FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真與分析設(shè)計說明

FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真與分析畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書學(xué)院(系)物理與電信工程學(xué)院通信班1103班學(xué)生粉粉1.畢業(yè)論文(設(shè)計)題目:FSK調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的仿真與分析二。2015年1月10日至2015年6月15日畢業(yè)論文(設(shè)計)工作。三。畢業(yè)論文(設(shè)計)地點:物理與電信工程學(xué)院實驗室。四。畢業(yè)論文(設(shè)計)內(nèi)容要求:數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展是不斷更新的?，F(xiàn)在現(xiàn)實中應(yīng)用的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，大部分都經(jīng)過了改進，性能良好。然而，作為理論上最成熟的調(diào)制解調(diào)方式，對FSK的研究仍然具有重要的意義。因此，選擇FSK調(diào)制解調(diào)方式進行仿真研究。本次畢業(yè)設(shè)計使用仿真軟件分析FSK調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的性能。本次畢業(yè)設(shè)計要求:1.利用仿真軟件實現(xiàn)三種二進制下FSK調(diào)制解調(diào)過程的仿真，觀察調(diào)制解調(diào)過程中各環(huán)節(jié)的時域和頻域波形；2.比較了三種不同信道環(huán)境下FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻譜特性和誤碼率；3.分析模擬結(jié)果。五、畢業(yè)論文(設(shè)計)應(yīng)收集的資料和參考文獻:閱讀和學(xué)習(xí)有關(guān)FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)和計算機仿真技術(shù)的專業(yè)資料，參考不少于3篇國外文獻。不及物動詞畢業(yè)論文(設(shè)計)時間表:1月10日-3月20日:查閱資料，完成原文和開題報告的翻譯。3月21日-4月20日:完成FSKmodem系統(tǒng)基本仿真設(shè)計，提交中期檢查報告。4月21日-5月20日:進一步完善FSKmodem系統(tǒng)仿真設(shè)計，為工程驗收做準備。5月21日-6月15日:撰寫并修改畢業(yè)論文，準備并完成答辯。教導(dǎo)處(教研室)系(教研室)主任簽字及批準日期FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真與分析[摘要]數(shù)字調(diào)制技術(shù)是通信系統(tǒng)中最重要的技術(shù)，也是提高通信系統(tǒng)性能的重要途徑。在本設(shè)計中，利用MATLAB軟件的仿真環(huán)境Simulink建立了2FSK、4FSK和8FSK的仿真模型。其次，分析了三種不同二進制FSK在高斯、瑞利和萊斯信道下的誤碼率和頻譜性能。最后，相同二進制的FSK在高斯信道環(huán)境下波形失真較大，但整體性能最好，在瑞利信道環(huán)境下最差。隨著小數(shù)位數(shù)的增加，不同小數(shù)位數(shù)的FSK頻譜主瓣越來越寬，誤碼率越來越大。[關(guān)鍵詞]MATLAB；FSK調(diào)制；FSK解調(diào)；模仿現(xiàn)在社交傳播技術(shù)的發(fā)展速度可謂是日新月異。計算機的出現(xiàn)在現(xiàn)代通信技術(shù)的各種媒體中占據(jù)了獨特的地位。在當今社會的許多領(lǐng)域，計算機不僅用于各種信息處理設(shè)備，而且與通信相結(jié)合，豐富了電信服務(wù)。本課題來源于教師，旨在設(shè)計一個FSK調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)，并對其波形、頻譜和誤碼率進行分析。了解FSK調(diào)制/解調(diào)的基本理論，分析設(shè)計一套完整的FSK收發(fā)系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，從而提高你的分析素材、解決問題和設(shè)計能力。調(diào)制技術(shù)在通信系統(tǒng)中起著非常重要的作用。從消息轉(zhuǎn)換的原始信號具有低頻譜分量，并且該信號不適合在許多信道中傳輸。因此，通信系統(tǒng)中的發(fā)射端往往需要調(diào)制過程，而接收端則需要逆調(diào)制過程——解調(diào)過程。調(diào)制是根據(jù)調(diào)制信號的變化規(guī)律，改變高頻載波的某些參數(shù)的過程。解調(diào)的本質(zhì)是頻譜的移動。它的質(zhì)量決定了通信系統(tǒng)的性能，是軟件無線電的關(guān)鍵。總之，F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究不僅可以更精確地處理信號相位，提高系統(tǒng)帶寬，而且可以將數(shù)字電路與軟件相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中。1837年莫爾斯電磁電報的發(fā)明標志著電子通訊的開始。從那以后，關(guān)于電通信的研究取得了很大進展。1866年，通過海底電纜實現(xiàn)了橫跨大西洋的電報通信。貝爾在1876年發(fā)明了它，因為它比電報更便于通信，所以直到20世紀上半葉，這種利用模擬技術(shù)的通信技術(shù)比電報發(fā)展得更迅速、更廣泛。里維斯在1937年發(fā)明的脈碼調(diào)制標志著數(shù)字通信的開始。20世紀60年代以后，集成電路和電子計算機的出現(xiàn)使數(shù)字通信迅速發(fā)展。70年代末在全球發(fā)展起來的模擬移動，90年代中期被數(shù)字移動取代，現(xiàn)有的模擬電視正在被數(shù)字電視取代[1]。就大多數(shù)FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)而言，主要由發(fā)射機、中間傳輸信道和接收機三部分組成。在FSK中，接收端在接收到載波信息并對接收到的信號進行調(diào)制后，會將信息發(fā)送到信道進行傳輸，然后發(fā)送給接收端，再由接收端利用解調(diào)來恢復(fù)信道傳輸過來的信息?？偟膩碚f，F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究可以讓人們的生活變得便捷和智能化，讓人們的生活越來越好。提供更高的頻譜效率；必須具有良好的頻譜特性，以減少帶外輻射和干擾；它具有抗多徑衰落等特性，保證良好的信噪比以獲得良好的誤碼性能；易于采用簡單的調(diào)制和解調(diào)方法；易于實現(xiàn)，成本低，可以減小設(shè)備的體積。FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。它還在電力線載波通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。目前采用FSK模式的國家和地區(qū)有:美國、中國、日本、英國、加拿大、比利時、西班牙、新加坡等。另外，對于FSK信號在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，國外已經(jīng)有了很多研究成果。應(yīng)用案例:(1)藍牙通訊設(shè)備。(2)微電子器件的醫(yī)學(xué)植入。(3)便攜式消費電子產(chǎn)品。(4)鐵路信號控制系統(tǒng)的移頻自動閉塞系統(tǒng)。本文共分為四章。第一章是FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真的研究思路。第二章是對FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)工作原理的分析和掌握；第三章是基于仿真軟件的FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真與分析。第一章是研究方案，介紹本次畢業(yè)設(shè)計的研究目標和方案設(shè)計。它包括文本描述和框圖表示，方案分析和選擇。在比較了三種方案的優(yōu)缺點后，最終確定了一種方案用于畢業(yè)設(shè)計和軟件引入。給出了本次畢業(yè)設(shè)計的實現(xiàn)平臺及其他介紹。第二章是FSK的工作原理，概述了數(shù)字信號調(diào)制解調(diào)的原理，2FSK信號、4FSK信號和8FSK信號的產(chǎn)生原理，以及如何實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號和解調(diào)信號。第三章是系統(tǒng)的仿真與分析?；诘谝徽潞偷诙碌闹R，借助MATLAB軟件平臺完成了2FSK信號和4FSK信號的模塊仿真和8FSK信號程序仿真，并根據(jù)任務(wù)書觀測了各環(huán)節(jié)的時域和頻域波形。比較了三種不同信道環(huán)境下FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻譜特性和誤碼率。最后對仿真結(jié)果進行了分析。第四章是結(jié)論，因為在設(shè)計過程中會遇到很多問題，比如:基礎(chǔ)知識薄弱，缺乏一些常用應(yīng)用軟件的應(yīng)用，缺乏全面的知識，缺乏系統(tǒng)設(shè)計仿真的經(jīng)驗等。，這就需要我們自我反思，與老師溝通，學(xué)會高效查閱資料，利用參考書和利用網(wǎng)絡(luò)查找資料，不斷修改模塊參數(shù)，才能達到預(yù)期的效果。1.1研究目標(1)設(shè)計具體的FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)；(2)系統(tǒng)模擬三種二進制的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)；(3)在前面步驟的基礎(chǔ)上，用modem系統(tǒng)對系統(tǒng)進行三通道仿真；(4)觀察調(diào)制解調(diào)過程中各鏈路的時域和頻域波形；(5)分析仿真結(jié)果的頻譜特性和誤碼率。1.2方案設(shè)計方案一:基于單片機的FSK方案設(shè)計用集成電路構(gòu)建FSK調(diào)制解調(diào)器是一種很好的方案，但難以應(yīng)用于線路干擾強的場合。我用MCS51系列單片機實現(xiàn)FSK調(diào)制解調(diào)器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且實用[2]。FSK通過一個頻率調(diào)制器產(chǎn)生不同的頻率，二進制中常用和、和兩種頻率，分別代表符號“0”和符號“1”。調(diào)制碼元決定了調(diào)頻器的輸出頻率，實現(xiàn)其FSK有選頻法、調(diào)頻法和數(shù)字調(diào)頻法。選頻法輸出頻率穩(wěn)定準確，但相位不連續(xù)，容易產(chǎn)生帶外輻射，影響鄰道。調(diào)頻法雖然相位連續(xù)，但頻率精度不高，穩(wěn)定性差，在外界條件變化時容易發(fā)生頻率漂移。數(shù)字調(diào)頻法解決了上述問題，具有兩者的優(yōu)點。因此，在單片機的設(shè)計中，我選擇數(shù)字調(diào)頻法[3]。數(shù)字調(diào)頻法的原理框圖如圖1.1所示。晶體振蕩器數(shù)（字）－模固定分頻可變分頻脈沖形成晶體振蕩器數(shù)（字）－模固定分頻可變分頻脈沖形成調(diào)制數(shù)據(jù)輸入圖1.1基于單片機的調(diào)制原理框圖在單片機中，F(xiàn)SK解調(diào)就是從FSK載波信號中恢復(fù)出原來的基帶信號，其方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)。其中，非相干解調(diào)易于在單片機中實現(xiàn)，因此常用非相干解調(diào)[3]，其原理框圖如圖1.2所示。帶通濾波器做整形手術(shù)鑒頻帶通濾波器做整形手術(shù)鑒頻判斷圖1.2非相干解調(diào)原理框圖載波經(jīng)過帶通濾波器后，變成不同寬度的方波，這些方波代表不同的符號。鑒頻器確定對應(yīng)的載波頻率，并根據(jù)頻率判斷對應(yīng)的符號。FSK解調(diào)涉及的技術(shù)難度相當大。一般有帶通濾波器、倍頻器、鎖相環(huán)等。并且電路更加復(fù)雜。方案二:基于FPGA的FSK方案設(shè)計在基于FAPGA的FSK調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的仿真中，其設(shè)計在調(diào)制解調(diào)器中具有靈活性。方案設(shè)計也是基于鍵控法設(shè)計調(diào)制模塊，解調(diào)模塊采用過零檢測法實現(xiàn)，從而最終輸出原始基帶信號。在這種FPGE設(shè)計中，其輸出信號與基帶信號原則上是一致的，也符合整個設(shè)計的要求，整個系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性[4]。在調(diào)制模塊中，它由兩個分頻器、兩個載波和選通開關(guān)組成[5]。調(diào)制原理框圖如圖1.3所示。時鐘信號時鐘信號開始2載波2分頻器已調(diào)制信號從兩個中選一個門開關(guān)1個載波1個分頻器基帶信號圖1.3基于FPGA的調(diào)制原理框圖基于FPGA的解調(diào)由分頻器、寄存器、計數(shù)器和判決器組成。其中，分頻器是一種基本電路，通常用來對某一頻率進行分頻，以得到所需的頻率。整數(shù)分頻器可以通過計數(shù)器設(shè)計來實現(xiàn)。判決器根據(jù)判決閾值[5]來判決輸入符號。詳細的解調(diào)原理框圖如圖1.4所示。時鐘信號時鐘信號開始注冊判斷計數(shù)器分頻器基帶信號基帶信號圖1.4基于FPGA的解調(diào)原理框圖方案三:基于MATLAB的FSK方案設(shè)計在基于MATLAB的FSK仿真中，數(shù)字頻移鍵控是利用載波的頻率來傳輸數(shù)字信息，即傳輸?shù)臄?shù)字信息控制載波的頻率。原則上，產(chǎn)生2FSK信號有兩種方式:1.模擬法，即采用數(shù)字基帶信號作為調(diào)制信號進行調(diào)頻。模擬頻率調(diào)制器基帶FSK信號模擬頻率調(diào)制器11個振蕩器蝰蛇換流器門開關(guān)振蕩器2門開關(guān)圖1.5模擬方法2.鍵控法，注意:選通開關(guān)也可以作為乘法器使用。圖1.6鍵控方法移頻鍵控信號常見的解調(diào)方法有很多，包括相干解調(diào)、非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波)、過零檢測、鑒頻和差分檢測等。非相干解調(diào)法，具體原理框圖如圖1.7所示。帶通濾波器帶通濾波器1采樣脈沖帶通濾波器2抽樣判斷包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器圖1.7非相干解調(diào)方法原理框圖2.相干解調(diào)法。具體原理框圖如圖1.8所示。低通濾波器低通濾波器2帶通濾波器2帶通濾波器1低通濾波器1乘數(shù)乘數(shù)抽樣決策器采樣脈沖圖1.8相干解調(diào)方法原理框圖 3.過零檢測方法。具體原理框圖如圖1.9所示。脈沖展寬脈沖展寬抽樣判斷限幅帶通濾波器改正，矯正；[化工]精餾；[電]整流；[數(shù)]求長差別低通圖1.9過零檢測方法原理框圖1.3方案分析和選擇方案一:單片機方案分析單片機是一種集成電路芯片。它是利用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，將具有數(shù)據(jù)處理能力的CPURAM、ROM、各種I/O端口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能(可能包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路復(fù)用器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成在一個硅片上的一個小型而完善的計算機系統(tǒng)。其特點如下:優(yōu)點:(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，模塊化；(2)單片機可靠性高；(3)處理功能強，速度快；(4)低電壓、低功耗，易于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；(5)控制功能強，環(huán)境適應(yīng)性強。缺點:(1)運行速度慢是因為指令結(jié)構(gòu)集中，芯片采用12分頻方式抗干擾；(2)所有I/O口都是準雙向口，I/O口驅(qū)動能力弱；(3)芯片的P0端口沒有上拉電阻；(4)芯片不能定義為部分復(fù)位模式，只能通過外部差分電路復(fù)位；(5)芯片部分沒有RC振蕩。如果芯片正常工作，需要外部振蕩源。(6)功耗比較高，抗干擾能力不是很強。方案二:FPGA方案分析FPGA是一種現(xiàn)場可編程門陣列，可以設(shè)計各種邏輯功能，設(shè)計靈活。當然也可以嵌入各種CPU作為處理器，比如CPU。FPGA用8051，ARM，NIOS_ii等等；新的FPGA可用器件\t"://wenda.haosou/q/_blank"乘法器/\t"://wenda.haosou/q/_blank"寄存器/塊結(jié)構(gòu)軟核。其特點如下:優(yōu)點:(1)在高速信號處理中，可以采用并行結(jié)構(gòu)，大大提高了處理速度，甚至超過了目前最快的DSP，適用于高速場合；(2)設(shè)計周期短，邏輯單元靈活；(3)高集成度；(4)可以實現(xiàn)大規(guī)模電路；(5)編程靈活。缺點:(1)功耗高；(2)當系統(tǒng)斷電時，編程數(shù)據(jù)信息丟失；(3)使用方法復(fù)雜，效果差。方案三:MATALB方案分析MATLAB是美國MathWorks公司生產(chǎn)的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink。其特點如下:優(yōu)點:(1)在計算要求相同的情況下，MATLAB編程的工作量大大減少；(2)MATLAB工具包都是現(xiàn)成的，調(diào)用方便；(3)在各種仿真中，MATLAB主要用于解決電子信息中的問題并能做出仿真結(jié)果；(4)強大的計算功能，速度快，精度高；(5)程序簡單易懂。缺點:與其他數(shù)學(xué)軟件相比，主要有兩個缺點，即:(1)循環(huán)的執(zhí)行速度和符號計算功能較弱；(2)參數(shù)設(shè)置困難；(3)價格比較貴。方案選擇在本次設(shè)計中，我將利用MATLAB平臺完成FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真。有幾個原因:考慮到實現(xiàn)軟件功能的靈活性和方便性以及電路的復(fù)雜性，事先采用了MATLAB。在實際情況下，需要觀察每個周期的波形變化和誤碼率，尤其是頻譜特性。硬件電路中元件較多，調(diào)制解調(diào)時波形容易失真，不易觀察，但在軟件中很容易實現(xiàn)。在硬件電路中，多電平移頻鍵控很難完成，調(diào)試階段的難度可想而知。主要原因是由于他們自己。一方面，我硬件弱，硬件不是一兩次就能成功的，需要不斷的調(diào)試。另一方面，在仿真領(lǐng)域，我們接觸最多的是MATLAB仿真。在Simulink環(huán)境下構(gòu)建模塊更加方便，能夠滿足完整設(shè)計的要求。美中不足的是參數(shù)設(shè)置不好調(diào)試。綜上所述，由于種種原因，我將使用基于MATALB的Simulink環(huán)境對FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行仿真分析。1.4軟件介紹MATLAB簡介MATLAB是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。因為它簡單易用，擴展方便，特別是世界上有成千上萬不同領(lǐng)域的研究人員在自己的研究過程中不斷擴展MATLAB的功能，使其成為一個巨大的知識寶庫。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單元是矩陣，其指令表達式與數(shù)學(xué)和工程中常用的指令表達式非常相似。所以，用MATLAB解決問題比用C、FORTRAN等語言完成同樣的事情要簡單得多。而且Mathworks還吸收了Maple等軟件的優(yōu)點，使得MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新版本中，我們還增加了權(quán)利C、FORTRAN、C++，JAVA支持?？梢灾苯诱{(diào)用，也可以由用戶將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中，以便以后調(diào)用。MATLAB功能強大，應(yīng)用廣泛，可用于多種工作，如:數(shù)值分析，數(shù)值和符號計算，工程和科學(xué)繪圖，控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，數(shù)字圖象處理技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)、通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真、金融與金融工程等。MMATLAB被稱為第四代計算機語言。它最突出的特點就是簡潔。它將C和FORTRAN語言冗長的代碼替換為更直觀的符合人們思維習(xí)慣的代碼。它給用戶帶來了最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。Simulink簡介Simulink是Matlab的重要組成部分。Simulink是MATLAB軟件的附加組件，具有相對獨立的功能和使用方法。Simulink的文件類型是。mdl。Simulink支持連續(xù)和離散系統(tǒng)，以及線性和非線性系統(tǒng)。Simulink包括一些控制工具箱，如控制系統(tǒng)工具箱、模糊邏輯工具箱、非線性控制設(shè)計模塊等。用戶還可以創(chuàng)建和定制自己的功能模塊，而不是只使用simulink系統(tǒng)軟件提供的標準模塊。這樣，用戶可以自行擴展軟件的應(yīng)用范圍。Simulink的主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的MATLAB軟件包。它支持連續(xù)和離散的線性和非線性系統(tǒng)，也支持不同采樣率和不同部件的仿真系統(tǒng)。它提供了豐富的模擬模塊。其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。它可以提前對系統(tǒng)進行仿真分析，并根據(jù)最佳的仿真結(jié)果對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)試和調(diào)整。Simulink仿真分析的主要步驟是:從模塊庫中選擇所需的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進行動態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，分析比較輸出結(jié)果。2.12FSK的表達和波形圖在二進制數(shù)字調(diào)制中，如果正弦載波的頻率隨著二進制基帶信號在兩個頻點之間變化，就會產(chǎn)生二進制頻移鍵控信號(2FSK信號)[6]。在二進制基帶信號中，數(shù)字1可以表示載波頻率，數(shù)字0表示載波頻率。所以時域表達式如2.1所示。(2.1)根據(jù)上述2FSK信號的產(chǎn)生原理，調(diào)制信號的數(shù)字表達式可以表示為2.2所示。(2.2)其中s(t)是單極不歸零矩形脈沖序列，如2.3所示。(2.3)(2.4)G(t)是持續(xù)時間為1，高度為1的門函數(shù)；是s(t)逐符號反相形成的脈沖序列，即公式如2.5所示。(2.5)對，反碼，即如果=0，那么=1；如果=l，那么=0，所以公式如2.6所示。(2.6)和第n個單元的初始階段。一般來說，鍵控法得到的東西與序號N無關(guān)，它反映在表中，只表明它的相位在變化時是不連續(xù)的；當采用模擬調(diào)頻方式時，由于其變化時相位是連續(xù)的，所以不僅與第n個單元有關(guān)，而且兩者之間也應(yīng)保持一定的關(guān)系。從等式(2-2)可以看出，一個2FSK信號可以看作是兩個2ASK信號的組合，其中一個以s(t)為基帶信號，另一個以s(t)為載頻。2.2FSK信號的調(diào)制和解調(diào)產(chǎn)生二進制頻移鍵控的方法如圖2.1所示，其中(a)FSK信號用模擬方法產(chǎn)生，(b)FSK信號用鍵控方法產(chǎn)生。實施鍵控方法時，和是兩個獨立的載波頻率。當基帶脈沖到來時，輸出一個載波頻率，即實現(xiàn)2FSK信號的調(diào)制。模擬調(diào)制產(chǎn)生的2FSK連接符號信號的相位是連續(xù)變化的，而(b)產(chǎn)生的2FSK信號是在兩個獨立的頻率之間轉(zhuǎn)換的，因此其相鄰符號之間的相位是不連續(xù)的[7]。模擬調(diào)制器鍵控調(diào)制器模擬調(diào)制器鍵控調(diào)制器(a)模擬法(b)鍵控法圖2.12FSK信號產(chǎn)生和波形顯示二進制頻移鍵控常用的解調(diào)方法有很多，如非相干解調(diào)、相干解調(diào)、過零檢測、鑒頻和差分檢測等。非相干解調(diào)、相干解調(diào)和過零檢測的原理框圖如圖2.2和2.3所示。非相干解調(diào)和相干解調(diào)的原理是將調(diào)制后的2FSK信號經(jīng)過帶通濾波器后分成上下兩個幅度的鍵控信號，分別進行解調(diào)，然后通過判斷上下兩個通道的采樣值來輸出信號。這里，如果采樣判斷是基于兩個采樣值的大小，則不需要設(shè)置閾值。應(yīng)該根據(jù)調(diào)制規(guī)則做出決定。調(diào)制時，如果符號1是對應(yīng)的載波，如果上支路或下支路的樣本值較大，則判斷為1，否則為0[7]。帶通濾波器帶通濾波器1包絡(luò)檢波器采樣脈沖包絡(luò)檢波器帶通濾波器2抽樣決策器圖2.2非相干解調(diào)方法原理框圖帶通濾波器帶通濾波器2帶通濾波器1低通濾波器1低通濾波器2乘數(shù)乘數(shù)抽樣決策器采樣脈沖圖2.3相干解調(diào)方法原理框圖過零解調(diào)法的原理框圖如圖2.4所示。其基本原理是:單位時間內(nèi)信號通過零點的次數(shù)可以用來測量頻率。數(shù)字調(diào)頻波的過零點個數(shù)隨著載波頻率的不同而不同，因此通過檢測過零點個數(shù)可以得到頻率差，這是過零點檢測方法的基本思想。在圖中，2FSK信號被限幅、微分和整流以形成對應(yīng)于頻率變化的尖峰序列。這些尖峰信號的強度反映了信號的頻率，尖峰信號的數(shù)量就是信號過零點的數(shù)量。這些尖脈沖被轉(zhuǎn)換成寬矩形脈沖，以增加其DC分量，其大小與信號頻率成正比。然后通過低通濾波器取出DC分量，從而完成頻幅轉(zhuǎn)換，再根據(jù)DC分量的幅度差異還原出數(shù)字信號“1”和“0”[7]。帶通濾波器帶通濾波器限幅差別抽樣決策器脈沖展寬低通改正，矯正；[化工]精餾；[電]整流；[數(shù)]求長圖2.4過零檢測方法原理框圖2.3MFSK調(diào)頻系統(tǒng)多進制數(shù)字頻率調(diào)制簡稱MFSK，是2FSK方式的延伸。MFSK的表達式可表示為2.7所示。(2.7)在公式中，當傳輸信號在時間間隔0≤t<Ts內(nèi)為I時；，當在時間間隔0<=t<Ts時，發(fā)送的信號不是I[7]。其中w是角度載波頻率，有m個值。通常載頻為=，n為正整數(shù)。此時，M種傳輸信號彼此正交[7]。在2FSK中，載波的頻率隨著二進制基帶信號在和兩個頻率點之間變化。類似地，4FSK中基帶脈沖序列的四個符號(00011011)可以用作四個載波之一。八個符號(000001010...110-111)是可用的，...八大運營商之一。M進制的條件與2FSK信號相同，即每個載頻之間的距離要足夠大，濾波后符號可以分離，或者符號相互正交。MFSK的調(diào)制原理和二進制一樣，大部分都是通過鍵控來實現(xiàn)的。解調(diào)部分通過非相干和相干解調(diào)實現(xiàn)。圖2.5是其調(diào)制和解調(diào)部分的原理框圖。門控電路抽樣決策器門控電路抽樣決策器波段1包絡(luò)檢波器波段1包絡(luò)檢波器接收濾波器邏輯電路接收濾波器邏輯電路串行/并行轉(zhuǎn)換邏輯電路門控電路蝰蛇引導(dǎo)波段2包絡(luò)檢波器串行/并行轉(zhuǎn)換邏輯電路門控電路蝰蛇引導(dǎo)波段2包絡(luò)檢波器┊┊門控電路通過m包絡(luò)檢波器門控電路通過m包絡(luò)檢波器圖2.5多頻段數(shù)字調(diào)頻系統(tǒng)組成框圖發(fā)射端采用鍵控方式實現(xiàn)，脈沖到達后，M個頻率中只會選擇一個頻率。接收端采用非相干解調(diào)。輸入的MFSK信號經(jīng)過M個帶通濾波器，分離出M個頻率并發(fā)送出去，然后通過包絡(luò)檢波器、采樣判決器和邏輯電路恢復(fù)二進制信息[7]。3.12FSK調(diào)制解調(diào)仿真2FSK的調(diào)制采用鍵控方式實現(xiàn)。調(diào)制電路中的主要模塊有伯努利二進制信號發(fā)生器、兩個不同頻率的載波和選通開關(guān)。Nubelli二進制信號發(fā)生器主要產(chǎn)生隨機二進制波形；兩個正弦波可以產(chǎn)生兩種不同的頻率；選通開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間切換，得到的信號就是2FSK的調(diào)制信號，完成調(diào)制過程。在仿真中，相干解調(diào)方法用于2FSK解調(diào)。解調(diào)電路由帶通濾波器、乘法器、低通濾波器、采樣判決器、延遲器和零階保持器組成。在2FSK相干解調(diào)中，帶通濾波器可以最大限度地使整個頻段的信號通過，同時也起到了分路的作用，而它的帶阻可以衰減和抑制通過的信號。通過帶通濾波器的信號分別乘以相應(yīng)的同步相干載波，然后低通濾波器分別濾除第二頻率信號，取出包含基帶數(shù)字信息的低頻信號；采樣判決器在采樣脈沖到達時比較并判決兩個低頻信號的采樣值，然后可以恢復(fù)基帶數(shù)字信號。其中，采樣判決器作為比較器，同時向采樣判決器發(fā)送兩個信號進行比較。以便確定輸出基帶數(shù)字信號。2FSK整體模塊電路圖如圖3.1所示。圖3.1Simulink仿真平臺搭建的2FSK調(diào)制和相干解調(diào)系統(tǒng)示意圖3.1.12FSK系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置1)信號源參數(shù)的設(shè)置(1)信號是紐堡信號發(fā)生器的來源；(2)取0的概率為0.5；(3)初始種子值為61；(4)采樣時間為0.005；(5)輸出數(shù)據(jù)類型為double。2)載波的參數(shù)設(shè)置(1)載波是正弦載波；(2)載頻分別設(shè)置為1000*2*pi/3000*2*pi；(3)振幅設(shè)置為1；(4)采樣時間值均為1e-5；3)門控開關(guān)參數(shù)的設(shè)置選通開關(guān)在兩個獨立的頻率之間進行選擇，輸出信號為2FSK調(diào)制信號。(1)閾值(一個效果能產(chǎn)生的最低或最高值)參數(shù)設(shè)置為0.5；(2)采樣時間為-1。4)帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置在解調(diào)模塊中，有兩個帶通濾波器來分離信號。(1)中心頻率Fs=48000Hz；(2)帶通濾波器1:下頻段Fc1=800Hz，上頻段Fc2=1200Hz；(3)帶通濾波器2:下頻段Fc1=2800Hz，上頻段Fc2=3200Hz；(4)使用的窗口是海明窗口。5)低通濾波器的參數(shù)設(shè)置(1)截止頻率設(shè)置為3000*2*pi(2)順序設(shè)置為8；(3)選擇巴特沃茲作為設(shè)計方法。6)采樣決策器的參數(shù)設(shè)置(1)采樣頻率設(shè)置為0.005；(2)其他設(shè)置為默認值。7).差錯率計數(shù)器參數(shù)設(shè)置(1)模塊延時設(shè)置為0；(2)其他為默認模式。8).高斯信道參數(shù)設(shè)置(1)方差設(shè)置為0.1；(2)初始種子設(shè)置為41；(3)采樣時間設(shè)置為1e-5。9)瑞利信道參數(shù)的設(shè)置(1)適馬設(shè)置為0.1(設(shè)置越小越好，因為瑞利信道和萊斯信道很容易影響其性能)；(2)初始種子設(shè)置為41；(3)采樣時間設(shè)置為1e-5。10).大米通道參數(shù)設(shè)置(1)萊斯K因子設(shè)置是默認值；(2)適馬設(shè)置為0.1(越小越好，因為瑞利信道和萊斯信道很容易影響其性能)；(3)初始種子設(shè)置為41；(4)采樣時間設(shè)置為1e-5。3.1.2三個通道下運行結(jié)果的波形顯示三個通道中2FSK調(diào)制解調(diào)信號的波形也不同。由于高斯信道、瑞利信道和萊斯信道這三個信道的傳輸特性不同，在調(diào)制信道中加入這三種噪聲會影響調(diào)制后的傳輸波形和解調(diào)后恢復(fù)的原始基帶信號波形，但影響程度不同。在具體的調(diào)制模塊電路中，我在通道后面加了一個示波器，方便觀察兩個載波的波形，調(diào)制后的波形和加噪后的波形。在解調(diào)模塊電路中，我在輸出端添加了示波器，將解調(diào)后的波形與原始基帶信號波形進行比較。具體觀察結(jié)果如下。(1)載波f1；(2)載波F2；(3)調(diào)制波形；(4)高斯信道后的波形。圖3.4高斯信道下調(diào)制部分波形圖解調(diào)基帶數(shù)字信號；(2)原始基帶信號。圖3.3高斯信道解調(diào)后的波形圖(1)載波f1；(2)載波F2；(3)調(diào)制波形；(4)瑞利信道后的波形。圖3.4瑞利信道中調(diào)制部分的波形圖(1)解調(diào)的基帶數(shù)字信號；(2)原始基帶信號。圖3.5瑞利信道解調(diào)后的波形圖(1)載波f1；(2)載波F2；(3)調(diào)制波形；(4)萊斯通道后的波形。圖3.6Rice信道調(diào)制部分波形圖解調(diào)基帶數(shù)字信號；(2)原始基帶信號。圖3.7Rice信道解調(diào)后的波形圖從上圖可以看出:在同一系統(tǒng)的三個噪聲信道下，調(diào)制波形經(jīng)過信號發(fā)送端的三個信道，即調(diào)制解調(diào)過程中，高斯信道對調(diào)制波形的影響最大，其次是萊斯信道和瑞利信道。在接收端沒有錯誤。3.1.3三個通道下運行結(jié)果的頻譜顯示任何信號都可以通過。\t"://wenda.haosou/q/_blank"傅立葉變換把它分解成一個\t"://wenda.haosou/q/_blank"直流分量(也就是一個\t"://wenda.haosou/q/_blank"常數(shù))和幾個(通常是無限的)\t"://wenda.haosou/q/_blank"正弦信號和。每個正弦分量都有自己的頻率和。\t"://wenda.haosou/q/_blank"幅值這樣，以頻率值為橫軸，以幅值為縱軸，將上述正弦信號的幅值繪制在它們對應(yīng)的頻率上，就做出了信號的幅頻分布圖，即所謂的頻譜圖。此外，還有相頻分布，但意義不大。在頻譜分析中，將信道中的高斯噪聲、瑞利噪聲和萊斯噪聲的方差值設(shè)置為相同，便于比較。二進制頻移鍵控的具體頻譜圖如圖3.8所示。(a)基帶信號的頻譜；(b)通過高斯信道恢復(fù)基帶信號的頻譜。(c)通過瑞利信道恢復(fù)基帶信號的頻譜；(d)通過萊斯信道恢復(fù)基帶信號的頻譜。圖3.8三個通道下的頻譜圖顯示當方差為0.1的高斯噪聲被添加到信道中時，解調(diào)基帶信號的頻譜與原始基帶信號的頻譜相比幾乎沒有失真。在二進制中，在三個通道下，它的頻譜變化不大。但查閱大量數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，在相同方差下，瑞利和萊斯比高斯信道失真更大。3.24FSK調(diào)制解調(diào)仿真4FSK的調(diào)制也是用鍵控法實現(xiàn)的。調(diào)制電路中的主要模塊有伯努利二進制信號發(fā)生器、四個不同頻率的載波///和三個選通開關(guān)。Nubelli二進制信號發(fā)生器主要產(chǎn)生隨機二進制波形；四個正弦波可以產(chǎn)生四種不同的頻率；前兩個選通開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間切換，得到的信號是2FSK的調(diào)制信號。在第三個門控開關(guān)中，對兩個二進制調(diào)制信號進行串并轉(zhuǎn)換，得到4FSK的信號，完成調(diào)制過程[8]。在仿真中，采用相干解調(diào)方法對4FSK進行解調(diào)。解調(diào)電路由帶通濾波器、乘法器、低通濾波器、全波整流器、采樣判決器、延遲器、零階保持器和選通開關(guān)組成。在4FSK相干解調(diào)中，帶通濾波器可以最大限度地使整個頻段的信號通過，同時也起到了分路的作用，而它的帶阻可以衰減和抑制通過的信號。通過帶通濾波器的信號分別乘以相應(yīng)的同步相干載波，然后通過低通濾波器濾除第二頻率信號，取出包含基帶數(shù)字信息的低頻信號；當采樣脈沖到來時，采樣判決器對兩個低頻信號的采樣值進行比較和判決，從而恢復(fù)出基帶二進制信號，然后通過后面的三個選通開關(guān)進行并串轉(zhuǎn)換，最終輸出基帶4FSK數(shù)字信號。同樣，采樣判決器作為比較器，同時將兩個信號送到采樣判決器進行比較，從而判決并輸出基帶數(shù)字信號。4FSK總體模塊的電路圖如圖3.9所示。圖3.9Simulink仿真平臺搭建的4FSK調(diào)制和相干解調(diào)系統(tǒng)圖3.2.14FSK系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置1)信號源參數(shù)的設(shè)置(1)信號源是紐伯格信號發(fā)生器；(2)小數(shù)是4；(3)初始種子值為37；(4)采樣時間為0.05；(5)輸出數(shù)據(jù)類型為double。2)載波的參數(shù)設(shè)置(1)兩個載波都是正弦載波；(2)兩個載波的幅度都是1；(3)載頻分別為300*2*pi/500*2*pi/700*2*pi/900*2*pi；(4)采樣時間為1e-4；(5)其余為默認值。3)門控開關(guān)參數(shù)的設(shè)置三個選通開關(guān)在四個獨立的頻率之間選擇并進行串并轉(zhuǎn)換，輸出信號為4FSK調(diào)制信號。(1)閾值(一個效果能產(chǎn)生的最低或最高值)參數(shù)設(shè)置為0.5；(2)采樣時間為-1。4)帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置在解調(diào)模塊中，有四個帶通濾波器來分離信號。(1)中心頻率Fs=10000Hz；(2)帶通濾波器1:下頻段Fc1=280Hz，上頻段Fc2=320Hz；(3)帶通濾波器2:下頻段Fc1=480Hz，上頻段Fc2=520Hz；(4)帶通濾波器3:下頻段Fc1=680Hz，上頻段Fc2=720Hz；。(5)帶通濾波器4:下頻段Fc1=880Hz，上頻段Fc2=920Hz；(6)使用的窗口是海明窗口。5)低通濾波器的參數(shù)設(shè)置(1)中心頻率Fs=10000Hz；(2)設(shè)定截止頻率FC=200Hz；(3)使用的函數(shù)窗口是漢明窗口。6)采樣決策器的參數(shù)設(shè)置(1)采樣頻率設(shè)置為0.005；(2)其他設(shè)置為默認值。7).差錯率計數(shù)器參數(shù)設(shè)置(1)模塊延時設(shè)置為0；(2)其他為默認模式。8).高斯信道參數(shù)設(shè)置(1)方差設(shè)置為0.1；(2)初始種子設(shè)置為37；(3)采樣時間設(shè)置為0.05。9)瑞利信道參數(shù)的設(shè)置(1)適馬設(shè)置為0.1(設(shè)置越小越好，因為瑞利信道和萊斯信道很容易影響其性能)；(2)初始種子設(shè)置為37；(3)采樣時間設(shè)置為0.05。10).大米通道參數(shù)設(shè)置(1)萊斯K因子設(shè)置是默認值；(2)適馬設(shè)置為0.1(越小越好，因為瑞利信道和萊斯信道很容易影響其性能)；(3)初始種子設(shè)置為37；(4)采樣時間設(shè)置為0.05。3.2.2三個通道下運行結(jié)果的波形顯示在研究四進制波形時，其仿真思路與二進制類似。同樣，在四進制系統(tǒng)中，也有高斯信道、瑞利信道和萊斯信道三種信道，并且4FSK調(diào)制解調(diào)信號在三種信道中的波形也是不同的。在具體的調(diào)制模塊電路中，我在通道后加了一個示波器，方便觀察二進制調(diào)制的兩個波形、四進制調(diào)制的波形和帶噪聲的波形的變化。在解調(diào)模塊電路中，我還在輸出端增加了一個示波器，用來比較解調(diào)后的波形和原來的基帶信號波形。具體觀察結(jié)果如下。(1)載波f1；(2)載波F2；(3)調(diào)制波形；(4)高斯信道后的波形。圖3.10高斯信道中調(diào)制部分的波形圖解調(diào)基帶數(shù)字信號；(2)原始基帶信號。圖3.11高斯信道解調(diào)后的波形圖載波f1；(2)載波F2；(3)調(diào)制波形；(4)瑞利信道后的波形。圖3.12瑞利信道中調(diào)制部分的波形圖解調(diào)基帶數(shù)字信號；(2)原始基帶信號。圖3.13瑞利信道解調(diào)后的波形圖(1)載波f1；(2)載波F2；(3)調(diào)制波形；(4)萊斯通道后的波形。圖3.14Rice信道中調(diào)制部分的波形圖解調(diào)基帶數(shù)字信號；(2)原始基帶信號。圖3.15Rice信道解調(diào)后的波形圖從上圖可以看出，在同一系統(tǒng)的三個噪聲信道下，調(diào)制波形經(jīng)過信號發(fā)射端的三個信道，即調(diào)制解調(diào)過程中，高斯信道對調(diào)制波形的影響最大，其次是萊斯信道和瑞利信道。在接收端，也就是解調(diào)部分，存在誤差，其主要原因是各模塊參數(shù)設(shè)置不當，以及噪聲信道造成的誤差或亂碼。3.2.3三個通道下運行結(jié)果的頻譜顯示在四元系中，觀測方法與二元系相同。同樣，在頻譜分析中，將信道中的高斯噪聲和瑞利噪聲、萊斯噪聲的方差值設(shè)置為相同，便于比較。四進制移頻鍵控的頻譜顯示圖如圖3.16所示。(a)基帶信號的頻譜；(b)通過高斯信道恢復(fù)基帶信號的頻譜。(c)通過瑞利信道恢復(fù)基帶信號的頻譜；(d)通過萊斯信道恢復(fù)基帶信號的頻譜。圖3.16三個通道下的頻譜圖顯示當方差為0.1的高斯噪聲被添加到信道中時，解調(diào)基帶信號的頻譜與原始基帶信號的頻譜相比幾乎沒有失真。在四元系統(tǒng)中，從頻譜圖可以看出，在三個信道中相同方差下，瑞利和萊斯比高斯信道失真更大。并且在四進制中，4FSK調(diào)制前后的頻譜比二進制大，換句話說，四進制的帶寬比二進制大。3.38FSK調(diào)制解調(diào)仿真3.3.18FSK軟件設(shè)計思路(1)模塊法實現(xiàn)8FSK系統(tǒng)仿真。從圖3.17可以看出，其模塊化方法實現(xiàn)的8FSK由三部分組成:調(diào)制部分、噪聲通道和解調(diào)部分。調(diào)制部分實現(xiàn)數(shù)字信號的模擬，以使信號適合在信道中傳輸；將一些解調(diào)后的模擬信號數(shù)字化，這樣就可以從調(diào)制后的信號中恢復(fù)出原始信號。調(diào)制模塊噪聲信道調(diào)制模塊噪聲信道解調(diào)模塊圖3.178FSK模塊方法的實現(xiàn)(2)實現(xiàn)8FSK系統(tǒng)仿真的編程方法。編程時主要由五部分編程模塊組成，分別是:隨機序列產(chǎn)生、調(diào)制波形顯示、調(diào)制頻譜顯示、噪聲處理和解調(diào)部分顯示[10]。隨機序列生成隨機序列生成調(diào)制后波形顯示調(diào)制光譜顯示噪聲添加處理解調(diào)部分顯示圖3.188FSK編程方法的實現(xiàn)原理框圖8FSK具體調(diào)制解調(diào)原理框圖如圖3.19所示。它由三部分組成，一部分是調(diào)制電路模塊，二是通道，三是解調(diào)電路模塊。串行/并行轉(zhuǎn)換巡邏卷電流路串行/并行轉(zhuǎn)換巡邏卷電流路2門控電路門控電路門控電路門控電路門控電路門控電路照片增加用具認為方法接收濾波器六級第五波段四級波段2波段1波段3包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器抽樣決策器邏輯電路圖3.198FSK調(diào)制解調(diào)原理框圖3.3.3模擬結(jié)果分析在8FSK調(diào)制解調(diào)過程中，有許多棘手的問題。首先，M進制中的調(diào)制原理框圖有串并轉(zhuǎn)換，對應(yīng)的解調(diào)模塊有并串轉(zhuǎn)換。我在網(wǎng)上搜過資料，看了很多參考書，但是找不到串并轉(zhuǎn)換/并串轉(zhuǎn)換的相關(guān)理想和具體實現(xiàn)方法。其次，在4FSK中，我是用三個鍵來實現(xiàn)它的串并/并串轉(zhuǎn)換，但是當我在8FSK中使用它的思路和方法時，發(fā)現(xiàn)根本行不通，要么是因為鍵的設(shè)置，要么是因為哪個模塊參數(shù)的設(shè)置。最終在自己無法搭建模塊的時候，我和同學(xué)討論如何通過編程實現(xiàn)它的功能，發(fā)現(xiàn)程序比模塊更完善。編程實現(xiàn)的具體8FSK信號程序見附件[12]。(1)隨機序列的生成利用MATLAB的一個函數(shù)Random-rand產(chǎn)生一個固定長度的二進制隨機序列x，stem是將二進制隨機序列轉(zhuǎn)換成棒狀信號，每個載頻之間的間隔為，最后得到二進制基帶數(shù)字信號。生成的隨機序列如圖3.20所示。圖3.20隨機序列(2)調(diào)制波形顯示在調(diào)制過程中，調(diào)用MATLAB中的固有函數(shù)dmod，生成上述隨機序列的調(diào)制函數(shù)Y。調(diào)制點數(shù)是二進制隨機碼的個數(shù)與系統(tǒng)采樣頻率的乘積，其縱軸周長為[-4±4]。調(diào)制后的波形如圖3.21所示。(一)密集時的調(diào)制波形(b)抽空期間的調(diào)制波形圖3.21調(diào)制后的波形(3)調(diào)制后的頻譜顯示。在調(diào)制頻譜顯示中，設(shè)置調(diào)制波形長度為L，調(diào)用MATLAB中的固有函數(shù)FFT生成上頻譜，繪制單邊帶幅度的頻譜圖。調(diào)制頻譜如圖3.22所示。圖3.22調(diào)制后的頻譜(4)添加噪聲。為了觀察經(jīng)過不同通道后的波形，通道的參數(shù)設(shè)置一致，便于觀察。在查看數(shù)據(jù)進行不耐煩的處理時，沒有現(xiàn)成的內(nèi)置函數(shù)可以使用。所以我參考給模塊加噪聲的方法來編程，給調(diào)制信號Y加噪聲，取其縱軸周長為[-88]。三個通道后的波形顯示如圖3.23所示。(a)基帶信號通過高斯信道后的頻譜和調(diào)制波形(b)通過瑞利信道恢復(fù)基帶信號的頻譜和調(diào)制波形(c)通過萊斯信道恢復(fù)基帶信號的頻譜和調(diào)制波形圖3.23三個通道下的頻譜圖顯示從上圖可以看出:在同一系統(tǒng)下，經(jīng)過三個通道后，調(diào)制信號的頻譜和波形都或多或少受到通道的影響。調(diào)制頻譜受萊斯信道的影響，其次是瑞利信道和高斯信道。從調(diào)制波形可以知道，其信道的影響正好相反。(5)解調(diào)部分顯示同樣，在解調(diào)過程中，使用MATLAB自帶的函數(shù)ddmod對函數(shù)Y進行解調(diào)，解調(diào)后生成一個定長的二進制隨機序列。stem就是把解調(diào)后的信號以棒子的形式表現(xiàn)出來，也就是最終結(jié)果是二進制基帶數(shù)字解調(diào)信號。解調(diào)后的波形如圖3.24所示。(a)原始基帶信號(b)通過高斯信道恢復(fù)的基帶信號(c)通過瑞利信道恢復(fù)基帶信號；(d)通過萊斯信道恢復(fù)基帶信號。圖3.24顯示三個通道中恢復(fù)的基帶信號從上圖可以觀察到，在編程實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)過程中，解調(diào)部分是沒有誤差的。3.4誤碼率顯示在數(shù)字信息傳輸中，誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的重要指標之一。本文中2FSK和4FSK采用模塊法實現(xiàn)其功能，計數(shù)器模塊用于誤碼率顯示，其功能是計算一個計數(shù)的數(shù)字信號中錯誤的傳輸信號值[15]。2FSK中各模塊的參數(shù)設(shè)置比4FSK中更合適，誤碼率模塊顯示為0；但在4FSK中，誤碼率顯示不為零。同樣的模塊，設(shè)置相似的參數(shù)，結(jié)果顯示不一樣，很難解釋。原因是在計算錯誤傳輸時是一個動態(tài)的過程，在模塊中顯示時只是最終的結(jié)果，無法觀察到某個通道中信號傳輸?shù)腻e誤率。所以在這種情況下，我用編程的方法調(diào)用搭建好的模塊，這些模塊都可以顯示三個二進制在三個信道下的誤碼率的路由過程。運行程序顯示的2FSK、4FSK、8FSK的誤碼率如圖3.25、3.26、3.27所示。圖3.252FSK誤碼率示意圖顯示圖3.264FSK誤碼率示意圖顯示圖3.278FSK誤碼率示意圖顯示3.5頻譜特征和誤差率分析從上面的仿真過程可以看出，在2FSK和4FSK的模塊仿真中，我們可以觀察到調(diào)制部分和解調(diào)部分在各個時刻的波形圖，以及基帶信號和解調(diào)信號的頻譜圖，也可以通過編程8FSK觀察到各個環(huán)節(jié)的波形變化。下面從MFSK的頻譜特性和誤碼率兩個方面進行分析。3.5.1頻譜特征和波形分析(1)三個通道下的波形分析三進制在高斯信道中波形失真最大，解調(diào)端恢復(fù)的解調(diào)信號與原始數(shù)字基帶信號幾乎相同。然而，在瑞利信道和萊斯信道中，雖然調(diào)制后的波形影響不大，但解調(diào)后的信號比原始基帶信號失真要大得多。(2)三通道下的頻譜分析。從仿真結(jié)果來看，在三進制的情況下，其主瓣寬度隨著十進制數(shù)的增加而增加，其旁瓣寬度和高度也逐漸增加。也就是說，在主瓣之后還有一個拖尾旁瓣來影響其傳輸特性。根據(jù)各種參考文獻，十進制數(shù)越大，其帶寬越寬，其頻譜資源利用率越低。因此，MFSK多用于調(diào)制速率低、多徑時延嚴重的信道，如無線短波信道[16]。錯誤率分析(1)同一系統(tǒng)下的錯誤率分析從圖3.25、3.26、3.27可以看出，在同一系統(tǒng)的三個信道下，瑞利信道的誤碼率最大，其次是萊斯信道，高斯信道的影響最小。主要原因是瑞利信道和萊斯信道容易影響系統(tǒng)的傳輸性能。(2)不同二進制下的錯誤率分析。和A一樣，可以在三個圖中進行比較:如果在同一個橫坐標軸上取同一個點，比如取的時候，同一信道的誤碼率會隨著小數(shù)的增加而逐漸增加。我這次畢業(yè)設(shè)計的題目是FSK調(diào)制解調(diào)的仿真與分析。需要使用仿真軟件實現(xiàn)三種二進制下FSK調(diào)制解調(diào)過程的仿真，觀察調(diào)制解調(diào)過程中各個環(huán)節(jié)的時域和頻域波形；比較了三種不同信道環(huán)境下FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的頻譜特性和誤碼率。最后對仿真結(jié)果進行了分析。在實際設(shè)計過程中，首先要進行電路設(shè)計:首先要構(gòu)思電路實現(xiàn)流程，選擇合適的模塊實現(xiàn)其功能。數(shù)據(jù)分析:準確的數(shù)據(jù)設(shè)置可以實現(xiàn)電路的功能，而不合理的數(shù)據(jù)設(shè)置可能會造成波形失真等后果。仿真:只有在能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能的情況下，才能進行波形觀察和性能分析。在模擬電路中，根據(jù)原理框圖構(gòu)建的模塊電路的輸出結(jié)果并不是一蹴而就的。在自己和老師的分析調(diào)試下，出現(xiàn)了FSK(2FSK，4FSK)仿真結(jié)果，但是波形沒有我們理論的那么完美，存在一些誤差。經(jīng)過分析，由于調(diào)制部分基帶信號和信道參數(shù)設(shè)置不當，經(jīng)過仔細檢查和修改后出現(xiàn)了理想的波形。然后是8FSK信號的調(diào)制解調(diào)。我花了很多時間來構(gòu)建這個模塊。因為調(diào)制部分需要串并轉(zhuǎn)換，解調(diào)部分需要并串轉(zhuǎn)換。但是我在做的時候查閱了很多資料，卻沒有提到串并轉(zhuǎn)換的具體過程。所以在構(gòu)建4FSK的時候，我采用三種鍵控方式來實現(xiàn)4FSK的調(diào)制，相應(yīng)的解調(diào)部分也采用三種鍵控方式來實現(xiàn)其功能。但在8FSK中，隨著模塊數(shù)量的增加，難度也會增加，尤其是在參數(shù)設(shè)置上。當你設(shè)置一個參數(shù)不當，最終結(jié)果會以失敗告終。在嘗試了無數(shù)次之后，你決定用程序完成8FSK的調(diào)制解調(diào)。在設(shè)計過程中，在老師和同學(xué)的指導(dǎo)下，查閱了大量與通信原理相關(guān)的電子電路設(shè)計，學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的東西。通過這次設(shè)計，我知道了:理論與實踐相結(jié)合的重要性。平時學(xué)的東西不去實踐，那就是紙上談兵。只有將理論知識與實踐相結(jié)合，才能提高自己的實踐能力和獨立思考能力。也可以測試一下我們從設(shè)計中學(xué)到了多少理論知識，鞏固已經(jīng)學(xué)過的知識，不斷學(xué)習(xí)已經(jīng)錯過的新知識，讓這門課更加扎實?？傊厴I(yè)設(shè)計匆匆而過。對于信息工程專業(yè)的學(xué)生來說，通信系統(tǒng)設(shè)計是一門非常重要的專業(yè)課。我認真完成了所有的設(shè)計，在這次設(shè)計中學(xué)到的知識對我們提升專業(yè)知識有很大的幫助。即使經(jīng)歷了一次又一次的迷茫，也積累了一些知識。整個課程設(shè)計過程中遇到的問題主要有三個。一是基礎(chǔ)知識不扎實，主要是對一些常用的Simulink仿真模塊的形式和功能不太清楚，對書本的理解不夠透徹。二是一些常用應(yīng)用軟件的應(yīng)用不足，體現(xiàn)在系統(tǒng)仿真時對這些軟件的操作不熟練，浪費了大量時間。三是相關(guān)知識不夠全面，缺乏系統(tǒng)設(shè)計和仿真的經(jīng)驗。主要是在解調(diào)的過程中，一開始采用了非相干解調(diào)，但是實際模塊的參數(shù)設(shè)置不當，導(dǎo)致最終的劇情出現(xiàn)問題。即使是多系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)過程中的串并轉(zhuǎn)換，也不是找很多相關(guān)資料就能解決的。雖然設(shè)計過程中有很多問題，但是我感覺無論是從理論知識還是實際操作上都學(xué)到了很多知識。我想從以下六個方面總結(jié)一下。第一，這次畢業(yè)設(shè)計后，讓我接觸了更多以前從未接觸過的科學(xué)儀器和仿真軟件，從而獲得相關(guān)的調(diào)試經(jīng)驗。同時我也發(fā)現(xiàn)了這方面的很多不足。我意識到理論知識對實踐有很大的指導(dǎo)作用，它讓我知道只有在正確的理論指導(dǎo)下，才能設(shè)計出符合實際需要的電路。第二，我學(xué)會了如何有效地獲取信息，使用參考書，并使用網(wǎng)絡(luò)查找信息。我發(fā)現(xiàn)我們用的書上有些知識在實際應(yīng)用中并不理想，各種參數(shù)都需要自己調(diào)整。偶爾會遇到數(shù)據(jù)錯誤的現(xiàn)象，這就需要我們更加注重實踐。再次，在畢業(yè)設(shè)計中，要注意重點與細節(jié)的關(guān)系；失敗不可怕，只要不低頭，昂起頭，希望總會有。可以說，畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)所學(xué)知識的應(yīng)用和復(fù)習(xí)，同時對自學(xué)能力提出了很高的要求。所以平時學(xué)習(xí)的時候離開思考是一個嚴重的錯誤。學(xué)習(xí)上不能偏科，各方面的知識都要接觸。這樣才能為畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。派遣我選這個題目的時候覺得比較簡單，因為我們剛學(xué)了相關(guān)的理論知識，而modem仿真正是我感興趣的。此外，設(shè)計過程中查閱資料、積極與老師溝通也起到了很大的作用，在一定程度上決定了設(shè)計的成敗。經(jīng)過老師的耐心指導(dǎo)和不懈努力，畢業(yè)設(shè)計按時順利完成，這是對我們把課本的理論知識運用到實踐中的一次系統(tǒng)考驗。通過自己這段時間的經(jīng)歷，在建立電路模型、分析數(shù)字調(diào)制解調(diào)器仿真系統(tǒng)、調(diào)整模塊參數(shù)、撰寫報告等方面得到了老師和同學(xué)的幫助。臨近畢業(yè)論文的尾聲，我想真誠地感受一下我們的老師，他給了我很大的幫助和悉心的指導(dǎo)。在畢業(yè)設(shè)計一個多月的過程中，當我遇到困難和問題，當我們需要他的時候，老師總是第一時間出現(xiàn)在我們面前。他讓我們學(xué)習(xí)以前課堂上沒有的東西。此外，我要特別感謝我所有的朋友，他們給了我巨大的勇氣和信心去克服困難。我們在畢業(yè)設(shè)計中合作得非常愉快。當我們遇到困難時，我們會一起討論和學(xué)習(xí)，一起克服它們，我們所有人都會分享克服問題和困難后的喜悅。與此同時，我們也發(fā)揚我們慷慨鼓勵的精神:能吃苦，能攻關(guān)，能戰(zhàn)斗，能奉獻。在這里我表達我的真情！[1]王炳軍，王少勇。通信原理基礎(chǔ)課程[M]。:郵電大學(xué)，2005年。滕強元，洪，。用89C52單片機實現(xiàn)FSK調(diào)制解調(diào)[J].電子技術(shù)，2001(01).10-15。[3]吳重光。FSK調(diào)制解調(diào)器的單片機實現(xiàn)[J].大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1995(06).3-6。玉伽澤良金澤。基于FPGA的FSK信號的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國新通信，2010(01).4-6。[5]于梅?；贔PGA的FSK調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科學(xué)與技術(shù)，2009(05).3-6。[6]范長新。通信原理教程(第二版)[M]。電子工業(yè)，2008.06.143-162。[7]范長新，麗娜。通信原理(第6版)[M]。國防工業(yè)，2009.01。[8]王文博，常永玉。移動通信原理與系統(tǒng)[M]。:郵電大學(xué)，2005年。[9]王立寧。MATLAB與通信仿真[M]。人民郵電，2000.126-188。[10]德豐。MATLAB通信工程仿真[M].:機械工業(yè)，2003。[11]ShinsukeHara，AttapolWannasammaytha，yuujiTsuchida，等.一種利用短時DFT分析的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)FSK解調(diào)方法[J].IEEE車輛技術(shù)匯刊，1997[12]曹軍，馬·。Simulink的建模與仿真[M].電子科技大學(xué)，2005。13阿利斯塔爾·芒羅。可重構(gòu)軟件無線電的移動中間件[J].IEEE通信雜志.200014菲利普·喬治林，文卡特·克里什納瓦米。實現(xiàn)基于C++的順序等價性檢查的設(shè)計方法學(xué)[J].2006年設(shè)計自動化會議[15]徐明遠、邵玉斌主編。MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)，2005。[16]何兵，袁潔萍。Simulink通信仿真教程[M]。國防工業(yè)，2005.102-147。英文原文無源無線微系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)熊亮·賴(電氣工程碩士，美國猶他州，2009年8月數(shù)學(xué)碩士，美國堪薩斯州，2004年12月電信工程學(xué)士，北京，2000年7月)摘要:無線獲取能量的獨特優(yōu)勢使無源無線微系統(tǒng)發(fā)展成為一項快速發(fā)展的高影響力技術(shù)。本文針對無源無線微系統(tǒng)日益嚴格的要求，提出了幾種新的設(shè)計技術(shù)。由于沒有板載電池，無源無線微系統(tǒng)的功耗極低。最近的研究表明，多電壓片上系統(tǒng)大大降低了功耗，因此迫切需要高能效的片上電壓電平轉(zhuǎn)換器。本論文提出了一種基于二極管箝位-整流電路的新型電壓電平轉(zhuǎn)換器。電壓電平轉(zhuǎn)換器由輸入信號無源供電，沒有靜態(tài)電流消耗，并且能夠雙向轉(zhuǎn)換輸入信號以適應(yīng)不同的電壓域。移位步驟可以是連續(xù)的，并且不受分立的晶體管閾值和電源軌的限制。無源無線微系統(tǒng)的第二個瓶頸是無線功率采集效率，它限制了無線通信距離以及片上電路的復(fù)雜性和功能性。本文提出了一種基于變壓器的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，大大提高了從接收天線到片上電路負載的功率傳輸效率。該變壓器還能夠通過一種新穎的低功耗可變電流調(diào)諧技術(shù)，自動校準其輸入阻抗，以匹配天線阻抗。在無源無線微系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)調(diào)制方式在很大程度上決定了功率傳輸效率和數(shù)據(jù)通信速度。利用FSK調(diào)制的恒定載波包絡(luò)，本文提出了一種適用于無源無線微系統(tǒng)中FSK接收機的雙槽結(jié)構(gòu)。雙接收槽通過在每個交替FSK載波上提供高品質(zhì)因數(shù)諧振槽電壓，顯著提高了片內(nèi)交流至DC電壓倍增器的功率轉(zhuǎn)換效率。高數(shù)據(jù)傳輸速率也是通過在全數(shù)字和電壓電平移位FSK解調(diào)器中探索雙槽來實現(xiàn)的。感謝作者衷心感謝他的導(dǎo)師和導(dǎo)師袁菲教授，感謝他的靈感、技術(shù)和個人見解，以及對整個工作的堅定支持。他的熱情、遠見和經(jīng)驗是取得這些成就的最大源泉和動力。作者還感謝其他委員會成員，GulN.Khan教授、VadimGeurkov教授、FarrokhShari教授和約克大學(xué)RichardHorsey教授審閱本文。我要感謝瑞爾森大學(xué)集成電路和系統(tǒng)研究組的成員、周、AlaaAL-Taee和ShaulPeker，感謝他們的有益討論、建設(shè)性建議和寶貴的技術(shù)投入。特別感謝研究小組的前成員DominicDiClemente博士，感謝他在建立晶圓測量設(shè)施方面所做的努力，感謝TarekKhan完成Cadence仿真環(huán)境。我的博士項目部分由瑞爾森大學(xué)、安大略省培訓(xùn)部、學(xué)院和大學(xué)以及加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會(NSERC)提供的研究生獎學(xué)金資助。我仍然感謝這些支持。最后，我要感謝我的家人這些年來給我的愛和支持。介紹射頻供電的微系統(tǒng)，也稱為無源應(yīng)答器，在許多應(yīng)用中都是必不可少的，例如自動支付系統(tǒng)、水泥結(jié)構(gòu)中不可恢復(fù)的壓力傳感器和遠程跟蹤設(shè)備。他們還發(fā)現(xiàn)了可植入電子產(chǎn)品[1，2，3，4，5，6]、視網(wǎng)膜假體裝置[7]、神經(jīng)肌肉刺激[8]、無線環(huán)境監(jiān)測[9]、RFID[10]和醫(yī)療內(nèi)窺鏡[11，12]等新興應(yīng)用。其最新發(fā)展涉及從環(huán)境或?qū)Ｓ迷?如移動電話、手持無線電、移動基站和電視/無線電廣播站)收集RF能量的無源應(yīng)答器[13，14]。無源應(yīng)答器的最大優(yōu)點是沒有機載電源。這使得它可以無限期運行，無需更換電池或充電。此外，由于沒有電源，應(yīng)答器可以制造成非常小的尺寸，沒有連接器、電纜和電池接入面板，這使得它們對于生產(chǎn)消費電子產(chǎn)品很有吸引力，例如電子書閱讀器和耳機，以及用于可植入離散無線節(jié)點和RFID跟蹤標簽的ASIC傳感器。在本章中，我們首先在1.1節(jié)中介紹無線無源微系統(tǒng)的一些基本背景信息。然后，我們將在第1.2節(jié)討論無源微型系統(tǒng)中的一些當前設(shè)計問題，以了解我們的動機和目標。第1.3節(jié)介紹了本文的貢獻。第1.5節(jié)簡要介紹了論文的組織結(jié)構(gòu)。第1.5節(jié)對本章進行了總結(jié)。1.背景射頻供電的微系統(tǒng)起源于1899年初Tesla提出的無線電力傳輸(WPT)的想法[1]。1964年，布朗等人成功地展示了微波驅(qū)動直升機的工作原理[2]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，低功率無線無源轉(zhuǎn)發(fā)器可以由環(huán)境射頻能量供電，如移動基站、移動電話、WiFi、藍牙和ZigBee[15，16]。無線無源微系統(tǒng)主要通過電場或磁場耦合的方式工作。使用共振磁耦合，磁場的感應(yīng)耦合已經(jīng)在短距離內(nèi)以高效率被廣泛采用[2]。第二種稱為整流天線，通常結(jié)合整流器和天線，通過電場耦合電力。混合磁場和電場耦合以形成用于無線無源微系統(tǒng)的RF波傳播使得能夠在更長的工作距離上實現(xiàn)更小規(guī)模的功能集成。射頻應(yīng)答器是一個小型無線系統(tǒng)，它與附近的一個稱為閱讀器的站點進行通信。由閱讀器和轉(zhuǎn)發(fā)器組成的射頻功率微系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。閱讀器通過無線信道向轉(zhuǎn)發(fā)器提供功率和初始信息。讀取器-應(yīng)答器通信協(xié)議總是以相對較長的加電周期開始，在此期間應(yīng)答器的存儲電容器被充電到工作電平[1]。此時，讀取器可以發(fā)送數(shù)據(jù)請求，如果所請求的數(shù)據(jù)可用，則應(yīng)答器將對該數(shù)據(jù)請求進行確認。應(yīng)答器數(shù)據(jù)通常是傳感器讀數(shù)或識別碼。這些數(shù)據(jù)由讀取器處理，以獲得應(yīng)答器環(huán)境的知識或識別攜帶該設(shè)備的對象。2.動機和目標盡管無線供電的無源微系統(tǒng)有許多優(yōu)點，但要使這些優(yōu)點可行，必須克服這些系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括:提到的高效RF功率接收小天線、1.1.2節(jié)提到的針對輸入功率和輸出負載阻抗變化的高效匹配網(wǎng)絡(luò)、1.1.3節(jié)提到的出色RF-DC功率轉(zhuǎn)換效率、1.1.4節(jié)提到的新型低功率調(diào)制/解調(diào)電路，以及無線無源微系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化。2.1電壓電平轉(zhuǎn)換器由于無源微系統(tǒng)接收的功率非常有限，圖1.2所示無源微系統(tǒng)架構(gòu)中的每個模塊都必須進行優(yōu)化，以實現(xiàn)低功耗的全功能運行。在這篇論文中，我們將在第二章提出一系列低功率被動式電壓移位器。通過正確配置建議的電壓電平轉(zhuǎn)換器，圖1.2中的解調(diào)器模塊可用于低功耗ASK和FSK無線解調(diào)方案。所提出的電壓電平移位器也可以應(yīng)用于圖1.2中的匹配網(wǎng)絡(luò)塊，用于匹配網(wǎng)絡(luò)的自動校準，以實現(xiàn)最大的功率收獲。我們將在第3章中看到這種通過電壓電平轉(zhuǎn)換的自動校準峰值幅度檢測技術(shù)。此外，為了降低無源無線微系統(tǒng)中的功耗，這些系統(tǒng)的非關(guān)鍵部分中的器件通常以降低的電源電壓在亞閾值模式下工作，而諸如電可擦除可編程只讀存儲器的其他模塊以較高的電源電壓在超閾值模式下工作[22，23，10]。需要提供適當電壓信號以橋接亞閾值和超閾值模塊的電壓電平轉(zhuǎn)換器[24，25]。電壓電平移位器通常在以下拓撲結(jié)構(gòu)中實現(xiàn):(1)半鎖存拓撲結(jié)構(gòu):半鎖存拓撲結(jié)構(gòu)利用了其簡單的配置和較小的傳播延遲。然而，這些電壓電平轉(zhuǎn)換器具有長的傳播延遲、大的下拉NMOS晶體管和過大的短路電流。半鎖存電壓電平轉(zhuǎn)換器的低電流驅(qū)動能力可以通過用電流鏡取代上拉PMOS鎖存器來緩解，但代價是靜態(tài)功耗過大[26]。(2)自舉技術(shù):自舉技術(shù)通過用單獨的低擺幅信號驅(qū)動上拉PMOS和下拉NMOS來降低半鎖存電壓電平轉(zhuǎn)換器的功耗[27]。在自舉技術(shù)中，Kwon和Min提出的電壓電平移位器通過采用輔助電平移位器來提高速度并降低功耗[28]。(3)亞閾值-超閾值轉(zhuǎn)換:Ltkemeier和Rckert提出了一種基于威爾遜電流鏡的電壓電平移位器，用于亞閾值到超閾值的信號傳輸[29]。Wooters等人提出的高能效亞閾值電壓電平移位器使用低VTH晶體管與為電壓電平移位器供電的低VDD電路接口，以提高電流驅(qū)動能力[30]。(4)柵極耦合技術(shù):Baek等人通過將保護晶體管的柵極容性耦合至輸入端，提出了一種高能效上變頻器[31]。(5)多VTH晶體管拓撲結(jié)構(gòu):哈桑貝戈維奇和奧內(nèi)特的電壓電平轉(zhuǎn)換器利用多VTH晶體管，低VTH晶體管放置在速度至關(guān)重要的位置，高VTH晶體管放置在漏電流至關(guān)重要的位置[32]。前面的電壓電平移位器僅提供數(shù)字信號，而不能提供連續(xù)的電壓電平移位。盡管源極跟隨器、共源極、共柵極配置或電路等是用于移動模擬信號中值的便利選擇，但是它們在低功率應(yīng)用中的有用性很大程度上受到以下因素的阻礙:(1)過度的靜態(tài)功耗，(2)這些電壓移位器能夠提供的電壓移動的最小量通常受到飽和MOSFETs的柵極-源極電壓的下限，以及(3)這些電壓移位器能夠提供的最大電壓移位量受到電源軌電壓的上限和下限的限制，這進一步限制了它們在諸如無源無線微系統(tǒng)之類的系統(tǒng)中的應(yīng)用，在這些系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)的功率采集器的輸出通常比接收到的射頻信號的幅度高得多。在這篇論文中，我們將提出一種基于二極管電壓倍增器整流特性的電壓電平轉(zhuǎn)換器。我們將證明這些電壓電平轉(zhuǎn)換器能夠消除上述電壓電平轉(zhuǎn)換器的缺點。2.2阻抗匹配無源微系統(tǒng)不配備內(nèi)部電池。它們的工作能量必須通過無線方式獲取。如圖1.2所示，功率采集模塊包括天線、匹配網(wǎng)絡(luò)和電荷泵電壓倍增器。需要對匹配網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)從天線到電壓倍增器的最大功率傳輸。理想情況下，電壓倍增器要求輸入電壓幅度盡可能大，以實現(xiàn)高效的交流DC轉(zhuǎn)換。功率采集的效率決定了基站和微系統(tǒng)之間可以建立的可靠鏈路的最大距離、隨后微系統(tǒng)的功能的復(fù)雜性以及采集足夠量的功率所需的最小時間量。射頻功率采集的效率主要由下列三個關(guān)鍵因素決定:(1)天線的效率:天線的效率越高，天線中的電壓越大。天線產(chǎn)生的電壓由天線的類型和尺寸決定，這兩者通常由應(yīng)用來設(shè)置。(2)電壓倍增器的效率:提高電壓倍增器效率的有效方法是最大化從天線饋入電壓倍增器的輸入電壓[33]。電壓倍增器的功率轉(zhuǎn)換效率的損失是由于整流裝置[18，21，19]的電壓降。它可以通過提高輸入電壓的幅度或使用低閾值整流器件來改善，如肖克利二極管和零VTMOSFET[20]。(3)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的準確性:電壓倍增器輸入端的電壓可以通過在天線和電壓倍增器之間插入一個諧振回路來提升，該諧振回路以載波頻率諧振[10，34，17，35，36]。為了最大化輸入電壓，在[33]中，提出了一種電感匹配技術(shù)，利用電壓倍增器的等效輸入電容，將電壓倍增器的輸入與諧振LC儲能電路的并聯(lián)電感器并聯(lián)。通過在電壓倍增器[17，35，36]的輸入端應(yīng)用LC匹配網(wǎng)絡(luò)，可以進一步提升電壓倍增器兩端的輸入電壓。片上螺旋電感的低品質(zhì)因數(shù)嚴重影響諧振LC儲能電路的有效性。此外，如果采用變?nèi)荻O管來提供頻率調(diào)諧，變?nèi)荻O管的電阻損耗也會對儲能電路的品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生不利影響。LC匹配網(wǎng)絡(luò)的性能，特別是電壓增益，可以通過用升壓螺旋變壓器[37]代替螺旋電感來大大提高。(4)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的最佳負載:沒有找到最佳匹配網(wǎng)絡(luò)，[38]分析了在任意輸入阻抗條件下產(chǎn)生最大可能功率效率的最佳負載。對于[37]中介紹的升壓螺旋變壓器，初級繞組的大匝數(shù)比和寬螺旋產(chǎn)生大的品質(zhì)因數(shù)和大的電壓增益。由于電壓倍增器的負載隨著應(yīng)用而變化，在其次級繞組處具有電壓倍增器負載的變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗也將變化，導(dǎo)致天線和變壓器之間的阻抗不匹配，從而導(dǎo)致從天線傳遞到變壓器的能量損失。此外，工藝擴展還會引起變壓器電感、寄生電容和電阻的誤差，導(dǎo)致工藝擴展引起的輸入阻抗和變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)諧振頻率的漂移。前者影響從天線傳輸?shù)阶儔浩鞯墓β柿?，而后者影響變壓器的輸出電壓，尤其是當變壓器的品質(zhì)因數(shù)高時。非常希望可以調(diào)諧變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使得它不僅向天線提供匹配阻抗以最大化從天線到變壓器的能量傳輸，而且在期望的頻率，即載波頻率下諧振，以最大化變壓器次級繞組的電壓。本文提出了一種用于無源無線微系統(tǒng)高效能量采集的變壓器阻抗匹配和頻率調(diào)諧技術(shù)。所提出的方法利用插入在天線和電壓倍增器之間的升壓變壓器來執(zhí)行用于功率匹配的阻抗變換和用于提高電壓倍增器效率的電壓放大。2.3FSK解調(diào)器無線無源微系統(tǒng)有多種調(diào)制技術(shù)，其中ASK調(diào)制技術(shù)因其實現(xiàn)簡單、功耗低而成為最受歡迎的調(diào)制技術(shù)。FSK調(diào)制因其恒包絡(luò)調(diào)制方案最近被用于無源無線微系統(tǒng)。當FSK被用于編碼從基站傳輸?shù)綗o源無線微系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時，ASK中遇到的波動功率傳輸?shù)娜秉c被消除。因為基帶數(shù)據(jù)是由載波的頻率而不是幅度來表示的，所以噪聲的影響并且也減少了對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。FSK的另一個獨特特性是能夠以高數(shù)據(jù)速率傳輸數(shù)據(jù)，因為FSK調(diào)制信號的解調(diào)不需要使用具有大時間常數(shù)的低通濾波器提取載波包絡(luò)。這對于生物醫(yī)學(xué)植入物尤其重要，因為不僅諸如耳蝸植入物和視覺假體植入物的這些微系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率高，而且由于人體在高頻下對電磁波的高度吸收，這些植入物的載波頻率通常為13.56MHz。在基于FSK的無源無線微系統(tǒng)中，無源無線微系統(tǒng)和它們的基站之間的耦合變壓器的品質(zhì)因數(shù)通常被最大化，以便提升接收到的RF信號的幅度，從而最大化下游電壓倍增器的功率效率[39]。然而，當使用FSK時，最大化耦合變壓器的品質(zhì)因數(shù)會降低功率效率，因為FSK使用兩個頻率相差很大的載波來調(diào)制基帶數(shù)據(jù)。為了確保在兩個載波頻率下接收信號的幅度相同，兩個載波頻率必須與耦合變壓器的諧振頻率等距，從而導(dǎo)致功率效率降低。為了提高功率效率，已經(jīng)提出了幾種技術(shù):(1)Ghovanloo和Naja提出了一種寬帶電感鏈路，由發(fā)射機側(cè)的并聯(lián)和串聯(lián)LC儲能電路以及接收機側(cè)的LC儲能電路的串聯(lián)組合組成[40]。發(fā)射機側(cè)的兩個LC儲能電路被調(diào)諧為在FSK載波頻率下諧振，以最大化發(fā)射信號的電壓。由于耦合變壓器僅在單一頻率下諧振，這種FSK解調(diào)器的功率效率仍然較低。(2)Jung等人提出了一種簡單的FSK解調(diào)器，使用元件對接收的FSK信號進行延遲和采樣[41]。與Ghovanloo-NajaFSK解調(diào)器相比，JungFSK解調(diào)器通過在特定時刻對輸入數(shù)據(jù)進行采樣來恢復(fù)基帶數(shù)據(jù)，而不是測量載波的兩個正弦周期。Ghovanloo-NajaFSK解調(diào)器取消了高頻振蕩器，有效降低了功耗。然而，付出的代價是降低了可靠性。(3)[42]中提出的FSK解調(diào)器由多路復(fù)用器、移位寄存器、相位頻率檢測器和電荷泵組成。(4)[43]中提出的交錯調(diào)諧技術(shù)通過分別調(diào)諧發(fā)射器和接收器儲能電路來提高FSK解調(diào)器的功率效率。前面的FSK解調(diào)器的一個共同缺點是，由