基于单片机2DPSK研究与设计

院 系：传媒工程系 专 业：电子信息工程 班 级：B0701班 姓 名：

学 号：07070141014 指导教师：谈新权

2011年5月19日

2DPSK数字调制器研究与设计

Research and Design of 2DPSK Digital

Modulator

I

摘 要

二进制差分相移键控(2DPSK)常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波的不同相位直接传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。 2DPSK数字调制器就是产生2DPSK信号。它由两部分组成:差分编码器和绝对调相器。差分编码器由绝对码变化成相对码,一般可以由模2加法器和延时器实现。绝对调相的通常由直接调相法或相位选择法完成。本文的设计差分编码器由异或与芯片74LS86和双D触发器74LS74组成;绝对调相采用相位选择法,具体实现采用4个晶体三极管完成。文中给出了能设计的总体电路和时序图。

关键词: 数字调制 数字调相 相对调相 差分编码

II

Abstract

Binary differential phase shift keying (2DPSK) often referred to as two-phase relative phase modulation, denoted 2DPSK. It is not the absolute value of carrier phase using digital information transmission, but before and after the symbol with the relative value of carrier phase transmitted digital information. Relative carrier phase is called the code a yard of Yuan Yuan phase before the phase difference.

2DPSK digital modulator signal is generated 2DPSK.It consists of two parts: the differential encoder and absolute phase modulation devices.The differential encoder is a relative code into the absolute change in code,generally by the modulo 2 adder and delay devices to achieve.In this paper the design of differential encoder is consist of the chip 74LS86 and 74LS74 dual D flip-flop .Absolute phase modulation using a phase selection method,completed with 4 transistor.Paper presented to the overall circuit design and timing diagram.

KeyWords: Digital Modulation Digital Phase Modulation Relative Modulation

Differential Encoding

III

目 录

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„I Abstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„II 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1 数字调制基本原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.1 2ASK二进制振幅键控„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.2 2FSK基本原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 1.3 2PSK基本原理 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 1.4 2DPSK信号原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 1.5 2DPSK调制原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 1.6 2DPSK信号解调方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 1.7 2DPSK信号解调的极性比较法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 1.8 2DPSK信号解调的差分相干解调法„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 2 差分编码器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.1 差分编码器图的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.2差分编码时序图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3数字相位调制器的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4心得体会总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

IV

绪 论

通信分为模拟通信和数字通信。通常把传送模拟信号的系统称为模拟通信系统，把传送数字信号的系统称为数字通信系统。在模拟通信中，通过信道的信号频谱通常很窄，信道利用率较高。现今的大部分电话通信、广播、电视都使用这种通信方式。而数字通信抗噪声能力强，通过差错控制编码，可以提高通信的可靠性。由于数字信号传输一般采用二进制码，所以可以使用现代计算机对数字信号进行处理。因此当今世界是一个模拟通信和数字通信共存的世界，而数字通信比模拟通信性能更优越，是当今通信行业的发展方向。

当今社会通信信号调制识别成为研究热点之一，国内外都有相关方面的研究，并且取得很好的结果。近十年来，随着计算机，人工智能，模式识别和信号处理技术的飞速发展。数字调制传输在现代通信中发挥着越来越重要的作用，2PSK及2DPSK是数字调制传输两种常用的方式，PSK是由载波相位来表示信号占和空或者二进制1,0。对于有线线路商行较高的数据传输速率，可能发生4个或8个不同的相移，系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。利用不同的连续相移键控，这个参考相位被按照相位改变而进行的编码数据所取代，并且通过将相位与前面的位进行比较来检测。而DPSK是通过相位的改变，来传输信息。前言二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。数字信号的载波传输在现代数字通信系统中占有举足轻重的地位, 相移键控由于其良好的抗干扰性能和较高的信道频带利用率而在现代通信系统中得到了广泛应用。对数字通信系统的分析, 特别是对数字通信系统调制信号特性的分析及检测成为通信界研究的一个重要课题。移相键控是一种很重要的调制方式,应用非常广泛。 数字相位调制分为PSK和DPSK两种基本调制方式。PSK方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方法，而DPSK则是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。

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二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。

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1.数字调制基本原理

数字频带传输系统

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

数字基带传输系统

数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、和移相键控(PSK或DSPK)。 数字调制也可分为线性调制和非线性调制。幅移键控(ASK)属于线性调制，而频移键控属于非线性调制。

在相同信噪比的情况下，相移键控具有更低的误码率，且能有效地利用所给定的信道频带，所以是一种较好的调制方式。相位分得越多，传输速率越高，但相邻载波间的相位差越小，在接收端对鉴相器的要求越高，将使误码率增加。二进制数

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字调制方式虽然占用频带较宽使得频率利用率不够经济，但实现起来比较容易，解调设备也比较简单，而且抗干扰和抗衰落性能较强，因此在数字通信系统中得到了较为广泛的应用。

1.1二进制振幅键控(2ASK)

基振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而

信号为二进制时，则为二进制振幅键控。设发送的二进制符号序列由0，1序列组成，

发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为

2TS是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为TS的矩形脉冲： 则二进制振幅键控信号可表示为

2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化在，所以又称通

断键控信号(OOK信号)。二进制振幅键控信号的产生方法有模拟相乘和数字键控。

2ASK调制器信号的波形图以及信号产生示意图如下图所示:

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图1-1 OOK信号的波形及产生示意图 (a)OOK的波形; (b)OOK信号产生示意图

显然,它与双边带调幅信号时域表达式相似,它说明2ASK(OOK)信号是双边带调幅信号。

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1.2 2FSK的基本原理

同FM一样,2FSK也是利用载波的频率变化来传递信息的.信号1对应于载波频率f1,信号0对应于载波频率f2.2FSK信号在形式上如同两个不同频率交替发送的2ASK信号叠加,因此已调信号的时域表达式为

s2fsk(t)[ang(tnts)]cosw1t[ang(tnts)]cosw2t

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图1-2 2FSK信号波形及其产生示意图

(a)2FSK信号的波形; (b)2FSK信号产生示意图

1.3 2PSK的基本原理

2PSK是利用二进制调制信号控制载波的两个相位(这两个相位通常相隔π弧度)例如用相位0和π分别表示1和0.因此,这两种调制又称为二相相移键控(BPSK).二进制相移键控信号的时域表达式为

s2psk(t)[ang(tnts)]coswct

相比于2ASK信号的一般时域表达式,可以看到两者的形式相同,所不同的只是an取值范围不一样,2ASK取1和0,2PSK取1和-1.连同2FSK与2ASK的关系,我们可以发展2ASK,2FSK,2PSK三者之间的内在联系:2FSK,2PSK都是以2ASK为基础的,2FSK可由2ASK组合而成,而把2ASK系数an的0的取值改为-1就可以得到2PSK,造成这个结果的原因就是调制信号只有两个取值。

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图1-3 2PSK信号波形及其产生示意图

(a)2PSK信号的波形; (b)2PSK信号产生示意图

1.4 2DPSK信号原理

2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。现假设用Φ表示本码元初相与前一码元初相之差，并规定：Φ＝0表示0码，Φ＝π表示1码。则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的，在接收端只能采用相干解调，它的时域波形图如图2.1所示。

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图2.1 2DPSK信号

在这种绝对移相方式中，发送端是采用某一个相位作为基准，所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。如果基准相位发生变化，则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。

定义 为本码元初相与前一码元初相之差，假设： →数字信息“0”；

→数字信息“1”。

则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下： 数字信息: 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 2DPSK相位（0）：π π 0 ππ 0 π 0 0 π 或（π）0 0 π 0 0 π 0 π π 0 对于DPSK，令＝０数字信息“１”

＝１数字信息“０”

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1.5 2DPSK信号的调制原理

一般来说，2DPSK信号有两种调试方法，即模拟调制法和键控法。2DPSK信号的的模拟调制法框图如图1.5(a)所示，其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。

S(t) 码变换 相乘 Eo(t) 载波 图1.5( a) 模拟调制法

2DPSK信号的的键控调制法框图如图1.5(b)所示，其中码变换的过程为将输入的基带信号差分，即变为它的相对码。选相开关作用为当输入为数字信息“0” 时接相位0，当输入数字信息为“1”时接pi。

图1.5(b ) 键控法调制原理图

1.6 2DPSK信号的解调方法

2DPSK信号最常用的解调方法有两种，一种是极性比较和码变换法，另一种是差分相干解调法。

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1.7 2DPSK信号解调的极性比较法

它的原理是2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，再与本地载波相乘，去掉调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决的到基带信号的差分码，再经过逆差分器，就得到了基带信号。原理框图如图1.7

2DPSK 带通滤波器 相乘器 低通滤波器 抽样判决器 延迟T 图 1.7 极性比较解调原理图

1.8 2DPSK信号解调的差分相干解调法

差分相干解调的原理是2DPSK信号先经过带通滤波器，去除调制信号频带以外的在信道中混入的噪声，此后该信号分为两路，一路延时一个码元的时间后与另一路的信号相乘，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，将其送入抽样判决器中进行抽样判决，抽样判决器的输出即为原基带信号。它的原理框图如图2.8所示。

2DPSK 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 抽样 判决器 逆码变换 本地载波 图 1.8 差分相干解调原理

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2. 差分编码器设计

图2-1 差分编码器

差分编码器的任务是将绝对码an转换成相对码bn,其逻辑关系如下 bn=an⊕ bn-1 (2-1)

公式中,an为绝对码,bn为相对码,bn-1 是bn的前一个码元.编码器的框图如图2-1所示.图中74LS86是异或门,实现异或操作,即模2相加运算.而双D触发器74LS74实现延时,延时一个码元周期.它们的工作时序如图2-2所示.时钟脉冲CK与an,bn的时间关系表明,an,bn的码元周期与时钟脉冲周期相同.在时间上三者相似.CK脉冲

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加到U1:B的Q端输出的信号比输入的延时了半个周期.同样,bn加U1:B的D端,经过U1:A后输出的信号bn-1,这样U1:A比输入延时了半个时钟周期,这样,从74LS86输出的bn经两级D触发器后得到的是bn-1 .从时序图中可知,它比bn相差一个码元周期.从而实现了从绝对码an到相对码bn的转换,也就是说完成了差分编码.

图2.2差分编码时序图

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3.数字相位调制器的设计

数字相位调制器,就是用数字信号改变载波的相位,已调信号中,载波的相位与二进制数字建立了对应的关系.因为2DPSK信号的产生由两部分组成:差分编码器和相位调制.相位调制器与2PSK调制器完全相同.相位调制器通常有两种方法:相乘法和相位选择法.本设计采用相位选择法.

相位选择法实现调制的原理图如图3-1所示.

图3-1 调制器原理图

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图中,指定下面两三极管为T1,T2,上面两三极管为T3,T4. 其中T1,T2为开关工作状态,此时由bn与b控制. T3,T4为开关放大工作状态,通过电阻分别输入载波信号.

当bn=1时,三极管T1为高电频,起到保护状态,在T2处截止,T3处于放大工作状态.假如载波发生器相位为00,经反向后相位变为1800.

当bn=0时,此时三极管T2处于导通状态,T1三极管处于截止状态,T4处于放大工作状态,经过三极管T4,反向输出相位为0载波,载波两相位对应数字信号0和1.这样就粗略的完成了数字调制.

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4 心得体会

我个人认为学术论文，一方面是对自己研究的总结和深化，另一方面他也是学术交流和宣传的一个重要部分。从第一个方面来说，写论文的过程其实就是对自己研究过程的总结，通过论文的写作，将会对自己的课题有进一步的认识，比如课题进展到什么程度了，哪些问题得到了解决，哪些还没有，过程中又延伸出哪些问题，解决这些问题的意义何在等等。这次的课程设计需要使用protel软件进行仿真，我以前对这软件一无所知，在开始的时候觉得十分困难，通过查阅相关书籍，和上网查阅有关protel的使用，下载教程学习protel软件的使用方法，最后终于完成了设计要求。

这次的连续波2DPSK调制器设计设计使我加强了对2DPSK信号的认识，并且使我了解到利用protel软件进行设计的基本方法。在设计的过程中遇到了许多的问题，比如基带信号的产生方法，对基带信号的差分方法以及最后抽样判决还原基带信号的方法都曾使我感到困惑。在仿真中遇到的一个难题是基带码差分的问题，由于对差分的过程及其表达式理解不清，使我在这个问题上耽搁了很长的时间。最后在同学的提醒下才完成了差分模块的设计。

时至今日，几个月的毕业设计终于可以画上一个句号了，但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过乐趣尽在其中，这是我第一次独立从事这种有相当难度的项目，没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结（这是我以前的一种想法），但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面、太偏激了。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结：

第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端。俗话说万事开头难,先前的第一步总是很难迈出的,因为涵盖论文的构思,资料的选择等方方面面,我不敢大意。刚刚拿到题目的时候觉得有点恍惚，当时我有一种想法：觉得这么高难度的东西凭我的力量要完成简直就是不可能吧！选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整

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个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。我在选题的时候就遇到了这样的问题，总觉得哪个题目都一样，就随便选了一个，可是找了一周的资料后发现那个题目对自己并不是最适合的，就这样白白的浪费了一个星期的时间，现在想想真是不应该呀。 第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，因此资料是否全面、可靠，关系到整个毕业设计的进程。资料的查找方式有很多种，现在是信息飞速发展的年代，上网查资料不只是一种时尚，也是最有效的方式，网上的信息包罗万象，可以通过各个搜索引擎进行搜索，例如Google、百度等，还有老师介绍的专门的论文期刊网CNKI，搜索时通过某个关键字段或几个关键字段进行搜索，搜索出许多站点然后进行查询，但是如果关键字段找不对就不能搜索出自己想要的资料，自然白白浪费了时间。我一开始的时候就犯了这样的错误，自己总是按着一个字段进行搜索，可是搜索了很长时间，也没什么进展，感到非常迷茫、苦恼，心想真是太笨了连资料都查不到还怎么做呀！我就请教老师和同学，在老师的教导下、在同学的帮助下，终于使自己从迷茫中走出来。另外，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。

第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。分析一下题目属于哪种类型，因为题目类型一般情况下分为两大类：一类是研究型的，即只是理论上的设想和创新，目前几乎没有人研究出可以实用的东西，另一类是应用型的，即可以编写出程序源代码的，能够做出实际的、具体实现的东西，这在各个领域是很有前途的，这类题目也比较多。我的毕业设计的题目就属于后一种了。题目类型确定后，就要仔细研究这个题目在哪些方面是还没有完全发挥潜力的，然后确定一个具体的方向，那么就可以在这方面大显身手了，这样虽然有一定的难度，不过哪怕做出一点点，这也是个进步！

第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的

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铺垫。理论学习和工作实际紧密结合起来，互相参照，学习进展快，掌握牢，可以取得事半功倍的效果。否则有时会感到十分疲乏，对学习产生厌倦情绪。应该根据自己的知识结构和水平确定一个合理的“攻关”顺序，并大体上拟定一个进度表，根据自己完成的情况进行调整，如果碰到不理解的概念、原理和方法，给学习带来困难，甚至无法做下去的时候，就要和导师进行沟通，也许老师的一句话就会给自己很多的启示。画原理图时的时候最好是分小模块逐个拼凑，这样可以避免设计的最后出现太多的错误而乱成一团糟。一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改。在这样理论与实践互动过程中学到的知识，是无论看多少遍书也学不来的。这对我来说不仅是知识的收获，而且有更多的感触，刚开始做的时候，我几乎是无从下手的，让人深感烦躁。幸好在老师的指导和自己不断的错误和摸索下找到了一定的方法，这是值得庆幸的。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了（感觉真好），有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

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致 谢

在此要感谢我的导师谈兴权教授对我悉心的指导，感谢老师给我这样的机会锻炼。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个项目开发过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

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参 考 文 献

[1]樊昌信.《通信原理>.第5版.北京:国防工业出版社.2001

[2] 陈国通.《数字通信》.第2版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2002 [3]曹金玉,李莉.《通信系统原理》.吉林：吉林大学出版社.1998

[4]罗卫兵．《System View动态系统分析及通信系统仿真设计》．第1版．西安：西安电子出社，2001

[5] 王钦笙.《数字通信》.第1版.北京：人民邮电出版社.1993

[6]青松，程岱松.《数字通信系统的System View仿真与分析》．北京：北京航空航

天大学出版社，2001

[7] 陈萍.《现代通信实验系统的计算机仿真》．北京：国防工业出版社，2003 [8] 沈振元，聂志泉.《通信系统原理》．西安：西安电子科技大学出版社，1997 [9] 陆心如.《数字信号处理原理及应用》.北京:电子工业出版社,1996 [10] 吴建民.《通信系统原[M]》.陕西:西安电子科技大学出版社，2004 [11] 曹志刚.《现代通信原理[M]》.北京:清华大学出版社，1992 [12]吴伟陵.《通信原理》.北京邮电大学出版社，2002年8月 [13]周凯. 《EWB虚拟电子实验室》.电子工业出版社，2005年6月

[14] 余孟尝.《数字电子技术基础简明教程》.高等教育出版社，1999年10月 [15] 赵广林. 《Protel99SE电路设计与制版》.电子工业出版社

[16] 徐明远 邵玉斌 编著 《MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用》

西安电子科技大学出版社， 2005

[17] 王兴亮 编著 《数字通信原理与技术》 西安电子科技大学出版社 第二版

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