超声波频率键控调制及幅值键控调制技术研究

超声波频率键控调制及幅值键控调制技术研究

0超声波定位技术通信技术在广播行业得到了广泛应用，技术非常成熟。能否将超声波作为载波,对其进行FSK、ASK调制发射,进而将该技术应用到超声波测距和定位中,提高测量精度,改善定位效果,这还是一个问题。围绕这个问题,针对应用广泛的收发分体式超声波传感器T40-16、R40-16,本文设计并实现了超声波调制发射与解调接收电路,进行了超声波的FSK及ASK调制特性实验,并得到了定性结论。1fsk和ask配置原理1.1“0”状态调制信号为按一定频率变化的数字信号,有“1”和“0”2种状态。载波在调制信号调制作用下,以对应频率f1和f2向外传播,这就是应用于通信中的频率键控调制(FSK)技术,调制原理如图1所示。1.2幅值键控调制技术调制信号为按一定频率变化的数字信号,有“1”和“0”2种状态,载波在调制信号调制作用下,以对应频率f和0向外传播,这就是应用于无线电通信中的幅值键控调制(ASK)技术,调制原理如图2所示。2电路的设计和实现2.1发射模块组成电路主要由发射模块和接收模块2部分构成。方波发生电路、FSK调制电路、功率放大电路和超声波发射传感器组成发射模块;超声波接收传感器、一级前置运算放大电路和二级前置运算放大电路组成接收模块。其电路原理框图如图3所示。2.1.1超声波发射传感器op27发射模块电路中,分频器CD4060产生频率可调的脉冲,作为锁相环XR-2206的输入信号。锁相环XR-2206内部的压控振荡器VCO产生频率可调的正弦信号,由脉冲信号调制,经OP27组成的功率放大电路放大后作为激励信号,驱动超声波发射传感器向外发射超声波。发射模块电路如图4所示。2.1.2放大处理后的观察分析接收模块电路较简单,超声波接收传感器将接收的超声波信号转换为微弱的电信号,再由2个OP27构成前置运算放大电路进行滤波、放大处理后输出到示波器进行观察分析。接收模块电路如图5所示。超声波接收传感器的频率特性显示,接收效果与接收传感器输出端的外接电阻有很大关系。若R很大R>100kΩ),频率特性是尖锐共振的,并且在这个频率上灵敏度很高;若R较小(R<10kΩ),灵敏度随之降低。所以超声波接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用,才能有较高的接收灵敏度。2.2发射模块设计电路主要由发射模块和接收模块2部分构成。占空比可调多谐振荡器电路、ASK调制电路、功率放大电路和超声波发射传感器组成发射模块;超声波接收传感器、一级前置运算放大电路和二级前置运算放大电路组成接收模块。其电路原理框图如图6所示。2.2.1ask2组调度电路发射模块包含占空比可调多谐振荡电路、ASK调制电路、功率放大电路和超声波发射传感器。分频器CD4060和单稳态触发器CD4098构成占空比可调多谐振荡电路;ASK调制电路主要由锁相环XR-2206组成。在此将XR-2206的端子8悬空,使得当输入的调制信号为“0”时,输出信号频率为0。单稳态触发器CD4098内含2组功能完全相同的单元,电路中只用了第一组单稳态触发电路,上升沿触发。通过调节单稳态触发器端子1、2之间的跨接电容Cx和端子2的外接电阻Rx,可以调节CD4060输出方波信号的占空比,发射模块电路如图7所示。2.2.2ask接收模块的电路设计接收模块电路与FSK接收模块电路相同,如图5所示。3超声波发射传感器测试在实验室,制作了电路板,并且结合给定的超声波传感器(T40-16及R40-16)进行了FSK调制特性实验。通过设置锁相环XR-2206相关参数,调整激励正弦信号的频率,用一定的伪码数字信号进行调制,驱动超声波发射传感器向外发射超声波。在接收端对接收到的信号进行记录及分析,图8给出了3种不同频率正弦信号驱动下接收超声波信号曲线。分析实验曲线,可得到以下结论:(1)验证了驱动信号频率为超声波传感器中心频率时,超声波有效发射距离最大;(2)可以对超声波进行键控频率调制发射,带宽BW-5kHz;即对给定中心频率为f0=40kHz的超声波传感器,驱动信号频率在35～45kHz范围内,进行键控频率调制发射的效果较好;(3)最佳调制发射频率为f1=42kHz,f2=38kHz。4测量超声波发射传感器对被用户“余振”现象的影响进行ASK调制特性实验,当调制信号为高电平“1”时,调制电路产生f=40kHz的正弦激励信号,驱动超声波发射传感器向外发射超声波;调制信号为低电平“0”时,调制电路不产生激励信号,超声波发射传感器停止向外发射超声波。另外,还可以通过调节调制信号的占空比,观察占空比变化对超声波“余振”现象的影响。图9给出了部分实验曲线,通过分析,可以得到以下结论:(1)可以对超声波信号进行ASK调制发射,但存在“余振”现象;(2)可以通过改变调制信号的占空比,在一定程度上可以减弱“余振”幅度和持续时间。5k调制发射、接收超声波信号可以作为载波,进