基于ook調(diào)制解調(diào)設(shè)計的課程設(shè)計報告

1、青 島 科 技 大 學(xué)本科綜合課程設(shè)計報告 基于ook調(diào)制的水下無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)題 目 _ 王景景指導(dǎo)教師_ 歐澤世學(xué)生姓名_ 1308020316學(xué)生學(xué)號_ 3 信息工程 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)_院（部）_專業(yè)_班121 2015_年 _月 _課程設(shè)計地點(diǎn)弘毅D403課程設(shè)計時間2016/12/25-2017/1/13課程設(shè)計目的1、 綜合學(xué)習(xí)和實(shí)踐所學(xué)課程的內(nèi)容。2、 練習(xí)將所學(xué)知識解決實(shí)際問題的方法。3、 討論分析ook調(diào)制與解調(diào)方式。4、 設(shè)計電路相應(yīng)的電路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)調(diào)制。5、 撰寫報告，初步分析相應(yīng)的調(diào)制。指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師簽字：驗(yàn)收（答辯）意見驗(yàn)收（答辯）人員簽字：系（教研室）

2、意 見 教研室主任簽字：成 績（百分制）15摘要：由于海洋探索、水下觀察等水下應(yīng)用領(lǐng)域?qū)νㄐ偶夹g(shù)的需求不斷提高，構(gòu)建一個高速并且有效的水下通信系統(tǒng)成為一個新的課題。當(dāng)前，水下無線光通信技術(shù)以其具有極高的信息承載能力和更高的傳輸速率。本論文就基于對水下無線光通信系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)ook調(diào)制進(jìn)行對調(diào)制解調(diào)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用multisim進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：水下無線光通信 OOK 調(diào)制 Multisim 1.設(shè)計背景及目的1.1背景及研究意義隨著海洋開發(fā)和勘測進(jìn)程的飛速發(fā)展，將水下探測和搜集產(chǎn)生的數(shù)據(jù)快速有效的傳輸有重要意義。例如，各種傳感器在水下探測到的數(shù)據(jù)如果及時的傳送到水上基站，無疑能夠大幅度減小

3、水下傳感器的存儲容量和復(fù)雜度；對于水下實(shí)景的探測有助于更好的了解和重現(xiàn)水下面貌，然而這需要高速的傳輸速率來解決水下攝像機(jī)拍攝到的畫面?zhèn)鬏攩栴}，而且速率越高，對于傳輸拍攝畫面的實(shí)效性和畫面清晰度越有好處 ；但是目前我們面臨一個巨大的困難就是無法在水下傳感器設(shè)備之間和水上基站之間快速而準(zhǔn)確的完成數(shù)據(jù)傳輸。而這一困難的主要原因是無線電磁波不能在水下很好的傳輸。為了解決這一問題，可利用可見光進(jìn)行水下無線通信，特別是隨著發(fā)光二極管技術(shù)和傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，使得這一方案成為可能。通過發(fā)射機(jī)采用 OOK 鍵控調(diào)制方式來控制發(fā)光二極管，本設(shè)計就對ook調(diào)制方式的調(diào)制解調(diào)進(jìn)行設(shè)計。1.2課程設(shè)計目的（1）綜合

4、學(xué)習(xí)和實(shí)踐所學(xué)課程的內(nèi)容。（2）練習(xí)將所學(xué)知識解決實(shí)際問題的方法。（3）討論分析ook調(diào)制與解調(diào)方式。 （4）設(shè)計電路相應(yīng)的電路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)調(diào)制。 （5）撰寫報告，初步分析相應(yīng)的調(diào)制。2.基本原理2.1調(diào)制原理載波發(fā)生器開關(guān)電路開關(guān)鍵控（OOK）原理如圖1-1所示。開關(guān)電路受基帶信號的控制。當(dāng)信號為“1”時，載波通過開關(guān)電路，即；當(dāng)信號為“0”時，開關(guān)接地，輸出為“0”，即。OOK調(diào)制過程中、和的波形如圖1-2所示。圖1-1 OOK調(diào)制原理圖01001圖1-2 調(diào)制過程中信號波形2.2解調(diào)原理非相關(guān)解調(diào)法又稱為包絡(luò)檢波法，是利用包絡(luò)檢波器或波形整流器對幅度鍵控信號進(jìn)行檢波以恢復(fù)基帶信號的方法，其原

5、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(jī)性能，恢復(fù)基帶信號。簡單的包絡(luò)檢波器電路如圖1-4所示，它是利用二極管單向?qū)щ娦约半娙莸某?、放電來?shí)現(xiàn)檢波的。當(dāng)載波信號為正半周時，VD導(dǎo)通，電容充電，電容電壓迅速上升至輸入信號峰值；當(dāng)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緩慢放電。當(dāng)下一個正半周期時，輸入信號大于電容電壓使VD再次導(dǎo)通，并對電容充電至峰值，如此反復(fù)，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(luò)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(diǎn)，應(yīng)用得較為廣泛。但對于

6、高速的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，由于碼元較窄，無明顯的包絡(luò)，則必須應(yīng)用相干解調(diào)法。輸入已調(diào)信號帶通濾波器包絡(luò)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(diào)原理框圖CRVD圖1-4 簡易包絡(luò)檢波器電路圖載波后110000圖1-5 OOK解調(diào)波形示意圖3.系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)描述   OOK系統(tǒng)主要分為調(diào)制部分和解調(diào)部分，調(diào)制部分有基帶信號發(fā)生器、載波發(fā)生器、開關(guān)電路三部分，解調(diào)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(yán)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(guān)電路，碼元速率不能太高。3.2系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

7、60;（1）操作系統(tǒng)：Windows10（2）開發(fā)環(huán)境：Multisim 3.3調(diào)制電路分析 調(diào)制電路主要由基帶信號發(fā)生器、載波發(fā)生器和開關(guān)電路組成，分別對這三部分的性能和參數(shù)進(jìn)行分析，得出最佳設(shè)計方案。 3.3.1基帶信號模擬發(fā)生器由于本次課題為計算機(jī)設(shè)計與仿真，采用Multisim設(shè)計OOK電路。應(yīng)為Multisim中不存在基帶信號發(fā)生器，仿真一般用時鐘發(fā)生器代替，但是實(shí)際中的基帶信號有一定的隨機(jī)性。所以需要設(shè)計一個基帶信號模擬發(fā)生器電路來模擬真實(shí)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(shè)計基帶信號模擬發(fā)生器。 3.3.2載波發(fā)生

8、器載波發(fā)生器采用正弦波電路，在正弦波振蕩器中，在這使用電容反饋式LC振蕩器，其又稱為電容三點(diǎn)式振蕩器，該電路的輸出波形好，失真度較小，振蕩頻率高達(dá)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(fù)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） 3.3.3開關(guān)電路開關(guān)電路是OOK調(diào)制電路的核心部分，采用CD4066四雙向模擬開關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路，CD4066主要用作模擬或數(shù)字信號的多路傳輸。CD4066 的每個封裝內(nèi)部有4 個獨(dú)立的模擬開關(guān)，每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)

9、控制端加高電平時，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時開關(guān)截止。模擬開關(guān)導(dǎo)通時，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開關(guān)截止時，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號和模擬信號，可傳輸?shù)哪M信號的上限頻率為40MHz。各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為50dB。3.4解調(diào)電路分析 3.4.1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(shè)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(yīng)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(shí)際上，沒有真正意義的理想帶通濾波器。真實(shí)的濾波器無法完全過濾掉所設(shè)計的通帶之外的頻率信號，在理

10、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(shè)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(shè)計。OOK解調(diào)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(guān)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(shè)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(shè)計有源濾波器時，一般的設(shè)計步

11、驟如下：1根據(jù)傳遞函數(shù)設(shè)計：根據(jù)對濾波器特性的要求，設(shè)計某種類型的n階傳遞函數(shù)，再將n階傳遞函數(shù)分解為幾個低階(如一階、二階或三階)傳遞函數(shù)乘積的形式。2電路設(shè)計：按各個低階傳遞函數(shù)的設(shè)計要求，設(shè)計和計算有源濾波器電路的基本節(jié)點(diǎn)。首先選擇電路形式，再根據(jù)所設(shè)計的傳遞函數(shù)，設(shè)計和計算相應(yīng)的元件參數(shù)值。3電路裝配和調(diào)試：先設(shè)計和裝配好各個低階濾波器電路，再將各個低階電路級聯(lián)起來，組成整個濾波器電路。對整個濾波器電路進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和性能測試，檢驗(yàn)設(shè)計結(jié)果。對于圖2-2所示的多反饋二環(huán)典型電路，可以恰當(dāng)?shù)倪x擇的參數(shù)，構(gòu)成低通、高通、帶通和帶阻等濾波器。只要的參數(shù)由如下表達(dá)式選擇時，就可構(gòu)成帶通濾波器。

12、參數(shù)的表達(dá)式如下：， （2-4）將以上各表達(dá)式代入傳遞函數(shù)表達(dá)式 （2-5）這可得到多反饋環(huán)型帶通濾波器的傳遞函數(shù)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(shù)如下： （2-7） （2-8） （2-9）圖2-3 有源帶通濾波器電路 3.4.2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(yùn)放的全波整流電路較為合適，NE5532是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路。與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號

13、帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn)。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)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(shè)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。 3.4.3低通濾波器低通濾波器是包絡(luò)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(luò)近似基帶波形的波形。下一步就是通過比較器整形，使解調(diào)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(yùn)放。 3.4.4抽樣判決器抽樣判決器是OOK解調(diào)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(jìn)行整形，然后使

14、用SN74HC74N對信號進(jìn)行抽樣判決。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)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(nèi)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。4.電路具體設(shè)計 4.1調(diào)制電路  4.1.1基帶信號發(fā)生電路設(shè)計工作原理如圖3-1所示。在移位寄存器中值初值1001，經(jīng)過模二加移位可得到二進(jìn)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

15、-2所示。首先，開關(guān)S1是閉合的，即S0S1=10，當(dāng)開關(guān)S1斷開時，S0S1=11，此時74LS194N開始植入初值A(chǔ)BCD=1001；當(dāng)開關(guān)S1再次閉合時，74LS194開始工作，QCQD中的值經(jīng)過異或門74LS86N送入SR右移（上圖是右移，對于74LS194應(yīng)該是左移），右移產(chǎn)生連續(xù)的序列1001 1010 1111 000，通過示波器XSC1能夠觀察到輸出的二進(jìn)制序列。 圖3-2 二進(jìn)制信號序列發(fā)生器電路通過觀察發(fā)現(xiàn)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(jìn)制序列波形 4.

16、1.2載波發(fā)生器電路設(shè)計西勒振蕩電路是另一種改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器如圖3-4所示。電容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(diǎn)僅在于回路電感L兩端并聯(lián)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(diǎn)。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(jīng)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(diào)C6和L2可以使振蕩頻率更精準(zhǔn)。電阻R6為負(fù)載。 圖3-4 西勒振蕩電路圖3-5為頻率計數(shù)器顯示的振蕩器產(chǎn)生的波形頻率30

17、MHz。 圖3-5 振蕩電路頻率圖3-6為振蕩器產(chǎn)生的波形圖，由圖可見波形峰值大于5V。 圖3-6 振蕩電路波形 4.1.3 調(diào)制電路設(shè)計OOK調(diào)制電路如圖3-7所示，載波信號接入MC74HC4066D的1A腳，二進(jìn)制序列信號接入MC74HC4066D的1EN腳，載波信號與二進(jìn)制序列信號經(jīng)過MC74HC4066D作用后從1Y腳輸出。調(diào)制波形如圖3-8所示。圖3-7 OOK調(diào)制電路 A通道是對應(yīng)的基帶信號 ，B通道對應(yīng)的載波信號，C通道則是最后調(diào)制輸出信號。圖3-8 OOK調(diào)制波形 4.2解調(diào)電路 4.2.1帶通濾波器電路設(shè)計設(shè)計條件為，（這里）。（選擇一個恰當(dāng)?shù)膮?shù)，結(jié)合電路設(shè)計和要求，選取5

18、00pF的電容）。設(shè)計計算如下： （3-2） （3-3） （3-4） （3-5）將，C，的數(shù)值代入上式中，可得，用根據(jù)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(diào)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 4.2.2全波整流電路設(shè)計全波整流電路如圖3-10所示，該電路是一種基于運(yùn)放的精密全波整流電路，由4個二極管組成。本電路設(shè)計中，R1=R2=R3=1K歐姆。工作原理：當(dāng)輸入信號為負(fù)時，運(yùn)放U1A輸出為正，二極管D1導(dǎo)通，因此電路相當(dāng)于反相比

19、例放大器，又因?yàn)镽1=R2，所以Vo=-Vi；當(dāng)輸入信號為正時，運(yùn)放U1B輸出為正，二極管D4導(dǎo)通。兩個運(yùn)放出來的信號相加，從而達(dá)到全波整流的目的。該電路的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)整流之后的波形是整流之前波形的下半部分向上翻轉(zhuǎn)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4.2.3低通濾波器設(shè)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）電阻R1和電阻R2的阻值相同都是1K歐姆，電容C

20、1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?yàn)榛鶐盘柺?68.78KHz，所以二階低通濾波器的截止頻率為15MHz符合要求，能夠?qū)⒄{(diào)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(luò)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波器濾波后的波形，從圖中可以看見低通濾波后的波

21、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(jìn)一步整形。 圖3-13 低通濾波器濾波前后的波形4.2.4抽樣判決器設(shè)計選用常用的電壓比較芯片LM339構(gòu)成電壓比較器電路，通過調(diào)節(jié)電位器R11的阻值改變判決電壓的大小，當(dāng)輸入信號的電壓大于判決電壓時，輸出為高電位，當(dāng)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(dāng)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2.5V。當(dāng)信號電壓值大于2.5V時判為“1”，當(dāng)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4.2.5解調(diào)電路設(shè)計OOK解調(diào)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(gòu)成了OOK的解調(diào)電路。圖3-16 OOK解調(diào)電路5. 總結(jié)與體會