高频电子线路课程设计.doc

题题 目目 高频电子线路 课程设计 学院学院 部部 信息工程学院 专专 业业 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 一 课程设计目的一 课程设计目的 1 掌握电子通信系统的基本组成及各部分的作用 2 进一步理解各种调制与解调的基本理论和实现方法 3 学会应用 labview 软件进行仿真设计 4 提高依据所学知识及查阅的课外资料来分析问题解决问题的能力 二 设计内容及要求 内容 1 调幅调制与检波 1 dsbfc 产生与检波 2 dsbsc 产生与检波 2 fm 波产生与解调 要求 1 载波频率为 100khz 频率为 5khz 的正弦波作为调制信号 2 dsbfc 和 dsbsc 检波不可用相同的方法 即 dsbfc 用包络检波的方法解调 dsbsc 用相干检波 同步检波 的方法解调 3 明确设计任务 合理选择设计方案 4 利用 labview 进行仿真设计 三 设计原理设计原理 一 电子通信系统的组成 一 电子通信系统的组成 通信是从一地向另一地传递和交换信息 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的 总和称为通信系统 基于点与点之间的通信系统的模型可用图 1 来描述 信源接收机发送机 噪声 信宿 图图 1 1 通信系统一般模型通信系统一般模型 1 发送机是将信源和信道匹配起来的设备 它将信源产生的消息信号变换成适合在信道 中传输的信号 变换方式有调制变换方式 信源编码 信道编码 发射机的核心是调制器 它的组成如下图 2 调制信号 载波 调制器功率放大器 图图 2 2 发送机组成框图发送机组成框图 2 接收机是完成发送设备的反变换的设备 即进行解调 译码 解码等 它的任务是 从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来 对于多路复用信号 还包括 解除多路复用 实现正确分路 接受机的主要设备是解调器 它的组成如下图 3 电压放大器转换器解调器混频器 本地振荡器 图图 3 3 接收机组成框图接收机组成框图 3 调制器在发送机中的位置及解调器在接收机中的位置如下图 4 和图 5 所示 图图 4 4 调制器在发送机中的位置图调制器在发送机中的位置图 图图 5 5 解调器在接收机中的位置图解调器在接收机中的位置图 二 调制与解调概述 二 调制与解调概述 调制和解调系统称为调制系统或调制方式 而且调制和解调在一个通信系统中总是同 时出现 所谓调制就是在信号的发送端用低频调制信号去控制高频振荡信号的参数 使高 频振荡信号的某一个或某几个参数 振幅 频率或相位 按照调制信号的规律进行变化的 过程 这个高频振荡信号成为载波信号 而已经调制了的信号被称为已调信号或已调波 即在发射端把基带信号频谱搬移到给定的信道通带内的过程 所谓解调就是为了得到原来 的信号 对在接收端受到的已调信号进行还原 还原是进行反调制的过程 即在接收端已 搬移到给定的信道通带内频谱还原为基带信号频谱的过程 调幅波的解调即是从调幅信号 中取出调制信号的过程 通常称之为检波 根据是否需要同步信号 检波可分为同步检波 和包络检波 本课题主要研究二极管包络检波器及采用模拟乘法器构成的同步检波器实现 调幅信号 am 解调 使载波信号的频率按调制信号规律变化的一种调制方式称为调频 fm 使载波信号的相位按调制信号规律变化的一种调制方式称为调相 pm 调频和 调相都表现为高频载波的瞬时相位随调制信号的变化而变化 总称为角度调制 调制信号既可以是数字信号 也可以是模拟信号 而高频载波则可以是正弦信号或脉 冲序列 当调制信号是模拟信号而载波是正弦信号时 相应的调制是模拟调制 模拟调制 中应用最广泛的是振幅调制和角度调制 模拟信号调制解调的目的就是要使基带信号经过 调制后能在有线信道上同时传输多路基带信号 同时也适合于无线信道中实现频带信号的 传输 调制解调的目的在于减小干扰 提高系统抗干扰能力 同时还可以实现传输带宽与 信噪比之间的转换 三 三 am 波的调制与解调波的调制与解调 1 dsbfc 的产生 的产生 1 当调制信号控制的参数是载波信号的振幅时 就可以使载波信号的振幅按照调制信号的 规律变化 这种调制叫做振幅调制 简称普通调制 am 或双边带全载波调幅 dsbfc am 过程是用调制信号对载波信号的振幅进行控制的过程 为线性调制即已调信号的频谱 与调制信号的频谱之间呈线性搬移关系 振幅调制是将一个高频简谐信号 或称载波 与加直流的测试信号相乘 使高频信号 幅值随测试信号的变化而变化 由傅立叶变化的性质可知 在时域中两个信号相乘 则对 应在频域中对这两个信号进行卷积 则一个函数与单位脉冲函数卷积的结果 就是将其图 形由坐标原点平移到该脉冲函数处 所以 若以高频余弦信号与测试信号相乘 其结果就 相当于把测试信号 原始信号 频谱图形由原点平移至载波频率处 正负 fc 处 因为正弦 函数的频谱图形是一对脉冲函数 所以幅值调制过程就相当于频率搬移过程 为避免调幅 波的重叠失真 要求载波频率必须大于测试信号的最高频率 实际应用中 往往选择载波 频率至少数倍甚至数十倍于信号中的最高频率 2 若载波信号是频率为wc的高频正弦信号 表达式是 vc vcmcoswct 按照调幅的定义 调幅信号的表达式为 vam t vcm t coswct 式中 vam t 为调幅信号的瞬时值 vm t 是调幅信号的振幅 在普通调幅波中 已调信号的包络形状不失真地反映了调制信号的变化 可假定调制信号 为频率是 的单音频正弦信号 表达式为 v v mcos t 那么 普通调幅信号的瞬时振幅为 vm t vcm kv mcos t 式中 k 为振幅电路的比例系数 该式表明 已调信号的瞬时振幅叠加进了调制信号 受 调制信号控制 是调制信号的函数 则普通调幅信号的表达式为 vam t vcm kv mcos t coswct vcm 1 macos t coswct 其中ma kv m vcm叫做调幅指数 它通常以百分数表示 3 am 调幅器模型如下图 6 所示 图图 6 6 amam 调幅器模型图调幅器模型图 4 普通调幅信号波形及过调制时的波形如下图 7 所示 图图 7 7 amam 波形及过调制时的波形波形及过调制时的波形 其中 a 调制信号波形 b 载波信号波形 c 已调信号波形 d ma 1 时的过调制波形 e ma 1 时的过载波形 已调信号波形中 虚线所表示的包络线形状与调制信号完全相同 普通调幅使载波的振幅发生了变化 而频率相位保持不变 如要完整保持调制信号形状 应该使瞬时振幅大于或等于零 否则将会出现失真现 象 即过调幅失真 则一般要求调制度满足 0 ma 1 2 dsbfc 的检波 的检波 1 大信号峰值包络检波器 平均值检波器统称为包络检波 适用于普通调幅波的解调 这里选择包络 峰值 检波的方法对已调波进行解调 包络检波 把调制信号进行偏置 叠加一个直流分量 a 使偏置后的信号都具有正电压 那 么调幅波的包络恢复原调制信号的形状 把该调幅波简单地整流 滤波就可以恢复原调制 信号 一个简单的包络检波器 就是调幅波两端中一端经过一个二极管 然后经过一个 rc 的并联电路 再返回另一端 输出信号从 r 两端取出 实际该电路就是由一个二极管 和一个 rc 低通滤波器组成 如果如果原信号有直流分量 则在整流后准确地减去所加的 偏置电压 即实现了解调 这种方法调制称为非抑制幅值调制 因为 它不会出现信号过 零线的情况 也就不会发生幅值的翻转和相位的变化 与抑制幅值调制相对 但此种方法 必须要偏置电压足够大 使信号电压都在零线一侧 否则对调幅波只是简单的整流就不能 恢复原信号 这种问题可以用相敏检波技术解决 2 am 包络检波具体原理如下所示 图图 8 am 调幅波的解调框图调幅波的解调框图 图图 9 9 二极管峰值包络检波器二极管峰值包络检波器 a b 图图 10 二极管峰值包络检波器原理图二极管峰值包络检波器原理图 图 9 为二极管大信号峰值包络检波器电路原理图 它由输入回路 检波二极管 d rlc 低通滤波器串联组成 rlc 电路有两个作用 一是作为检波器的负载 在其两端输出调制 信号电压 二是起载频滤波作用 因此 必须满足 l i r c 1 及 l r c 1 即 高频时 电容的容抗必须远远小于 rl rlc 电路相当于电容 c 或短路 低频时 电容 的容抗必须远远大于 rl rlc 电路相当于电阻 rl 当输入信号的振幅大于 0 5v 时 检波器即工作于大信号峰值包络检波状态 设二极管 正向导通电压为 0v 则在检波输入信号的一个周期内 当为正向电压时 如图 10 a 所示 二极管 d 导通 输入信号通过二极管 d 对电容 c 充电 充电快慢可用充电时间常数 crd 充 来描述 式中d r 为检波二极管正向导通电阻 一般有 i t 充 当为反向电压 时 如图 10 b 所示 二极管截止 电容 c 对 rl 放电 放电快慢可用放电时间常数 crl 放 来描述 图 11 所示为检波器加入等幅波时的波形转换图 图 a 中虚线所示为检波器输入高频 等幅波 实线所示为检波负载电容 c 上电压波形 图 b 为检波二极管上电流波形图 图 c 为 rlc 低通滤波器输出信号 即检波输出信号波形图 图图 1111 加入等幅波时检波器各电压 电流的波形加入等幅波时检波器各电压 电流的波形 图 12 所示为检波器加入高频调幅波时的波形转换图 图 a 中虚线所示为检波器输入 高频调幅波 实线所示为检波负载电容 c 上电压波形 图 b 为检波输出信号波形图 图图 1212 输入为输入为 amam 信号时检波器的输出波形图信号时检波器的输出波形图 四 双边带抑制载波 四 双边带抑制载波 dsbsc 的调制与解调的调制与解调 1 dsbsc 的产生 的产生 1 由于载波不携带信息 因此为了节省发射功率 可以只发射含有信息的边带信号 而 不发射载波 得到的调幅信号称为抑制载波的调幅波 抑制载波的双边带调幅信号是没有 载波只有上下两个边带的调幅信号 则只将载波信号与调制信号相乘即可 单音频调制的 双边带调幅信号表达式为 vdsb t k vcv kvcm coswct v mcos t 1 2 kvcm v mcos c t 1 2 kvcm v m cos c t 其中 k 为调制电路的比例系数 双边带调幅信号的瞬时振幅为 vdsb t kvcm v mcos t 高频载波信号的振幅在调制后受到调制信号的控制 但与 am 不同的是 这种变化不再是 在 vcm 基础上 而是在零值基础上变化 数值可正可负 时域波形就是把测试信号由一个 变成了两个 相对称的 这就可能存在信号过零线的问题 而在过零线时 信号的幅值就 会发生由正到负 或由负到正 的变化 此时调幅波的相位 相对于载波 也相应地发生 了 180 度的相位变化 抑制调幅波须采用同步解调 方能反映出原始信号的幅值和极性 2 此调制波的产生类似 am 的产生电路 只需将直流电平去掉就可以得到双边带调制 波 图图 13 双边带调制波电路图双边带调制波电路图 3 抑制载波双边带调幅信号的有关波形如下图 14 所示 图图 14 双边带调幅信号的有关波形双边带调幅信号的有关波形 4 由于 dsb 波的包络已不反映调制信号的变化规律 当调制信号由上半周进入负半周 瞬时 高频电流相位出现 180 突变 所以双边带 dsbsc 波形如下图 15 所示 图图 15 双边带调制波形双边带调制波形 2 dsbsc 的检波 的检波 1 同步检波又称为相干检波 有叠加型同步检波和乘积型同步检波两类 其组成框图如 图 16 所示 a 图所示为叠加型同步检波器 它是将本地载波与接收到的已调波信号相加 经包络检波器后取出原调制信号 b 图所示为乘积型同步检波器 它是将本地载波与接收 信号在检波器中相乘 经低通滤波后 检出原调制信号 因此 利用模拟乘法器的相乘原 理 可以构成同步检波器 其实验电路如图 c 所示 图图 1616 同步检波器的组成方框图及采用同步检波器的组成方框图及采用 14961496 构成的同步检波器构成的同步检波器 采用 mc1496 集成电路构成检波器 载波信号 tuc 经过电容 c1 加在 8 10 脚之间 调幅 信号 tuam 经电容 c2 加在 1 4 脚之间 相乘后信号由 12 脚输出 经 c4 c5 r6 组成的 低通滤波器 在解调输出端输出调制信号 2 本课题采用乘积型同步解调 也称相干解调 主要用于抑制载波的调制信号的解调 将调幅波与原载波信号再次相乘 则频域图形将再一次进行搬移 其结果就是在频谱图上 在正负 2fc 处有信号 其幅值变为原来的 1 4 而在原点处也出现了幅值为 1 2 的信号 所 以用低通滤波器后 再用放大处理来补偿 就可以复现原信号 这一过程称为同步解调 同步 是指解调时所乘信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位 同步检波方框图如下图 17 所示 相乘器低通滤波器已调波 v1 本地载波 vo v 图图 17 同步检波方框图同步检波方框图 3 乘积型同步检波器原理图如下图 18 所示 图图 18 乘积型同步检波器原理图乘积型同步检波器原理图 输入信号为 dsbsc 信号 us vmcos tcos ct 为已调波 ur vrmcos ct 为本地引入参考 电压 称同步电压 要求与输入载波信号同频同相 第一项与 cos t 成正比 是反应调制信号变化规律的有用分量 后两项为 2 c 的双边带 调制信号 为无用的寄生分量 通过低通滤波将高频分量滤除 即可实现检波 五 频率调制与解调 五 频率调制与解调 1 调频波 调频波 fm 分析 分析 调频是利用缓变信号来控制等幅高频振荡波 载波 使其振荡频率偏移量和信号电压成正 比 所以调频波是随信号幅值而变化的疏密不等的等幅波 调频波的频率随缓变信号的幅 值而变化 其频谱结构很复杂 用简单的信号函数难以描述 但经过调频的信号 其信息 储存在频率中 不易错乱或失真 所以抗干扰能力很强 便于远距离传输以及数字处理 在 lc 谐振回路中 如果使位移 应力 应变等物理量引起电容传感器的电容变化 则谐 振回路的振荡频率将变化 也就是被测物理量的变化直接引起高频振荡波的频率变化 产 生了调频波 设调制信号为单一频率信号u t u cos t 未调载波电压为uc uccoswct 根据频率调 制的定义 调频信号的瞬时角频率为 它是在 c 的基础上 增加了与 u t 成正比的频率偏移 式中 kf 为比例常数 称为调制灵 敏度 单位为 hz v 或 rad s v 则调频信号的瞬时相位 t 是瞬时角频率 t 对时间的 积分 即 式中 0为信号的起始角频率 为了分析方便 不妨设 0 0 则有 则 fm 波的表示式为 从分析可以知道 fm 波的特点 调频信号的瞬时频率与调制信号成线性关系 而瞬时相位与调制信号的积分成线性关 系 最大频偏 wm kf v max 即 wm kfv 或 fm wm 2 与调制信号的振幅成正比 表示受调制信号的控制程度 fm 信号瞬时频率最大变化量为 2 fm 调频指数mf mf wm fm f 调频指数实际上是最大的相位偏移 它与调制信号的振幅成正比 与调制频率成反比 它 等于最大频偏除以调制频率 2 调频波的产生 调频波的产生 根据调频的定义 调频波的瞬时频率与调制信号成正比 它的瞬时相位与调制信号的积分 成正比 由此可以得到两种产生调频波的方法 cos ccfcm ttk utt 0 0 t td 00 0 sin sin tt cf t m cfc cfc tdk ud tkudtt tmttt cos cos sin fmccf ccf ututkut dt utmt 一是直接调频法 用调制信号直接控制振荡器的频率 使振荡频率跟随调制信号变化 即 这种方法一般是用调制电压直接控制振荡器的振荡频率 使振荡频率 f t 按调制电压的规律 变化 若被控制的是 lc 振荡器 则只需控制振荡回路的某个电抗元件 l 或 c 使其参数 随调制电压变化 就可达到直接调频的目的 二是间接调频法 使振荡信号经过的调相电路 再用调制信号的积分去控制调相电路 使 调相电路的输出相位与控制信号成正比 由于频率是相位的微分 因此输出信号的频率与 调制信号成正比 从而实现了调频 直接调频原理简单 频偏较大 但由于振荡器的频率直接受控 因此频率的稳定度不高 而间接调频法的核心是调相 其载波信号是由晶振产生的 因此频率稳定度高 但间接调 频的缺点是频偏小 必须有扩展频偏电路扩展频偏 本课题采用直接调频法 调频波的波形如下图 19 所示 图图 19 调频波的波形调频波的波形 3 调频波 调频波 fm 的解调 的解调 调频波的解调称为频率检波 简称鉴频 鉴频器的功能是将输入调频波的瞬时频率变化 变换为输出电压 对鉴频器的最能主要指标是 鉴频特性应该为线性 且能保证一定的鉴 频范围和鉴频灵敏度 鉴频的具体方法有多种 调频波在进入鉴频前 可能会受前面各级 电路的影响 使其振幅发生变化 这种变化称为调频波的寄生调幅 当鉴频器解调这类调 频波时 会把寄生调幅的影响反映到输出电压上 引起解调失真 使输出信噪比下降 因 t0 t0 u a b t0 t c c m t0 d ifm t t t 0 2 4 tc2tc mf t c e cos cm tt sin cf ttmt 此一般在鉴频器前都要加限幅器以消除寄生调幅 1 鉴频的类型方法有以下几种 斜率鉴频 将等幅调频波通过一线性网络 将其频率变化规律转移到幅度的变化上 输出一调幅调频波 然后再用包络检波器检出其幅度变化 从而实现了鉴频 正交鉴频 将调频波通过一线性网络 将其频率变化规律变成附加的相位变化 然后 用相位相位检波器检出两信号的相位差 从而实现了鉴频 正交鉴频是目前集成电路 中用得最多的鉴频方法 脉冲计数式鉴频 将调频波通过一非线性网络 前两种方法都是线性的 经过 放大 限幅 微分 脉冲成形 输出一串宽度为 的调频脉冲序列 由于该脉冲序列的疏密 反映输入信号瞬时频率的变化 将该脉冲序列通过低通滤波器 取出平均分量 便可 得到所需的调制电压 脉冲计数式鉴频器的工作频率最高一般只到 10mhz 但是 脉 冲计数鉴频器的线性鉴频范围大 易于集成 这些都是优点 相位鉴频 可以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的 既调频又调相的 fm pm 波 是一种性能优良的鉴频电路 它允许输入调频波有较低的信噪比门限水 平 比例鉴频 在相位鉴频器电路基础上做了一些改进 从而具有一定的限幅作用 具有 鉴频和限幅功能 原理与相位鉴频类似 2 本课题可用斜率鉴频法也就是振幅鉴频法对调频波进行鉴频 若能将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化 既调频又调幅的 fm am 波 就可 以通过包络检波器解调此调频信号 用此原理构成的鉴频器称为斜率鉴频器 所以只要具 有在 fm 信号频率范围内具有频率 电压变换作用的网络都可以获得 fm am 波 斜率鉴频 器原理如下图 20 所示 a 斜率鉴频器框图 b 变换电路特性 图图 20 斜率鉴频器原理斜率鉴频器原理 设调制信号为u f t 则调频波为 b 0 a fm u 频率 幅度线 性变换网络 包络检波 o u amfm u o u c 对此式直接微分可得到一个 fm am 波 显然微分后的电压振幅与瞬时频率成正比 经包络检波器就可以解调出原来的调制信号 实现鉴频的基本思想是将输入调频信号的瞬时频率变化规律不失真地变换为调频 调幅信 号 然后再进行振幅检波 解调出原调制信号 a 直接时域微分法 微分鉴频法直接时域微分法 微分鉴频法 由上式的振幅可知它与调制信号是线性关系 它是通过微分变换得到的 可以通过包络检 波将调制信号解调出来 电路框图如 21 所示 具体电路如图 22 所示 图图 21 微分鉴频原理微分鉴频原理 图图 22 微分鉴频电路微分鉴频电路 b 斜率鉴频法 斜率鉴频法 单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器 利用失谐回路把调频信号变换成调幅 调频波 再通过振幅检波器检出调幅 调频波的包 0 0 cos si n cf t fmcf t fm cf ututkfd dut utkuktf dt fd 0 0 cos si n cf t fmcf t fm cf ututkfd dut utkuktf dt fd ufm 包络检波 u uo d dt ui t ec c uc t ii t r cc ec roco uo 络 还原出原调制信号 图 23 所示的是单失谐回路斜率鉴频器的电路及波形变换 图图 23 单失谐回路斜率鉴频器的电路和波形变换单失谐回路斜率鉴频器的电路和波形变换 实际工作中通过调整 lc 谐振频率f0 使调频波的中心频率 fc 处于 lc 回路幅频特性曲线 倾斜部分 接近直线段的中心点 这样单失谐回路即可将等幅的调频波变换成幅度随瞬时 频率变化的调幅 调频波 然后再通过二极管峰值包络检波还原出原调制信号 c 斜率鉴频法斜率鉴频法 双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器 双失谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差 该鉴频器的传输特性或鉴频特性 如图 24 中 的实线所示 其中虚线为两回路的谐振曲线 从图看出 它可获得较好的线性响应 频带 宽度 失真较小 灵敏度也高于单失谐回路鉴频器 双失谐回路斜率鉴频器的电路及波形 变换如图 25 26 所示 实际工作时 为了保证工作的线性范围 应调整f02和f03 使f02 f03大于调频波最大频偏 fm 的两倍 且f02 fc fc f03 ufmuiuo ufm t ui t 0 uo t00 a ui 0 工作区 线性区 fcf0 f ui t f t fm t b 0 bm 0 uo fa f 图图 24 双失谐鉴频器的鉴频特性双失谐鉴频器的鉴频特性 图图 25 双失谐平衡鉴频器双失谐平衡鉴频器 图图 26 图图 25 各点波形各点波形 四四 仿真结果仿真结果 1 dsbfc 的产生与解调的产生与解调 ufm f01 fc u1 u2 uo1 uo2 uo a f f03fcf02 t f t b f02 f03 t0 ufm a t 0 uo1 t uo2 b c t uo d 0 0 将调制信号与载波信号相乘得到 dsbfc 信号 再利用峰值检测进行包络检波就可从调幅 波中恢复出调制信号 具体实现过程如下 图一为 dsbfc 产生及解调程序图 图二为 dsbfc 解调波形图 图一图一 dsbfc 产生及解调程序图产生及解调程序图 图二图二 dsbfc 解调波形图解调波形图 2 2 dsbscdsbsc 的产生与解调的产生与解调 dsbsc 的产生与 dsbfc 的原理相同 在解调 dsbsc 时选择采用同步检波进行解调 具体实现过程如下 图三为 dsbsc 产生及解调程序图 图四为 dsbsc 解调波形图 图三图三 dsbsc 产生及解调程序图产生及解调程序图 图四图四 dsbsc 解调波形图解调波形图 3 3 fmfm 的产生于解调的产生于解调 选择用直接调频的方法对调制信号进行调制 然后再用振幅鉴频的方法进行解调 具体实现过程如下 图五为 fm 产生及解调程序图 图六为 fm 解调波形图 图五图五 fm 产生及解调程序图产生及解调程序图 图六图六 fm 解调波形图解调波形图 五 五 心得体会心得体会 为期两周的课程设计很快结束了 通过这两周的学习实践加深了我对高频电子线路这 门课程的了解 并进一步理解各种调制与解调的基本理论和实现方法 同时也初步学习和 掌握了用 labview 模拟仿真信号 我从中受益匪浅 通过这次课设使我明白了如何根据需要选学参考书 查阅手册 图表和文献资料 对 培养自己独立思考 深入钻研有关问题 自觉分析解决问题的能力有很大的帮助和提高 特别是在搜集各种相关资料时自己下了很大的功夫 学到了很多以前在书本上看不到的东 西 很多是与实际有着密切的联系的 对相关资料的消化吸收使我深深的感受到了理论与 实际相结合是多么的重要 只有理论知识是远远不够的 还