单边带调幅电路的设计与仿真的课程设计.doc

*实践教学* 兰州理工大学计算机与通信学院2010年秋季学期高频电子线路课程设计 题 目：单边带调幅电路的设计与仿真 摘 要 本文分析了信号的调制与解调的各种方法，并设计相移法实现单边带的调制的电路，而且设计同步检波电路实现信号的解调。 在电路的实现中，不仅分析了总体电路，而且分析总体电路的各部分构成以及其中的元件。这些元件或模块都在Multisim10中仿真测试其性能。对比集成元件构成的电路和实物设计模拟的性能后，分析了出现差异的原因。 关键词：单边带电路，相移法，高频载波，相乘器，Multisim10目 录 一、单边带的调制与解调原理31调制原理3（1）滤波法3（2）相移法32 解调原理4二、电路工作原理及设计说明51 相移法实现单边带调幅波电5（1）用集成元件得到理想调幅波5（2）对应的实物模拟图52 信号解调电路8三、电路性能的仿真测试和分析91 Multisim10简介92 调制电路的性能测试和分析9（1）微分器性能测试和分析9（2）相乘器的性能测试和分析103 解调电路的性能测试与分析13总结15致谢15附录16附录 元器件清单16参考文献17一、单边带的调制与解调原理1调制原理（1）滤波法它的原理是利用乘法器和带通滤波器来得到SSB波的。其原理图如图1示： 滤波器 图1 滤波器产生SSB波的原理 图1中的带通滤波器采用低通滤波器得到下边带调幅波，采用高通滤波器得到上边带调幅波。（2）相移法 相移法原理图如图2示：其中 (1) (2) (3) 相移90o相移90 图2 相移法原理图2中运用到加法器，调制得到的是下边带调幅波。同样的道理，若运用减法器，则可得到上边带调幅波。在滤波法和相移法中，我选择相移法实现，且只调制出下边带调幅波。其原因是采用滤波法时，对元件的精度选择要求较高，这无疑是一大难题。2 解调原理 解调原理图如图3示： 低通滤波器 图3 乘积型检波原理从调制处得到： (4) 经计算和低通滤波器得到： (5)二、电路工作原理及设计说明1 相移法实现单边带调幅波电（1）用集成元件得到理想调幅波工作原理图如图4示：器件及参数的的选择：高频载波（幅度为28V频率为10Kz）发生器一个，基带信号（幅度为14V频率为1Kz）发生器一个，微分器两个（一个系数是0.000159，一个系数为0.0000159），1596相乘器两个，加法器一个，示波器一个。微分器的系数计算：要使14sin2*1000t求微分得14cos2*1000t,则其系数为：k=1/2*1000=0.000159.同样的道理可计算另一个微分器系数，并得为0.0000159。 图4 解调原理（用集成元件实现）（2）对应的实物模拟图如图5示，由于微分器需要的精度高，而我工程经验又甚少，所以只能采用集成元件，对于其的元件则自己设计实物模拟。 图5 解调原理（用实物元件实现）该实物模拟图由以下几部分组。微分器，如图6示：加法器，如图7示：乘法器，如图8示： 图6 微分器 图7 加法器 图8 相乘器图6示的微分器采用的是集成元件。图7示的加法器中， (6)负号表示反相加法器。若三个阻值相等，并使一个输入信号u1经过一级反向放大器则构成一个减法器。这样就可把输入的两个双边带信号经过这个减法器而得到上边带信号，但是本文只重点对下边带进行调制。 图8乘法器的具体设计和工作原理： Q1与Q2及Q3与Q4大两对和图相同的差分放大器；Q5与Q6也是一对差分放大器，作为上述两对放大器的电流源；Q7则作为TQ5与Q6的电流源，并用Q8与Q7组成镜像电流源，以抑制Q1至Q6诸管的温度飘移。同时V2信号也是对称双端输入。这样就实现了乘法器的功能。乘法器不止这一种，比如还有由二极管和变压器构成的平衡调制器，其实质也是一个乘法器。而本文采用的1596乘法器的优点是更易实现。 2 信号解调电路 解调原理图如图9示：解调电路用调制信号与一个同频同相的波经过一个相乘器，此时，得到的是双边带波， 然后再经过一个滤波器得到单边带波，本文要要得到的是下边带，故采用低通滤波器。同理，若要得到上边带，则经过高通滤波器。由频率式： （7）取R为1K得C=0.000159F。之所以采用无源一阶低通滤波器，是因为该电路结构简单，不需要电源，内部噪声低，性能稳定。而且，本文重点做的是单边带的相移调制，故在解调时做的比较简单。 图9 解调原理三、电路性能的仿真测试和分析 1 Multisim10简介Multisim10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 Multisim10，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，您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。 其可以通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；可以通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；可以借助高级电路分析, 理解基本设计特征；可以通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 。 2 调制电路的性能测试和分析（1）微分器性能测试和分析 图10 基带信号及其经微分器后图形对比图10中黄色波为基带信号，红色波为基带信号经系数为0.000159的微分器后的波。可以看到，集成微分器性能很好，但依然会有一定的误差，主要是因为微分器的系数是人工算的，算的结果是小数点后是无限不循环小数，取的结果只是一个近似值，误差是不可避免的。（2）相乘器的性能测试和分析 图11示是集成元件的性能测试，图12是实物元件模拟的性能测试。 图11 经相乘器后得到的DSB波（集成元件实现） 图12 经相乘器后的DSB波（实物元件模拟） 可以对比的看出，经相乘器后得到的是一个双边带信号，但集成元件电路的性能远远优于实物模拟电路的性能。主要是由于实物模拟中的误差积少成多的缘故。加法器的性能测试和上面一样，集成的性能远远高于实物模拟的性能。但是本文重在进行对比，而不重在于调试的结果。下面是由着三大块组成的电路性能测试，并进行对比。图13示是集成元件的总体电路性能测试，图14示是实物模拟元件的总体电路性能测试；图15示集成元件得到的的单边带的频谱分析,图16示是实物模拟得到的单边带的频谱分析。 图13 SSB波（集成元件实现） 图14 SSB波（实物元件模拟）可以看到，图13中失真较小，得到的单边带调制信号较准确，它的微小失真是由于微分器的系数不够足够精确造成的。而图14中的失真则非常明显，出现的是顶部峰值切割失真。这种失真是可能由于实物模拟中的参数选取没有完全匹配造成的，即可能是由于加法器和相乘器之间的不匹配，也可能是由于相乘器内部不匹配而造成，比如相乘器内部的三极管放大系数或者二极管的放电速度跟不上波形的变化等等都可能造成失真。这一点正是相移法实现单边带调制的复杂性，对于没有一定工程经验的人来说无疑更是一个艰巨的问题。在调制波形的过程中，可以看到，参数的任意微小改变都会在仿真测试中有不同的变化。 图15 SSB频域（集成元件实现） 图16SSB频域（实物元件模拟）对比图15和图16可以看到，得到的都是非常好的单边带频谱，并且看不到明显的区别。这说明，它们虽然由于元件的性能缘故在时域中发生了很大的改变，即出现了很严重的失真，但是在频域中的频谱图并没有发生多大的改变。由此得到启示，以后在时域中失真较大的波形中我们可以通过观察其频谱图来达到很好的效果。 3 解调电路的性能测试与分析 解调出的波形与输入基带波形对比图如图17示： 图17 基带信号与解调信号对比由图17可以看到 ，用集成元件解调出的信号与输入的基带信号一至。图18是解调出信号的频谱图。 图18 解调信号频域输入基带信号及频谱图为图19，与解调的频谱图图18频谱图非常接近。这表明用集成元件实现的解调效果非常好，即实物在精度非常高的情况下可以得到很好的解调效果。前面的调制也是一样的。 图19 基带信号频域 总结 两周的课程设计比起专业的研究人士或者想要做好一个很很好的成品来说是比较短暂的，但是对于一天都在学习理论知识的我来说十分珍贵。因为这是一个理论联系实际，实践检验理论的相互过程。在这一过程中，真切感觉到自己知识能力的匮乏，好多东西都只是知道一些皮毛，真正学透的东西很少，更不用说把学到的知识运用到实际生活中了。而且很多东西在实际中与理想相去甚远，而应用就是要减小这种差距。每一点差距的缩小都得付出艰辛的努力，但这种付出是非常值得的。而对于Multisim10也得从头学起，但是付出总是有回报的。我珍惜这难得的两周学习时间。或许一个人的进步是一个缓慢的过程。在过程中需要不断地借鉴，学习，汲取别人的东西，然后把它变成自己的东西，这样才能促使自己进步。 不做系统，许多细小的环节是注意不到的。而这诸多环节往往影响你整个系统的正常运转。这可真应验了“细节决定一切”这句话。这一切告诉我做任何事情必须从全局出发，并且要注意其中的任何一个细节。 致谢 课设期间，得到各位老师，尤其是王维芳老师的诸多指导和帮助，在此表示真挚的感谢！同时对各位同学的帮助，一并表示感谢！附录附录 元器件清单名称型号或参数个数乘法器MC15962微分器0.0001591微分器0.00001591信号发生器14V1Kz1高频载波发生器28V10Kz2加法器1滑动变阻器0到47K1三极管2N222A14三极管NPN_4T_4TRAVAL2示波器1电容若干直流电源若干电阻若干导线若干 参考文献 1、侯丽敏.通信电子线路.北京：清华大学出版社，2008 2、谢佳奎.电子线路（非线性部分第四版）.北京：高等教育额出版社，2004 3、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，2006 4、康华光.电子技术基础（模拟部分第四版）.北京：高等教育额出版社，1998 5、樊昌信，曹丽娜.通信原理（第四版）.北京：国防工业出版社