包络检波的调制解调器.doc

I I 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 论文 论文 题目 插入载波的包络解调电路设计题目 插入载波的包络解调电路设计 院 系 院 系 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级 专业班级 电子电子 102 班班 学学 号 号 100404056 学生姓名 学生姓名 李宏李宏 指导教师 指导教师 蔡希彪蔡希彪 教师职称 教师职称 副教授副教授 起止时间 起止时间 2013 6 28 2013 7 7 高频电子线路课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电子与信息工程学院 教研室 通信工程 学 号100404056学生姓名李宏专业班级电子 102 班 课程设计 论 文 题 目 插入载波包络检波解调电路设计 课程设计 论文 任务 设计要求 1 用 EWB 仿真 设计一个插入载波包络检波解调电路 2 能够观察输入输出波形 3 对调制信号频率 1000Hz 载波频率 100000Hz 的单边带信号 进行解调 设计要求 1 分析设计要求 明确性能指标 必须仔细分析课题要求 性 能 指标及应用环境等 广开思路 构思出各种总体方案 绘制结 构框图 2 确定合理的总体方案 以电路的先进性 结构的繁简 成本 的高低及制作的难易等方面作综合比较 并考虑器件的来源 敲定 可行方案 3 设计各单元电路 总体方案化整为零 分解成若干子系统或 单元电路 逐个设计 4 组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局 通常是按信号的 流向 采用左进右出的规律摆放各电路 并标出必要的说明 指导教师评语及成绩 平时成绩 20 论文成绩 40 答辩成绩 40 总成绩 指导教师签字 学生签字 年 月 日 高频电子线路课程设计 论文 III 摘 要 包络检波是一个解调的过程 它与调制过程相反 检波器的作用是从振幅受 调制的高频信号中还原出原调制信号 还原所得的信号与高频调幅信号的包络变 化规律一致 本次课程设计为插入载波的包络检波解调电路的设计 实现对单边 带信号的解调 本设计主要是载波信号和调制信号通过一个乘法器 再通过一定 频率的低通滤波器产生单边信号 再经过包络检波电路得到解调后的输出波形 本次课程设计的目的是一方面使我们能够进一步理解课程内容 基本掌握数 字系统设计和调试的方法 增加集成电路应用知识 培养我们 分析 解决问题的 能力 掌握了使用 EWB 软件的仿真及应用 另一方面也可使我们更好地巩固和 加深对基础知识的理解 学会设计中小型高频电子线路的方法 独立完成调试过 程 增强我们理论联系实际的能力 提高电路分析和设计能力 通过实践引导我 们在理论指导下有所创新 为专业课的学习和日后工程实践奠定基础 通过设计 一方面可以加深我们的理论知识 另一方面也可以提高我们考虑问题的全面性 将理论知识上升到一个实践的阶段 关键字 单边带信号 包络检波电路 解调 EWB 仿真 高频电子线路课程设计 论文 IV 目录 第 1 章 绪论 1 1 1 插入载波包络检波器概述 1 1 2 课程设计要求及技术指标 1 1 3 设计方案论证 2 1 4 总体方案设计框图及分析 3 第 2 章 各单元电路设计 4 2 1 单边带信号的产生 4 2 2 低通滤波器设计 5 2 3 包络检波电路设计 5 第 3 章 整体电路设计 7 3 1 整体电路分析 7 3 2 电路参数计算 7 第 4 章 设计总结 11 参考文献 12 附录 元器件清单 13 高频电子线路课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 插入载波包络检波器概述 振幅调制信号的解调过程称为检波 有载波振幅调制信号的包络直接反映调 制信号的变化规律 可以用二极管包络检波的方法进行检波 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换规律 无法用包 络检波进行解调 所以要采用同步检波方法 同步检波器主要是用于对 DSB 和 SSB 信号进行解调 当然也可以用于 AM 它的特点是必须加一个与载波同频同 相的恢复载波信号 外加载波信号电压加入同步检波器的方法有两种 利用模拟 乘法器的相乘原理 实现同步检波是很简单的 利用抑制载波的双边带信号 和输入的同步信号 即载波信号 经过乘法器相乘 可得输出信号 实现了双 边带信号解调课程设计作为高频电子线路课程的重要组成部分 目的是一方面使 我们能够进一步理解课程内容 基本掌握数字系统设计和调试的方法 增加集成 电路应用知识 培养我们的实际动手能力以及分析 解决问题的能力 另一方面 也可使我们更好地巩固和加深对基础知识的理解 学会设计中小型高频电子线路 的方法 独立完成调试过程 增强我们理论联系实际的能力 提高电路分析和设 计能力 通过实践引导我们在理论指导下有所创新 为专业课的学习和日后工程 实践奠定基础 通过设计 一方面可以加深我们的理论知识 另一方面也可以提 高我们考虑问题的全面性 将理论知识上升到一个实践的阶段 1 2 课程设计要求及技术指标 本次课程设计是设计一个包络检波电路对单边信号进行解调 通过本次设计 掌握高频电子线路的设计方法 并将其与仿真联系起来 理论与实践相结合 培 养独立设计能力 要求熟悉掌握 EWB 仿真操作系统 及高频电子线路课程 本 次课程设计要求用 EWB 仿真 设计一个插入载波包络检波解调电路 能够观察 输入输出波形 分析并讨论电路及结果 设计参数 对调制信号频率 1000Hz 载 波频率 100000Hz 的单边带信号进行解调 按课程设计指导书提供的课题 按照 要求设计电路 计算电路的参数 完成课程设计 高频电子线路课程设计 论文 2 1 3 设计方案论证 方案一 乘积型同步检波器 这种方法是将外加载波信号电压与接收信号在检波器中相乘 再经过低通滤 波器 最后检出原调制信号 如框图所示 调制信号乘法器 载波信号 低通滤波器 图 1 1 乘积型同步检波器 设输入的已调波为载波分量被抑制的 DSB 信号 u1 为 本地载波信号 上两式中 c 1 时 即本地载波的角频率等于输入信号的角频率 它们的相 位不一定相同 低通滤波器滤除 c 附近的频率分量后 得到频率为的低频信号 由上式可见 低频信号的 成正比 当时 低频信号电压最大 随着相 cos0 位差变大 输出电压变小 所以我们不但要求本地载波与输出信号载波的角频率 必须相等 方案二 叠加型同步检波器 叠加型是将外加载波信号与接收信号相加 经过包络检波器取出原调制信号 ttUu coscos 11 tUUu C coscos 2 1 10 cos tUu cc cos coscos 1112 ttUUu c 高频电子线路课程设计 论文 3 图 1 2 叠加型同步检波器 设 u1 为单边带信号 Uc 为本振电压 则合成的输出信tU cos 1 tUc1cos 号为 u2 u1 uc 由此可见 合成信号的包络 Um 和相角 都受到调制信号的控制 可以通过包 络检波器构成的同步检波器检出单边带调制信号 将所调制的单边带信号与本振 信号通过一个加法器加到一起 再经过包络检波器输出解调后的信号 经过两方案的比较 方案二用到了包络检波器 更加符合设计要求 1 4 总体方案设计框图及分析 图 1 3 总体框图 包络检波是一个解调的过程 它与调制过程相反 检波器的作用是从振幅受调 制的高频信号中还原出原调制信号 还原所得的信号与高频调幅信号的包络变化规 律一致 本设计主要是载波信号和调制信号通过一个乘法器得到载波被抑制的双边 带信号 再通过一定中心频率的低通滤波器把不需要的边带滤除 得到所需要频率 单边带信号 加法器 包络检波器输出波形 本振信号 调制信号加法器 载波信号 包络检波器 ttUUcttUu sin1sin11coscos1cos12 高频电子线路课程设计 论文 4 的单边带信号 再经过包络检波电路得到解调后的输出波形 第 2 章 各单元电路设计 1 1 2 1 2 1 单边带信号的产生 首先需要产生单边带信号 产生 SSB 信号的方法很多 其中最基本的方法 有滤波法和相移法 本课设我采用的是滤波法 用滤波法实现单边带调制的原理 图 图中的为单边带滤波器 产生 SSB 信号最直观方法的是 将 HssB 设计成具有理想高通特性或理想低通特性 的单边带滤波器 HssB 从而只让所需的一个边带通过 而滤除另一个边带 产生上边带信号时 即为产生下边带信号时 即为 图 2 1 单边带信号产生 原理框图简洁 直观 但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作 这 是因为 理想特性的滤波器是不可能做到的 实际滤波器从通带到阻带总有一个 过渡带 滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关 过渡带的归一 化值愈小 分割上 下边带就愈难实现 而一般调制信号都具有丰富的低频成分 经过调制后得到的 DSB 信号的上 下边带之间的间隔很窄 要想通过一个边带 而滤除另一个 要求单边带滤波器在 附近具有陡峭的截止特性 即很小的过 渡带 这就使得滤波器的设计与制作很困难 有时甚至难以实现 为此 实际中 往往采用多级调制的办法 目的在于降低每一级的过渡带归一化值 减小实现难 度 从 SSB 信号调制原理图中可以清楚地看出 SSB 信号的频谱是 DSB 信号频 谱的一个边带 其带宽为 DSB 信号的一半 与基带信号带宽相同 即 4 1 2 1 tmmPP DSBSSB 高频电子线路课程设计 论文 5 式中 为调制信号带宽 H f 为调制信号的最高频率由于仅包含一个边带 因此 SSB 信号的功率为 DSB 信号的一半 即 显然 因 SSB 信号不含有载波成分 单边带幅度调制的效率也为 100 2 2 低通滤波器设计 图 2 2 低通滤波器电路 由于设计所采用的基带信号频率是 10KHz 所以低通滤波器的频率为 10KHz fi 低通滤波器的各元件参数取值 取 R 10KHz 则 2 3 包络检波电路设计 输入信号单边带调制信号 其中调制指数 m 高频载波频率 调制信号的频 率 调频幅度等参数均可自己设定 非线性器件由包络检波二极管组成 二极 管包络检波器由电容 C 和 R 并联组成 输出信号连接示波器 可观察检波的效果 Hm fB KHZ RC f10 2 1 FFC 10 8 10 59 1 10 2 1 高频电子线路课程设计 论文 6 图 2 3 包络检波电路 分析在高频信号电压的正半周期 二极管正向导通并对电容 C 充电 由于二 极管正向导通电阻很小 所以充电电流 I 很大 是电容的电压 Vc 很快就接近高 频电压峰值 这个电压建立后 通过信号源电路 又反向地加到二极管 D 的两端 这时二极管是否导通 由电容 C 上的电压 Vc 和输入电压 Vi 共同决定 当高频信 号的瞬时值小于 Vc 时 二极管处于反向偏置 处于截止状态 电容就会通过负 载电阻 R 放电 由于放电时间常数 RC 远大于调频电压周期 故放电很慢 当电容上的电压下降不多时 调频信号第二个正半周的电压又超过二极管上 的负压 使二极管导通 图中 t1 到 t2 的时间为二极管导通的时间 在此时间内 又对电容充电 电容的电压又迅速接近第二个高频的最大量 图中 t2 至 t3 时间 为二极管截止的时间 在次时间内电容又通过负载 R 放电 这样不断地反复循环 所以 只要充电很快 即充电时间常数 RdC 很小 Rd 为二极管导通时的内阻 而放电时间很慢即放电时间常数 RC 很大 就能使传输系数接近 1 另外 由于正向导电时间很短 放电时间常数又远大于高频周期 所以输出 高频电子线路课程设计 论文 7 电压 Vc 的起伏很小 可看成与高频调幅波包络基本一致 而高频调幅波的包络 又与原调制信号的形状相同 故输出电压 Vc 就是原来的调制信号 达到了解调 的目的 第 3 章 整体电路设计 3 1 整体电路分析 图 3 1 整体电路图 本设计电路主要由三部分组成 首先调制信号和载波信号经由乘法器产生载 波被抑制的双边带信号 通过中心频率一定的低通滤波器 将没有用的边带滤除 掉 最终产生单边带信号 单边带信号做为调制信号加到包络检波器电路上 进 行解调最后在示波器显示输出波形 高频电子线路课程设计 论文 8 3 2 电路参数计算 1 电压传输系数 由于输入大信号 检波器工作在大信号状态 二极管的伏安特性可用折线近 似 考虑输入为等幅波 采用理想的高频滤波 并以通过远点的折线表示二极管 特性 忽略二极管的导通电压 VP 则 u 0 00u giD gD 1 rd 为流通角 iD 是周期性余弦脉冲 由此可见 检波器电压传输系数 Kd 是检波器电流 iD 的通脚的函数 求出 后 就得到 Kd 2 流通角 二极管电流 ID 为一重复频率 wi 的周期余弦脉冲 导通角为 振幅最大为 maxD I 其平均分量 I0 为 基频分量为 式中 为电流分解系数 10 aa 可得的近似表达式如下 此处的 R 为检波负载 gD 为检波器内电导 3 非线性失真 惰性失真 当输入调幅波时过分增大 RL 和 C 致使二极管截止期间 C 通过 RL 的放电 速度过慢 在某 t1 时刻跟不上输入调幅波包络的下降速度 输出平均电压就会 cos 0 m d U U K cos sin 0max0 mD D Ug iI cos sin 1max1 mD D Ug iI cos1 1 max im d D U r I 3 3 RgD 高频电子线路课程设计 论文 9 产生失真 称惰性失真 为避免产生惰性失真 必须在任何一个高频周期内使 C 通过 RL 的放电速度大于或等于包络的下降速度 调制时不产生惰性失真的条件 为兼顾载波性能工程上一般取 结论 和越大 包络下降速度越大 不产生惰性失真所要求的 RLC 值也须越 a M 小 在多音调制时 作为工程估算 和 均应取最大值 a M 负峰切割失真 原因 检波器与下级电路连接时 一般采用阻容耦合电路 Cc 为隔值电容 对 呈交流短路 Cc 两端电压为 VAV Ri2 为下级电路输入电阻 VAV 在 RL Ri2 分压后在 RL 两端得 VA 电压反作用到二极管两端 若 VA Vsmmin D 截 止 使输出调制信号电压在其负峰值附近将被削平 出现负峰切割失真 克服失真条件 为了克服负峰切割失真 要求 VA Vsmmin 可得到克服失真 的条件 可见 交直流负载电阻越接近 不产生负峰切割失真所允许的 Ma 的值越接近于 1 Ma 一定时 交直流负载电阻值的差别受到不产生负峰切割的限制 克服办法 若 Ri2 很大 可将 RL 分为 RL1 RL2 aa L M MM CR 1 aa L c M MM CR 110 5 maxmax 2 max 1 a L M M CR LLLi Li Li i a R R RRR RR RR R M 1 2 2 2 2 1 0 2 0 2 1 L L R R 高频电子线路课程设计 论文 10 取 R RL1 RL2 Ri2 RL1 RL2 RL 若 Ri2 很小 则在 RL 与 Ri2 之间接一射随器 高输入阻抗低输出阻抗 起到阻 抗匹配的作用 3 3 整体及部分电路的仿真 图 3 2 总体电路仿真图 高频电子线路课程设计 论文 11 高频电子线路课程设计 论文 12 第 4 章 设计总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 此次课程设计主要针对包络检波电路的设计提出自己的设计方案 并利用 EWB 仿真软件来实现自己设计的电路图 设计中用到了乘法器 低通滤波器 包 络检波器等在高频电子线路课程中学到的知识 设计过程中查阅了大量的有关高 频电子线路设计的书籍 巩固了以前所学过的知识 而且学到了很多在书本上所 没有学到过的知识 在此次课设中 通过动手实践操作 进一步学习和掌握了有 关高频原理的知识 加深了对包络检波技术的认识 在设计时根据课题要求 复 习相关知识 查阅了相当多的资料 这也在一定程度上拓宽了视野 丰富了知识 这次的高频课程设计