简易BPSK相位调制通信系统的设计毕业设计论文文档格式.docx

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3）其它

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

4、研究方法的科学性；

技术线路的可行性；

设计方案的合理性

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

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年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

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二、论文（设计）水平

评阅教师：

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

3、学生答辩过程中的精神状态

评定成绩：

教研室主任（或答辩小组组长）：

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教学系意见：

系主任：

摘要

本文设计了一个BPSK调制的简易通信系统。

系统由发送端和接收端两部分组成。

发送端以STM32为控制核心，将接收到的数据进行基带差分编码后，控制直接数字式频率合成技术（DirectDigitalSynthesis，DDS）的AD9854进行BPSK调制，并由功率放大器放大后经天线发送出去；

接收端由正交解调芯片MAX2451和数字锁相环芯片CD74HC7046组成的Costas环实现载波提取和相干解调，解调后的信号经高速数字锁相环CD74HCT297提取位同步后进行基带差分解码。

经实测，系统载波频率为36MHz；

传输1Mbit数据的总时延小于2min，误码率小于10-2；

最大传输距离为1.8m。

关键词：

BPSK调制；

基带编解码；

DDS；

相干解调；

位同步

Abstract

ThispaperpresentsasimplecommunicationsystemusingBPSKmodulation.Systembythesendingandreceivingendsoftwoparts.thesendingendtoSTM32asthecontrolcenter,thereceiveddatabasebanddifferentialencoding,controldirectdigitalfrequencysynthesis（DirectDigitalSynthesis,DDS）oftheAD9854isBPSKmodulation,amplifiedbythepoweramplifiertransmittingtheantennaout;

receivingendbyquadraturedemodulatorchipMAX2451an.

Throughthetest,thesystemcarrieris36MHz;

thetotaldelayof1Mbitdatatransmissionislessthan2min,thebiterrorrateislessthan10-2;

antennalengthislessthan50cm,thetransmissiondistanceisgreaterthan1.5m.

Keywords:

BPSKmodulation;

basebandcodec;

DDS;

coherentdemodulation;

bitsynchronization

第1章绪论

1.1课题的研究背景

移动通信是现代通信的重要组成部分，在民用、商业和军事等领域有着极其重要的应用。

通信技术的日益发展，带动了调制技术迅速的发展。

调制方式影响通信系统的质量，通信系统的信道特性决定了调制方式。

因此，不同类型的信道，有着不同的调制方式。

无线电波传播条件极其恶劣，采用抗干扰能力较强的调制方式可以减少快衰落的影响，避免使接收信号幅度发生急剧变化。

此外，为了解决通信容量的不断增加和有限频带的矛盾，必须采用频谱利用率较高的调制技术，如频率复用技术。

移动通信中为了降低放大器的成本，普遍采用了高效率的C类功率放大器，来获得较大的射频输出，以及降低了移动站的功耗；

接收机常采取限幅等措施来减少多径衰落的影响。

放大和滤波等器件的存在，使得收发端的信道具有非线性特性和带限特性。

非线性部件的幅相（AM/PM）转换效应，使得输出信号的相位随输入信号幅度变化。

理论和实际均已证明，非线性特性可以使带限以后的已调波中已经滤除的带外分量几乎又都被恢复出来，这种现象称为频谱扩散，在通信中应尽量避免。

移动通信信道的这些特性，要求调制技术必须满足以下条件：

一，为了减小AM/PM效应，要求已调波的包络恒定或包络起伏很小；

二，已调波应具有良好的频谱特性，即主瓣窄，高频滚降速度快，这样信号经过带限滤波后，只让主瓣无失真地通过，由于被滤除的旁瓣功率很小，所以滤除波的输出信号（即非线性部件的输入信号）的包络起伏很小，从而大大减少了AM/PM效应[1]。

1.2国内外研究动态

调制有模拟调制和数字调制，根据载波参数的变化，模拟调制又可以分为模拟幅度调制（AM）、模拟频率调制（FM）和模拟相位调制（PM）。

第一代移动通信系统就是采用了FM方式，其抗干扰能力差，频率的复用率低，用户数量的增加和频谱资源紧张的矛盾，使得模拟调制被数字调制所取代。

数字调制也可以分为幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），此外还有正交幅度调制（QAM）以及正交频分复用（OFDM）等方式。

ASK因抗干扰性差，没有得到广泛应用。

第二代移动通信GSM系统所采用高斯最小频移键控（GMSK）方式就是在FSK基础上改进的。

BPSK和QPSK则应用于第二代移动通信的窄带CDMA（IS-95）系统中，第三代移动通信系统中，较多的是采用频谱效率较高的QPSK以及QAM[2]。

其中OQPSK和QPSK的折中

/4-DQPSK调制是一种正交差分移相键控调制，它即保持了信号包络基本不变的特性，又简化了接收机的结构。

在实际中得到广泛应用，如北美的IS-54TDMA和我国的PHS系统均采用此方式。

在CDMA系统中，通过扩频与调制的巧妙结合，实现了抗干扰性优于BPSK的性能，频谱有效性高于QPSK的性能，不仅减少设备的复杂度，而且降低已调信号的峰平比。

偏移QPSK（OQPSK）、

/4-DQPSK、正交复用四相移键控CDQPSK以及混合相移键控HPSK等都是基于BPSK和QPSK的改进。

可见灵活多样的PSK数字调制技术，更适应于高速数据传输和快速衰落的信道，它已成为各移动通信系统主要的调制方式。

1.3设计任务与指标

本文设计并制作一个采用BPSK调制的简易通信系统，实现在特定信道上的BPSK调制信号传输，并能传输UART规范的数据流。

调制模块接收来自的数据，经合适的基带编码后进行BPSK调制，经过模拟信道发送到接收端。

在接收端经相干解调和基带解码后进行显示。

本课题其主要技术指标如下：

●工作频率：

30MHz~40MHz；

●工作方式：

单工；

●调制方式：

BPSK；

●编解方式：

差分编码；

●时延：

传输1Mbit数据的总时延小于2min；

●误码率：

信道误码率小于10-2；

●天线长度不大于50cm，传输距离大于1.5m；

第2章

总体方案设计

2.1系统框架

系统由发射端和接收端两部分组成，如图2-1所示。

在发射端，数据通过放大后经STM32进行合适的基带编码后去控制AD9854产生BPSK信号；

经过功率放大后由天线辐射出去。

在接收端，天线接收到的信号先经过低噪声放大器放大到一定幅度，然后通过由正交解调芯片MAX2451和数字锁相环芯片CD74HC7046组成的Costas环实现载波提取和相干解调BPSK解调；

解调输出信号进入高速数字锁相环CD74HCT297进行位同步得到位同步时钟，再经过差分反变换得原数据。

图2-1BPSK通信系统

2.2单片机芯片的选用

系统采用了意法半导体（STMicroelectronics）公司生产的STM32单片机作为控制核心。

这种单片机具有ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率140MHz，1.25DMIPS/MHz，片上集成32-512KB的Flash存储器，6-64KB的SRAM存储器，具有休眠，停止，待机3种低功耗模式，支持串行调试（SWD）和JTAG接口。

拥有2通道12位A/D和D/A转换器和最多高达112个的快速I/O端口[3]。

2.3简易误码率测试仪设计

为了更好地检测系统，本文另外设计了简易误码率测试仪，如图2-2所示。

码型发生器产生测试码序列送入被测系统和可变延时器，调整可变延时器使其与被测系统同步，输出后的码序列进行码型比较，最后进行误码显示。

图2-2误码测试仪

第3章模块电路具体设计

3.1电源模块设计

本系统为多电源系统，如图3-1所示，分别为：

+8V，+5V和+3.3V。

其中：

功放HMC478和采用+8V供电，STM32、CD74HC7046、CD74HCT297和运放TLV2470采用+5V供电，AD9854、MAX2451采用+3.3V供电，由+5V经过LM1117-3.3V稳压块稳压后提供的。

电源电路中的元器件选择：

1、稳压芯片的选择

三端稳压块选LM317和LM1117-3.3。

为了保证稳压块可靠散热，LM1117-3.3采用SMT封装，直接焊接在印刷板上并打孔且在背面焊接散热片，LM317采用直插式并安装散热片。

2、滤波电容及电阻的选择

为抵消输入时的电感效应，以防止稳压块产生自激振荡在三端稳压块的输入端都跨接有l000uF的电容，保证正常工作。

在三端稳压器输出端接有0.1uF的电容，这是为了消除电路的高频噪声，改善负载瞬态的响应。

3、磁珠

在电源中接的铁氧体磁珠对直流的衰减量很小，而对高频范围信号的衰减可以达到10dB。

4、瞬态电压抑制二级管（TVS）

电感在关机时和开机时产生很大的反相电动势和很高的开机冲击电压很容易使电容损坏而使电路短路，也会对系统数字电路部分造成影响，如MCU的复位、逻辑错误等。

因此要接TVS二极管来进行保护，系统选用1SMA5.OAT3系列的二极管。

（a）+5V、+8V电源原理图

（b）+5V转+3.3V电源原理图

图3-1系统电源

3.2基带的编码与解码

数字基带信号是信息代码的电表示形式。

在基带传输系统中，含有丰富直流和低频成分的基带信号有可能造成信号严重畸变，因此不适宜在信道中传输；

期望准确地从接收端的基带信号中提取位同步信号，就必须避免出现长时间的连或连“1”符号。

因此常将原始信息符号编制成适合于传输用的码型。

差分码又称相对码，其编码规则：

“0”码和“1”码是看前后两个码元极性是否跳变。

当用极性的跳变来表示“1”码，不变表示“0”码，此时称为传号差分码或“1”码；

当用极性的跳变来表示“0”码，不变表示“1”码，此时称为空号差分码或“0”码。

通常把编码前的信息称为绝对码，记为an；

编码后的信息称为差分码，记为bn。

将绝对码变成差分码称为差分编码，将差分码变成绝对码称为差分译码，当采用传号差分码时，其实现方法如式（3-1）、式（3-2）所示：

（3-1）

（3-2）

式中，⊕是模2加运算，是将延迟一个码元[4]。

3.3BPSK的调制与解调

3.3.1BPSK的调制原理

BPSK又称相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，通常用相位0和π分别表示“1”和“0”。

因此，BPSK信号的时域表达式为

（3-3）

式中，φn表示第n个符号的绝对相位：

（3-4）

因此，上式可以改写成为

（3-5）

由于两种码元极性相反，故BPSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦波的相乘：

（3-6）

式中

（3-7）

这里

为双极性全占空（非归零）矩形脉冲序列，

是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而

的统计特性为

（3-8）

3.3.2BPSK调制的实现

AD9854是ADI公司推出的一款高性能DDS芯片，采用全数字技术，基于相位的线性性质以及相位与幅度的对应关系实现频率合成，是一种新的频率合成方法。

高达300MHz内部时钟速率，支持AM，FSK和BPSK等多种调制方式，包含12位集成DAC，超高速比较器、4～20倍可编程参考时钟倍频器、双通道14位可编程相位偏置寄存器、48位可编程频率寄存器，具有12位可编程振幅调制等功能，通过内部寄存器可对输出信号的幅度、频率和相位进行控制[5]。

当配置成BPSK工作方式时，只需要给AD9854输入基带信号，就可以输出所需频点的中频调制信号。

采用AD9854实现BPSK由于控制信号和输入的基带信号均为低频信号，绕开了高速的数字上变频使得硬件和软件设计大为简化。

BPSK调制实际电路如图3-2所示。

图3-2AD9854应用电路

3.3.3BPSK解调的原理

BPSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。

如图3-3所示为BPSK信号相干解调的原理框图。

信号经过带通滤波后本地载波相乘，通过低通滤波器滤除高频分量后再进行抽样判决。

图3-3BPSK相干解调原理框图

3.3.4BPSK解调的实现

相干解调的前提是载波同步，没有载波同步就不可能正确的恢复出数字信号。

常用的载波同步方法有平方环和Costas环等，由于Costas环有跟踪低信噪比的抑制载波信号的特性和环路工作频率远低于平方环而在实际系统中得到广泛的应用。

Costas环法又称同相正交环法或边环法。

其原理框图如图3-4：

压控振荡器（VCO）输出的信号，其经过相移的信号为正交信号，称为同相载波信号，称为正交载波信号。

同相正交环法是采用特殊鉴相器功能的锁相环组成的。

鉴相器要鉴别输入信号中被抑制了的载波分量与本地压控振荡器VCO之间的相位误差。

它包含有两个相干解调器，它们的输入是接收到的已调信号，分别同两个正交的本地载波即、进行相干解调，两路相干解调的输出分别经过低通滤波器后，送入乘法器，相乘的结果送入环路滤波器，环路滤波器的输出控制VCO。

由于该系统的闭环作用，就能使VCO输出的载波自动地跟踪接收信号的相位。

同步时，同相之路的输出即为所需的解调信号，此时正交支路的输出为0。

图3-4Costas环原理框图

将ν1和ν2分别与输入进来的已调信号相乘得到ν3和ν4：

（3-9）

（3-10）

将ν3、ν4分别经过低通滤波器得

（3-11）

（3-12）

将ν5、ν6经过相乘器后得

（3-13）

式中θ是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当θ较小时，sinθ≈θ。

式（3-13）可以近似地表示为

（3-14）

用ν7不断调整压控振荡器输出信号的相位，可使稳位误差减小到最小值，这时压控振荡器输出的就是所要提取的载波。

同时，当θ减小到很小时，式（3-11）的就接近于调制信号，因此，同相正交环法同时还具有解调功能[6]。

最常用的PSK解调方式是相干解调，该部分电路基于Costas环的基本原理，结合正交解调芯片MAX2451和数字锁相环芯片CD74HC7046实现载波60MHz、码率1.2的PSK信号解调，实际电路3-5如图所示。

MAX2451是一款超低功耗的正交解调芯片，采用+3V单电源供电，工作电流+5.5mA；

内置振荡器电路和8分频电路，可实现35~80MHzPSK信号解调，转换增益达51dB[7]。

CD74HC7046是TI公司生产的一款高速CMOS数字锁相环，其内部包含一个压控振荡器和两个鉴相器及锁定检测器，本电路利用其中的鉴相器I（PCI）结合MAX2451构成Costas环，PCI采用异或的方式实现鉴相，对输入噪声具有较强的抑制能力[8]。

图3-5中电路采用单电源+5V，+3.3V电压通过稳压芯片（TI公司生产的超低静态功耗稳压芯片TPS79733）得到，本电路正常工作电流15mA，PSK信号由MAX2451的IF引脚输入，与正交本振混频后的信号由I、Q脚输出，然后输入CD74HC7046内的PCI，鉴相器的输出PCIOUT经过、和组成的环路滤波器后通过去控制变容二极管的端电压，从而控制本振频率，最后的解调信号由DEMOUT端输出。

当输入载波频率改变时，只需改变电感即可。

图中电感采用0.7mm漆包线空绕，骨架为一次性筷子，共密绕9匝[9]。

图3-5相干解调电路图

3.4位同步的提取

在接收端，解调出来的是一连串的码元序列，并不知道每个码元的起始时刻，就无法进行抽样判决。

因此，在接收端需要码元的定时脉冲序列，其重复频率须和发送码元脉冲序列一致，用于最佳判决时刻对解调出的码元进行抽样判决，这就是位同步信号。

提取位同步信号主要有外同步法和自同步法。

外同步法是在传送数字信号的同时，在适当的位置上插入位同步信号。

外同步法优点：

位同步信号与通信的数字码元是同时传送的，有相同的信道延时，因而同步是准确的；

缺点：

要额外占用信道、占去一定的功率。

自同步法是将接收到的不含