ASK调制与解调电路设计.doc

《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
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
2008 年 12 月 21日 至 2008 年 12 月 26 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

目录

一． 背景描述…………………………
二． 设计内容…………………………
三． 工作原理…………………………
四． 电路设计及参数设置……………
五． 仿真及波形分析…………………
六． 设计总结…………………………
七． 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，FSK、PSK 属于非线性调制。
（3）数字调制系统的基本结构

（4）ASK调制波形与方框图：

2.二进制幅移键控(ASK)
（1）ASK 信号的产生

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：

也可写成：

（2）ASK 信号的功率谱特性
ASK 信号的自相关函数为：

（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:

ASK 信号谱,形状为 ps ( f ),双边带加载频谱线 pE ( f )
ASK 信号传输带宽

（取主瓣宽度）
带宽利用率

（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
a. 非相干解调的原理框图和波形图（包络检波法）

b.相干解调的原理框图和波形图（同步检测法）

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,高电平V1=2V，延迟时间TD=0ms,上升时间TR=O.0001ms,下降时间TF=O.0001ms,脉冲宽度PW=1ms,脉冲周期PER=2ms .
V2设置其低电平V2=0V,高电平V1=1V，延迟时间TD=0us,上升

时间TR=O.00001us,下降时间TF=O.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：

带通滤波器

音频信号
单边带信号输出
载波信号

以调幅广播信号为例，将音频信 =t 与高频载波信号=t分别接入模拟乘法器的两个输入端，则输出电压为
=2Ktt
=K[t+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为中心的两段频段，简称便带。（）为上边带；（）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。
=Kt
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=0us,上升时间TR=O.00001us,下降时间TF=O.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：

低通滤波器

载波信号
音频信号
调幅信号

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） = 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
=K[t+t]
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（=t）略有不同，但频率都为的低频信号。
3.滤波电路环节设计

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=1/f=10us ，因此先选定电阻 R1=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：
04
05
03
01
02
R6
3k
2
1
R5
1k
2
1
R4
4k
2
1
V6
5Vdc
VCC
0
0
0
U9A
LM324
+
3

2
V+
4
V-
11
OUT
1
V2
TD = 0us
TF = 0.00001us
PW = 5us
PER = 10us
V1 = 1V
TR = 0.00001us
V2 = 0V
V3
TD = 0us
TF = 0.00001us
PW = 5us
PER = 10us
V1 = 1V
TR = 0.00001us
V2 = 0V
V
V
V
V
V
V1
TD = 0ms
TF = 0.0001ms
PW = 1ms
PER = 2ms
V1 = 2V
TR = 0.0001ms
V2 = 0V
0
0
0
R1
5k
2
1
U7
-
2
+
3
OUT
6
V+
7
V-
4
R2
1k
2
1
R3
1k
2
1
C1
0.002u
1
2
V4
0Vdc
V5
5Vdc
0
0
0
0

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：
上图为01处波形（图1）

上图为02处波形（图2）

上图为03处波形（图3）
上图为04处波形（图4）
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-------郑光钦--- 中国铁道出版社-2000
通信原理教材-------------------樊昌信等-- 国防工业出版社-2001
高频电子线路-------------------黄亚平---- 机械工业出版社-2007
电网调度自动化与配电自动化技术-王士政-中国水利水电出版社-2006
模拟电子技术基础----------------杨拴科----高等教育出版社-2003