二进制振幅键控（ASK）数字频带传输系统设计

0 引言

    在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。将原始的数字基带信号，经过频谱搬移，变换为适合在频带上传输的频带信号，传输这个信号的系统就称为频带传输系统。在频带传输系统中，根据数字信号对载波不同参数的控制，形成不同的频带调制方法。幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波数字形式的调制信号在控制下通断，此时又可称作开关键控法(OOK)。本设计中选择正弦波作为载波，用一个二进制基带信号对载波信号的振幅进行调制，载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为l的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送，调制后的信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍，此调制称为二进制振幅键控信号(2ASK，Binary Amplitude Shift Keying)。

1 2ASK信号的算法

1．1 时域

   
    式中an=1或0，g(t)为脉冲形状，Ts为码元间隔，载波c(t)=COSωct。当s(t)为矩形脉冲情况下，2ASK调制被称为开关键控OOK(on-off-key Control)，OOK信号用载波的通断(有无)来表示基带“1”码或“0”，如图1所示。

1．2 频域

    设S(t)频谱为S(ω)，S2AKS(t)频谱为：
   
    这说明，2ASK信号的频谱是将数字基带频谱中心搬移到载频处，带宽为基带带宽的两倍；又由可知，基带信号是由若干基本脉冲组成的，因而基带信号的带宽完全由基本脉冲带宽决定。2ASK信号的带宽取决于基带基本脉冲的带宽，是基本脉冲带宽的两倍。设矩形脉冲：
   

    由式(7)单个基本脉冲的功率谱如图2所示，其中码率Rs=1／Ts。

    由图2可见，
   

    其各个零点满足：sin(ωTs／2)=0==>ωTs／2=πi，i≠0==>ω=2πiRs，i≠O，第一旁瓣峰值比主峰值约衰减14分贝。因此，通常将第一零点作为其有效带宽，换算成频率单位的第一零点带宽(有效带宽)为：2 πRs／2π=Rs。因此，2ASK信号的有效带宽为2Rs，有效带宽为fc±Rs。

2 2ASK调制电路

    调制的目的一是将信号频谱搬移到适合信道传输的区域，二是实现信道频分复用。尽管基带信号在第一零点带宽以外频谱成分已相当衰落，但在频分复用情况下，仍可能对另一路信号产生干扰，所以必需有相应的电路来抑制谐波。2ASK调制电路一般包括高频振荡电路、调制开关电路、滤波电路部分。在本设计中，振荡电路产生107MHz的正弦信号作为载波，经调制开关电路后连接一个带宽大于2Rs的带通型发送滤波器(声表表面滤波器107±2MHz)，之后连接一个7阶的巴特沃斯低通滤波器，以限制进入信道的已调信号谐波频带。

2．1 石英晶体LC振荡电路设计

    正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器，通常由放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路等构成。

    振荡器的频率稳定度是极重要的技术指标。因为此调制器的频率是否稳定，取决于系统中的主振器(激励源)的频率稳定度。频率不稳，就会影响通信的可靠性，引起较大的误差，因此本设计采用高稳定度的石英晶体。

    石英晶体具有谐振电路的特性，如果外加电压的角频率ω等于石英机械振动的固有谐振角频率ωq时(它决定于石英晶体的几何尺寸与切型)，石英晶体就发生谐振，即在外加电压振幅不变的情况下，弹性变形大大加强，因而电流也达到最大，同时它具有很好的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，不能直接用于波段振荡器，只适合单个频率的振荡发生器。

    石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。具体电路设计如图4所示。

2．2 调制开关电路设计

    图6为本设计中的调制电路，调制开关采用TTL逻辑器件74F00与非门中的其中一路，高频振荡信号由图4所示电路产生，经两级高频功率管3355放大后，由电容C206隔直后进入与非门的输入端(pin4)，同时pin4被抬电位到：
    
    如图7所示，此电位使与非门稳定在线性区域。

    调制信号(数据脉冲)在输入门电路之前，加了一个47l电容到地，再串了一个1μH电感，滤除了脉冲的一些高频分量，便于调制。但总的说来，调制信号边缘太陡，谐波分量太重，而且调制信号的脉宽也很窄(此设计中调制信号的最大频率为50kHz)，不利于调制信号在网络中的传输。

    当数据脉冲从pin5脚输入，数据脉冲为“0”时，不管载波信号怎样，输出总为高电平“1”；数据脉冲为“l”时，输出为载波信号。而输出端接有隔直电容C207(2200pF)，输出为高电平时，相当于直流，会被隔直电容阻隔，这样讲入声表的就是图6上标识的波形所示。

    本设计中经调制的信号中含有丰富的谐波频谱，所以有必要对其谐波滤波，以提高系统的稳定性，从而应用到声表面波带通滤波器。

2．3 声表面波滤波器

    声表面波滤波器(SAW filter)是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组成。当在发射换能器上加上信号电压后，就在输人叉指电极间形成一个电场使压电材料发生机械振动(即超声波)以超声波的形式向左右两边传播，向边缘一侧的能量由吸声材料所吸收。

    这种滤波器体积小、重量轻，中心频率可做得很高，相对带宽较宽，理想状态下具有矩形选频特性，但是实际的频响不可能做到矩形，声表在工作时，还存在一些假信号，影响它的特性，其中最主要的是三次渡越信号。它是一部分被接收换能器发射回来的声波又经发送换能器送到接收换能器而产生的，其时延为主信号的三倍，干扰主信号，使通带内的信号出现起伏。其实际的频率响应为图8所示，所以其后有必要级联低通滤波器。

2．4 巴特沃斯型LPF的设计

    分离信号、抑制干扰是滤波器最广泛和最基本的应用，它使所需要频率的信号顺利传输，对不需要频率的干扰产生干扰。此设计中的调制信号频率为107MHz，带宽为±2MHz，因此低通滤波器的截止频率要设计在110MHz。

    巴特沃斯型滤波器的衰减速度比其他类型滤波器缓慢，但十分平坦，没有幅度变化，各方面要求也较低，设计简单，性能方面又没有明显的缺点，对构成滤波器的元件Q值要求很低，从而电感可以用漆包线自制；而且此滤波器在本设计中的选择性不是很高，主要针对二次谐波(214MHz)、三次谐波(321MHz)等谐波分量的滤除，以免干扰其他信号，综合考虑系统要求，本设计采用7阶型巴特沃斯型LPF。

    在设计巴特沃斯型LPF的情况下，就是以巴特沃斯型的归一化LPF设计数据为基准的滤波器，将它的截止频率和特征阻抗变换为待设计滤波器的相应值。其流程图10所示。

    根据理论计算以及网络分析仪上调试结果得出具体的滤波器参数如图11所示，电容采用封装为0603的瓷片电容，电感用漆包线手工绕制，其中φ为2mm，D为0．13mm。调制后的波形经滤波器后得到的信号波形如图12所示，中心频率为107MHz左右，2MHz带宽。