ASK调制与解调电路设计方案.docx
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ASK调制与解调电路设计方案
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
《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
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
=2K
t
t
=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。
=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=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
版权申明
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