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1、学号：24102200012南湖学院毕业设计题目：简易BPSK相位调制通信系统的设计作 者陈身光届 别2014系 别机械与电子工程系专 业电子信息工程指导老师刘 翔职 称副教授完成时间2014.05I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(Direct Digital Synthesis，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
2、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AbstractThis paper presents a simple communication system using BPSK modulation. System by the sending and receiving ends of two parts.the sending end to STM32 as the
3、control center , the received data baseband differential encoding , control direct digital frequency synthesis (Direct Digital Synthesis, DDS) of the AD9854 is BPSK modulation, amplified by the power amplifier transmitting the antenna out ; receiving end by quadrature demodulator chip MAX2451 an.Thr
4、ough the test, the system carrier is 36MHz; the total delay of 1Mbit data transmission is less than 2min, the bit error rate is less than 10-2; antenna length is less than 50cm, the transmission distance is greater than 1.5m.Key words: BPSK modulation ; baseband codec ; DDS; coherent demodulation ;
5、bit synchronization目 录第一章 绪论11.1课题的研究背景11.2国内外研究动态11.3设计任务与指标2第二章 总体方案设计32.1系统框架32.2单片机芯片的选用32.3简易误码率测试仪设计3第三章 模块电路具体设计43.1电源模块设计43.2基带的编码与解码53.3 BPSK的调制与解调53.3.1 BPSK的调制原理53.3.2 BPSK调制的实现63.3.3 BPSK解调的原理73.3.4 BPSK解调的实现73.4位同步的提取93.4.1数字锁相环的工作原理103.4.2数字锁相环的实现103.5放大电路设计123.5.1接收端前置放大电路设计123.5.2发射端
6、功率放大电路设计133.6简易误码率测试仪电路设计133.5PCB板设计14第四章 系统软件设计154.1应用程序总体结构154.2用STM32控制AD9854产生BPSK信号164.3信号的编码与解码部分184.4数据收发214.6通信协议与软件纠错23第五章 测试与总结245.1测试方法及数据245.2测试总结25参考文献26致谢27附录一主控电路原理图28附录二发送与接收电路原理图2917南湖学院毕业设计（论文）第一章 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
7、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
8、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
9、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QAM2。其中OQPSK和QPSK的折中/
10、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-54 TDMA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
11、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：l 工作频率：30MHz40MHz；l 工作方式：单工；l 调制方式：BPSK；l 编解方式：差分编码；l 时延：传输1Mbit数据的总时延小于2min；l 误码率：信道误码率小于10-2；l 天线长度不大于50cm，传输距离大于1.5m；第二章 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。
12、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。输入基带编码BPSK调制衰减网络或无线传输相干调解输出基带解码载波恢复图2-1 BPSK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
13、STM32单片机作为控制核心。这种单片机具有ARM32位Cortex-M3 CPU，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。码型发生器被测系
14、统可变时延码型比较误码显示图2-2 误码测试仪第三章 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
15、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l000 u F的电容，保证正常工作。在三端稳压器输出端接有0.1u F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
