高频电子线路课程设计-同步检波法来实现解调的双边带调制解调电路.doc

目录摘要1第1章 设计意义2第2章 调制解调原理概述32.1 调幅原理32.2 DSB调制部分原理32.3 DSB解调部分原理42.4 低通滤波器部分原理5第3章 设计要求63.1 目的63.2 主要的技术指标63.3 基本要求6第4章 仿真软件Multisim简介7第5章 设计过程95.1 总体方案95.2电路设计及参数选择9第6章 仿真过程146.1实验结果146.2 结果分析16总结17参考文献18摘要 调制和解调电路是现代通信设备中重要组成部分。用待传输的低频信号去控制高频载波的某个参数电路称为调制电路；解调是调制的逆过程，从高频已调信号中还原出原调制信号称为解调电路。本设计完成了一个采用同步检波法来实现解调的双边带调制解调电路。本文首先介绍了DSB的调制解调原理，然后详细的给出了其设计过程，并应用Multisim软件对DSB调制解调电路进行了仿真分析。实验结果表明：该电路能够完成一个信号的DSB调制解调，但它与理论波形相比存在一个较小的失真。 关键词: DSB调制解调 Multisim 仿真第1章 设计意义 在现代通信和广播发送系统中，将待发送的语言、音乐或图像信号，作用于高频等幅波，使其幅度随之变化，成为调幅。在接受系统中，从经过调幅处理后的高频信号中，还原出原语言、音乐或图像信号，称为振幅检波，通常简称为检波。在发送、接收机中，为了提高通信质量和处理信号的方便，需要对高频信号进行频率变换处理，但其所包含的信息不变，称为变频。在通信理论中，证明了调幅、检波和变频，都是频谱的搬移。在通信理论中，根据调幅信号所含频谱及其相对大小不同，可以分为普通调幅信号，双边带调幅信号，单边带调幅、残留边带调幅信号。通信电子线路主要的学习内容是无线电通信系统中发射和接收设备中单元电路的形式及工作原理等。这些概念及原理对于学生来说十分抽象，通过动手设计及仿真可以使学生更形象的掌握调制、解调、频谱搬移等概念，对通信过程有更深入的理解。第2章 调幅的调制与解调原理概述2.1 调幅原理 在广播、电视、移动通信等通信系统中，要发送的音频或视频等有用信号（也称为调制信号）包含的频率成分相对比较低，直接地发射和接受是不合适的。因此，产生一个载波信号（也称为高频或射频RF信号），将频率较低的有用信号作用在频率较高的载波信号上，这个过程称为调制。载波信号有三个主要特征：振幅、频率和相位。用调制信号区改变其中特征之一即完成了调制过程。解调是与其相反的过程。若是用调制信号改变载波的振幅，称为振幅调制。调幅电路又称幅度调制电路，指能使高频载波信号的幅度随调制信号的规律而变化的调制电路。幅度调制电路有多种电路形式。本次设计采用高频信号发生器产生载波，它和调制信号经乘法器后输出抑制载波的双边带调幅波。 图 2.1.1 调幅波原理2.2 DSB调制部分原理 一般在单边带和双边带调制的发射机中，都采用低电平调制电路。低电平调制电路主要优点是具有良好的调制线性，而功率和效率一般不予考虑。对于双边带调制和单边带调制，还提出了抑制载波分量的要求，抑制的程度用载漏表示。载漏定义为输出载波分量低于边带波分量的分贝数。显然分贝数越大，载漏性越好。一般要求载漏在20dB以上。为了提高调制线性和减少载漏，必须力求采用能实现理想相乘器运算的相乘器，一遍减少无用频率分量，特别是减少其中的载波分量和失真分量。因此，对于低电平调制电路，除了采用具有二次方特性的场效应晶体管组成的相乘电路外，更多的是采用性能优良的相乘器电路。其中应用最广的是双差分对模拟相乘器、工作在开关状态的二极管平衡调制器和唤醒调制器以及集成模拟相乘器等。针对AM波的不足，DSB调幅调制过程中将载波完全抑制，它的产生原理是调制信号与载波信号直接相乘。调制信号 载波信号原理框图: 图2.2.1 调制原理图2.3 DSB解调部分原理 由于DSB调幅波中不含有载波分量，因此不能用包络检波。所以对于双边带调幅波只能采用同步检波电路实现，同步检波通常又称为相干检波。 将已调信号和载波信号输入乘法器，乘法器输出端接一低通滤波器以滤除高频分量，取出低频调制信号。 原理框图如下： 图2.3.1 解调原理图为了增大检波器 的传输系数，对恢复的载波要求是：（1） 幅度要尽可能大，但不应超过相乘器最大容许输入电压。（2） 载波震荡电压不但应与原载波电压同频，而且应该同相。因为，达到最大值，相应的值也达到最大的可能值。故相乘检波也称同步检波。2.4 低通滤波器部分原理所谓RC低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路滤除。图2.4.1 低通滤波器模型对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。在DSB解调电路中低通滤波器的上截止频率应低于2倍的高频载波频率，而高于最高调制频率。相乘检波器中的滤波器所需滤除和所需提取的频率间隔拉大了，滤波器的制作较容易。第3章 设计要求3.1 目的 本次课设的目的就是通过学习和掌握电路设计与仿真软件的基础上，按要求设计一个通信电子线路并仿真，综合应用所学知识，进行一次比较全面的训练，为今后的学习和工作积累经验3.2 主要的技术指标1、采用乘法器来实现DSB的调制，解调采用同步检波法；2、输入信号频率5KHz，电压60mV左右，调幅系数为0.5，载波频率为100KHz，载波电压为60mV（参考）。 3.3 基本要求 学习和掌握幅度调制和解调电路设计方法，熟悉相关元器件的工作的原理和基本参数，设计一个调幅发射（或接收）的电路。学习并掌握电路设计仿真软件的基本操作。主要包括：1、幅度调制与解调电路原理分析；2、电路设计；3、电路分析；4、仿真结果和分析。第4章 仿真软件Multisim简介Multisim 11.0是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2010 年推出的 Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术 ；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似 ；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，基本上能满足一般电子电路的分析设计的要求 ；提供了多种输入输出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。Multisim 11.0 把所有的元件分成13类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。 Multisim 11.0提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。Multisim 10具有以下特点: (1)Multisim 11.0是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很方便地在工程设计中使用。 (2)Multisim 11.0 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 (3) Multisim 11.0 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。(4) Multisim11.0可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。Multisim11.0是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。 Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容，而且具有较强的 VHDL和 Verilog设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过16000个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。multisim10.0的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim11.0具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。MultiSim（电子工作平台）软件，是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为“计算机里的电子实验室”。其特点是图形界面易操作，易学、易用，快捷方便、真实、准确。使用MultiSim可实现大部分硬件电路实验的功能。最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是MultiSim软件的一大特色。它采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。Multisim11.0 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和数据。第5章 设计过程5.1 总体方案总体电路设计框图如下： 图5.1.1 总体设计框图当用作调制的乘法器的双差分对处于线性工作状态时，给其输入调制信号和载波信号，经过调制后得到已调信号。当用于解调的乘法器也工作于线性状态时给其输入已调信号和载波信号，经过解调后得到信号，将输入低通滤波器得到基带信号。5.2电路设计及参数选择整体电路核心为模拟乘法器，本实验在调制部分应用双差分对乘法器，在解调部分应用MC1496芯片。模拟乘法器是对两个模拟信号实现相乘功能的有源非线性器件，主要功能是实现两个互不相关信号的相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。它有两个输入端口，即X和Y输入端口。根据双差分对模拟乘法器基本原理制成的单片集成模拟相乘器MC1496是四象限乘法器，内部结构如图5.2.1。 图5.2.1 MC1496内部结构 图5.2.2 MC1496管脚排列 图5.2.3 MC1496符号调制电路采用双差分对乘法器，双差分对乘法电路由三对差分管构成。在本课程设计中设计的电路图如图5.2.4。 图5.2.4 调制部分电路图设输入信号，。双端输出时，双端电流 其中，故，其中，。因而 上式说明，双差分对电路并没有实现和的相乘运算，仅提供了两个非线性函数（双曲正切）相乘的特征。与单差分电路分析类似。（1），时，式子近似为这时实现了和的乘法运算。（2），时，式子近似为这时包含频率成分为 ，虽然实现了和的线性关系，但幅值都很小。为此，在实际电路中采用负反馈技术来扩展的动态范围。扩展后双差分管的输出差值电流为解调电路应用二极管平衡解调电路进行同步检波，乘法器MC1496的Y输入端接载波信号，X输入端接从调制电路输出的已调信号，后接由和组成的低通滤波器滤除谐波分量。示波器A、B端分别输入已调信号和解调基带信号，可观察到二者波形。暂时选取低通滤波器参数为电阻，电容，计算可得低通滤波器截止频率。解调部分电路图如图5.2.5。 图5.2.5 解调部分电路图综合上述分析，完整的DSB信号调制解调电路图设计如下 图5.2.6 总调制解调电路图第6章 仿真过程6.1实验结果XSC3显示调制信号波形 图6.1.1 调制信号波形XSC4显示载波信号波形 图6.1.2 载波信号波形XSA1显示已调信号频谱图6.1.3 已调信号频谱XSC2显示已调信号波形 图6.1.4 已调信号波形XSC2显示解调信号波形及已调信号波形 图6.1.5 解调信号波形及已调信号波形6.2 结果分析1、在已调波的波形中可读出，所以=0.565, 理想值为1。2、观察图6.1.5可看到解调输出波形有失真，分析其失真原因有以下几点：（1）由于电路中选择的芯片作用，相乘器的最大容许输入电压与电路中本机振荡电压相差不大，致使产生的解调信号波形产生少许失真。（2）在乘法器的输出端口有少许的载频泄漏，在低通滤波器滤除时仍然留有少许，对解调出的波形产生干扰，从而产生少许失真。（3）在信号传递过程中，频率和相位偏移都会影响波形的质量，从而产生失真。（4）因为在第二章中介绍了在DSB信号解调电路中滤波器上截止频率应低于2倍的高频载波频率，而高于最高调制频率。即要求且，在设计电路中滤波器截止频率仅为0.61KHz，不满足上述要求，所以解调出的信号有一定失真。3、观察图6.1.3已调信号频谱图可看到，由于前段电路没有经过带通滤波器，导致解调后得到的频谱图出现多次谐波。但其总体变化趋势保持不变。参考文献1 侯丽敏.通信电子线路.清华大学出版社.20082 谢阮清.解月珍.通信电子线路.北京邮电大学出版社.20003 沈琴.非线性电子线路.高等教育出版社.20044 张肃文.高频电子线路.高等教育出版社.19935 J.卡尔约瑟夫.射频电路设计.科学出版社.20076 黄智伟.射频电路设计.电子工业出版社.2006.4 总结历时两周的课程设计终于接近尾声，在这次课程设计过程中我受益匪浅。课程设计其目的即是使学生更好更细的掌握所学课程的内容以及电路设计思路，在熟悉课本的基础上查阅更多的资料，开拓视野增强储备，加强动手能力。在课设刚刚开始时，我没有一点头绪，只知道到处翻阅资料，查阅各种电路图及数据分析，在忙碌中却没有一点进展，我知道这是因为平时学习时太过粗糙没有深入思考相关知识点。在确定最终电路数据时又算不出合适的参数，使得输出波形产生严重失真而自己又不知从何分析，这使得我在课程设计过程中走了好多弯路大费周折，不过就如那句话说的“风雨过后终见彩虹”，在小组成员共同努力下，我们最终分析出了电路设计思路以及具体设计方案，完成了本次DSB的调制与解调。此外，本次课设要求使用Multisim软件进行电路仿真，此前未真正接触过电路仿真软件，在一天天的慢慢学习中，自己也摸索出了软件的应用方法以及注意的地方，在画电路图时熟悉了软件的用法，知道了如何插入原件、如何设置原件的参数、如何删除和移动原件、如何接线、如何完成调试运行，所有的这些我都是在这两周的课设中慢慢总结的。学习是个漫长艰苦的过程但也是一个愉悦的的过程，通过不断的尝试不断的改错我初步掌握了这种软件的使用，这个过程回想起来也是种成长。通过本次课程设计，我不仅熟悉了DSB的调制解调知识而且对于整个调幅系统有了进一步的了解。我相信这次课设会给予我日后对专业课的进一步学习有很大帮助。最后，感谢彭老师给予的悉心指导，也感谢同组同学们的大力帮助使我顺利完成了设计。18