ASK调制与解调电路设计及仿真实现.docx
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ASK调制与解调电路设计及仿真实现
《电力系统自动化》
课程设计任务书
题目
ASK调制与解调电路设计及仿真实现
学生姓名
学号专业班级
设计内容与要求
一、设计内容
1.对电力系统远动信息传输系统的主要环节进行理论分析和研究。
2.熟悉数字调幅技术的有关原理和实现方法。
3.设计ASK调制解调电路。
4.熟悉ORCAD软件的应用,学习元件库使用、原理图的建立以及应用原理图进行仿真的基本方法。
5.撰写设计报告,报告要求有以下内容:
1)画出所设计电路的原理图。
2)对电路中各功能环节的工作原理进行分析。
3)针对所设计的电路,说明各种器件参数选择的理由。
4)画出各个环节的波形图,并对仿真结果进行分析,验证设计的正确性。
5)总结电路调试过程所遇到的问题及解决方法。
6)课程设计的结论。
二、设计要求
1.掌握电力系统远动信息传输的基本过程。
2.掌握电力系统远动信息过程中ASK数字调幅与解调的基本原理。
3.学习使用ORCAD进行仿真的基本方法。
4.设计ASK调制解调的仿真电路,并在PSPICE环境进行仿真验证,观察
各环节的波形,并能做出正确分析。
起止时间
2009年12月21日至2009年12月25日
指导教师签名
年月日
系(教研室)主任签名
年月日
学生签名
年月日
1.背景描述
2.设计内容
3.工作原理
4.电路设计及参数设置
5.仿真及波形分析
6.总结
7.参考文献
一.背景描述:
电力系统远动技术是为电力系统调度服务的远距离监测、控制技术。
由于电能生产的特点,能源中心和负荷中心一般相距甚远,电力系统分布在很广的地域,其中发电厂、变电所、电力调度中心和用户之间的距离近则几十公里,远则几百公里甚至数千公里。
要管理和监控分布甚广的众多厂、所、站和设备、元器件的运行工况,已不能用通常的机械联系或电联系来传递控制信息或反馈的数据,必须借助于一种技术手段,这就是远动技术。
它将各个厂、所、站的运行工况(包括开关状态、设备的运行参数等)转换成便于传输的信号形式,加上保护措施以防止传输过程中的外界干扰,经过调制后,由专门的信息通道传送到调度所。
在调度所的中心站经过反调制,还原为原来对应于厂、所、站工况的一些信号再显示出来,供给调度人员监控之用。
调度人员的一些控制命令也可以通过类似过程传送到远方厂、所、站,驱动被控对象。
这一过程实际上涉及遥测、遥信、遥调、遥控,所以,远动技术是四遥的结合。
二.设计内容:
1.对电力系统远动信息传输系统的主要环节进行理论分析和研究。
2.熟悉数字调幅技术的有关原理和实现方法。
3.设计ASK调制解调电路。
4.熟悉ORCAD软件的应用,学习元件库使用、原理图的建立以及应用原理图进行仿真的基本方法。
三.工作原理:
1.数字调幅技术的原理和实现方法
(1)数字调制的概念用二进制(多进制)数字信号作为调制信号,去控制载波某些参量的变化,这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制,反之,称为数字解调。
(2)数字调制的分类
在二进制时分为:
振幅键控(ASK、频移键控(FSK、相移键控(PSK
其中,ASK属于线性调制,FSKPSK属于非线性调制
(3)
数字调制系统的基本结构
图为ASK信号的产生原理
一个二进制的ASK信号可视为一个单极性脉冲序列与一个高频载波的乘积,即ASK的时域表达式为:
»(r)=/cos矽(T)兀<匕@+叽
启(『一hT)COSf=5(Z)COS0)ct
也可与成:
%(『)=[,应)=0("0")kT:
(2)ASK信号的功率谱特性 ASK信号的自相关函数为: 兀⑴二疋囤⑴环(『+厂)]二日[^(Ocoscoct][s(t+r)cosq(t+r)]; 11 =Rs(r)—cos®fr=—Rs(r)[e~jm^r+eja>cT] 24 (3)ASK信号的功率谱密度为: 式中,ps(f)为基带信号S(t)的功率谱密度 当0、1等概出现时,单极性基带信号功率谱密度为 则2ASK信号的功率谱密度为 fto ASK信号谱,形状为ps(f),双边带加载频谱线pE(f) 2 ASK信号传输带宽劭肛,亍=2力(圧)(取主瓣宽度) R 带宽利用率卯=才」二°二斷心■圧 ASK (4)ASK信号的解调方式 解调也可以分成相干解调与非相干解调两类。 其中相干解调要求接 收端提供相干载波。 非相干解调,就是在接收端不需要相干载波,而根据已调信号本身的特点来解调 x(t)r 1• ”BPF 整流 LPF ■ 抽样判决 a.非相干解调的原理框图和波形图(包络检波法) 已调ASK信寻 cp(t) b.相干解调的原理框图和波形图(同步检测法) cf八 BPF > LPF 抽样判决 *x_ • ■, COSCt)ct d L cp(t) ■ Hi 四.ASK调制解调的仿真电路的设计及参数设置 1.ASK信号产生电路设计 本次设计中采用模拟法,其中V1,V2都采用方波作为数字基带信号. V1设置其低电平V2=0V,咼电平V1=2V延迟时间TD=0ms上升时间TR=0.0001ms下降时间TF=0.0001ms脉冲宽度PW=1ms,脉冲周期PER=2ms. V2设置其低电平V2=0V,咼电 平V1=1V延迟时间TD=0us,上升时间TR=0.00001us,下降时间TF=0.00001us,脉冲宽度PW=5us脉冲周期PER=10us. 此过程为信号的调制过程,调制是将某种低频信号(如音频信号) “加载”到为了便于传输的高频信号的过程。 本设计采用模拟乘法器实 现对信号的调制。 用模拟乘法器实现幅度调制的原理框图如下图: 载波信号 哄=、2UfcosWCT 以调幅广播信号为例,将音频信! ! : : 二』獄玉陇期转饱t与高频载波信 号一.二—一: 4分别接入模拟乘法器的两个输入端,则输出电压为 =2K【]一.二'佣识;氓: t 二KL\L;: [吨緘细嗚: ! ! 強力t+二;二.r【厂;: : t] 由于被调制的低频信号并非单一频率-而是某一频段的信号,如音 频信号的频率为20Hz~20KHz。 所以乘法器的输出电压是以调制频率魏为中心的两段频段,简称便带。 )为上边带;(静巳•腑Q为下边带。 在乘法器的输出端接一个带通滤波器可滤除其中的一个边带,而保留另一个边带发送。 L: 幾二K__…•-t 2.ASK信号解调电路设计 本次设计中采用相干解调法,由常规双边带调幅(AM)信号的频谱可知,如果将已调信号的频谱搬回到原点位置,即可得到原始的调制信号频谱,从而恢复出原始信号。 解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。 因此V1、V2相乘后所得2ASK信号再与V3方波信号相乘即可实现ASK信号的解调。 电路如左图所示: 其中V3采用方波信号,设置其低电平V2=0V,高电平V1=1V,延迟时间TD=Ous,上升时间TR=0.00001us,下降时间TF=0.00001us,脉冲宽度PW=5us脉冲周期PER=10us. 此过程为信号的解调过程,解调是调制的逆变换,即从调制过程 的高频信号中提取原低频信号的过程。 本设计采用模拟乘法器实现对信号的解调 用模拟乘法器实现幅度解调的原理框图如下图: |uc=V2Uecoswci X〉uol 低通滤波器 U0=KUeUjCoswst 载波信号 音频信号 调幅信号 □1=/2U|C0s[wc_xvs) 解调是调制的逆过程,同样是利用乘法器来实现将音频信号从调幅波中分离出来。 乘法器的两个输入端分别接入调幅波(下边带) 「=二1-一一及与调制时的载波信号同频同相的载波信号 -=^: t,则可以得到输出信号为 I鬆障能傀: t+曲闽為忌帝沏打 通过低通滤波器滤除其中的高频分量,则可以得到输出电压幅值与原信号(匕二,—一」一…」t)略有不同,但频率都为侵电: 的低频信号3•滤波电路环节设计 R1 ―T~—— 5k 0.0C2U 二二C1 1 =0 本设计采用一阶滤波电路,由于采用了脉冲周期: PER=10us (f=1/10us=100kHz)的高频方波载波信号,故此处所用滤波器的时间常数t=1/f=10us,因此先选定电阻R仁5k,与之对应选择电容C1=0.002uF即可满足此时间常数要求。 4•比较电路环节设计 其中LM324与R2、R3构成一个反向器,LM324工作的正端电压设置为5Vdc。 其电路如下图所示 5•电压判决电路环节设计 该处电压抽样判决器中负端工作电压由V6处的5Vdc经R4、R5 构成的电压取样电路取得1Vdc与LM324的正端输入电压信号比较,当输入信号大于1Vdc时,LM324输出为高电平,否则为低电平。 从而将原低频调制信号解调还原出来。 电路如下图所示 6.ASK调制解调仿真电路综合设计 综合上述各个电路环节,最后得ASK调制解调的仿真电路如下图 所示: 五.PSPICE环境下仿真波形及波形分析 1.电路图标记各点在pspice环境下的仿真波形: 2.0V 1.0V 0V 0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms 6.0ms 口V(MULT1: OUT) Time 上图为01处波形(图1) 2.0V 1.0V vti■■■m■■nrri 0V 0s1.0ms2.0ms3.0ms4.0ms V(R1: 1) Time 上图为02处波形(图2) 4.0V -2.0V 5.0ms 6.0ms 2.0V 0V 1.0ms 2.0ms 4.0ms 5.0ms 6.0ms 0s V(U7: OUT) 3.0ms Time 上图为03处波形(图3) 1.00008V 1.00000V 1.00004V 0s1.0ms2.0ms V(R4: 1) 3.0ms Time 4.0ms 5.0ms 6.0ms 上图为04处波形(图4) 5.0V 2.5V 0V “D一丄一 11“Ml*I*”I・・mj““0“・ i^an■»iIiv^h” uainajainiMaMJnuuiinjaiiiiumali 0s1.0ms2.0ms3.0ms4.0ms5.0ms6.0ms 上V(U9A: OUT) Time 上图为05处波形(图5) 2.波形分析: 通过观察各个关键点的波形可知,01处的波形就是所要产生的2ASK信号波形,即调制波形。 02处的波形就是将上述2ASK信号相干解调后所得波形,即解调波形。 03处波形就是经滤波处理后所得波形,04处的波形就是电压判决器电路工作的工作基准电压波形,05处的波形就是解调还原出的调制信号波形,各观测点波形均为预期波形,说明仿真结果达到了设计要求,该设计具有可实用性。 3.结论 用一个乘法器将数字基带信号和载波信号相乘即可产生2ASK信 号,再将此2ASK信号与一个同样的高频载波信号相乘即可将此2ASK信号实现相干解调,2ASK信号通过滤波器滤除残余高频信号后,送到电压抽样判决器然后获得解调输出,其中抽样判决对于提高数字信号的接收性能十分必要。 六.设计总结 本次课程设计,是对平时所学知识的检验和扩展,是一个较好的理论接触实际的机会。 在完成本次课程设计的过程中,遇到的难题也是比较多的,例如,在使用orcad软件进行电路的设计和调试过程中,软件中的电子原件的型号选择,原件的参数设置,仿真时间的设定。 但是经过向老师和同学的请教以及查阅相关书籍资料,顺利完成了课程设计任务,锻炼了我独立解决问题的能力。 通过本次课程设计,不仅锻炼了我的计算机应用能力,使我对orcad软件的基本应用有了进一步的理解与认识,对软件的操作也更为熟练,也使我懂得了要将平时的理论知识应用到实际中去并非易事,是需要很多的努力的,除此之外,还让我明白了如何积极主动的学习以及自我学习的一些方法,培养了自我学习的兴趣。 七.参考文献 全能ORCAD混合电路仿真 通信原理教材 高频电子线路 电网调度自动化与配电自动化技术模拟电子技术基础 郑光钦---中国铁道出版社-2000 樊昌信等--国防工业出版社-2001 黄亚平机械工业出版社-2007 -王士政-中国水利水电出版社-2006 杨拴科高等教育出版社-2003
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- 关 键 词:
- ASK 调制 解调 电路设计 仿真 实现