高频电子线路课程设计方案.docx

高频电子线路课程设计方案第一部分 设计要求: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、解调和混频的基本理论和实现方法；3.学会应用LabVIEW软件进行仿真；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.调幅与检波（1）高频DSBFC信号产生与检波（2）DSBSC信号产生与检波2.混频与检波中频 DSBFC信号的产生与检波3.FM波产生与解调4.PM波产生与解调要求：1.以上1和2，3和4均选做其一。调制信号均为5kHz的正弦波，高频DSBFC信号载波频率取500kHz-1600kHz（在该范围内可调），中频DSBFC载波频率取465kHz，其他载波频率均取100kHz；2. 以上1中的DSBFC和DSBSC检波不可用相同的方法；3. 明确设计任务，合理选择设计方案；4. 利用LabVIEW进行仿真；三、设计原始资料LabVIEW软件，电子通信系统教材及高频电子线路相关参考资料。四、设计完成后提交的文件和图表1计算说明书部分各种类型调制、解调，混频的主要公式2图纸部分：(1) 各种调制、解调，混频的原理框图；(2) 实现各种调制、解调，混频的程序流程框图；(3) 相应的仿真波形图。五、进程安排1.学习使用LabVIEW软件（3天）；2.查阅资料，制定各种调制、解调、混频的实现方案（2天）；3. LabVIEW进行仿真设计（3天）；4.验收成果与撰写设计报告（2天）。六、主要参考资料1.LabVIEW 7 Express实用技术教程，雷振山，中国铁道出版社2.电子线路，谢嘉奎，北京：高等教育出版社3.高频电子电路，张肃文，北京：高等教育出版社4.电子通信系统（第四版），美Wayne Tomasi，北京：电子工业出版社5.高频电路，沈伟慈， 西安：西安电子科技大学出版社第二部分 设计正文: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(一) . 设计内容：1.调幅与检波（1）高频DSBFC信号产生与检波（2）DSBSC信号产生与检波2.混频与检波中频 DSBFC信号的产生与检波3.FM波产生与解调4.PM波产生与解调要求：1.以上1和2，3和4均选做其一。调制信号均为5kHz的正弦波，高频DSBFC信号载波频率取500kHz-1600kHz（在该范围内可调），中频DSBFC载波频率取465kHz，其他载波频率均取100kHz；2. 以上1中的DSBFC和DSBSC检波不可用相同的方法；3. 明确设计任务，合理选择设计方案；4. 利用LabVIEW进行仿真；三、设计原理及仿真结果一）调幅与检波调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调制是在发射端将调制信号从低频段变换到高频段, 便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用；解调是在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段, 恢复原调制信号。在模拟系统里, 按照载波波形的不同, 可分为脉冲调制和正弦波调制两种调制方式。脉冲调制是以高频矩形脉冲为载波, 用低频调制信号分别去控制矩形脉冲的幅度、宽度或位置三个参量, 分别称为脉幅调制(PAM), 脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)。正弦波调制是以高频正弦波为载波, 用低频调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量, 分别称为调幅(AM)、 调频(FM)和调相(PM)。调幅AM包括四种方式：普通调幅AM、双边带调幅DSB、单边带调幅SSB和残留边带调幅VSB,其中双边带调幅DSB包括全载波双边带调幅DSBFC和抑制双边带调幅DSBSC两种。对于相同调制信号产生的已调波信号的时域波形不一样, 频谱不一样, 带宽不完全一样, 调制与解调的实现方式与难度不一样。根据设计要求，本课程设计均采用正弦波调制。普通调幅信号的解调方法有两种, 即包络检波和同步检波。包络检波也称峰值检波，利用普通调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点, 如能将包络提取出来, 就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。同步检波也称相乘检波，同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相位差)的信号, 称为同步信号。1. DSBFC产生与检波 1） DSBFC产生的原理分析 a).DSBFC调幅波的产生DSBFC即全载波双边带调幅，其调幅方式是用低频调制信号去控制高频正弦波(载波)的振幅, 使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。 设载波信号为u(t)=Ucost, 其中载波信号频率f=500KHZ；调制信号为单频信号u(t)=Ucost，其中调制信号频率f=5KHZ。 则DSBFC调制信号为u(t)=( U+k Ucost）cost = U(1+m cost) cost 其中调幅指数m= k U/ U, 0m1, k为比例系数。 如图1所示为产生DSBFC调幅波的方框图：图1 DSBFC调幅波的产生 如图1所示，DSBFC的产生首先由调制信号u(t)与一直流偏置A相加后，再与载波信号u(t)相乘得到。如图2所示为载波信号u(t)、调制信号u(t)以及DSBFC调制信号波形。图2 DSBFC调制波形b) DSBFC的频谱分析 DSBFC调制信号转化为：u(t)= Ucost+1/2 mU cos(+)t+1/2 mU cos(-)t则DSBFC的频谱分析如图3所示图3 DSBFC的频谱分析c) DSBFC调制功率与效率分析 载波功率:P=U /2 R 调幅波上下边频功率：P= P=(m U/2) /2 R=(m U) /8 R =m P/4 发射总功率：P= P+P+P=（1+m/2）P2.DSBFC检波的原理分析 1) 非相干检波包络检波也称峰值检波，利用普通调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点, 如能将包络提取出来, 就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。如图4所示为包络检波原理框图。图4 包络检波用低通滤波器取出io中这一低频分量, 滤除c-及其以上的高频分量, 同时用隔直流电容滤除直流分量, 就可以恢复与原调制信号u(t)成正比的单频信号了。 图4中的非线性器件可以用二极管, 也可以用晶体三极管。 b) DSBFC峰值检波在本课程设计中，DSBFC检波采用峰值检波，将产生的DSBFC调幅信号u(t)作为输入信号输入到由二极管或晶体三极管组成的峰值检波电路中，提取出调幅波中的峰值，再将其输入到低通滤波器中，从而得到解调的调制信号u(t)。 调幅信号u(t)=( U+k Ucost）cost = U(1+m cost) cost解调信号u(t)=Ucost 如图5所示为二极管峰值包络检波器。图6 DSBFC解调信号 3) DSBFC产生与检波的仿真 在本次课程设计中，采用LabVIEW虚拟仪器平台进行对调幅波的产生、调频波、调相波的调制与解调的仿真。LabVIEW是一种图形化的编程语言（又称“G”语言），它是一个虚拟仪器开发平台，也是一个图形化软件集成开发环境。LabVIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台，应用于各个行业，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，利用它可以方便地组建自己的虚拟仪器。 因此，在本次课程设计中，可以利用LabVIEW方便的完成实验的设计与仿真。a) DSBFC产生与检波的LabVIEW程序下图为利用LabVIEW编写的DSBFC调制解调的程序图。 DSB FC调制解调程序图如图所示，首先由两个信号发生器生成调制信号u(t)与载波信号u(t)，分别设置其频率为5KHZ和500KHZ,其幅值均取1V,并将他们分别用波形显示器显示；其次，将调幅信号u(t)经过数据转换后，放置一个峰值检波器对其进行检波，通过检波后，将峰值检波器中输出的位置项与信号采样率的倒数相乘后转换为时间，并于峰值检波器的振幅项分别作为X、Y由一XY图形创建器创建一波形，得到DSBFC解调信号。由于在峰值检测过程中，对调幅信号的检测产生一个直流偏移，因此在经过峰值检波器的信号减去其平均值。得到得到DSBFC解调信号。因此，由LabVIEW程序完成DSBFC检波。为了保证程序能够连续运行，在所有虚拟仪器外添加一个WHILE循环体。 b) DSBFC产生与检波的LabVIEW波形显示 DSBFC调制解调波形3. DSBSC产生与检波 DSBFC信号的平均功率是由载波功率和边带功率组成的，而只有边带功率才与调制信号有关。 载波功率在DSBFC信号中占有大部分能量，即使在满调制(m=1)条件下，两个边带上的有用信号仍然只占很小能量。因此，从功率上讲， DCBFC信号功率利用率比较低。 为了提高调幅信号的效率，就得抑制掉已调波中的载波分量。要抑制掉DSBFC信号中的载波，只需在图3-1-1中将直流分量A取掉，得到抑制载波的双边带信号，即DSBSC。 1) DSBSC产生的原理分析 a) DSBSC调幅波的产生DSBSC即抑制载波双边带调幅，由调制信号与载波信号相乘直接得到DSBCS调幅信号。设调制信号为u(t)=Ucost，其中调制信号频率f=5KHZ。 载波信号为u(t)=Ucost, 其中载波信号频率f=100KHZ；则DSBSC调制信号为u(t)= u(t)u(t) = Ucost Ucost 如图9所示为产生DSBSC 调幅波的原理方框图。u(t)图9 DSBSC调幅波的产生 如图10所示为载波信号u(t)、调制信号u(t)以及DSBSC调制信号波形。图10 DSBSC调制波形 b)DSBSC的频谱分析 设调制信号为x(t),DSBSC信号的时域表示为 当调制信号x(t)为确知信号时，DSB信号的频谱为如图11示为DSBSC的频谱分析 (a) 调制信号； (b) 载波信号； (c) 已调波信号 图11 DSBSC频谱分析 c) DSBSC调制功率与效率分析由于DSBSC频谱中没有载波分量，Pc=0。因此，信号的全部功率都包含在边带上， 即 这就使得调制效率达到100，即DSBSC=1。 2 )DSBSC检波的原理分析 a) 相干检波同步检波也称相乘检波，同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相位差)的信号, 称为同步信号。同步检波可由乘法器和低通滤波器实现, 其原理见图12。图12 相干检波设输入DSBSC调制信号：u(t)= Ucost Ucost 乘法器另一输入同步信号为：u(t)=Ucost则乘法器输出为：u(t)= k2u(t) u(t) = k2Ucost Ucost Ucost = cost（1+ Ucos2t） 其中k2是乘法器增益。 由上式可见, 输出信号u(t)中含有, 2c+,2c-几个频率分量。为了达到解调DSBSC的目的，采用低通滤波器取出分量,就可恢复原调制信号。 b) DSBSC相干检波 本次课程设计DSBSC检波方法采取相干检波。将DSBSC调幅波与同步信号u(t)相乘后通过一低通滤波器，滤去2c+,2c-频率信号，从而得到DSBSC解调信号。如图13为DSBSC解调信号波形。图3-2-5 图13 DSBSC解调波形 3)DSBSC产生与检波的仿真 a)DSBSC产生与检波的LabVIEW程序如下图所示，为利用LabVIEW编写的DSBSC调制解调的程序图。如图所示，首先由两个信号发生器生成调制信号u(t)与载波信号u (t)，分别设置其频率为5KHZ和100KHZ,其幅值均取1V,并将他们分别用波形显示器显示；并将调制信号与载波信号相乘得到DSBSC调幅信号，并将其用波形显示器显示。为了保证程序能够连续运行，在所有虚拟仪器外添加一个WHILE循环体。因此，由LabVIEW程序得到DSBFC调幅信号。由乘法器得到DSBSC调幅信号u(t)后，将调幅信号与一载波信号同步信号相乘，为了保证同步信号与载波信号同频同相，将载波信号作为同步信号，相乘结果通过一个低通滤波器，将低通滤波器设置为巴特沃斯低通滤波器，截止频率设置为10KHZ。得到DSBSC调制解调信号。因此，由LabVIEW程序完成DSBSC检波。 b)DSBSC产生与检波的LabVIEW波形显示 如下图所示利用LabVIEW编写的程序DSBSC调制解调所产生的波形图。如图所示，所得波形分别为调制信号、载波信号、调幅信号和解调信号的波形图。 4 )DSBSC结果分析 a) DSBSC调制解调 调制信号u(t)= cos(2*5000t)；载波信号u(t)= cos（2*100000t）； 调幅信号u(t)= u(t)u(t) = cos(2*5000t) cos（2*100000t） 调幅信号u(t)经过乘法器与载波信号u(t)相乘后得到输出信号u(t)为 u(t)= u(t) u(t)= cos(2*5000t) (cos（2*100000t）) = cos(2*5000t)（1+ cos（2*200000t） 信号通过低通滤波器得到解调信号u(t)= cos(2*5000t) 由相干检波对u(t)解调所得到的解调信号u(t)频率与原调制信号u(t)相同，幅度为原信号的1/2。 b)同步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u(t)=Ucos(t+）则乘法器输出中的分量为coscost。 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。 c) DSBSC调制功率与效率分析 由于DSBSC频谱中没有载波分量，Pc=0。设调制信号为x(t),因此，信号的全部功 率都包含在边带上， 即 这就使得调制效率达到100，即DSBSC=1。 由分析可得，DSBSC调制与解调过程中，调制功率取决于输入的调制信号，与载波信号无关，因而调制效率100。二）角度调制与解调 角度调制是频率调制FM和相位调制PM的总称。角度调制是使正弦载波信号的角 度随着基带调制信号的幅度变化而改变。 在调频信号中，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而改变。调制信号 幅度变大时，载波信号的频率也变大（或变小），调制信号幅度变小时，载波信号的频 率也变小（或变大）；而在调相信号中；载波信号的相位随着基带调制信号的幅度变化 而改变。调制信号幅度变大时，载波信号的相位也变大（或变小），调制信号幅度变小 时，载波信号的相位也变小（或变大）；实际上，在某种意义上，调频和调相是等同的， 所以我们都称之为角度调制；而在这种调制方式中，载波的幅度保持不变。 调频信号可以被看作调制信号在调制前先积分的调相信号。这意味着先对m(t)积 分，再将结果作为调相器的输入即可得到调频信号。相反，先微分m(t)，再将结果作 为调频器的输入也可得到调相信号。 有两种基本的方法来产生调频信号：直接法和间接法。在直接法中，载波的频率 直接随着输入的调制信号的变化而改变。在间接法中，先用平衡调制器产生一个窄带 调频信号，然后通过倍频的方式把载波频率提高到需要的水平。 1.频率的调制与解调 1）频率调制原理分析 a）频率调制的数学分析 频率调制FM是指调制信号去控制高频振荡频率，使高频振荡的瞬时 频率随调制信号规律作线性变化的过程。 设：载波信号为u(t)=Ucost, 其中载波信号频率f=100KHZ； 调制信号为u(t)=Ucost，其中调制信号频率f=5KHZ。 则根据频率调制的定义,调频信号信号应为：u(t)= Ucos(t+kUcost) = Ucos(t+msint) 其中，调频信号的瞬时角频率为 (t)= +(t)=+ ku(t)= + cost 式中k为比例常数。 瞬时相位(t)是瞬时角频率(t)对时间的积分,即： (t)=+ 式中,0为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设0=0,则上式变为(t)= t+ sint =t+msint=+(t) 由上式可见，调频的结果也引起了载波瞬时相位的变化。 FM波的表示式为： u(t)=Ucos(t+msint)调频指数mf：调频信号的最大相偏，也就是相对于调制信号的最大频偏： m= 最大频偏m：瞬时角频率(t)偏移c的幅度。= 调频波的波形如图16所示。图16 调频波的波形 b)调频波的频谱 调频波的展开式u(t)=Ucos(t+msint) = Uee 式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算: 它随mf变化的曲线如图17所示,并具有以下特性:图17 第一类贝塞尔函数曲线 因此，调频波的级数展开式为： 2) 频率解调原理分析 a）这里用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FMAM 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振幅鉴频器。 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，如图18。 (a)振幅鉴频器框图； (b)变换电路特性图18 振幅鉴频器原理 设调制信号为u=f(t),则调频波为: 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。 b)峰值检波 峰值检波原理可见3.1.2 DSBFC检波的原理分析。在本次课程设计中，FM频率解调采用先将FM调制信号由微分检波器转化为AMFM波，再有峰值检波器将调制信号从AMFM信号从解调出来。 3) 频率调制解调的仿真 a)频率调制解调的LabVIEW程序 如图4-1-5所示为频率调制解调的LabVIEW程序图。如图所示，频率的调制解调主要有文本编程实现，在LabVIEW程序面板中添加一公式节点，完成频率调制与生成AMFM信号。频率调制程序如下所示： float w1,w2; Y1=U*cos(2*pi*F*t*i); w1=2*pi*f; w2=kf*U*sin(2*pi*F*t*i)/(2*pi*F); Y2=Uc*cos(w1*t*i+w2); 其中F为调制信号频率，f为载波频率，kf为调频灵敏度，t为产生波形的时间间隔。 为了达到公式节点与外界虚拟仪器的连接，在公式节点上添加输入节点kf、F、f，输出节点Y1、Y2。为了能够保证公式节点连续运行，在公式节点外添加FOR循环，并设置循环次数N=10000。为了保证调频指数与斜率检波器斜率可调，在前面板增添两个数值输入控制按钮控制其数值。为了能够准确显示Y1、Y2的波形，采用创建波形虚拟仪器，并且选用波形显示器将其显示。频率解调在得到AMFM信号，采用峰值检波解调AMFM信号，其解调过程与DSBFC解调相同。因此，利用LabVIEW编程如下图. b)频率调制解调的LabVIEW波形显示如下图所示为频率调制解调过程中的调制信号、调频信号、AMFM信号、解调信号波形图。 如图所示，图所得波形分别为调制信号、调频信号、AMFM信号和解调信号 的波形图。 3)FM结果分析a) 调频指数kf频率调制是频谱的非线性搬移，频谱分量丰富，但大部分集中在有效带宽内。角度调制的调制信息包含在正弦波载波的角度中，其幅度是恒定的，可以用高效的C类放大器放大；而载波功率被分配到边带中。频率调制指数kf越大，频率调制的抗干扰性就越好，但占用有限带宽就越大：调频波的抗干扰性能是以增加信道有效带宽为代价的。因此，并非调制指数越大越好，当调制指数较大时，接收机的接收门限就越高，即要求解调器输入端的信噪比很大才能有效地改善噪声性能。当然，在LabVIEW模拟过程中，不存在噪声。b)调频波的频谱结构和特点1 单一频率调制的调频信号是由载波分量和无穷多对对称于载频两侧的边频率分量 组成的，每个变频分量的间隔为调制频率或F。因此调频是非线性频谱的搬移。2 载波分量和每对边频分量的振幅由对应的各阶贝塞尔函数来确定，mf不同，它们 的振幅也发生变化，在某些mf值时，可能会使某些频率分量振幅为零。3 偶数的边频分量符号相同。如将这对边频分量相加，则可合成为一DSB信号，且相位与载波相同。奇数的边频分量符号相反。如将一对奇频分量相加，则合成矢量与载波垂直，是正交窄带调频NBFM。4 当mf越大，具有较大振幅的边频分量数目就越多。图7-4说明了通过改变调和而改变mf对频谱的影响。c）调频波的功率调频信号u(t)在电阻R上消耗的平均功率为:等于各个频率分量的平均功率之和。=1=P这个结果表明：FM信号的平均功率等于未调制的载波平均功率。调制的过程只是进行功率的再分配，而分配原则与mf有关。d) 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 或 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2fm调频指数mf 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。 如图21所示为调频波fm