二進(jìn)制振幅鍵控（ASK）數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中，頻帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用最為突出。將原始的數(shù)字基帶信號，經(jīng)過頻譜搬移，變換為適合在頻帶上傳輸?shù)念l帶信號，傳輸這個(gè)信號的系統(tǒng)就稱為頻帶傳輸系統(tǒng)。在頻帶傳輸系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)字信號對載波不同參數(shù)的控制，形成不同的頻帶調(diào)制方法。幅移鍵控法(ASK)的載波幅度是隨著調(diào)制信號而變化的，其最簡單的形式是，載波數(shù)字形式的調(diào)制信號在控制下通斷，此時(shí)又可稱作開關(guān)鍵控法(OOK)。本設(shè)計(jì)中選擇正弦波作為載波，用一個(gè)二進(jìn)制基帶信號對載波信號的振幅進(jìn)行調(diào)制，載波在數(shù)字信號1或0的控制下通或斷，在信號為l的狀態(tài)載波接通，此時(shí)傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號為0的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時(shí)傳輸信道上無載波傳送，調(diào)制后的信號的頻帶寬度為二進(jìn)制基帶信號寬度的兩倍，此調(diào)制稱為二進(jìn)制振幅鍵控信號(2ASK，Binary Amplitude Shift Keying)。

1 2ASK信號的算法

1．1 時(shí)域

式中an=1或0，g(t)為脈沖形狀，Ts為碼元間隔，載波c(t)=COSωct。當(dāng)s(t)為矩形脈沖情況下，2ASK調(diào)制被稱為開關(guān)鍵控OOK(on-off-key Control)，OOK信號用載波的通斷(有無)來表示基帶“1”碼或“0”，如圖1所示。

1．2 頻域

設(shè)S(t)頻譜為S(ω)，S2AKS(t)頻譜為：

這說明，2ASK信號的頻譜是將數(shù)字基帶頻譜中心搬移到載頻處，帶寬為基帶帶寬的兩倍；又由可知，基帶信號是由若干基本脈沖組成的，因而基帶信號的帶寬完全由基本脈沖帶寬決定。2ASK信號的帶寬取決于基帶基本脈沖的帶寬，是基本脈沖帶寬的兩倍。設(shè)矩形脈沖：

由式(7)單個(gè)基本脈沖的功率譜如圖2所示，其中碼率Rs=1／Ts。

由圖2可見，

其各個(gè)零點(diǎn)滿足：sin(ωTs／2)=0==>ωTs／2=πi，i≠0==>ω=2πiRs，i≠O，第一旁瓣峰值比主峰值約衰減14分貝。因此，通常將第一零點(diǎn)作為其有效帶寬，換算成頻率單位的第一零點(diǎn)帶寬(有效帶寬)為：2 πRs／2π=Rs。因此，2ASK信號的有效帶寬為2Rs，有效帶寬為fc±Rs。

2 2ASK調(diào)制電路

調(diào)制的目的一是將信號頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)膮^(qū)域，二是實(shí)現(xiàn)信道頻分復(fù)用。盡管基帶信號在第一零點(diǎn)帶寬以外頻譜成分已相當(dāng)衰落，但在頻分復(fù)用情況下，仍可能對另一路信號產(chǎn)生干擾，所以必需有相應(yīng)的電路來抑制諧波。2ASK調(diào)制電路一般包括高頻振蕩電路、調(diào)制開關(guān)電路、濾波電路部分。在本設(shè)計(jì)中，振蕩電路產(chǎn)生107MHz的正弦信號作為載波，經(jīng)調(diào)制開關(guān)電路后連接一個(gè)帶寬大于2Rs的帶通型發(fā)送濾波器(聲表表面濾波器107±2MHz)，之后連接一個(gè)7階的巴特沃斯低通濾波器，以限制進(jìn)入信道的已調(diào)信號諧波頻帶。

2．1 石英晶體LC振蕩電路設(shè)計(jì)

正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器，通常由放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路等構(gòu)成。

振蕩器的頻率穩(wěn)定度是極重要的技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)榇苏{(diào)制器的頻率是否穩(wěn)定，取決于系統(tǒng)中的主振器(激勵(lì)源)的頻率穩(wěn)定度。頻率不穩(wěn)，就會(huì)影響通信的可靠性，引起較大的誤差，因此本設(shè)計(jì)采用高穩(wěn)定度的石英晶體。

石英晶體具有諧振電路的特性，如果外加電壓的角頻率ω等于石英機(jī)械振動(dòng)的固有諧振角頻率ωq時(shí)(它決定于石英晶體的幾何尺寸與切型)，石英晶體就發(fā)生諧振，即在外加電壓振幅不變的情況下，彈性變形大大加強(qiáng)，因而電流也達(dá)到最大，同時(shí)它具有很好的單頻性，即每塊晶體只能提供一個(gè)穩(wěn)定的振蕩頻率，不能直接用于波段振蕩器，只適合單個(gè)頻率的振蕩發(fā)生器。

石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2．2 調(diào)制開關(guān)電路設(shè)計(jì)

圖6為本設(shè)計(jì)中的調(diào)制電路，調(diào)制開關(guān)采用TTL邏輯器件74F00與非門中的其中一路，高頻振蕩信號由圖4所示電路產(chǎn)生，經(jīng)兩級高頻功率管3355放大后，由電容C206隔直后進(jìn)入與非門的輸入端(pin4)，同時(shí)pin4被抬電位到：

如圖7所示，此電位使與非門穩(wěn)定在線性區(qū)域。

調(diào)制信號(數(shù)據(jù)脈沖)在輸入門電路之前，加了一個(gè)47l電容到地，再串了一個(gè)1μH電感，濾除了脈沖的一些高頻分量，便于調(diào)制。但總的說來，調(diào)制信號邊緣太陡，諧波分量太重，而且調(diào)制信號的脈寬也很窄(此設(shè)計(jì)中調(diào)制信號的最大頻率為50kHz)，不利于調(diào)制信號在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

當(dāng)數(shù)據(jù)脈沖從pin5腳輸入，數(shù)據(jù)脈沖為“0”時(shí)，不管載波信號怎樣，輸出總為高電平“1”；數(shù)據(jù)脈沖為“l(fā)”時(shí)，輸出為載波信號。而輸出端接有隔直電容C207(2200pF)，輸出為高電平時(shí)，相當(dāng)于直流，會(huì)被隔直電容阻隔，這樣講入聲表的就是圖6上標(biāo)識的波形所示。

本設(shè)計(jì)中經(jīng)調(diào)制的信號中含有豐富的諧波頻譜，所以有必要對其諧波濾波，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而應(yīng)用到聲表面波帶通濾波器。

2．3 聲表面波濾波器

聲表面波濾波器(SAW filter)是在一塊具有壓電效應(yīng)的材料基片上蒸發(fā)一層金屬膜，然后經(jīng)光刻，在兩端各形成一對叉指形電極組成。當(dāng)在發(fā)射換能器上加上信號電壓后，就在輸人叉指電極間形成一個(gè)電場使壓電材料發(fā)生機(jī)械振動(dòng)(即超聲波)以超聲波的形式向左右兩邊傳播，向邊緣一側(cè)的能量由吸聲材料所吸收。

這種濾波器體積小、重量輕，中心頻率可做得很高，相對帶寬較寬，理想狀態(tài)下具有矩形選頻特性，但是實(shí)際的頻響不可能做到矩形，聲表在工作時(shí)，還存在一些假信號，影響它的特性，其中最主要的是三次渡越信號。它是一部分被接收換能器發(fā)射回來的聲波又經(jīng)發(fā)送換能器送到接收換能器而產(chǎn)生的，其時(shí)延為主信號的三倍，干擾主信號，使通帶內(nèi)的信號出現(xiàn)起伏。其實(shí)際的頻率響應(yīng)為圖8所示，所以其后有必要級聯(lián)低通濾波器。

2．4 巴特沃斯型LPF的設(shè)計(jì)

分離信號、抑制干擾是濾波器最廣泛和最基本的應(yīng)用，它使所需要頻率的信號順利傳輸，對不需要頻率的干擾產(chǎn)生干擾。此設(shè)計(jì)中的調(diào)制信號頻率為107MHz，帶寬為±2MHz，因此低通濾波器的截止頻率要設(shè)計(jì)在110MHz。

巴特沃斯型濾波器的衰減速度比其他類型濾波器緩慢，但十分平坦，沒有幅度變化，各方面要求也較低，設(shè)計(jì)簡單，性能方面又沒有明顯的缺點(diǎn)，對構(gòu)成濾波器的元件Q值要求很低，從而電感可以用漆包線自制；而且此濾波器在本設(shè)計(jì)中的選擇性不是很高，主要針對二次諧波(214MHz)、三次諧波(321MHz)等諧波分量的濾除，以免干擾其他信號，綜合考慮系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)采用7階型巴特沃斯型LPF。

在設(shè)計(jì)巴特沃斯型LPF的情況下，就是以巴特沃斯型的歸一化LPF設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的濾波器，將它的截止頻率和特征阻抗變換為待設(shè)計(jì)濾波器的相應(yīng)值。其流程圖10所示。

根據(jù)理論計(jì)算以及網(wǎng)絡(luò)分析儀上調(diào)試結(jié)果得出具體的濾波器參數(shù)如圖11所示，電容采用封裝為0603的瓷片電容，電感用漆包線手工繞制，其中φ為2mm，D為0．13mm。調(diào)制后的波形經(jīng)濾波器后得到的信號波形如圖12所示，中心頻率為107MHz左右，2MHz帶寬。