AM调制与解调设计报告高频课程设计.doc

摘 要信号调制可以将信号的频谱搬移到任意位置，从而有利于信号的传送，并且是频谱资源得到充分利用。调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致相互干扰。而要还原出被调制的信号就需要解调电路。调制与解调在高频通信领域有着广泛的应用，同时也是信号处理应用的重要问题之一，系统的仿真和分析是设计过程中的重要步骤和必要的保证。论文利用Multisim提供的示波器模块，分别对信号的调幅和解调进行了波形分析。DSB调制优点在于系统结构简单，价格低廉，所以至今仍广泛应用于无线但广播。与AM信号相比，因为不存在载波分量，DSB调制效率是100%。我们注意到DSB信号两个边带中任意一个都包含了M(w)的所有频谱成分，所以利用SSB调幅可以提高信道的利用率，所以选择SSB调制与解调作为课程设计的题目具有很大的实际意义。论文主要是综述现代通信系统中AM调制解调的基本技术，并分别在时域讨论振幅调制与解调的基本原理, 以及介绍分析有关电路组成。此课程设计的目的在于进一步巩固高频、通信原理等相关专业课上所学关于频率调制与解调等相关内容。同时加强了团队合作意识，培养分析问题、解决问题的综合能力。关键词：Multisim；模拟乘法器 ；MC1496目 录第1章 概述31.1 Multisim简介31.2 Multisim发展3第2章 总体设计思想52.1 系统框图52.2 基本理论62.3 模拟乘法器MC1496的工作原理62.4 普通调幅（DSB）信号的调制82.5 普通调幅（DSB）信号的解调10第3章 电路调试与仿真123.1 模拟乘法器MC1496的创建123.2 DSB调幅设计133.3 同步检波设计143.4 总电路图153.5 元件清单17问题与讨论18心得体会23参考文献24第1章 概述1.1 Multisim简介Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力1。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程2。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量3。1.2 Multisim发展Multisim2001是一个用于电路设计和仿真的EDA工具软件，由于其强大的功能，形象生动的仿真效果，友好的界面，丰富的元件库和仪表库，在我国各级各类学校得到广泛的推广应用，尤其是电类专业可以将其作为电子电路的教学示教、仿真实验、电子电路的设计等4。Multisim7是2003年推出的新版本。它将以前推出的EWB5.0和Multisim2001版本功能大大提高，比如EWB5.0版本，在做电路仿真实验调用虚拟仪器时，一个品种每次只能调用一台，这是一个很大的缺陷。又如Multisim2001版本，它的与实际元件相对应的现实性仿真元件模型只有6种，而Multisim7版本增加到10种；Multisim2001版本的虚拟仪器只有11种，而Multisim7版本增加到17种；特别像示波器这种最常用的电子仪器，Multisim2001版本只能提供双踪示波器，而Multisim7版本却能提供4踪示波器，这给诸如试做数字电路仿真实验等需要同时观察多路波形提供了极大的方便。又比如Multisim2001版本只能提供“亮”与“灭”两种状态黑白指示灯，而Multisim7版本却能提供蓝、绿、红、黄、白5种颜色的指示灯，使用起来更加方便和直观。总之，Multisim7版本电子仿真软件是比较先进、功能最强大的仿真软件，是仿真软件的佼佼者。Multisim8在保留了EWB以往版本形象直观等诸多优点的基础之上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，同时还大大扩充了元件库中仿真元件的数量，特别是增加了若干个与实际元件相对应的建模精确的真实仿真元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠。Multisim9提供了全面集成化的设计环境，完成从原理图设计输入、电路仿真分析到电路功能测试等工作。当改变电路连接或改变元件参数，对电路进行仿真时，可以清楚地观察到各种变化对电路性能的影响5 。Multisim10是一个优秀的电子技术训练工具，是能够替代电子实验室中的多种传统仪器的虚拟电子实验室，具有灵活、成本低、高效率等特点6。2010年1月，NI推出分别针对动手学习以及专业电路设计的教育版和专业版电路仿真软件Multisim11。这一简单易用的Multisim软件以图形化的方式消除了传统电路仿真的复杂性，帮助教育工作者、学生和工程师使用先进电路分析技术。Multisim11教育版专注于教学，内有电路教程和课件。这一系统帮助教育工作者吸引学生，用互动、动手操作的方式研究电路行为，深化电路理论。由于Multisim的交互式组件、模拟驱动仪器、实际的模拟和数字测量的整合，使Multisim在学术界、专科技术院校和大学获得了广泛应用。Multisim11专业版帮助工程师优化电路设计，减少错误和原型重复。Multisim可以与新的NI Ultiboard11软件结合，为工程师提供高性价比、端对端原型平台。Multisim也可以与NI LabVIEW测量软件结合，帮助工程师明确自定义分析，改进设计验证。第2章 总体设计思想2.1 系统框图2.1.1调制集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。在高频电子线路中，振幅调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。2.1.2解调振幅调制信号的解调过程称为检波。常用方法有包络检波和同步检波两种。而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，所以无法用包络检波进行解调，必须采用同步检波方法。2.2基本理论由于从消息转换过来的调制信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不宜传输。因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程，同时在接受端则需要有解调过程从而还原出调制信号。所谓调制就是利用原始信号控制高频载波信号的某一参数，使这个参数随调制信号的变化而变化，最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的调幅(AM)、调频(FM)、调相 (PM)三种。解调是与调制相反的过程，即从接收到的已调波信号中恢复原调制信息的过程。与调幅、调频、调相相对应，有检波、鉴频和鉴相1。振幅调制方式是用传递的低频信号去控制作为传送载体的高频振荡波（称为载波）的幅度，是已调波的幅度随调制信号的大小线性变化，而保持载波的角频率不变。在振幅调制中，根据所输出已调波信号频谱分量的不同，分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）、抑制载波的单边带调幅（SSB）等。AM的载波振幅随调制信号大小线性变化。DSB是在普通调幅的基础上抑制掉不携带有用信息的载波，保留携带有用信息的两个边带。SSB是在双边带调幅的基础上，去掉一个边带，只传输一个边带的调制方式。它们的主要区别是产生的方法和频谱的结构不同。2.3 模拟乘法器MC1496的工作原理模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）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。在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越。所以目前在无级通信、广播电视等方面应用较多。集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等7。根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器MC1496是四象限的乘法器8。其内部电路如图2-1所示，其中、和等组成多路电流源电路，、为电流源的基准电路，、分别供给、管恒值电流，为外接电阻，可用以调节的大小。由、两管的发射极引出接线端2和3，外接电阻，利用的负反馈作用，以扩大输入电压的动态范围。为外接负载电阻。根据差分电路的基本工作原理，可以得到 (2-1) (2-2) (2-3)式中、 、分别是三极管、的集电集电流。为温度的电压当量，在常温T=300K时，。由图2-1可知，相乘器的输出差值电流 (2-4)将(2-1)、(2-2)、(2-3)代入(2-4)，可得 (2-5)由于、两管发射极之间跨接负反馈电阻，当远大于、管的发射结电阻时 (2-6)将式(2-6)代入(2-5)可得 (2-7)可见，输出电流中包含两个输入信号的乘积。MC1496的管脚排列如图2-2所示，其符号如图2-3所示。图2- MC1496的内部结构图2-2 MC1496的管脚排列图2-3 MC1496符号2.4 普通调幅（DSB）信号的调制集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。在高频电子线路中，振幅调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单得多，而且性能优越。目前无线通信、广播电视等方面应用较多。 在幅度调制过程中，根据所取出已调信号的频谱分量不同，分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）等。它们的主要区别如表2-1所示。表2-1 普通调幅与双边带调幅的区别普通调幅抑制载波双边带调幅电压表达式波形图信号带宽如果把已调调幅波加到负载电阻R上，则载波和边频都将给电阻传送功率，它们的功率分别表示为： 载波功率： (2-8) 每个边频功率（上边频或下边频）： (2-9)上、下边频总功率： (2-10)称为调幅指数即调幅度，是调幅波的主要参数之一，它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度，一般。 普通调幅电路的原理框图如图2-4（a）所示，双边带调幅电路的原理框图如图2-4（b）所示图2-4（a）普通调幅波实现框图图2-4（b）双边带调幅波实现框图2.5 普通调幅（DSB）信号的解调(同步检波器)这种方法是将外加载波信号电压接收信号在检波器重相乘，再经过低通滤波器，最后检出原调制信号，原理框图如图4-5所示。乘法器低通滤波器已调振幅信号 插入载波信号图4-5 乘积型同步检波器原理方框图设输入普通调幅信号uAM(t)= (Ucm+kUm cos t)cosct =Ucm(1+Macost)cosct 乘法器另一输入同步信号为: ur(t)=Urmcosct则乘法器输出为:其中k2是乘法器增益。 可见, 输出信号中含有直流, , 2c, 2c±几个频率分量。用低通滤波器取出直流和分量, 再去掉直流分量, 就可恢复原调制信号。 如果同步信号与发射端载波同频不同相, 有一相位差, 即ur=Urmcos(ct+),则乘法器输出中的分量为k2UcmUrmMacoscost。 若是一常数, 即同步信号与发射端载波的相位差始终保持恒定, 则解调出来的分量仍与原调制信号成正比, 只不过振幅有所减小。当然90，否则cos=0, 分量也就为零了。若是随时间变化的, 即同步信号与发射端载波之间的相位差不稳定, 则解调出来的分量就不能正确反映调制信号了设载波为uc(t)=Ucmcosct, 单频调制信号为u(t)=Um cost(c), 则双边带调幅信号为:uDSB(t)=ku(t)uc(t)=kUm Ucmcostcosct =cos (c+)t+cos (c-)t 其中k为比例系数。可见双边带调幅信号中仅包含两个边频, 无载频分量, 其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。 由于双边带调幅信号的包络不能反映调制信号, 所以包络检波法不适用, 而同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法。与普通调幅信号同步检波不同之处在于, 乘法器输出频率分量有所减少。 设双边带调幅信号如式(2-11)所示, 同步信号为ur(t)=Urmcosct, 则乘法器输出为:uo(t) 其中k2是乘法器增益。 用低通滤波器取出低频分量, 即可实现解调。 将式(2-11)所示双边带信号取平方, 则可以得到频率为2c的分量, 然后经二分频电路, 就可以得到c分量。 这是从双边带调幅信号中提取同步信号的一种方法。第3章 电路仿真与调试3.1 模拟乘法器MC1496的创建启动multisim11程序，Ctrl+N新建电路图文件，按照MC1496内部结构图，将元器件放到电子工作平台的电路窗口上，按住鼠标左键拖动，全部选中。被选择的电路部分由周围的方框标示，表示完成子电路的选择。为了能对子电路进行外部连接，需要对子电路添加输入/输出。单击Place / HB/SB Connecter 命令或使用Ctrl+I 快捷操作，屏幕上出现输入/输出符号，将其与子电路的输入/输出信号端进行连接。带有输入/输出符号的子电路才能与外电路连接。单击Place/Replace by Subcircuit命令，屏幕上出现Subcircuit Name对话框，在对话框中输入MC1496，单击OK，完成子电路的创建选择电路复制到用户器件库，同时给出子电路图标。双击子电路模块，在出现的对话框中单击Edit Subcircuit 命令，屏幕显示子电路的电路图，可直接修改该电路图。MC1496内部结构multisim电路图如图3-1所示。电路模块如图3-2所示。图3-1乘法器内部电路图3-2 乘法器电路模块3.2 调幅设计启动multisim11程序，Ctrl+N新建电路图文件，Ctrl+B调用MC1496电路模块，将元器件放到电子工作平台的电路窗口上，搭建调幅电路，在元器件栏中单击要选择的元器件库图标，打开该元器件库。在屏幕出现的元器件库对话框中选择所需的元器件，本实验常用元器件库有2个：信号源库、基本元件库。鼠标点击元器件，可选中该元器件。单击鼠标右键，可进行旋转，调整元器件位置，双击该元器件，在弹出的元器件特性对话框中，可以设置或编辑元器件的各种特性参数。在界面右侧选择双踪示波器，用鼠标连线将所有器件连接，保存，点击界面上方正中绿色三角按钮，双击示波器可观察波形如图3-4所示。其Multisim电路图如图3-3所示。图3-3 乘法器调幅DSB90KHz载波与频谱图10KHz调制信号与频谱图图3-4 DSB调幅波DSB波频谱图3.3 同步检波设计启动Multisim11程序，Ctrl+N新建电路图文件，Ctrl+B调用MC1496电路模块，将元器件放到电子工作平台的电路窗口上，搭建同步检波电路，在元器件栏中单击要选择的元器件库图标，打开该元器件库。在屏幕出现的元器件库对话框中选择所需的元器件，本实验常用元器件库有2个：信号源库、基本元件库。鼠标点击元器件，可选中该元器件。单击鼠标右键，可进行旋转，调整元器件位置，双击该元器件，在弹出的元器件特性对话框中，可以设置或编辑元器件的各种特性参数。在界面右侧选择双踪示波器，用鼠标连线将所有器件连接，保存，点击界面上方正中绿色三角按钮，双击示波器可观察波形如图3-6所示。其Multisim电路图如图3-7所示。图3-6 解调波形与频谱图3-7 同步检波电路3.4总电路图3.5元件清单元件清单电阻：R4=1K R5=900 R6=1.3K R7=900K R8=10K R9=1K R10=3.3K R11=3.3K R15=1K R16=6.8K R17=51 R18=1KR19=51 R20=51 R21=3.9K R22=3.9 R23=1K R24=1KR25=1K R27=51 R28=10K R29=1K电容：C1=100uF C2=20uF C3=100nF C4=100uF C5=100nF C6=100nF C7=1uFC8=100nF C11=100nF C12=100nF C13=100nF C14=100uF信号源：Vc1=300mV,20KHZ V2=20mV,1MHZ V3=60mV,1MHZ电压：V1=12V V4=12V V5=8V问题与讨论1.乘法器以外各元件作用分析（以调制电路为例）² R20和R19为乘法器内部Q1-Q4提供基极偏置电压，使三极管正常工作² R21和R22为乘法器内部Q1-Q4提供集电极负载电阻² R23为负反馈电阻，能增大调制信号的线性动态范围² R24、R25和可变电阻为载波调0控制器² R28用于控制乘法器内部电流源电路的电流值大小² C11、C14用于阻止信号源直流成分对电路的影响2.乘法器各输入参数对电路的影响分析图5-1 MC1496子电路替代模块MC1496可以采用单电源供电，也可以采用双电源供电。器件的静态工作点由外接元件确定。静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集电极与基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。根据MC1496的特性参数，应用时，静态偏置电压（输入电压为0时）应满足下列关系。即， ， （5-1） （5-2）一般情况下，晶体管的基极电流很小，三对差分放大器的基极电流、和可以忽略不记，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源的值确定。当器件为单电源工作时，引脚14接地，5脚通过一电阻接正电源（的典型值为+12V），由于是的镜像电流，所以改变电阻可以调节的大小，即 （5-3）当器件为双电源工作时，引脚14接负电源（一般接-8V），5脚通过电阻接地，因此，改变也可以调节的大小，即 （5-4）根据MC1496的性能参数，器件的静态电流小于4mA，一般取左右。器件的总耗散功率可由下式估算 （5-5）应小于器件的最大允许耗散功率（33mW）。设输入信号, ,则MC1496乘法器的输出与反馈电阻及输入信号、的幅值有关。不接负反馈电阻（脚2和3短接）当和皆为小信号（<26mV）时，由于三对差分放大器（、及、）均工作在线性放大状态，则输出电压可近似表示为 （5-6）输出信号中只包含两个输入信号的和频与差额分量。当为小信号，为大信号（>100mV）时，由于双差分放大器（、和、）处于开关工作状态，其电流波形将是对称的方波，乘法器的输出电压可近似表示为（n为奇数）（5-7）输出信号中。包含······，等频率分量。接入负反馈电阻由于的接入，扩展了的线性动态范围，所以器件的工作状态主要由决定，分析表明：当为小信号（<26mV）时，输出电压可表示为 （5-8） 式中： 式（3-8）表明，接入负反馈电阻后，为小信号时，MC1496近似为一理想的乘法器，输出信号中只包含两输入信号的和频与差频。当为大信号（>100mv）时，输出电压可近似表示为 （5-9）上式表明，为大信号时，输出电压与输入信号无关。3.乘积型同步检波器的优点分析对于双边带或单边带调幅信号来说，无法直接从双边带或单边带调幅信号中提取参考信号。为了产生同频同相的本地同步载频信号，往往在发射机发射双边带或单边带调幅信号的同时，附带发射一个载频信号，其功率远低于双边带或单边带调幅信号的功率，通常称为导频信号。接收机在接收双边带或单边带调幅信号的同时也接收导频信号，由晶体滤波器从输人信号中取出该导频信号，经放大后作为本地载频信号。如果发射机不发射导频信号，那么在接收端可采用与发射机相同的高稳定度的石英晶体振荡器或频率合成器来产生本地载频信号。本地载频信号与输入信号的载频不能保持同步，对检波性能会产生什么样的影响呢? 设本地载频信号与输入信号载频的不同步量为 ，相位不同步量为 ，即若用模拟乘法器构成同步检波电路解调双边带调幅信号，则若用模拟乘法器构成同步检波电路解调双边带调幅信号，则经低通滤波器取出。可见，当频率、相位不同步时，检出的低频信号将产生频率失真和相位失真。若用模拟乘法器构成的乘积榆波电路懈调单仂带调幅信号则经低通滤波器取出。可见，当频率、相位不同步时，检出的低频信号将产生频率失真和相位失真。在进行语言通信时，人耳对相位失真不敏感，但频率失真听上去会感到严重声音失真。实验证明，当频率偏移值为20 Hz时，开始觉察声音不自然，而当频率偏移值为200 Hz时，语言可懂度就会下降。在进行图像通信时，频率和相位偏移都会影响图像的质量。心得体会经过一个多星期的设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时的激情高涨到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。通过这次高频课程设计，我不仅加深了对高频理论知识的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。 这个设计过程中，我们通过在原有的调制与解调系统进行改进，使之实现更加准确的调制与解调功能，成为一个更加适用，功能更加完备的一个属于自己的系统。设计结果能够符合题意，成功完成了此次课程设计的要求。我们不只在乎这一结果，更加在乎的是这个过程。在这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作。参考文献1 谢自美. 电子线路设计·实验·测试(第三版).武汉.华中科技大学出版社.20062 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计.哈尔滨.哈尔滨工程大学出版社.20053  (日) 铃木宪次.何中庸（译）.高频电路设计与制作.北京.科学出版社.20054 谢沅清. 模拟电子线路.成都.电子科技大学出版社.19955 张肃文. 高频电子线路第三版.北京.高教出版社.19936 曾兴雯,陈健,刘乃安. 高频电子线路辅导.西安.西安电子科大出版社.2000