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1、青 岛 科 技 大 学本科综合课程设计报告 基于ook调制的水下无线光通信系统的设计与实现题 目 _ 指导教师_ 学生姓名_ 1308020316学生学号_ 3 信息工程 信息科学技术学_院（部）_专业_班121 2015_年 _月 _课程设计地点弘毅D403课程设计时间2016/12/25-2017/1/13课程设计目的1、 综合学习和实践所学课程的内容。2、 练习将所学知识解决实际问题的方法。3、 讨论分析ook调制与解调方式。4、 设计电路相应的电路实现相应调制。5、 撰写报告，初步分析相应的调制。指导教师评语 指导教师签字：验收（答辩）意见验收（答辩）人员签字：系（教研室）意 见 教研
2、室主任签字：成 绩（百分制）17摘要：由于海洋探索、水下观察等水下应用领域对通信技术的需求不断提高，构建一个高速并且有效的水下通信系统成为一个新的课题。当前，水下无线光通信技术以其具有极高的信息承载能力和更高的传输速率。本论文就基于对水下无线光通信系统的相关技术ook调制进行对调制解调的设计与实现，运用multisim进行仿真。关键词：水下无线光通信 OOK 调制 Multisim 1.设计背景及目的1.1背景及研究意义随着海洋开发和勘测进程的飞速发展，将水下探测和搜集产生的数据快速有效的传输有重要意义。例如，各种传感器在水下探测到的数据如果及时的传送到水上基站，无疑能够大幅度减小水下传感器的
3、存储容量和复杂度；对于水下实景的探测有助于更好的了解和重现水下面貌，然而这需要高速的传输速率来解决水下摄像机拍摄到的画面传输问题，而且速率越高，对于传输拍摄画面的实效性和画面清晰度越有好处 ；但是目前我们面临一个巨大的困难就是无法在水下传感器设备之间和水上基站之间快速而准确的完成数据传输。而这一困难的主要原因是无线电磁波不能在水下很好的传输。为了解决这一问题，可利用可见光进行水下无线通信，特别是随着发光二极管技术和传感器技术的高速发展，使得这一方案成为可能。通过发射机采用 OOK 键控调制方式来控制发光二极管，本设计就对ook调制方式的调制解调进行设计。1.2课程设计目的（1）综合学习和实践所
4、学课程的内容。（2）练习将所学知识解决实际问题的方法。（3）讨论分析ook调制与解调方式。 （4）设计电路相应的电路实现相应调制。 （5）撰写报告，初步分析相应的调制。2.基本原理2.1调制原理载波发生器开关电路开关键控（OOK）原理如图1-1所示。开关电路受基带信号的控制。当信号为“1”时，载波通过开关电路，即；当信号为“0”时，开关接地，输出为“0”，即。OOK调制过程中、和的波形如图1-2所示。图1-1 OOK调制原理图01001图1-2 调制过程中信号波形2.2解调原理非相关解调法又称为包络检波法，是利用包络检波器或波形整流器对幅度键控信号进行检波以恢复基带信号的方法，其原理框图如图1
5、-3所示。系统中带通滤波器用来抑制噪声，抽样判决器用于提高接收机性能，恢复基带信号。简单的包络检波器电路如图1-4所示，它是利用二极管单向导电性及电容的充、放电来实现检波的。当载波信号为正半周时，VD导通，电容充电，电容电压迅速上升至输入信号峰值；当输入信号下降，由于电容电压大于输入信号，使VD反偏截止，电容通过电阻R缓慢放电。当下一个正半周期时，输入信号大于电容电压使VD再次导通，并对电容充电至峰值，如此反复，其波形示意如图1-5所示。此时，电容电压具有与载波频率相同的波纹，可通过低通滤波器滤除。包络检波器由于电路简单、检波效率高、稳定性好、价格便宜等优点，应用得较为广泛。但对于高速的数字传
6、输系统，由于码元较窄，无明显的包络，则必须应用相干解调法。输入已调信号带通滤波器包络检波器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出基带信号图1-3 OOK解调原理框图CRVD图1-4 简易包络检波器电路图载波后110000图1-5 OOK解调波形示意图3.系统设计3.1系统描述OOK系统主要分为调制部分和解调部分，调制部分有基带信号发生器、载波发生器、开关电路三部分，解调部分有全波整流器、低通滤波器、抽样判决器三部分，如果噪声干扰严重需要加上带通滤波器抑制噪声；要求载波发生器的频率有较高的精度，由于使用开关电路，码元速率不能太高。3.2系统运行环境（1）操作系统：Windows10（2）开发环境：Mu
7、ltisim 3.3调制电路分析调制电路主要由基带信号发生器、载波发生器和开关电路组成，分别对这三部分的性能和参数进行分析，得出最佳设计方案。 3.3.1基带信号模拟发生器由于本次课题为计算机设计与仿真，采用Multisim设计OOK电路。应为Multisim中不存在基带信号发生器，仿真一般用时钟发生器代替，但是实际中的基带信号有一定的随机性。所以需要设计一个基带信号模拟发生器电路来模拟真实的基带信号。在Multisim中可以采用移位寄存器74LS194N和异或门74LS86N来设计基带信号模拟发生器。 3.3.2载波发生器载波发生器采用正弦波电路，在正弦波振荡器中，在这使用电容反馈式LC振荡
8、器，其又称为电容三点式振荡器，该电路的输出波形好，失真度较小，振荡频率高达100MHz，但其频率范围较小。综上所述，选择最后一种中的西勒振荡电路较为合适。西勒电路如图2-1所示，RL为负载电阻。其中心频率计算公式见式2-1。图2-1 西勒振荡电路 （2-1） 3.3.3开关电路开关电路是OOK调制电路的核心部分，采用CD4066四双向模拟开关芯片实现开关电路，CD4066主要用作模拟或数字信号的多路传输。CD4066 的每个封装内部有4 个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，
9、导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为50dB。3.4解调电路分析 3.4.1带通滤波器带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带(bandpass，允许通过的频带)，同时限制所有通带外频率的波通过。但是实际上，没有真正意义的理想带通滤波器。真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率信号，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率(
10、rollof)。滚降斜率通常用dB度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。OOK解调电路中的带通滤波器主要作用是抑制噪声，对后续信号处理电路提供平滑的波形。带通滤波器的中心频率f0和带宽BW之间的关系为： （2-2） （2-3）带通滤波器的电路形式有很多，这里以无限增益多反馈环型滤波器为例，介绍带通滤波器的设计和仿真过程。图2-2为无限增益多反馈环型滤波器的二环典型电路。A图2-2 多反馈二环滤波器典型电路在设计有源滤波器时，一般的设计步骤如下：1根据传递函数设计：根据对滤波器特性的要求，设计某种类型的n阶传
11、递函数，再将n阶传递函数分解为几个低阶(如一阶、二阶或三阶)传递函数乘积的形式。2电路设计：按各个低阶传递函数的设计要求，设计和计算有源滤波器电路的基本节点。首先选择电路形式，再根据所设计的传递函数，设计和计算相应的元件参数值。3电路装配和调试：先设计和装配好各个低阶滤波器电路，再将各个低阶电路级联起来，组成整个滤波器电路。对整个滤波器电路进行相应的调整和性能测试，检验设计结果。对于图2-2所示的多反馈二环典型电路，可以恰当的选择的参数，构成低通、高通、带通和带阻等滤波器。只要的参数由如下表达式选择时，就可构成带通滤波器。参数的表达式如下：， （2-4）将以上各表达式代入传递函数表达式 （2-
12、5）这可得到多反馈环型带通滤波器的传递函数为： （2-6）由式(2-4)和(2-6)可组成如图2-3所示的多环有源带通滤波器电路。此多环有源带通滤波器的特性参数如下： （2-7） （2-8） （2-9）图2-3 有源带通滤波器电路 3.4.2全波整流电路全波整流电路要求整流后振幅衰减不大，如果衰减过大则需另加放大电路，这样比较麻烦，且增大了电路的规模。所以采用含运放的全波整流电路较为合适，NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、
13、控制电路及电话通道放大器。使用NE5532和整流二极管设计全波整流电路既能起到整流作用又能起到放大作用，且噪声低。 3.4.3低通滤波器低通滤波器是包络检波器的重要组成部分，它使全波整流后频率较高的波形变成频率等于码元速率且包络近似基带波形的波形。下一步就是通过比较器整形，使解调的波形与基带信号波形相同。低通滤波器采用有源二阶低通滤波器，使用NE5532作为有源二阶低通滤波器的运放。 3.4.4抽样判决器抽样判决器是OOK解调器的最后一部分，也是整个OOK系统的最后一部分。首先使用电压比较器LM339对波形进行整形，然后使用SN74HC74N对信号进行抽样判决。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Uc
