高频电子线路课程设计—调相调制.doc

目录 前言 1 工程概况 1 正文 2 3 1 设计目的 2 3 2 设计的内容 2 3 2 1 调相信号原理分析 2 3 2 2 调角信号频谱及频带宽度 3 3 2 3 调相和调频的联系和方法 3 3 2 4 直接调频法原理 4 3 2 5 间接调频法原理 6 3 2 6 调制电路 7 3 2 7 系统的测试及误差分析 8 总结 8 致谢 9 参考文献 9 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 1 页 共 9 页 前言前言 传输信息是人类生活的重要内容之一 传输信息的手段很多 利用无线电技术进行信息传输在 这些手段中占有极重要的地位 无线电通信 广播 电视 等 都是利用无线电技术传输各种不同 信息的方式 无线电通信传送语言 电码或其他信号 无线电广播传送语言 音乐等 电视传送图 像 语言 音乐 导航是利用一定的无线电信号指引飞机或船舶安全航行 以保证他们能平安到达 目的地 在以上这些信息传递的过程中 都要用到调制与解调 调制分为线性调制与非线性调制 线性调制即通过改变载波的幅度 以实现调制信号频谱的线 性搬移 如调幅 其最大的优点是 成本低 带宽窄 因此 通信有效性高 但抗噪性能低 为了 改善通信系统的可靠性 提出了非线性调制 包括频率调制和相位调制 它们具有较高的抗造性能 是目前通信系统的主要调制方式 本次设计应用了 multisim 软件 Multisim 是加拿大 Interactive Image Technologies 公司推 出的 Windows 环境下的电路仿真软件 是广泛应用的 EWB Electronics Workbench 电子工作台 的 升级版 不仅可以完成电路瞬态分析和稳态分析 时域和频域分析 噪声分析和直流分析等基本功 能 而且还提供了离散傅里叶分析 电路零极点分析 交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分 析方法 并具有故障模拟和数据储存等功能 工程概况工程概况 调制就是对信号源的信息进行处理 使其变为适合于信道传输的形式的过程 一般来说 信号 源的信息 也称为信源 含有直流分量和频率较低的频率分量 称为基带信号 基带信号往往不能 作为传输信号 因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道 传输 这个信号叫做已调信号 而基带信号叫做调制信号 调制是通过改变高频载波的幅度 相位 或者频率 使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的 而解调则是将基带信号从载波中提取出 来以便预定的接收者 也称为信宿 处理和理解的过程 调制在整个通信过程中是最基本 最重要的一个处理信号方法 在通信系统中 对模拟基带信 号进行调制的目的就是为了让多个基带信号经过调制后在有线信道上同时传输 同时也适合于在无 线信道中实现频带信号的传输 并且还能增强信号的抗噪声能力 因此 调制的意义可概括为减小 干扰 提高系统抗干扰能力 同时还可实现传输带宽与信噪比之间的互换 相位调制电路是使受调波的相位随调制信号而变化的电路 调相波与调频波的差别是调 相波的瞬时相位的变化与调制信号成线性关系 调频波的瞬时频率与调制信号成线性关 系 正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制 简称调相 PM 正弦波调相器分 直接调相和间接调相两类 前一种方法利用调制信号直接改变谐振回路的参数 使载波 受调波 信号通过回路时产生相移而形成调相波 现介绍这么一种简易的相位调制电路 该电路的 调制信号 由 RC 桥式震荡电路 产生 经放大后和载波 信号经相位调制器后 输 出调相波 输出的调相波经前置 放大后再经过功率放大 最后通过匹配网络匹配后 就可产生用 于天线发送的调相波 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 2 页 共 9 页 正文正文 3 1 设计目的 1 学习信号的调制基本原理 2 掌握信号的调制相关的电路的组成 3 掌握用仿真软件仿真出实验电路图 4 掌握利用调角实现调相的工作原理 3 2 设计的内容 3 2 1 调相信号原理分析 1 产生调相信号的电路叫做调相器 对他有 4 个主要的要求 已调波的瞬时初相位与调制信号成比例变化 未调制时的载波频率即已调波的中心频率具有一定的稳定度 最大相偏与调制频率无关 无寄生调幅或寄生调幅尽量小 2 产生调相的方法主要归纳为两类 1 用调制信号直接控制载波的瞬时相偏 直接调相 2 先将调制信号微分 然后对载波进行调频 结果得到调相波 间接调相 3 变容二极管调相的主要优点是能够获得较大的相移 线路简单 并且几乎不需要调制功率 其主 要缺点是中心频率的稳定度低 在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路 因此本次课程设计采用变容二极管进行直接调 相电路设计 根据调相波定义 载波信号的瞬时相位随调制信号 线性变化 即 1 tUKtt mPcp cos 式中 为与调相电路有关的比例常数 单位是 rad v p K 令 tUKt mPp cos 则表示瞬时相位中与调制信号成线性变化的部分 称为瞬时相位的相位偏移量 简称相移 用 表示最大相移 则 2 p m max tukm pp 称为调相波的调相指数 根据瞬时频率和瞬时相位之间的关系可知 对式两边求导 可得调相 p m 波的瞬时频率 3 p cp dt dut tk dtdt 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 3 页 共 9 页 调相波数学表达式为 4 将单音频调制信号分别代入式 1 2 3 和 4 式中得调相波相关参数如下 相移表达式 tmtUKt pmPp coscos 角频偏表达式 tmt Pp sin 数学表达式 coscos tmtUu pccmpm 3 2 2 调角信号频谱及频带宽度 1 调相波和调频波的频谱 以调频信号的数学表达式说明调角信号的频谱结构特点 sincos tmtUu fccmFM 将上式展开为傅立叶级数 省略级数展开时所涉及的数学推导 可得到调频波的展开式 tnmJUtu cfncmFM cos 单频调制情况下 调频波和调相波课分解为再拼和无穷多上下边频分量之和 各频率分量之间 的距离均等于调制频率 且奇数次的上下边频相位相反 包括载频分量在内的各频率分量的振幅均 由贝塞尔函数 Jn Mf 决定 不论 Mf 为何值 随着阶数 n 的增大 边频分量的振幅总的趋势是减 小的 Mf 越大 具有的较大振幅的边频分量就越多 对与某些 Mf 值 载频或某些边频分量的振幅 为零 可以测量调频波和调相波的调制指数 对于调制信号为包含多频率分量的多频率调制情况 调频波和调相波的频谱结构将更复杂 这 时不但存在调制信号各频率分量的各阶与载频的组合 还存在调制信号各频率分量间相互组合与载 频之间产生的无穷多个组合形成的边频分量 2 有效频带宽度 所谓窄带调频是指最大频偏小于基带频率 所谓宽带调频是指最大频偏大于基带频率 基于调频波频谱结构的特点 调角信号的有效频谱宽度 可由卡森 Carson 公式给出 调相波频带 FmBW pCR 1 2 可见 调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数 m 有关 m 越大 有效频带越宽 但 是 对于同一个调制信号对载波进行调频和调相时 两者的频带宽度因 Mf 和 Mp 的不同而互不相同 3 2 3 调相和调频的联系和方法 根据调频波的数学表达式 cos cos 0 dttuktUttUu t fccmfccmFM 和调相波的数学表达式 cos cos tuktUttUu pccmpccmFM cos pMcmcp uUtt cos cmcp Utk u t 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 4 页 共 9 页 可以看出 FM 和 PM 两者之间的关系 即调频波可以看成调制信号为 V t dt 的调相波 而调 相波则可以看成调制信号为 dv t dt 的调频波 根据分析可知 当调制信号频率 F 发生变化时 调频波的调制指数 Mf 与 F 成反比变化 其频 带宽度基本不变 故称恒带调制 而当调制信号频率 F 变化时 调相波的调制指数 Mp 与 F 无关 其频带宽度随调制频率 F 变化 3 2 4 直接调频法原理 变容二极管是利用半导体 PN 结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管 它是一种电压控制可变电抗元件 它的结电容 Cj与反向电压 VR存在如下关系 1 9 1 0 D R j j V v C C 式中 VD为 PN 结的势垒电压 内建电势差 Cj0为 VR为 0 时的结电容 为系数 它的值随半 导体的掺杂浓度和 PN 结的结构不同而异 对于缓变结 1 3 突变结 1 2 对于超突变结 1 4 最大可达 6 以上 图 1 1 变容二极管的 Cj v 特性曲线 变容二极管的 Cj v 特性曲线如图 1 1 所示 加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压 V0和调制信号电压 V t V cos t 即 tVVtvR cos 0 结电容在 vR t 的控制下随时间的变化而变化 把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的 振荡回路 则振荡回路的频率已收到调制信号的控制 适当选择调频二极管的特性和工作状态 这 样就实现了角度调制 设电路工作在线性调制状态 在静态工作点 Q 处 曲线的斜率为 VCk C 调制灵敏度 单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度 以 Sf表示 单位为 kHz V 即 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 5 页 共 9 页 m m V f Sf V m为调制信号的幅度 fm为变容管的结电容变化 Cj时引起的最大频偏 因为回路总电容 的变化量为 j 2 CpC 在频偏较小时 fm与 C 的关系可采用下面近似公式 即 Qo m 2 1 C C f f 所以 p f Cj f 调制灵敏度 mQ f V C C f S 2 0 式中 C 为回路总电容的变化量 CQ 为静态时谐振回路的总电容 即 QC QC Q CC CC CC 1 所以 C1 Sf f 调制灵敏度 Sf可以由变容二极管 Cj v 特性曲线上 VQ 处的斜率 kc 计算 Sf越大 说明调制信 号的控制作用越强 产生的频偏越大 改变 CC的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态 变容二极管直接调频原理图 变容二极管 Varactor Diodes 为特殊二极管的一种 当外加顺向偏压时 有大量电流产生 PN 正负极 接面的耗尽区变窄 电容变大 产生扩散电容效应 当外加反向偏压时 则会产生过 渡电容效应 但因加顺向偏压时会有漏电流的产生 所以在应用上均供给反向偏压 变容二极管的作用变容二极管是利用 PN 结之间电容可变的原理制成的半导体器件 在高频调 谐 通信等电路中作可变电容器使用 变容二极管属于反偏压二极管 改变其 PN 结上的反向偏压 即可改变 PN 结电容量 反向偏压 越高 结电容则越少 反向偏压与结电容之间的关系是非线性的 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 6 页 共 9 页 3 2 5 间接调频法原理 间接调频的优点是载波频率比较稳定 但电路较复杂 频移小 且寄生调幅较大 通常需多次 倍频使频移增加 对调频器的基本要求是调频频移大 调频特性好 寄生调幅小 调频器广泛用于 调频广播 电视伴音 微波通信 锁相电路和扫频仪等电子设备间接调频原理调频波的数学表示式 在调制信号为时 为 tu cos 0 t fccmFM dttuktUtu 可见调频波的相位偏移为 即与调制信号的积分成正比 t f dttuk 0 tu 若将调制信号先通过积分器得 然后再通过调相器进行调相 即可得到调制信号为 t dttu 0 的调相波 即 t dttu 0 调频可以通过调相间接实现 通常将这样的调频方式称为间接调 cos 0 t fccm dttuktUtu 频 其原理方框图如下图所示 间接调频原理方框图 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 7 页 共 9 页 3 2 6 调制电路 R3 4 7k C6 100nF L2 470nH C5 100nF R1 15k R4 10k R5 150k 0 0 3 4 2 C4 1uF C1 3 3nF C3 470nF C2 3 3nF D1 ZC830A 8 L1 10uH 9 5 XSC1 A B Ext Trig VCC 12V VCC R2 20k Key A 50 XFG2 0 1 10 0 XFG1 6 0 设计的总电路图 图中 XFG1 为载波信号输入端 XFG2 为调制信号输入端 该电路是利用电感 L 和变容二极管 组成的谐振回路的谐振频率 随变容二极管结电容变化而变化来实现调相的 图中 电容 C1 C2 对 载波频率相当于短路 C1 C2 是耦合电容 电容 C2 的作用是保证变容二极管加上反向偏置直流电压 而对于载波相当于短路 R5 为隔离电阻 经电容 C2 在 OUT 端 示波器 输出的电压为 V 产生调相信号的电路叫频率调制器 简称调相器 调试过程中发现电阻对调相的影响较小 实验的结果图形为 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 8 页 共 9 页 3 2 7 系统的测试及误差分析 1 设计的参数测试 为了提供晶体管合适稳定的静态工作点和初步实现电路功能 设置测试数据 R1 15K R3 4 7K R4 10K R5 150K R2 为变阻器 电感 L1 10 H L2 470nH 电容 C1 C2 3 3nF C3 470nF C4 1 F C5 C6 100nF 2 误差分析和改善措施 电路可能会没有达到稳定的静态工作点 致使电路调制信号时产生失真或者产生额外的噪声 干扰调制信号 可能是因为原电路偏置电阻过大导致 总结总结 本次课程设计 做得可是费了九牛二虎之力 不过值得庆幸的是 仿真运行结果出来了 并且 和预期所想基本符合 下面 我就简单说说在仿真过程中遇到的问题 刚开始是 由于对软件的功能 特别是元件库不熟悉 因此 我花了一段时间学习如何相软件 库中添加元件库 当一幅完整的电路图连接好 开始仿真时 问题开始出现了 最初 参数设置得 不对 仿真结果为标准的正弦波 我通过查阅资料 网上求助 终于知道错误的所在 修改之后 仿真输出的波形幅度发生了变化 这显然不符合调相波的性质 恒包络 当时 我只知是元器件 参数设置出了问题 但具体是哪一个 我并不知道 没办法 只得一个一个修改 通过修改 我大 致可总结出如下规律 电阻阻值的变化不会对仿真结果造成太大的影响 相反地 电感感值越小 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 9 页 共 9 页 对波形输出的衰减也越快 反之 衰减越慢 对于电容 亦是如此 于是 经过多次调试 找出输 出最佳的一组波形作为最终仿真输出波形 调试的确是一个艰巨的任务 它不但要求有较深厚 扎实的理论基础 而且还需对软件的应用 相当熟悉 因此 通过这次课程设计 我觉得我们所具备的知识太乱了 太肤浅了 很难用于工程 实践 另外 对于每一个细小的问题 如果我们不闻不问 则会影响到整个工作的进展 甚至会导 致我们所做的无一用处 功亏一篑 还有 对我们专业的本科生来说 实际能力的培养至关重要 而这种实际能力的培养单靠课堂 教学是远远不够的 必须从课堂走向实践 这也是一次预演和准备毕业设计工作 通过课程设计 让我们找出自身状况与实际需要的差距 并在以后的学习期间及时补充相关知识 为求职与正式工 作做好充分的知识 能力准备 从而缩短从校园走向社会的心理转型期 在两个星期的课程设计之 后 我觉得不仅实际动手能力有所提高 更重要的是懂得设计流程 从开始设计思路 到实现 到 纠正完善