對(duì)碼BK碼，D觸發(fā)器的CLK信號(hào)頻率為2DPSK信號(hào)的0.5倍。具體電路如圖1-15所示：圖3-9樣值抽取模塊圖3-10經(jīng)過(guò)抽樣判決模塊后的信號(hào)3.5逆碼變換模塊逆碼變換電路采用如圖3-10所示的原理框圖實(shí)現(xiàn)，它包括一個(gè)微分鎮(zhèn)流電路和一個(gè)脈沖展寬電路組成，差分變換的功能是將輸入的基帶信號(hào)變?yōu)樗牟罘执a，然后經(jīng)過(guò)逆碼變換得到原來(lái)的傳輸信號(hào)。圖3-11逆碼變換原理框圖本次設(shè)計(jì)的逆碼變換模塊主要由雙D觸發(fā)器74LS74和一個(gè)異或門74LS86組成。兩個(gè)74LS04非門。經(jīng)過(guò)抽樣判決器得到的信號(hào)BK（絕對(duì)碼）經(jīng)過(guò)該單元電路后，得到發(fā)送端發(fā)送的原始信息，即絕對(duì)碼AK。D觸發(fā)器的同步信號(hào)為原始信號(hào)的0.5倍，BK信號(hào)經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的間隔翻轉(zhuǎn)取逆轉(zhuǎn)，就可原來(lái)的恢復(fù)出原來(lái)的發(fā)送信號(hào)。異或門74LS86輸出的絕對(duì)碼波形的高電平上疊加有微小的干擾信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)非門就可以將其去掉，具體電路與波形如圖所示。其中左面部分是位同步信號(hào)產(chǎn)生單元，位同步信號(hào)頻率為170.5kHZ。圖3-12經(jīng)過(guò)逆碼變換模塊后的信號(hào)圖3-13逆碼變換模塊四、2DPSK解調(diào)電路的仿真4.12DPSK相干解調(diào)法的仿真電路圖圖4-12DPSK子系統(tǒng)電路仿真圖圖4-22DPSK解調(diào)電路仿真圖4.22DPSK相干解調(diào)法的仿真波形圖圖4-32DPSK基帶信號(hào)仿真波形圖4-42DPSK信號(hào)仿真波形圖4-52DPSK信號(hào)與載波相乘后的仿真波形圖4-6低通濾波后信號(hào)的仿真波形圖4-7解調(diào)后基帶信號(hào)仿真波形五、2DPSK解調(diào)總電路圖五、總結(jié)與心得體會(huì)通過(guò)兩周的通信原理課程設(shè)計(jì)，我們能夠比較系統(tǒng)的了解理論知識(shí)，學(xué)到了很多的東西，課程設(shè)計(jì)主要是我們理論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)。我們還能從設(shè)計(jì)中檢驗(yàn)我們所學(xué)的理論知識(shí)到底有多少，鞏固我們已經(jīng)學(xué)會(huì)的，不斷學(xué)習(xí)我們所遺漏的新知識(shí)，把這門課學(xué)的扎實(shí)。而這次的課程設(shè)計(jì)，在高度集中的時(shí)間里，通過(guò)Protel99Se這個(gè)軟件還有實(shí)驗(yàn)室所提供的設(shè)備，綜合全面地測(cè)試了我的動(dòng)手和思考能力，現(xiàn)在我對(duì)通信原理又有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。在我們以往的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們刻意地去加強(qiáng)理論的基礎(chǔ)，并把學(xué)習(xí)過(guò)的東西與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，如果無(wú)法使理論和實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，那么再好的設(shè)計(jì)也只是紙上談兵。課程設(shè)計(jì)主要是我們理論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)。我們還能從設(shè)計(jì)中檢驗(yàn)我們所學(xué)的理論知識(shí)到底有多少，鞏固我們已經(jīng)學(xué)會(huì)的，不斷學(xué)習(xí)我們所遺漏的新知識(shí)，把這門課學(xué)的扎實(shí)。當(dāng)然在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，在這種情況下我們都會(huì)努力尋求最佳路徑解決問(wèn)題，無(wú)形間提高了我們的動(dòng)手，動(dòng)腦能力，并且同學(xué)之間還能相互探討問(wèn)題，研究解決方案，增進(jìn)大家的團(tuán)隊(duì)意識(shí)?？偟膩?lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)讓我們收獲頗多，不僅讓我們更