高频课设 - 单边带信号滤波器设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 单边带信号滤波器设计 初始条件： 调制信号频率1kHz 载波频率100kHz 要求完成的主要任务: 1.要求：用WEB仿真，能够观察输入输出波形。 参 数自定。相移法（单边带）. 熟悉EWB仿真操作系统，及高频电子 线路课程 . 按照要求设计电路，计算电路的参数，完成课程设计。 参考书：1、高频电子线路实验与课程设计杨翠娥，哈尔滨工程大学出版社 2、高频电路设计与制作，何中庸译，科学出版社 3、模拟电子线路 谢沅清 ，成都电子科大出版社 4、高频电子线路第四版 张肃文，高教出版社 5、高频电子线路辅导 曾兴雯 陈健 刘乃安，西安电子科大出版社 时间安排：1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2、 课程设计时间为1周。 （1）确定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间1天； （2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天； （3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。指导教师签名： 2010年 12月1 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 摘要本课程设计在功能上实现了单边带滤波器法。与标准幅度调制相比,单边带调制（SSB）对于频谱和输出功率的利用率更高，单边带调制,就是通过某种办法,只传送一个边带的调制方法。单边带信号的产生,通常采用滤波法和相移法两种。本课程设计采用滤波法。This course is designed to achieve the function of a single sideband filter method. Compared with the standard amplitude modulation, single sideband modulation (SSB) for the utilization of spectrum and higher output power, single sideband modulation, that is, by some way, send only one sideband modulation method. SSB signal generation, commonly used filter and phase shift method two. This course is designed using filter. 目录1 滤波器法总体方案设计21.1单边带信号滤波器法的原理方案21.2 单边带信号滤波器法总体设计方案框图及分析32 单边带信号滤波器法单元电路的设计和整体电路实现52.1 平衡调幅器的电路设计52.2带通滤波器的电路设计62.3单边带信号滤波器法的放大器电路设计62.4单边带信号滤波器法整体电路与分析83 单边带信号滤波器法的仿真93.1单边带信号滤波器法的仿真输入波形图93.1.1 输入载波信号：93.1.2 输入调制信号：103.2单边带信号滤波器法的仿真输出波形图113.3 电路仿真结果分析113.5电路性能分析134 设计总结145 参考文献15附录： 器件清单15 单边带信号滤波器设计 1 滤波器法总体方案设计1.1单边带信号滤波器法的原理方案与标准幅度调制相比,单边带调制（SSB）对于频谱和输出功率的利用率更高。尽管很少用于数据传送,SSB仍广泛地用于HF和VHF低端的语音通讯。双边带调制信号包含有两个完全相同的基带信号,即上、下边带。由于两个边带含的信息相同,因而从信息传输角度考虑,传送一个边带同样可以达到信息传输的目的。单边带调制,就是通过某种办法,只传送一个边带的调制方法。单边带信号的产生,通常采用滤波法和相移法两种。本课程设计采用滤波法所谓滤波法,是对双边带信号利用网络滤出单边带信号, 因为,一般的m(t)具有丰富的低频成分,因而要求滤波器的截止特性极为陡峭才行。这就给实际制作带来困难,尤其是截止特性陡峭的高频网络更难制作。因此,在实际中,往往采用多次频移及多次滤滤的办法来实现。用滤波法实现单边带调制，是分双边带信号形成和无用边带抑制两步完成的。双边带信号由平衡调制器形成。由于调制器的平衡作用，载频电平被抑制到很低。对无用边带的抑制，是由紧跟在平衡调制器后面的边带滤波器完成的。边带滤波器是一带通滤波器，若下边带为无用边带，则恰当地选择其中心频率和通带宽度，让上边带信号通过而抑制下边带。当需要形成多路独立边带信号时，就需要有相应数目的单边带信号产生器，它们具有不同的载频和不同中心频率的边带滤波器。然后把这些占有不同频段的单边带信号线性相加，便可得到多路独立边带信号。 传输带宽不会大于消息带宽，为调幅的一半；载频被抑制（在调幅中，调制指数m=1时,发射功率的三分之二集中在不带消息的载频上）。这不仅节省了功率，而且大大减小了电台相互间的干扰。此外，单边带传输受传播中频率选择性衰落的影响也较调幅为小，而且没有门限效应等。这些优点就使单边带技术的应用远远超出了短波通信的范围。 单边带技术要求有很高的系统频率精度。对于传输话音信号，若只要求级单字清晰度，则系统频率误差小于100赫就已足够；若要反映较好的自然度,则系统频率误差应小于20赫。对于传输数据信号，则要求有更高的频率精度,通常频率误差不允许超过2赫。过高的频率精度要求，会限制单边带调制在广播业务中的应用。此外，单边带调制不能处理比较低的基带频带，在处理过程中必然带来时间延迟，这些缺点在一定程度上也影响单边带技术的应用。1.2 单边带信号滤波器法总体设计方案框图及分析单边带信号滤波器法原理方框图如下： 这种方法对滤波器的要求很高，而且由于载波频率不能太高，要将逐步提高到所需要的工作频率上，就需要经过多次的平衡调幅与滤波，下面的方框图就是经过了多次平衡调幅与滤波的方框图。 图中，第一平衡调幅器（BM1）输出的两个边带被第一滤波器（1）将下边带滤除，因此上边带（f1+F）成为第二平衡调幅器（BM2）的调制频率。这样f2虽然可以远比f1高，但BM2输出的两个频带相距为2（f1+F），它与f2的比值2（f1+F）/ f2仍然足够大，因而容易有第二滤波器（2）滤去一个边带，只让（f1+ f2+F）通过，作为BM3的调制信号。以下依此类推，即可将载波频率提高到预期值。2 单边带信号滤波器法单元电路的设计和整体电路实现2.1 平衡调幅器的电路设计 上图中：（1） 式中（2）将与的表达式代入式（1）中，参考上图所示的电流与电压正方向，即可求得输出电压为 （3）由式（3）可知，输出中没有载波分量，只有上下边带（）与调制信号频率（可用滤波器滤掉）。亦平衡调幅器的输出是载波被抑制的双边带。从平衡调幅器获得被抑制的双边带后，在设法滤去一条边带，即可获得单边带输出。2.2带通滤波器的电路设计带通是让某一个范围的频率通过，滤除其余频率。如高通滤波器+低通滤波器可组成带通滤波器。它大体分为模拟带通滤波器和数字带通滤波器. 本课程设计采用的是模拟带通滤波器模拟带通滤波器一般是用电路元件(如电阻、电容、电感)来构成我们所需要的频率特性电路。模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻和电感参数的配置，使得模拟滤波器对基波呈现很小的阻抗，而对谐波呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把基波信号提取出来。上图就是一个简易的带通滤波器。2.3单边带信号滤波器法的放大器电路设计 上图为高频功率放大起的基本电路。晶体管的集电极耗散功率在任何时间总是等于瞬时集电极电压与瞬时集电极电流的乘积。根据能量守恒定律有；集电极效率当由20%提高到75%时，输出功率提高12倍2.4单边带信号滤波器法整体电路与分析整体电路图本课程设计的单边带滤波器法才用了两级来增加频率。第一本振频率=60kHZ，第二本振频率=4050kHZ，连续可变，在第二个平衡调幅器处取上边带，因此最后送到天线的载频为 100110kHZ连续科可变。输出的频率为 101111kHZ电路参数的计算：对于第一级，本振频率=60kHZ，由，设,则可得出2.6mH；对于第二级，频率100110kHZ，由，设，则可得=1.6mH。3 单边带信号滤波器法的仿真3.1单边带信号滤波器法的仿真输入波形图3.1.1 输入载波信号：3.1.2 输入调制信号：3.2单边带信号滤波器法的仿真输出波形图3.3 电路仿真结果分析 理想滤波特性是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。电话通信中通常取语音信号频带为300-3400Hz,由于最低频率为300Hz,因此允许过渡带为600Hz.实现滤波器的难易与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值越小，分割上、下边带的滤波器就愈难实现。随着载频的提高，采用一级调制直接滤波法的办法已不可能实现单边带调制，这时可以采用多级调制的办法。单边带信号的时域表达，首先以单频调制为例，然后推广到一般情况。3.4 电路相关计算 设单频调制信号为，载波为，则双边带信号的时间波形为保留上边带的单边带调制信号为同理可得保留下边带的单边带调制信号为(4.3-2)式(1.3)第一项与调制信号和载波的乘积成正比，称为同相分量;而第二项乘积中则包含调制信号与载波信号分别相移的结果，称为正交分量。由此可引出实现单边带调制的一种方法，即相移法，如图1.3所示。两路相乘结果相减时得到上边带信号;相加时则得到下边带信号。当调制信号为确知的周期性信号时，由于它可以分解成许多频率分量之和，因而只要相移I是一个宽带的相移网络，对每个频率分量都能相移，则图中所示的相移法同样适用，只需将输入调制信号更改为即可。图1.3相移法产生单边带信号方框图然而，对于调制信号为非周期性的更一般情况，我们则需要借助希尔伯特变换推导时域表达式。3.5电路性能分析双边带信号虽然抑制了载波，提高了调制效率，但调制后的频带宽度仍是基带信号带宽的 2 倍，而且上、下边带是完全对称的，它们所携带的信息完全相同。因此，从信息传输的角度来看，只用一个边带传输就可以了。我们把这种只传输一个边带的调制方式称为单边带抑制载波调制，简称为单边带调制 (SSB) 。采用单边带调制，除了节省载波功率，还可以节省一半传输频带，仅传输双边带信号的一个边带 ( 上边带或下边带 ) 。因此产生单边带信号的最简单方法，就是先产生双边带。然后让它通过一个边带滤波器，只传送双边带信号中的一个边带，这种产生单边带信号的方法称为滤波法。由于理想的滤波器特性是不可能作到的，实际的边带滤波器从带通到带阻总是有一个过渡带，随着载波频率的增加，采用一级载波调制的滤波法将无法实现。这时可采用多级调制滤波的办法产生单边带信号。即采用多级频率搬移的方法实现：先在低频处产生单边带信号，然后通过变频将频谱搬移到更高的载频处。产生 SSB 信号的方法还有：相移形成法，混合形成法。双边带信号虽然抑制了载波，提高了调制效率，但调制后的频带宽度仍是基带信号带宽的2倍，而且上、下边带是完全对称的，它们所携带的信息完全相同。因此，从信息传输的角度来看，只用一个边带传输就可以了。我们把这种只传输一个边带的调制方式称为单边带抑制载波调制，简称为单边带调制(SSB)。采用单边带调制，除了节省载波功率，还可以节省一半传输频带，仅传输双边带信号的一个边带(上边带或下边带)。因此产生单边带信号的最简单方法，就是先产生双边带。然后让它通过一个边带滤波器，只传送双边带信号中的一个边带，这种产生单边带信号的方法称为滤波法。由于理想的滤波器特性是不可能作到的，实际的边带滤波器从带通到带阻总是有一个过渡带，随着载波频率的增加，采用一级载波调制的滤波法将无法实现。这时可采用多级调制滤波的办法产生单边带信号。即采用多级频率搬移的方法实现：先在低频处产生单边带信号，然后通过变频将频谱搬移到更高的载频处。产生SSB信号的方法还有：相移形成法，混合形成法。4 设计总结 本课程设计只是在功能上实现单边带滤波器法，真正的单边带滤波器法相对来说要比本课设的功能多而且要复杂。本课设只是简单的单边带滤波器法。这次的设计是通过自己在图书馆和网上查阅资料所完成的，课程设计的任务一般是设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。需要综合运用“高频电子线路”课程的知识，通过调查研究、查阅资料、方案论证与选定；设计选取电路和元器件；组装和调试电路，测试指标及分析讨论，完成设计任务。在这次课程设计中，学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中发现自己并不能很好的熟练去使用所学到的数电知识。在以后学习中要加强对使用电路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，不是真实的生产、科研任务，所以基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步和工程估算、实验调整等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。这对今后从事技术工作无疑是个启蒙训练。通过这种综合训练，可以掌握高频电子线路设计的基本方法