数字带通传输2FSK系统设计报告

数字带通传输— 2FSK 系统

摘要

本课程设计主要运用 MATLAB 集成环境下的 simulink 仿真平台设计进行差分码 2FSK 调制与非相干解调系统仿真。在本次课程设计中先根据 2FSK 调制与解调原理构建调制解调电路, 从 Simulink 工具箱中找所各元件,合理设置好参数并运行,其中可以通过不断的修改优化得到需要信号,之后加入高斯, 并分析对信号的影响, 最后通过对输出波形和功率谱的分析得出差分码 2FSK 调制解调系统仿真是否成功。

关键词 :Simulink ; 2FSK 调制;差分码 2FSK ;相干解调

1 引言

1 引言 . ...................................................................................................................................................... - 1 - 1.1课程设计的目的 . .......................................................................................................................... - 1 - 1.2课程设计的基本任务和要求 ....................................................................................................... - 1 -

1.3 设计平台 . ..................................................................................................................................... - 1 -

2 基本原理 . ................................................................................................................................................ - 2 - 2.1 数字带通传输 . ........................................................................................................................... - 2 - 2.2 2FSK 系统 ................................................................................................................................... - 2 - 2.3 2FSK 数字系统的调制原理 ....................................................................................................... - 3 - 2.4 2FSK 的解调方式 ....................................................................................................................... - 4 - 2.4.1 非相干解调 . ...................................................................................................................... - 4 -

2.4.2 相干解调 . .......................................................................................................................... - 4 -

3 差分码 2FSK 系统组成 ......................................................................................................................... - 5 - 3.1 差分码 2FSK 的调制部分 ............................................................................................................ - 5 - 3.1.1 差分码 2FSK 调制模块结构模型 ..................................................................................... - 5 - 3.1.2 差分码 2FSK 的调制部分参数设置 ................................................................................. - 6 - 3.2 差分码 FSK 信号解调 .................................................................................................................. - 7 - 3.2.1 差分码 FSK 的解调部分 ................................................................................................... - 7 - 3.2.2 差分码 2FSK 的调制部分参数设置 ................................................................................. - 8 - 3.3 加入高斯噪声的差分码 2FSK 相干解调 .................................................................................... - 9 - 3.4 系统 2FSK 的误码率计算模块 .............................................................................................. - 11 -

3.5 系统整体结构 . ........................................................................................................................... - 11 -

4 仿真结果 . .............................................................................................................................................. - 11 - 4.1 2FSK 调制模块仿真 ................................................................................................................. - 11 - 4.2 2FSK 的解调部分仿真 ............................................................................................................. - 12 - 4.3 2FSK 加入高斯白噪声后的仿真 ............................................................................................. - 13 - 4.4 2FSK 误码率计算 ..................................................................................................................... - 14 -

4.5 结果分析 . ................................................................................................................................... - 14 -

5 出现的问题 . ........................................................................................................................................ - 14 -

6 总结 . ...................................................................................................................................................... - 14 - 参考文献 . .................................................................................................................................................. - 15 -

1 引言

本次课程设计主要运用 MATLAB 软件,在 Simulink 平台下建立仿真模型。实现模拟基带信号经差分码 FSK 调制与非相干解调的传输过程, 通过分析比较调制解调输出波形以及功率谱特征, 理解差分码 FSK 调制原理。在分别加入高斯噪声, 观察对波形的影响, 并对其进行分析总结。

1.1课程设计的目的

通信原理是通信工程专业的一门骨干的专业课,是通信工程专业后续专业课的基础。掌握通信原理课程的知识可使学生打下一个坚实的专业基础,可提高处理通信系统问题能力和素质。由于通信工程专业理论深、实践性强,做好课程设计,对学生掌握本专业的知识、提高其基本能力是非常重要的。通信课程设计的目的是为了学生加深对所学的通信原理知识理解,培养学生专业素质,提高利用通信原理知识处理通信系统问题的能力,为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。使学生能比较扎实地掌握本专业的基础知识和基本理论,掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能,受到必要工程训练和初步的科学研究方法和实践训练,增强分析和解决问题的能力,了解本通信专业的新发展。

1.2课程设计的基本任务和要求

本次课程设计是用 simulink 仿真实现一个数字带通传输系统:

1)信源:产生二进制随机比特流,数字基带信号任选,例如单极性、双极性数字信号,可以是矩形波、三角波等数字基带信号波形。

2)调制:可以选择简单的二进制数字调制方式,例如二进制振幅键控 (2ASK)、二进制相移键控 (2PSK)、二进制频移键控 (2FSK),也可以选择其它高效的调制方式,例如多进制数字振幅键控等。

3)信道:假定信道属于加性高斯信道。

4)结果:仿真出该数字传输系统的性能指标,即该系统的误码率,并画出 SNR (信噪比)和误码率的曲线图。

1.3 设计平台

Simulink是 MATLAB 最重要的组件之一, 它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中, 无需大量书写程序, 而只需要通过简单直观的鼠标操作, 就可构造出复杂的系统。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink 。

Simulink是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具, 是一种基于 MATLAB 的框图设计

数字带通传输— 2FSK 系统

环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型, Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (GUI) ,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulik 是 MATLAB 软件的扩展,它与 MATLAB 语言的主要区别在于,其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形输入, 其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建,而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指 Simulik 提供了一些按功能分类的基本的系统模块,用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能,而不必考察模块内部是如何实现的,通过对这些基本模块的调用,再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型,进而进行仿真与分析。

2 基本原理

2.1 数字带通传输

数字带通传输系统:通常把包括调制和解调过程的数字传输系统。

数字信号的传输方式分为基带传输(baseband transmission )和带通传输(bandpass transmission ) 。然而,实际中的大多数信道(如无线信道)因具有带通特性而不能直接传送基带信号,这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输, 必须用数字基带信号对载波进行调制, 以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波,把数字基带信号变换为数字带通信号(已调信号)的过程称为数字调制(digital modulation) 。在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调(digital demodulation) 。通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。

一般来说,数字调制与模拟调制的基本原理相同,但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法:(1)利用模拟调制的方法去实现数字式调制,即把数字调制看成是模拟调制的一个特例,把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况处理; (2) 利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波,从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法,比如对载波的振幅、频率和相位进行键控,便可获得振幅键控(Amplitude Shift Keying, ASK ) 、频移键控(Frequency Shift Keying, FSK )和相移键控(Phase Shift Keying, PSK )三种基本的数字调制方式。

2.2 2FSK 系统

频移键控是利用载波的频率来传递数字信号,在 2FSK 中,载波的频率随着二进制基带信号在 f1和 f2两个频率点间变化。 2FSK 信号的产生方法主要有两种。一种可以采

2 基本原理

1011001t ak

s1(t)cos (w1t+θn ) s2(t) s 1(t) co s(w1t+θn ) cos (w2t+φn) s2(t) cos(w2t+φn)2FSK 信号 t

用模拟电匝来实现;另一种可以采用键控法来实现,即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关对两个不同的独立源进行先通, 使其在每一个码元期间输出 f1和 f2两个载波之一。这两种方法产生 2FSK 信号的差异在于:由调频法产生的 2FSK 信呈在相邻码元之间的相位是连续变化的,而键控法产生的 2FSK 信号,是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成,故相邻码元之间的相位不一不定期连续。频移键控是利用载波的频移变化来传递数字信息的。在 2FSK 中,载波的频率随基带信号在 f1和 f2两个频率点间变化。故其表达式为:

典型波形如下图所示。由图 2.1可见。

图 2.1 2FSK信号的调制过程原理图

2FSK 信号可以看作两个不同载频的 ASK 信号的叠加。因此 2FSK 信号的时域表达式又可以写成:

) cos()]([) cos(]) ([) (2_

12n s n n n n s n FSK t nT t g a t nT t g a t s ?ωθω+-++-=∑∑ 2.3 2FSK 数字系统的调制原理

2FSK 调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。可以用二进制“ 1”来对应于载频 f1,而“ 0”用来对应于另一相载频 w2的已调波形,而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源 w1、 f2进行选择通。

{) cos()

cos(212) (n n t A t A FSK t e ?ωθω++=

数字带通传输— 2FSK 系统

如图 2.2为调制原理图:

图 2.2 2FSK的调制原理图 2.4 2FSK 的解调方式

2FSK 的解调方式有两种 :相干解调方式和非相干解调方式 . 下面我们将详细的介绍 :

2.4.1 非相干解调

经过调制后的 2FSK 数字信号通过两个频率不同的带通滤波器 f1、 f2滤出不需要的信号,然后再将这两种经过滤波的信号分别通过包络检波器检波,最后将两种信号同时输入到抽样判决器同时外加抽样脉冲,最后解调出来的信号就是调制前的输入信号。其原理图如图 2.3所示:

图 2.3 2FSK信号的非相干解调方式

2.4.2 相干解调

根据已调信号由两个载波 f1、 f2调制而成,则先用两个分别对 f1、 f2带通的滤波器对已调信号进行滤波,然后再分别将滤波后的信号与相应的载波 f1、 f2相乘进行相干载波 f1载波 f2二进制数据 2FS K 输出信号 2FS K 的调制原理图输入带通滤波器 F1包络检波器带通滤波器 F2包络检波器抽样脉冲抽样判决器非相干方式原理图

输出

3 差分码 2FSK 系统组成

解调,再分别低通滤波、用抽样信号进行抽样判决器即可。原理图如下:

图 2.4 2FSK 信号的相干方式解调原理图

3 差分码 2FSK 系统组成

3.1 差分码 2FSK 的调制部分

3.1.1 差分码 2FSK 调制模块结构模型

2FSK信号是由频率分别为 Sine wave和 Sine wave1的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的,其中 Sine wave和 Sine wave1是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号。调制模型图如图 3.1.1所示:

图 3.1.1 2FSK信号调制模块

输入带通滤波器 F1

带通滤波器 F2cos2π f1t

相乘器低通滤波器低通滤波器抽样脉冲抽样判决器

输出 cos2π f2t

相乘器

相干方式原理图

数字带通传输— 2FSK 系统

3.1.2 差分码 2FSK 的调制部分参数设置

载波 sin wave1的参数设置

图 3.1.2 载波 sine wave1的参数设置

载波 sin wave2的参数设置

图 3.1.3 载波 sine wave1的参数设置

3 差分码 2FSK 系统组成

基带信号模块 Bernoulli Binary Generator其参数设置如下:

图 3.1.4 基带信号参数设置

3.2 差分码 FSK 信号解调

3.2.1 差分码 FSK 的解调部分

打开 simulink 工具箱,点击 file 图标,选择新建中的 model ,新建一个仿真空白模型,将 2FSK 信号调至所需要的模块拖入空白模型中,也可点击鼠标左键单击“ add to untitled ” 。下图中 From File模块为调制部分的封装 To File模块, Analog Filter Design 模块为带通滤波器, Abs 模块为绝对值,其作用等同于保罗检测器, Scope 模块为示波器, Subtract 模块对信号进行加法或减法运算, Power Spectral 模块是功率谱, Zero order hold 模块的功能为零阶保持模块, Quantizing Encoder 为量化编码器模块, Zero order hold 和 Quantizing Encoder 的作用等同于在定时脉冲下的抽样判决器。解调模型图如图 3.2.1所示:

数字带通传输— 2FSK 系统

图 3.2.1 2FSK信号解调模块 3.2.2 差分码 2FSK 的调制部分参数设置

在带通滤波器的参数设置中,带通滤波器 1参数设置

图 3.2.2带通滤波器 1参数设置

3 差分码 2FSK 系统组成带通滤波器 2参数设置

图 3.2.3带通滤波器 2参数设置零阶保持模块的参数设置

图 3.2.4 零阶保持器参数设置 3.3 加入高斯噪声的差分码 2FSK 相干解调

数字带通传输— 2FSK 系统

高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布(即正态分布)的一类噪声。在理想信道调制与解调的基础上,在调制信号上加入高斯噪声,把 Simulink 噪声源下的高斯噪声模块(Gaussian Noise Generator)加入到模型中。噪声参数设置、模型与波形图如下:

图 3.3.1 差分码 2FSK 加入高斯噪声

高斯噪声参数设置

图 3.3.2 高斯噪声参数设置

4 仿真结果

3.4 系统 2FSK 的误码率计算模块

图 3.4.1 2FSK系统的误码率计算模块

3.5 系统整体结构

图 3.5.1 整体结构

4 仿真结果

4.1 2FSK 调制模块仿真

数字带通传输— 2FSK 系统

经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真,仿真结果如图 4.1所示:

图 4.1 2FSK的调制模块仿真

其中第 1段图形为基带信号的波形图; 第 2段图形为载波 1与基带信号差分码波形图; 第 3段为基带信号的差分码波形图;第 4段为载波 2与基带信号的差分码波形图;第 4段图形为 FSK 调制信号。

4.2 2FSK 的解调部分仿真

经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真,仿真结果如图 4.2所示:

4 仿真结果

图 4.2 2FSK的解调模块仿真

4.3 2FSK 加入高斯白噪声后的仿真

图 4.3 加入高斯噪声后的波形

数字带通传输— 2FSK 系统

4.4 2FSK 误码率计算

图 4.4 2FSK误码率的计算

4.5 结果分析

由上表可以看出不论信噪比如何改变,误码率恒不变。分析可知由于我们在仿真的过程中采样次数是有限的,而在有限的次数内,它采样的数值是恒定的,非 0即 1,则在改变信噪比之后,它的取值也只能是这两个值,因此误码率是恒定的。

5 出现的问题

在本次课程设计运用了 MATLAB 软件下 Simulink 建立工作模型,在仿真的过程中遇到了各种不同的问题,通过自己的探索和在老师和同学的帮助下总算得以解决,总结分析分析如下:

(1)若波形出错,可以把滤波器级数 (默认为 8) 适当减小,使滤波器精确度变小,允许误差变大,便于波形的输出。

(2)在选择带通滤波器的参数时候要严格按照需要的频率范围取值,通过计算载波和基带信号的频率可以得出该频率范围取值。

(3)在整个仿真过程中,各模块的参数设置十分重要,一定要设置合适的参数,才会得出所需要的信号。

6 总结

经过为期两周的课程设计,在同学和老师的帮助下我顺利的完成了任务。不同于在教室里上的理论,这次的课程设计需要将我们平时所学习的知识运用到实践之中,将知识学以致用。因为是以所学理论为基础, 所以在课程设计的过程中, 我又重温了 2FSK 的调制与解调等知识, 更加熟悉了 MATLAB 里的 Simulink 工具箱, 学会了独立建立模型, 分析调制与解调结果,加入噪声之后的情况,通过自己不断地调试,更好的理解加入噪声对信道的影响。通过这次课程设计,我拓宽了知识面,锻炼了实际操作能力,综合

参考文献

素质也得到了提高,进一步加深了了我们对专业的认识和激发了我们对专业的兴趣。参考文献

[1] 樊昌信,曹丽娜 . 通信原理 . 北京:国防工业出版社, 2006

[2] 达新宇.通信原理实验与课程设计.北京:北京邮电大学出版社, 2003

[3] 徐远明 . MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用 . 西安:西安电子科技大学出版社, 2005 [4] 张化光 , 孙秋野 . MATLAB/Simulink实用教程 . 北京:人民邮电出版社, 2009

[5] 姚俊,马松辉 .Simulink 建模与仿真基础 . 北京:西安电子科技大学出版社, 2002

[6] 邓华. MATLAB 通信仿真及应用实例详解.北京:国防工业出版社, 2003

音频传输系统设计

课程设计说明书

题目：音频传输系统设计

学生姓名：

学号：

院（系）：电气与信息工程学院

专业：电气工程及其自动化

指导教师：

2015年12月25日

摘要

设计并制作一个音频信号传输系统，电路分为音频产生电路和接收电路两个部分，音频产生电路是为了产生周期性音频脉冲信号，使喇叭有频率的发声作为信号的发出端，将接收电路与之相距20cm 以保证满足工作要求，接收电路中使用拾音器接收声源处的音频脉冲信号，用驱动电路驱动发光二极管，通过观察发光二极管LED 随着喇叭的发声而发光的情况判断电路的运行状况，正常工作条件下，喇叭每隔大约一秒响一次，儿发光二极管随蜂鸣声的到来而闪烁。

如果该系统能够按照上述方式运行，说明该系统工作状态良好。

关键词：音频，传输。

1、选题背景 . ............................................................................................................................. 1

1.1、指导思想 . ................................................................................................................... 1

1.2、设计任务 . ................................................................................................................... 1

1.3、方案论证 . ................................................................................................................... 2

1.3.1、方案一 . ............................................................................................................. 2

1.3.2、方案二 . ............................................................................................................. 2

2、电路设计 . ............................................................................................................................. 3

2.1、整机框图 . ................................................................................................................... 3

2.2、工作原理 . ................................................................................................................... 4

3、各主要电路工作原理 . ......................................................................................................... 4

3.1、多谐振荡器的设计 . ................................................................................................... 4

3.2、信号合成部分 . ........................................................................................................... 6

3.3、功放电路 . ................................................................................................................... 6

3.4、拾音器部分 . ............................................................................................................... 6

3.5、放大电路 . ................................................................................................................... 6

3.6、驱动电路 . ................................................................................................................... 7

4、原理总图 . ............................................................................................................................. 8

5、组装调试 . ............................................................................................................................. 9

5.1、使用的主要仪器和仪表 . ........................................................................................... 9

5.2、调试电路的方法和技巧 . ........................................................................................... 9

5.3、测试的数据和波形并与计算结果比较分析 . ........................................................... 9

5.4、实物图 . ..................................................................................................................... 11

5.5、调试中出现的故障、原因及排除方法 . ................................................................. 12

6、设计总结、收获、体会 . ................................................................................................... 12

6.1、设计总结 . ................................................................................................................. 12

6.2、收获 . ......................................................................................................................... 13

6.3、体会 . ......................................................................................................................... 13

参考文献 . ..................................................................................................................... 15

附录Ⅰ、图纸 . ......................................................................................................................... 16

附录Ⅱ、元器件清单 . ............................................................................................................. 17

1、选题背景

1.1、指导思想

本次课设的题目为音频传输系统，在我们的生活中处处都有它的应用。首先说音频，广泛的说来，人所能听到的所有的声音都能称之为音频，也可能包括噪声，声音被录制下来以后，无论是说话声、歌声、乐器都可以通过数字音乐软件处理，或是把它制作成CD ，这时候所有的声音没有改变，因为CD 本来就是音频文件的一种类型。而音频只是储存在计算机里的声音，如果有计算机再加上相应的音频卡——就是我们经常说的声卡，我们可以把所有的声音录制下来，声音的声学特性如音的高低等都可以用计算机硬盘文件的方式储存下来。反过来，我们也可以把储存下来的音频文件用一定的音频程序播放，还原以前录下的声音。采样频率就是采用一段音频，做为样本，因为wav 使用的是数码信号，它是用一堆数字来描述原来的模拟信号，所以它要对原来的模拟信号进行分析，我们知道所有的声音都有其波形，数码信号就是在原有的模拟信号波形上每隔一段时间进行一次“取点”，赋予每一个点以一个数值，这就是“采样”，然后把所有的“点”连起来就可以描述模拟信号了，很明显，在一定时间内取的点越多，描述出来的波形就越精确，这个尺度我们就称为“采样频率”。我们最常用的采样频率是44.1kHz ，它的意思是每秒取样44100次。之所以使用这个数值是因为经过了反复实验（实际上是那个时代才是视频27/1.0001时钟做CD 刻录遗留问题），人们发现这个采样频率最合适，低于这个值就会有较明显的损失，而高于这个值之后人的耳朵已经很难分辨，而且增大了数字音频所占用的空间。一般为了达到“万分精确”，我们还会使用48kHz 甚至96kHz 的采样频率，实际上，96kHz 采样频率和44.1kHz 采样频率的区别绝对不会像44.1kHz 和22kHz 那样区别如此之大，我们所使用的CD 的采样标准就是44.1kHz ，目前44.1kHz 还是一个最通行的标准，有些人认为96kHz 将是未来录音界的趋势。采样频率提高应该是一件好事，但我们真的能听出96kHz 采样频率制作的音乐与44.1kHz 采样频率制作的音乐的区别吗？不过随着高端音响设备的大众化，我们也许就会在Party 时听到更高质量的音乐了。

再说传输，本次课题的工作方式是当声音产生之后，由与之相隔20cm 的拾音器接收，从而达到音频的传输过程，在接收电路中经过一系列电路驱动发光二极管以此来显示信号的有无，这正是该课题的简易指导思想。传输是一个比较广泛的词汇，大到全中国电力系统的线路分布传输，小到手机的耳机将音频信号传到人耳以此感受动人的音乐。传输在当下已经与人们的生活密不可分，就像各路信号的一个桥梁。

1.2、设计任务

设计并制作一个音频信号传输系统，系统包括音频产生电路与接收电路两部分。具体要求如下：

(a) 音频产生电路能够产生图1.1所示的周期性音频脉冲信号，音频信号频率不限，

脉冲周期不限；

(b) 接收电路能够接收声源发出的音频脉冲信号，用LED 显示信号的有无；

图1.1 信号波形示意图

1.3、方案论证

1.3.1、方案一

方案一：在音频产生电路中，用NE555分别做成多谐振荡器和占空比可调的多谐振荡器，一个做成频率为1kHz 左右的多谐振荡器，另一个占空比可调的做成频率为1Hz 左右的多谐振荡器，通过74HC08将两个波形相与，将时钟周期控制在1s 左右，用三极管进行电流放大驱动喇叭发出声音，功放电路采用共集电极放大器；在接收电路中，用拾音器接收声音信号，通过一只运放NE5532将信号放大，再经LM393比较器驱动LED 二极管，使LED 二极管在脉冲信号到来时发光。见图2.1。

图1.2 方案一部分电路

1.3.2、方案二

方案二：方案二的音频产生电路功率放大部分采用共基极放大器，接收电路采用一只NE5532运放，再经LM393比较器驱动LED 二极管，使LED 二极管在脉冲信号到来时发光。见图2.2

图1.3 方案二部分电路

综合比较上述两种方法，共基极放大电路比共集电极放大电路要简单，且在此处放置共基极放大电路方式同样能达到放大的效果，因此选用共基极放大方式。在接收电路的选择方式上，采用两只运放会使波形放大时更加稳定，更大的减小波形的失真和外来信号的干扰，放大倍数在100到200之间，结果更加明显；采用一只运放通过电位器也可以使放大倍数保持在所需要的范围之内，虽然说波形稳定方面较方案一而言略显不足，但是电路更加直观明了，而且采用一只运放产生的结果与采用两只相比较没有较大的区别，再考虑到板子的布局和经济实惠性，最终确认选定方案二。

2、电路设计

2.1、整机框图

图2.1 系统的设计框图

2.2、工作原理

如图2.1所示系统设计框图，脉冲信号1由NE555做多谐振荡器使用，产生的脉冲波为1Hz ，脉冲信号2由NE555构成占空比可调的多谐振荡器使用，产生的脉冲波为1kHz ，两路信号通过74HC08与门进行合成，再通过共基极功率放大器将信号进行放大，在此处，功率放大器由TIP 三极管担当，进而带动喇叭使之发声；在接收电路中，拾音器接收喇叭产生的声音信号，然后经过RC 电路进行滤波，将接收到的信号进一步通过NE5532构成的放大器进行放大，再通过由LM393比较器构成的驱动电路驱动发光二极管使之随着喇叭的声音而发光。

3、各主要电路工作原理

3.1、多谐振荡器的设计

在本次设计中，多谐振荡器由NE555外接电容电阻构成，两个多谐振荡器的占空比设定为一大一小，这样在做与的情况下才能保证喇叭在一秒钟左右响一次，而不是一直响或是没有声音，由此可知在确定多谐频率f 值的时候也要考虑到占空比，555构成的多谐振荡器的占空比计算公式[1]为：

q =R 1+R 2 (3-1) R 1+2R 2

由此可知q 最小为50%，确定参数时使第一片多谐振荡器的占空比接近50%即保证R2远远大于R1，设定频率f 的参考值为1kHz 左右，根据多谐振荡器的频率计算公式[1]有：

f =1 (3-2) (R1+2R2)Cln2

其中C 为与6脚相连的电容容值，确定频率参数时保证f 为KHz 的单位，两个电阻R1和R2的取值级别不能过大（MΩ）也不能过小（Ω），综上分析选择R1为1k Ω，R2为50k Ω，由此确定C 的参数为10nF ，代入占空比和频率的计算公式可知，占空比为50.49%，频率为1428.6Hz ，周期为0.7S 。见图3.1。

图3.1 555构成多谐振荡器

对于另一片多谐振荡器，应使其占空比较小，频率应在Hz 级别，因为555构成的多谐频率占空比不能小于50%，所以加入正反两只二极管，使其占空比可以很小，对于加入两只二极管的多谐振荡器，其占空比的计算公式为[1]:

R 1q = (3-3) R 1+R 2

频率的计算公式为[1]：

f =1 (3-4) (R1+R2)Cln2

为了产生大约每秒响一次的声音信号，f 应为Hz 级别，q 应相对较小，同第一片的参数选取，R 也应取k Ω级别，C 随之应该选取μF级别，综上，取R1=10k，R2=100k，相应的，C 应该取10μF，由此参数进行计算，q=9.09%，f=1.3Hz，周期为0.76S 。见图

3.2。

图3.2 555构成占空比可调的多谐振荡器

3.2、信号合成部分

为了将两种脉冲进行合并，使用74HC08将两种波形进行与操作，14、7接电源，1、2脚进，3脚出，其余悬空不用。见图3.3。

图3.3 74HC08示意图

3.3、功放电路

本课题功放电路由TIP41构成，TIP41三极管[2]，在发声电路中做功率放大作用，信号从基极进入，使用时，集电极接12V 电源，将电流放大通过发射极驱动喇叭使其发声，喇叭和TIP41的发射机相连，基极与电源之间要接一个电阻，选用5k 。见图3.4。

图3.4 功放电路示意图

3.4、拾音器部分

在本次设计中，喇叭负责发出声音信号，因为输出的电压不大，故选用参数为8Ω；拾音器负责接收声音信号。见图3.5。

图3.5 拾音器示意图

3.5、放大电路

由拾音器接收到的电压信号很微弱，需要进行电压放大，在本次设计中选用NE5532进行电压放大[2]，放大倍数可调，放大倍数为：

R2 k =1+ (3-5) R 1

其中R2选用200k ，R1设定为电位器，阻值为20k ，在使用时调到1k ，使放大倍数为200倍左右，正负电源接退耦电容。见图3.6。

图3.6 NE5532示意图

3.6、驱动电路

为了让发光二极管随着声音信号的到来而发光，需要设置一个比较器将信号的高电平表示出来，用LM393做比较器，同相端接地，反相端接NE5532的输出信号，当信号大于0时，LM393输出低电平，发光二极管两端有电压，即随输入信号的高电平而发光。接LM393的+5V电源驱动发光二极管。为了显示声音信号的有无，选用发光二极管LED ，使用时将其负极接到LM393的输出端，正极接100Ω的限流电阻，然后接到LM393的正电源处，当比较器输出正5V 时LED 不亮，输出-5V 时发出亮光，以此来显示信号的有无。见图3.7。

图3.7 驱动电路示意图

4、原理总图

图4.1 音频产生电路的发声装置

图4.2 音频产生电路的接收装置

5、组装调试

5.1、使用的主要仪器和仪表

本次课设使用的主要仪器有：配有+5V、+12V电源的实验台，示波器；

本次课设使用的主要仪表有：万用表。

5.2、调试电路的方法和技巧

发声电路和接收电路分别焊接在了两块板子上，调试时需要手动摆放位置，在周围安静的情况下进行，以免其他声音使LED 发光影响实验结果。

调试方法：分别将发声电路和接收电路供电，然后启动电源，此时喇叭发声，将接收电路的拾音器正对发声的喇叭，相距20cm 以上，若发光二极管LED 随之发光，则说明电路调试正常。

调试技巧：尽量在周围环境相对安静的状态进行调试，以免影响实验结果；喇叭和拾音器应尽量正对，使声音信号尽可能多的被接收到。

5.3、测试的数据和波形并与计算结果比较分析

(a)多谐振荡器输出的波形：幅值：4.8V ，周期：0.8S ；计算结果：幅值：5V ，周期：0.7S 。

(b)、占空比可调的多谐振荡器的波形：幅值：4.5V ，周期：0.75S ；计算值：幅值：5V ，周期：0.76S 。

(c)、74HC08输出的电压：4.0V ；计算值：4V ；

(d)、喇叭处的波形：幅值：4.2V ，周期：0.9S ；计算值：幅值4V ，周期：1S ；

(e)、LM393输出的波形：脉冲波，8.8V ；计算值：脉冲波，幅值：10V 。

(f)、发声电路发出的声音信号的波形：

实测：见图5.1。

图5.1 用示波器测得的喇叭发声波形

仿真：见图5.2。

图5.2 仿真检测到的喇叭发声波形

(g)、接收电路二极管两端的波形：

实测：见图5.3。

图5.3 用示波器测得的驱动电路的波形（幅值为8.8V ）

仿真：见图5.4。

图5.4 仿真测得的二极管负极处的波形

5.4、实物图

调试过程中所拍下的实物图如图5.5所示：

图5.5 实物图

5.5、调试中出现的故障、原因及排除方法

出现的故障：

(a)、上电后喇叭声音不响亮；原因：12V 电源没有加好，经检测，供电的接地线没有导通，排除方法：换下了新导线得以解决。很弱智的故障。

(b)、上电后喇叭没有声音；原因：74HC08未能工作。通过示波器可以看到两片555后面的波形正常，但是经过74HC08之后没有波形，可知与门未能正常工作；排除方法：换下了一片新的芯片，问题得以解决。原件故障。

(b)、接收电路中发光二极管LED 亮度不够；原因，电位器的电阻值调的过大，使放大倍数不够大。排除方法：调节电位器是阻值范围在800Ω和1k Ω之间，问题得以解决。电路没有调好的故障。

6、设计总结、收获、体会

6.1、设计总结

本次课程设计的初始阶段，我们小组正所谓是绞尽脑汁也未能相出原理图应该如何设计，而且对各种原件的熟悉程度不够，使得大脑中没有形成连串的原件组合方式的设计，因为基本没有什么概念，我只能对着课设的题目发呆，完全不知道从哪里开始做起。

然后我在网上开始找有关的设计方案，试着去借鉴一下找一些设计思路，不过网上的帖子里面并没有完整的电路设计图，而且找到的也都是些笼统的套话。后来我们去找了老师寻求点拨，老师一席话，胜过瞎想一下午，然后当场就在实验室做起了仿真电路来，设计思路已经有了，就是两个555波形相与，然后驱动喇叭，再由拾音器去接收声音的电压信号，然后经过放大器使二极管发光，大体思路有了之后，我们要做的就是细节上的原件摆放，以及LM393比较器的使用和TIP 三极管的功率放大设计，当天下午在实验室虽然没有当场成功，但还是让我的心中很是充实，这正是从无到有的转变。后来当天晚上，我们几个又开始设计仿真电路，奈何喇叭可以发声但是二极管不能发光，接收电路中我们先用信号源（1Hz 的正玄波）代替了拾音器，以此来给接收电路提供电压信号，LM393输出与发光二极管的接入那里始终没有设计好，后来不知道是谁脑子一抽，然后将393的+5V电压接限流电阻加二极管然后回到了393的输出端，之后二极管就发光了，其实主要还是对LM393的理解不够到位，这个比较器总是让人比较难受。就这样，整个电路的设计原理仿真图就这样稀里糊涂的做了出来，仿真里的效果很是明显，而且很明显我们可以使用这个电路，过了几天我们又找到老师让他确认了一下，最终敲定了设计原理和设计图。

6.2、收获

想到这次的课程设计，收获可真是丰盛。首先，我收获的不是什么乱七八糟的知识，因为就这样一个简简单单的东西并没有让我学到什么实际性的数模电知识，唉，算了，说实话多多少少还是有的，比如说对板子里的每个原件的作用起码是知道了解了些，它们的功能也都学到了些。除此之外，我收获的还有团结。精神上的收获总是让我首先倾诉，曾几何时，我们三个还有着自由散漫的个人生活，然后一个课程设计使得我们时不时的往科协跑，我记得我们去了起码得有5、6次，而且第一天去就做好了通宵的准备，那一天晚上我们没有做多少东西，主要是将原件熟悉了一番然后在面包板上搭建了起来，几个人分工，一个搭建发声电路，我搭建接收电路，另一个补原价修整参数。当天晚上也算是小有成就，搭建好的面包板可以工作，晚上十一点半才回，要不是那个可恶的老头儿，也许板子都可以焊接了。后来开始了焊接板子，我们考虑布局花费了很长时间，验收的时候发现老师根本不在意原件的排列，只看重焊接的技术。有些小心酸，因为我的原件的排列布局可是费了一番心思。后来三个人在科协边焊边聊，充实的同时收获了快乐。这是我感受最深的一点。这收获是不是可以写在体会里呢？然后收获较大的就是焊接时的注意事项，真的，确实不该用那么多的导线，而且那个小细线可真是耗费了我不少的时间，现在想起来真有些费力不给力的境界了。再有就是调试的收获，科协里的信号源真是有些坑，不用示波器测一下我还真不敢确定直流电源可以用，我更加知道了万用表不离手的好处，随时随地检测每一个线。

6.3、体会

体会应该是我要写的最后的一段话了，我必须倾力抒发一下感情，并展示一下我的

文笔。其实我对课程设计和焊接板子并没有什么大的兴趣，因为我对我的专业本身就没有多大的兴趣，说这个有些略显浪荡了，不过我自认为我是一个好学生，决定要认真做的事我就一定要认真的完成它，最后做成的小小的作品确实让人很是充实。说实话我觉得，做课设虽然能在一定程度上提高我们的动手能力和实践功力，但是并不能起到实质上的提高，就拿原理图的设计来讲吧，有几个是完全自己构思出来的呢，基本上都是在网上直接摘下拿到自己手里来用的，这说明课设的最大的意义已经失去了，做课设不就是让我们自己去创新吗？然而我们的能力不够，只能靠捡现成的来用。嗯，这样课程设计基本上就成了讲焊接的准确度上来了，我不觉得这能在以后工作上能起到大的帮助，说实话我对这个专业的前途也感到一片茫然，就拿在大学里学的这些东西，除非十分拔尖，否则基本不能走入社会。我之前也在想，人就非得被牵着鼻子走吗？不能。在这个快节奏的时代，梦想这个词虽然人们耳熟能详，但是很多人已经麻木了。我对这个学校很没有信心，但是对自己却从没有放弃过，这主要怪我自己没有本事考到了不入流的学校。在被迷茫的看似安稳的生活充斥整个大脑之前，我一定要坚持我自己的梦想，人不能为了活而活，而是要为了自己的追求去追求，尽管可能会很面临无尽的嘲讽，但是一定要去做自己，在这种现实社会里，我万万不能忘记自己的梦。在此就没有必要向所有能看到我的课程设计报告的老师和同学们说明白我自己的梦想了。话说回来，这次的课程设计让我们有事可做，有作品可以完成，确实倒是锻炼了自己的各方面的能力。

另外，在此谨向严谨热情的田老师表达谢意，老师，您辛苦了。

参考文献

[1]阎石. 数字电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社.1988年11月

[2]孙肖子. 模拟电子电路及技术基础（第二版）. 西安电子科技大学出版社.

附录Ⅰ、图纸整机电路图：

附录Ⅱ、元器件清单

AM传输系统的设计

中原工学院

课程设计报告

课程名称：现代通信电路课程设计

课程号：

专业：

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

日期：

第一章设计内容………………………………………………3

第一部分课题简介……………………………………3

一、设计内容和目的……………………………………3

二、设计流程图…………………………………………4

第二部分课题分析………………………………………5

一、课程设计方案…………………………………………5

二、设计模块……………………………………………6

第二章设计操作………………………………………………10

第一部分画图仿真……………………………………10

一、 EWB 模拟仿真……………………………………10

二、PROTEL 画图…………………………………13 第二部分安装调试…………………………………14

一、安装焊接…………………………………………14

二、连线调试…………………………………………15

第三章实验分析…………………………………………15

第四章试验箱简介………………………………………17

第五章心得体会…………………………………………20 附录一：器件清单……………………………………………21 附录二：芯片资料……………………………………………22 附录三：参考文献……………………………………………23附录四：原理图………………………………………………24

第一章设计内容

第一部分课题简介

一、设计内容和目的

1．设计内容：

设计题目：AM 传输系统的设计

包含项目：

1.1 信号源产生模块（模拟——语音信号）；

1.2 载频信号产生（模拟——载波）；

1.3 AM 调制器：平衡调制器

1.4 AM 解调器：解调AM 信号

2．设计目的:

（1）将学生专业知识（信号与系统、现代通信电路及通信原理）、专业技能（数电、模电、电子电工）及常用开发工具（EDA 、DSP 、单片机技术）相结合，在实际中进行综合运用。

（2）培养学生从零开始自己动手进行电路设计的能力，同时一般要求在进行综合设计师具有较高的成功率。这是学生第一次动手设计自己的作品，是今后毕业工作的起点、浓缩、简化版，同时增强学生的信心也是综合设计的一个重要的任务。

（3）巩固和加深对高频电子线路基本知识的理解，提高学生综合运用本课程所学知识的能力，通过独立思考，深入钻研有关问题，掌握分析问题的方法。

二、设计流程图

图1-1-1

第二部分课题分析

一、课程设计方案

图1-2-1

1．信号产生模块（Ω=1KHz）

方案一：RC 震荡器——桥式振荡器

优点：电路原理简单，起振容易，波形好，频率稳定可调。注意：正弦波震荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的

正反馈放大电路，设计电路时要注意其震荡条件（振幅平衡

条件和相位平衡条件）

方案二：压控振荡器——锁相环4046

2. 载波产生模块（f0=100KHZ~10MHZ）

方案一：LC 振荡器（电容三点式、电感三点式、石英晶体振荡器优

缺点：电容三点式震荡频率高，一般工作在固定频率；电

感三点式工作频率低，线圈的使用不方便；晶体振荡器的

频率稳定度高。

方案二：压控振荡器（VCO ）

利用锁相环4046产生的矩形波作为载波，电路简单，

不需编程

方案三：EPLD

利用EDA 技术进行编程设计

3．AM 调制器

方案一：模拟乘法器（MC1496）

模拟相乘器可用来实现振幅的调制、解调以及混频等线性频

谱搬移电路，电路简单。

方案二：分立元件

电路复杂，可能出现的问题多。

4. AM 解调器

方案一：二极管峰值包络检波

用于大信号的检波，利用RC 的充放电实现检波。电路简单，

易于实现。

方案二：模拟相乘器

外围电路复杂，原理复杂

二、设计模块

1．信号产生模块

实现方法：RC 振荡器

图1-2-2

2．载波产生模块

实现方法：压控振荡器

3．AM 调制模块

AM 信号的产生可以采用高电平调制和低电平调制两种方式完成。此模块采用双平衡乘法器，从相应借口输入即可完成两信号相乘。 AM 信号的产生可用以下示意图表示：

乘法器电路图:

图1-2-4

模块内容如图1-2-5所示

该模块实现诸如AM 、BPSK 、QPSK 等信号的调制和解调。在该模块中有两个完全一样的模块

a. 乘法器1：信号从测试孔TPF01输入，载波信号从TPF02输入，

输出信号经放大后从测试孔TPF03输出。

b. 乘法器2：信号从测试孔TPF06输入，输出信号从TPF07输入，

输出信号经放大后从测试孔TPF08输出。

注意：对与输入信号TPF06只有测试孔，其信号与测试双排之间没有信号连接线。

a) 两信号相加：信号电路板右排插针JA02的引脚1、5输入，

结果从引脚9输出。

b) 两信号相减：被减信号从JA02的引脚14输入，减信号从引

脚18输入，结果从引脚19输出。

c) 单个信号的反相：信号从JA02的引脚13输入，反相信号从

17输出。

4．AM 解调模块常用解调（同步解调）

（1）相干解调可用以下示意图表示

图1-2-6

该模块提供三种滤波器，这三种滤波器的参数可以通过改变不同的电阻值进行设置

a ）3dB 点为24HZ 高通滤波器：测试孔TP101输入信号，测试孔

TP102输出滤波后的信号。

b ）中心频率为1624KHZ 、带宽为1024KHZ 的带通滤波器：测试

孔TP103输出信号测试孔TP104输出滤波后的信号。

c ）3dB 点为1624KHZ 低通滤波器：测试孔TP105输入信号，测

试孔TP106输出滤波后的信号

（2）二极管峰值包络检波法

说明：包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法检测过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻放点的交替重复过程。

图1-2-7

第二章设计操作

第一部分画图仿真

一、 E WB 模拟仿真

1. RC振荡器产生调制信号

取C=10nf,由1/2лRC=1KHz得R=16KΩ，取R=16KΩ

取Rf=10kΩ, 由Af=1+Rf/R1>=3得R1<=5kω, 取r1="">

图2-1-1

仿真电路图如图所示：

图2-1-2

仿真结果如图所示：

图2-1-3

2. 二极管峰值包络检波（1）如下图2-1-4所示：

图2-1-4

波形如图所示：

图2-1-5

（2）由于波形质量差，增加一低通滤波器，如图：

图2-1-6

波形如图：

图2-1-7

（3）进一步改进，如图：

图2-1-8

波形如图：

二、protel 画图

1. 信号产生模块

图2-2-1

2. 载波产生模块

图2-2-2

3. 调制模块

图2-2-3

4．解调模块

第二部分安装调试

一、安装焊接

1．信号产生模块

选择R1为1K Ω的电阻，Rf 为10K Ω的滑动变阻器，C 的型号为103，R 的阻值为10K Ω的元件进行焊接 2．二极管包络检波模块

选用普通二极管，R 为10K Ω，型号为102的电容C ，Rf 为10K Ω的电阻进行焊接

注意：①注意二极管的正负

②正确使用电烙铁，防触电，烧伤 ③焊接顺序为先低（小）后高（大）

二、连线调试

调制信号输出后和载波分别由乘法器的TPF01、TPF02进，TPF03出或者TPF06、TPF07进，TPF08出，接着将输出接入二极管包络检波器中，再将输出接入滤波块，5孔进6孔出，输出的信号连接在示波器上进行观察。说明：需分步调试

第一步：将信号产生模块的输出通过示波器观察波形第二步：将载波产生模块的输出通过示波器观察波形第三步：将信号和载波送入乘法器，通过示波器观察输出波形第四步：将调制信号进行解调，并观察输出波形

第五步：若解调后的波形不理想，送滤波器进行滤波后观察

第三章实验分析

1、信号产生模块仿真及调试

①由C=10nf, R=16KΩ则fc=1/2лRC=0.995KHz

取Rf=10kΩ, 由Af=1+Rf/R1>=3得R1<=5kω, 取r1进行反复试验，当r1="4.9">

②由于失真太严重，输出波形为一矩形波而不是正弦波，调节滑动变

阻器Rf 使其出现理想正弦波，并调节幅度为2V ，测得频率为1.455KHz 。 2、压控振荡器调试

压控振荡器的输出为矩形波，其中一路输出频率为347.5KHz ，另一路输出频率为137.9 KHz。取频率为137.9 KHz的输出作为载波 3、乘法器模块调试

载波送入乘法器，调节输出幅度使其大于调制信号，即U Ω<>

即出现过调状态，则调节乘法器模块的电阻值使其输出为

4、二极管包络检波仿真及调试

①在仿真过程中用到AM 波，改变参使载波频率为10KHz ，调制信号为1KHz ，幅度为2V ，m=0.5，AM 波形如图所示

检波电路满足RC<=√1-m 2/ωm="" 可以防止惰性失真。检波器输出端为正弦波和少量的高频纹波，在输出端加一低通滤波器可以将高频纹波滤掉。然而得到的输出仍含有少量的高频分量，为此，在rc="" 回路后加一滤波器滤除高频分量，输出波形中不再含有高频纹波。="">

第四章实验箱简介

ZH5006试验箱介绍

ZH5006综合设计实验箱为学生提供了一个开放的、可互连得工作平台，可充分地发挥学生的四维空间。 ZH5006综合设计试验箱包括以下三部分：（1）主板：提供了一个灵活的工作平台；

(2)标准模块：提供了诸如80C31、EPLD 、乘法器等标准模块；（3）通用设计模块：提供了一个可进行焊接的通用化模块；ZH5006试验箱的主板结构入下图4-1所示：

图4-1

在ZH5006试验箱中最多可插入两种类型的九块模板，其中上面三个模块（模块1~3）的结构一样，下面六个模块（模块4~9）的结构一样。这两类模块的差别在于它们的右边双排的信号定义上的差别，下面将详细说明。

这两类模块的左排插针JX01连接电源和地，右排插针JX02 连接信号，下方（或者上方）有十个标准测试孔CJX01~CJX10，用于信号的连线及测量。

另外，在每个模块的四角上还有四个固定孔，是用于设计模块在插入主板上进行定位的。

每个模块的左边插针JX01的定义如图4-2：

图4-2 图4-3

J-X01的电源脚定义模块0~3的J-X02引脚定义 1、ZH5006模块1~3的JX02引脚的定义如图4-3所示： 2、ZH5006模块4~9的JX02引脚的定义如图4-4所示：

图4-4模块4~9的IX02的信号引脚定义

3、对于双排的编号如下：（如图4-5所示）

最后对于ZH5006主板还需要说明的是：在主板的上方与下方有五个向外提供电源的标准插座，其主要提供+5V +12V 、—12V 的电源。电源定义如下：

图4-5双排针的编号

第五章心得体会

这次课程设计的基础课程是高频电子线路，由于课堂基础知识的学习和实验课的独立操作，我对AM 传输系统的原理有一定的认识，为课程设计打下了基础。

在本次课程设计中我负责了EWB 模拟仿真，二极管包络检波电路的焊接以及系统的连线调试。二极管检波电路的焊接很容易做，并且一次性调试成功。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的。在仿真调试过程中遇到的不少问题，由于自己独立思考和老师的帮助这些问题都一一得到了解决。

课程设计很快就结束了，我从中也学到了不少东西。这次设计让我学会了独立思考并解决问题的能力，学会了把自己平时所学的东西应用到实际中，同时也提高了我的动手能力，进一步巩固加深了我对AM 传输系统的理解。这次设计使我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，充分认识到团队合作的重要性。

附录一：

器件清单

附录二：

芯片资料

TL084管脚图

MC4096管脚

附录三：

参考文献

1．曾兴雯高频电路原理与分析（第四版）【M 】西安：西安电子

科技大学出版社 2006.8

2．康华光模拟电子技术高等教育出版社【M 】1999.6 3．魏平俊现代通信电路课程设计指导书【M 】电子信

息学院教研室 2004.8

4．张肃文陆兆熊高频电子线路（第三版）【M 】高等教育出

版社 1992

现代通信电路课程设计

AM传输系统的设计

现代通信电路

课程设计任务书

1、设计题目:AM 传输系统的设计

2、包含项目:

(1) 信号源产生模块(模拟语音信号) ;

(2) 载波信号产生模块

(3) AM 调制器:平衡调制器

(4) AM 解调器:解调 AM 信号

3、设计要求:

(1) 在进入实验室进行实际操作前, 提交准备报告:包括综合设计概况、主要技术指标、相应模块的实现方法; 提交模块的电路原理图;提交采用的器件资料。

(2) 实验操作可在 ZH5006综合设计实验箱上进行, 也可在高频电路实验台上进行。要求自行安装语音信号产生模块,其他模块采用标准模块。

(3) 在进入实验室进行实际操作后, 提交课程设计报告。报告格式参照中原工学院课程设计指导手册。

4、分组安排:

实验操作分两组进行:一组进行电路安装、调试, 一组进行设计电路原理图、软件仿真。然后再对调工作。

5、时间安排:

(1) 第 1天:布置任务,讲解设计方法,进行预设计;

(2) 第 2-3天:第一组进行电路安装、调试,第二组进行设计电路原理图、软件仿真。

(3) 第 3-4天:第二组进行电路安装、调试,第一组进行设计电路原理图、软件仿真。

(4) 第 5天:撰写设计报告。

一﹑绪论………………………………………………… 3 1.1设计目的 …………………………………… 3 1.2 设计内容及流程 ………………………… 3 1.3 设计要求 …………………………………… 5二、电路设计及仿真…………………………………… 6 2.1信号产生模块 ………………………………… 6 2.2载波产生模块 ………………………………… 9 2.3 AM调制模块 ………………………………… 10 2.4 AM解调模块 ……………………………… 12 2.5滤波电路 …………………………………… 14三、调试及结果分析………………………………… 17 3.1 安装调试 ………………………………… 17 3.2 实验分析 ………………………………… 18 四、心得体会………………………………………… 21附录一:器件清单…………………………………… 22附录二:芯片资料…………………………………… 23附录三 : 参考文献…………………………………… 24 附录四:ZH5006试验箱介绍 ……………………… 25

一、绪论

1.1设计目的

(1) 巩固加深对高频电子线路基本知识的理解 , 提高学生综合运用课程所学知识的能力。培养学生根据课题需要选学参考书籍 , 查阅手册和文献资料的自学能力。

(2) 通过实际电路方案的分析比较 , 设计计算 , 原件选取 , 安装调试等环节 , 初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法 , 掌握常用的仪器设备的正确使用 , 学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法 , 提高学生的动手能力 , 能在教师的指导下完成课题任务。

(3) 了解与课题有关的电子线路以及元器件工程技术规范 , 能按课程设计任务书的要求完成 , 能正确反映设计和实验成果 , 能正确绘制电路图等。

(4) 培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践 , 帮助学生逐步建立正确的生产观点 , 经济观点和全局观点。

1.2设计内容及流程

题目 :AM 传输系统的设计

包含项目 :

1、信号源产生模块 (模拟 — — 语音信号 ) ;

2、载频信号产生 (模拟 — — 载波 ) ;

3、 AM 调制器 :平衡调制器 ;

4、 AM 解调器 :解调 AM 信号。

↓

AM 传输系统设计框图

→ → ↑

1.3设计要求

1、综合设计前 , 要求 :

(1) 提交综合设计准备报告 , 包括综合设计概况、主要技术指标、相应模块的实现方法。同时对调试过程中可能出现的问题进行准备。

(2) 提交模块设计的电路原理图 ;

(3) 提交设计模块的完善器件资料。

2、分组要求 :

每六人为一组 , 单独进行。六人再分为两小组选出组长 , 负责协调工作。

3、计算机软件要求 :

(1) MaxplusII10.0开发工具

(2) WorkBench 工具

(3) Filter 设计工具

(4) AD7528器件资料

(5) TL084器件资料

(6) ATMEL89C52器件资料

(7) EPM7064器件资料

(8) MC1496器件资料

4、实验环境要求 :

示波器 1台 , 电源 , 电烙铁 1支 , 计算机 , 下载电缆 , 80C51开发系统 ,器件 :EPM7064, MC1496, TL084, ATMEL89C52, AD7528,通用电路板 ,扁平线 , 连接器若干 , 电阻电容若干。

二、电路设计及仿真

2.1信号产生模块

1、实现方法一:RC 振荡器

无线传输系统报告

科信学院

无线传输系统二级项目设计说明书 (2011/2012学年第二学期)

课程名称 :无线传输系统二级项目

题目 :时分多址接入和 BPSK 调制技术专业班级 :通信工程 09-2

学生姓名 :

学号:

指导教师 :

设计周数 :1周

设计成绩 :

2012年 6月 15日

通信工程 CDIO 二级项目任务书

无线传输系统

一、题目:无线传输系统——时分多址接入和 BPSK 调制技术

二、班级、学号、姓名:

三、项目起止时间:

四、技术要求及原始数据:

1. 对无线传输系统主要原理和技术进行研究,包括时分多址接入、二进制相移键

2. 建立完整的基于时分多址和 BPSK 的数字通信系统仿真模型,包括用时隙区分多用户的 TDMA 技术及 BPSK 调制解调。

3. 在信道中加入高斯噪声,观察不同用户在系统中的误码率,比较不同用户的性 1、建立无线传输系统数学模型;

学生(签字) 指导教师(签字) :

系主任(签字) :院长 (签字) :

1 项目目的

我们小组的主要目的是对无线传输系统主要原理和技术进行研究,包括时分多址接入、二进制相移键控(BPSK )及解调技术、高斯噪声信道原理等;建立完整的基于时分多址和 BPSK 的数字通信系统仿真模型, 包括用时隙区分多用户的 TDMA 技术及 BPSK 调制解调; 在信道中加入高斯噪声, 观察不同用户在系统中的误码率, 比较不同用户的性能, 并进行分析。

2 项目设计正文

2.1 无线传输系统简介

无线网络是多用户系统, 使信息传达方式的无线电波。在一个多用户环境, 获得协调, 能够做到通过几个机制:由绝缘的各种信号共用同一通道中,通过允许信号,以争取获得, 或者把两者结合起来的做法。选择合适的计划,必须考虑很多因素,如类型的交通正在考虑,现有的技术,成本,复杂性。信号绝缘,是很容易实现的方式,调度程序,其中信号获准进入中等按照预定计划。信号发生争论到底, 因为没有信号绝热机制的运用。进入协调,可进行不同领域:频域,时域,码域,空间域。信号绝缘在每个域是要达到分裂资源可用到非重叠时段(班次时段,时间槽,槽码,和空间插槽) ,并指派每个信号时段。四个主要的多址接入技术, 所使用的无线网络:频分多址接入 (FDMA ) , 时分多址 (TDMA ) , 码分多址(CDMA ) ,空分多址。

2.2设计思路

2.3项目分析

2.3.1什么是多址技术

在无线电通信系统中, 在相同的地域, 相同的时间范围, 相同的频域范围, 每个接收设备都沐浴在众多设备发出的电磁波中。但是它们进行着与各自对象的信息交换(通信) 。这靠的就是多址技术。即靠信号的某些特征的差别, 接收设备发给自己的无线电设备信号与其

它的信号区别开。有三种最基本的多址技术--频分,时分,码分多址。

2.3.2时分多址技术

TDMA :Time Division Multiple Access 时分多址。时分多址是把时间分割成周期性的帧 (Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时, 基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输, 各移动终端只要在指定的时隙内接收, 就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。优点是发射数据是用缓存-突发法, 省电, 切换简单, 不需要双工器, 不同用户分配不同的带宽; 用户共享一个载波频率, 利用互不交叉的时隙, 时隙数取决于调制技术、有效带宽等不足为同步开销大, 必须有自适应均衡、保护时隙。

图 1

2.3.3 TDMA系统特性 (1)每载频多路信道。如前所述, TDMA 系统形成频率时间矩阵,在每一频率上产生多个时隙, 这个矩阵中的每一点都是一个信道, 在基站控制分配下, 可为任意一移动客户提供电话或非话业务。

(2)利用突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的,只是在规定的时隙内发射脉冲序列。

(3)传输速率高,自适应均衡。每载频含有时隙多,则频率间隔宽,传输速率高,但数字传输带来了时间色散,使时延扩展加大,故必须采用自适应均衡技术。

(4) 传输开销大。由于 TDMA 分成时隙传输, 使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开,保护时隙也是必须的。因此, TDMA 系统通常比 FDMA 系统需要更多的开销。

(5)对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时, TDMA 系统的信频率

道很容易重新配置以接纳新技术。

(6) 共享设备的成本低。由于每个载频为多个客户提供服务, 所以 TDMA 系统共享设备的每客户平均成本与 FDMA 系统相比是大大降低了。

(7) 移动台设计较复杂。它比 FDMA 系统移动台完成更多的功能, 需要复杂的数字信号处理。 2.3.4TDMA 帧结构

TDMA 帧的完整结构,实质上是在无线链路上重复的物理帧。图 -2.

(1) TDMA 帧-每个 TDMA 帧含 8个时隙, 整个帧时长约为 4.615ms , 每个时隙含 156.25个码元,时隙时长为 0.577ms 。

(2) TDMA 复帧(Multiframe )-多个 TDMA 帧构成复帧,其结构有两种:

连续的 26个 TDMA 帧构成的复帧,称为 26复帧,周期为 120ms ,用于业务信道和随路控制信道(TCH 与 SACCH/FACCH)。连续的 51个 TDMA 帧构成的复帧,称为 51复帧, 用于控制信道(CCH ),周期为 3060/13≈ 235.385ms 。

(3) TDMA 超帧(Superframe )-多个连续的 TDMA 复帧构成超帧,它是一个连续的 51×26TDMA 帧,一个超帧的持续时间为 6.12s 。

(4) TDMA 超高帧 (Hyperframe ) 它包括 2048个超帧, 每个周期包括 2715648个 TDMA 帧,其时间周期为 3小时 28分 53秒 760毫秒。 TDMA 帧号是以 TDMA 高帧(2715648个 TDMA 帧)为周期循环编号的。

总之 TDMA 系统把无线频谱按时隙划分,并且在每一个时隙仅允许一个用户,要么接收要么发送。

2.4 BPSK设计原理

数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输, 在实际应用中, 大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输, 必须使用数字基带信号对一个TDMA帧

载波进行调制, 以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波, 把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。

数字相位调制又称为移相键控。它是利用载波相位的变化来传递数字信息的。通常又可把它分成绝对相移与相对相移两种方式。绝对移相就是利用载波不同相位的绝对值来传递信息。那么, 怎样才能让载波不同相位的绝对值来传递信息呢?如果让所传输的数字基带信号控制载波相位的改变, 而载波的幅度和频率都不变, 那么就得到载波相位发生变化的已调信号。这种调制方式称为数字相位调制。即移相键控 PSK 调制。

数字调制技术的两种方法:①利用模拟调制的方法去实现数字式调制, 即把数字调制看成是模拟调制的一个特例, 把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理; ②利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波, 从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法, 比如对载波的相位进行键控,便可获得相移键控(PSK )基本的调制方式。

图 3 BPSK 信号时间波形示例

2.4.1 BPSK 的调制原理

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, 它们应处于

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息, 而振幅和频率保持不变。在 2PSK 中, 通常用初始相位 0和 π分别表示二进制“ 1”和“ 0” 。因此, 2PSK 信号的时域表达式为

) cos(A ) (2PSK n c t t e ?ω+= (1)

式中, ?n 表示第 n 个符号的绝对相位: ???=”时发送“ ”时发送“ , 1, 00π?n (2) 因此,上式可以改写为

???--=P t P t t e c c 1, cos A , cos A ) (2PSK 概率为概率为 ωω (3)

由于两种码元的波形相同,极性相反,故 BPSK 信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘:

()t t s t e c ωcos ) (2PSK = (4)

式中

∑-=n s n nT t g a t s ) () ( (5) 这里 s(t)为双极性全占空 (非归零 ) 矩形脉冲序列, g(t)是脉宽为 Ts 的单个矩形脉冲, 而 an 的统计特性为

???--=P P a n 1, 1, 1概率为概率为 (6)

BPSK 信号的调制原理框图如图 2-2所示。与 2ASK 信号的产生方法相比较, 只是对是 S(t)的要求不同。在 2ASK 中 S(t)是单极性的,而在 BPSK 中 S(t)是双极性的基带信号。

图 4 BPSK信号的调制原理框

2.4.2 BPSK 的解调原理

2PSK 信号的解调方法是相干解调法。由于 PSK 信号本身就是利用相位传递信息的,所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。下图 2-3中给出了一种 2PSK 信号相干接收设备的原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘, 然后用低通滤波器滤除高频分量,在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为 1,负抽样值判为 0。

图 5 BPSK的相干接收机原理框图

BPSK 信号的相干解调各点时间波形如图 6所示。

图 6 BPSK各点时间波形

波形图中,假设相干载波的基准相位与 BPSK 信号的调制载波的基准相位一致(通常默认为 0相位) 。但是, 由于在 BPSK 信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊, 即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相, 也可能反相, 这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反,即“ 1”变为“ 0” , “ 0”变为“ 1” ,判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为 BPSK 方式的“倒 π现象”或“反相工作” 。这导致了 BPSK 方式在实际中很少采用。另外,在随机信号码元序列中,信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形, 致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。为了克服 BPSK 这一缺点, 在实际使用中常采用 DPSK ,即差分相移键控。

a d e c

2.5 仿真框图

经过调制后, 调制信号就可以在信道上传输。但是在实际的信道中传输时, 会叠加很多噪声,因此,程序模拟在实际信道上传输,产生噪声,叠加到已调信号上。

在接收端, 通过相干解调的方法, 把接收到的叠加有噪声的信号进行解调, 但是解调后的信号还不是最先发送的二进制比特流, 需要对解调得到的信号进行抽样判决, 才能得到发送的二进制比特流,即发送信号。软件的仿真流程图如 7所示。

图 7 基于 MATLAB 的 BPSK 调制解调仿真框图

3 基于 MATLAB 的仿真结果图

4设计总结

在这次的课程设计过程中, 我发现自己的基础知识和应用能力都很差。刚接过课题, 按照设计步骤走的时候, 在数字基带信号的产生和加载载波上就卡住了, 通信原理的知识忘记了很多, 以至于在设计开始时必须得先复习一下相关的基础知识。随着实验的进行, 发现自己的通信原理课程学得远远不够, 不能根据要求设计出最佳效果的 BPSK 系统。然而, 通过这次设计, 看了一遍通信原理课程关于 BPSK 系统的内容, 再通过利用参考文献与网络, 最终完成了用 Matlab 进行 BPSK 系统的课程设计。加深了对课堂抽象概念的理解 , 巩固了课堂上所学的理论知识 , 并能很好地理解与掌握通信原理课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法。熟悉了 MA TLAB 的运行环境,初步掌握了 MA TLAB 语言在信号调制和解调中一些基本库函数的调用和编写基本程序等应用; 熟悉了 BPSK 系统设计的一般原理, 对其有了一个感性的认识,很大程度上提高了自己的实践能力。

5参考文献

[1]刘树棠译 . 现代通信系统 . 使用 MATLAB. 北京:电子工业出版社 .2006.

[2]樊昌信 . 通信原理 . 第六版 . 北京:国防工业出版社 .2008

[3] 李伟章 +现代通信网概论 [M].北京:人民邮电出版社, 2003:225— 227.

[4] 杨万全,熊淑华.现代通信技术 [M].四川:四川大学出版社, 2000:122一 I27. [5] 王玉磊 . 从零开始学 MATLAB. 中国铁道出版社 .

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