二進制振幅鍵控（ASK）數字頻帶傳輸系統設計

0 引言

在現代數字通信系統中，頻帶傳輸系統的應用最為突出。將原始的數字基帶信號，經過頻譜搬移，變換為適合在頻帶上傳輸的頻帶信號，傳輸這個信號的系統就稱為頻帶傳輸系統。在頻帶傳輸系統中，根據數字信號對載波不同參數的控制，形成不同的頻帶調制方法。幅移鍵控法(ASK)的載波幅度是隨著調制信號而變化的，其最簡單的形式是，載波數字形式的調制信號在控制下通斷，此時又可稱作開關鍵控法(OOK)。本設計中選擇正弦波作為載波，用一個二進制基帶信號對載波信號的振幅進行調制，載波在數字信號1或0的控制下通或斷，在信號為l的狀態載波接通，此時傳輸信道上有載波出現；在信號為0的狀態下，載波被關斷，此時傳輸信道上無載波傳送，調制后的信號的頻帶寬度為二進制基帶信號寬度的兩倍，此調制稱為二進制振幅鍵控信號(2ASK，Binary Amplitude Shift Keying)。

1 2ASK信號的算法

1．1 時域

式中an=1或0，g(t)為脈沖形狀，Ts為碼元間隔，載波c(t)=COSωct。當s(t)為矩形脈沖情況下，2ASK調制被稱為開關鍵控OOK(on-off-key Control)，OOK信號用載波的通斷(有無)來表示基帶“1”碼或“0”，如圖1所示。

1．2 頻域

設S(t)頻譜為S(ω)，S2AKS(t)頻譜為：

這說明，2ASK信號的頻譜是將數字基帶頻譜中心搬移到載頻處，帶寬為基帶帶寬的兩倍；又由可知，基帶信號是由若干基本脈沖組成的，因而基帶信號的帶寬完全由基本脈沖帶寬決定。2ASK信號的帶寬取決于基帶基本脈沖的帶寬，是基本脈沖帶寬的兩倍。設矩形脈沖：

由式(7)單個基本脈沖的功率譜如圖2所示，其中碼率Rs=1／Ts。

由圖2可見，

其各個零點滿足：sin(ωTs／2)=0==>ωTs／2=πi，i≠0==>ω=2πiRs，i≠O，第一旁瓣峰值比主峰值約衰減14分貝。因此，通常將第一零點作為其有效帶寬，換算成頻率單位的第一零點帶寬(有效帶寬)為：2 πRs／2π=Rs。因此，2ASK信號的有效帶寬為2Rs，有效帶寬為fc±Rs。

2 2ASK調制電路

調制的目的一是將信號頻譜搬移到適合信道傳輸的區域，二是實現信道頻分復用。盡管基帶信號在第一零點帶寬以外頻譜成分已相當衰落，但在頻分復用情況下，仍可能對另一路信號產生干擾，所以必需有相應的電路來抑制諧波。2ASK調制電路一般包括高頻振蕩電路、調制開關電路、濾波電路部分。在本設計中，振蕩電路產生107MHz的正弦信號作為載波，經調制開關電路后連接一個帶寬大于2Rs的帶通型發送濾波器(聲表表面濾波器107±2MHz)，之后連接一個7階的巴特沃斯低通濾波器，以限制進入信道的已調信號諧波頻帶。

2．1 石英晶體LC振蕩電路設計

正弦波發生電路能產生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎上加上正反饋而形成的，它是各類波形發生器和信號源的核心電路。正弦波發生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器，通常由放大電路、反饋網絡、選頻網絡、穩幅電路等構成。

振蕩器的頻率穩定度是極重要的技術指標。因為此調制器的頻率是否穩定，取決于系統中的主振器(激勵源)的頻率穩定度。頻率不穩，就會影響通信的可靠性，引起較大的誤差，因此本設計采用高穩定度的石英晶體。

石英晶體具有諧振電路的特性，如果外加電壓的角頻率ω等于石英機械振動的固有諧振角頻率ωq時(它決定于石英晶體的幾何尺寸與切型)，石英晶體就發生諧振，即在外加電壓振幅不變的情況下，彈性變形大大加強，因而電流也達到最大，同時它具有很好的單頻性，即每塊晶體只能提供一個穩定的振蕩頻率，不能直接用于波段振蕩器，只適合單個頻率的振蕩發生器。

石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯諧振回路，產生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩定性。具體電路設計如圖4所示。

2．2 調制開關電路設計

圖6為本設計中的調制電路，調制開關采用TTL邏輯器件74F00與非門中的其中一路，高頻振蕩信號由圖4所示電路產生，經兩級高頻功率管3355放大后，由電容C206隔直后進入與非門的輸入端(pin4)，同時pin4被抬電位到：

如圖7所示，此電位使與非門穩定在線性區域。

調制信號(數據脈沖)在輸入門電路之前，加了一個47l電容到地，再串了一個1μH電感，濾除了脈沖的一些高頻分量，便于調制。但總的說來，調制信號邊緣太陡，諧波分量太重，而且調制信號的脈寬也很窄(此設計中調制信號的最大頻率為50kHz)，不利于調制信號在網絡中的傳輸。

當數據脈沖從pin5腳輸入，數據脈沖為“0”時，不管載波信號怎樣，輸出總為高電平“1”；數據脈沖為“l”時，輸出為載波信號。而輸出端接有隔直電容C207(2200pF)，輸出為高電平時，相當于直流，會被隔直電容阻隔，這樣講入聲表的就是圖6上標識的波形所示。

本設計中經調制的信號中含有豐富的諧波頻譜，所以有必要對其諧波濾波，以提高系統的穩定性，從而應用到聲表面波帶通濾波器。

2．3 聲表面波濾波器

聲表面波濾波器(SAW filter)是在一塊具有壓電效應的材料基片上蒸發一層金屬膜，然后經光刻，在兩端各形成一對叉指形電極組成。當在發射換能器上加上信號電壓后，就在輸人叉指電極間形成一個電場使壓電材料發生機械振動(即超聲波)以超聲波的形式向左右兩邊傳播，向邊緣一側的能量由吸聲材料所吸收。

這種濾波器體積小、重量輕，中心頻率可做得很高，相對帶寬較寬，理想狀態下具有矩形選頻特性，但是實際的頻響不可能做到矩形，聲表在工作時，還存在一些假信號，影響它的特性，其中最主要的是三次渡越信號。它是一部分被接收換能器發射回來的聲波又經發送換能器送到接收換能器而產生的，其時延為主信號的三倍，干擾主信號，使通帶內的信號出現起伏。其實際的頻率響應為圖8所示，所以其后有必要級聯低通濾波器。

2．4 巴特沃斯型LPF的設計

分離信號、抑制干擾是濾波器最廣泛和最基本的應用，它使所需要頻率的信號順利傳輸，對不需要頻率的干擾產生干擾。此設計中的調制信號頻率為107MHz，帶寬為±2MHz，因此低通濾波器的截止頻率要設計在110MHz。

巴特沃斯型濾波器的衰減速度比其他類型濾波器緩慢，但十分平坦，沒有幅度變化，各方面要求也較低，設計簡單，性能方面又沒有明顯的缺點，對構成濾波器的元件Q值要求很低，從而電感可以用漆包線自制；而且此濾波器在本設計中的選擇性不是很高，主要針對二次諧波(214MHz)、三次諧波(321MHz)等諧波分量的濾除，以免干擾其他信號，綜合考慮系統要求，本設計采用7階型巴特沃斯型LPF。

在設計巴特沃斯型LPF的情況下，就是以巴特沃斯型的歸一化LPF設計數據為基準的濾波器，將它的截止頻率和特征阻抗變換為待設計濾波器的相應值。其流程圖10所示。

根據理論計算以及網絡分析儀上調試結果得出具體的濾波器參數如圖11所示，電容采用封裝為0603的瓷片電容，電感用漆包線手工繞制，其中φ為2mm，D為0．13mm。調制后的波形經濾波器后得到的信號波形如圖12所示，中心頻率為107MHz左右，2MHz帶寬。