通信电子线路课程设计报告

通信电子线路课程设计FM解调器设计 通信电子线路课程设计报告课程名称通信电子线路课程设计报告指导教师林立新学 院信息科学与工程学院专业班级通信工程1301班姓 名学 号 一、课程设计任务21.1 课程设计目的21.2 课程设计基本要求21.3 课程设计的主要内容21.4 课程设计题目及要求3一、 FM解调方案选定与原理分析32.1 解调方案选定32.2 锁相环工作原理42.3 锁相环解调原理5二、 单位模块设计63.1 混频电路设计63.2 解调电路的设计8四、 电路仿真及参数设置84.1 混频电路的仿真调试94.2 解调电路的仿真调试124.3 系统整体的仿真调试17五、系统性能分析185.1 混频部分滤波电路性能分析185.2 解调部分滤波电路性能分析205.3 解调输出误差分析21六、心得体会22七、参考文献22摘要通信工程专业的培养目标是具备通信技术的基本理论和应用技术，能从事电子、信息、通信等领域的工作。鉴于我校充分培养学生实践能力的办学宗旨，对本专业学生的培养要进行工程素质培养、拓宽专业口径、注重基础和发展潜力。特别是培养学生的创新能力，以实现技术为主线多进行实验技能的培养。通过通信电子线路课程设计这一重要环节，可以将本专业的主干课程通信电子线路从理论学习到实践应用，对通信电子线路技术有较深的了解，进一步增强学生动手能力和适应实际工作的能力。通信电子线路课程主要是采用计算机仿真软件Multisim，以仿真电路的形式从通信系统和整机出发来分析各功能模块的原理、组成和作用。通信电子线路的课程内容是以模拟通信电子电路为主，按照线性电路、非线性电路以及频率变换电路来组织整个知识构架。因此在进行通信电子线路之前需要在掌握电子线路分析的基本知识、串并联谐振回路以及非线性电路分析方法的基础上，学习高频小信号谐振放大器、谐振功率放大器、正弦波振荡器以及通信系统收发设备中的各种频率变换电路知识。线性频率变换电路含混频、振幅调制与解调，非线性频率变换电路含角度调制与解调。本次的课程设计内容主要是针对FM的解调，涉及到模拟乘法器以及锁相环等元器件，因为频率变换前后频谱结构发生变化，所以属于非线性变换。Multisim仿真软件可以交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程，本次课程设计使用Multisim节约设备成本，同时也避免了因为元器件的损坏电路无法正常运行的困扰，使电路设计流程更加简洁，方便清楚的获取到各段线路的数据波形。关键词：通信电子线路 Multisim 课程设计 FM解调1、 课程设计任务1.1 课程设计目的通过本次通信电子线路课程设计，使学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料方案比较，以及设计、计算等环节。进一步提高分析、解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。1.2 课程设计基本要求1、培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。2、通过实际电路方案的分析比较，设计计算元件选取安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。3、掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。4、了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。5、培养严谨的工作作风和科学态度，使学生逐步建立正确的生产观点，经济观点和全局观点。1.3 课程设计的主要内容1、串、并联谐振回路及耦合回路的设计与实现，主要包括串、并联谐振回路的串、并联阻抗，谐振回线，品质因素，反射阻抗，耦合回路的分析与设计。2、高频小信号调谐放大器的设计与实现，主要包括调谐放大器的调试及放大倍数、谐振频率，通频带的分析与设计。3、正弦波高频振荡器的设计与实现，通过课程设计深入了解振荡器工作状态，反馈系数、品质因素等对振荡器的影响，掌握振荡器的设计、制作。4、高频谐振功率放大器的设计与实现，掌握实验线路分析，谐振功放电路的组成，馈电形式，谐振功放的调谐特性，负载特性，激励电压及电源电压对工作状态的影响及功率增益的分析与设计。5、混频器、调制器及鉴频器的设计与实现，主要包括二极管平衡调制器，差分对调制器组成的调制器、变频器及鉴频电路的分析与设计，掌握输出频谱的分析。6、变容二极管调频电路的设计与实现，主要包括LC变容二极管调频振荡器实验电路的设计、制作。7、调幅波、调频发射系统的设计与实现，主要包括调幅发射、调频发射实验电路的构成，调幅、调频波的产生，发射回路的设计、制作。1.4 课程设计题目及要求 FM解调器设计 设计要求：用集成单片锁相环芯片（例如NE564）设计一个FM解调电路，输入FM信号为中心频率为10.7MHz 、调制信号为1KHz、中频频率为455 KHz。1、 FM解调方案选定与原理分析2.1 解调方案选定1、FM解调概述FM：Frequency Modulation 调频，FM是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式。调整让电磁波的频率随着声波的振幅强弱而改变（频率随时间改变）。调频波的解调简称鉴频，对调频波而言，调制信息包含在已调信号瞬时频率的变化中，所以解调的任务就是把已调信号瞬时频率的变化不失真地转变成电压变化，即实现“频率电压”转换，完成这一功能的电路，称为频率解调器，简称鉴频器。2、实现鉴频的方法1）利用波形变换进行鉴频； 2）相移乘法鉴频；3）脉冲计数式鉴频器；4）利用锁相环路实现鉴频在本次课程设计中要求用集成的锁相环芯片对FM已调信号进行解调，所以这里就只讨论第四次方法：利用锁相环路实现鉴频。2.2 锁相环工作原理锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。 在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地 80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。锁相 环路是一个相位反馈自动控制系统。它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。 锁相环的工作原理：1）压控振荡器的输出经过采集并分频；2）和基准信号同时输入鉴相器；3）鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；4）控制VCO，使它的频率改变；5）这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。图1 锁环原理框图 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率进行自由振荡。当有频率为的参考信号输入时， 和同时加到鉴相器进行鉴相。如果和相差不大，鉴相器对和进行鉴相的结果，输出一个与和的相位差成正比的误差电压，再经过环路滤波器滤去中的高频成分，输出一个控制电压，将使压控振荡器的频率（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。2.3 锁相环解调原理解调输出调频信号图2 锁相环解调原理框图当环路锁定时，控制电压把VCO频率的平均值调整到与输入信号频率的平均值完全一样。对于输入信号的一个周期，振荡器仅输出一个周期。锁相并非意味着零相位误差；恒定的相位误差和起伏的相位误差都可能存在于锁相环中。过大的相位误差会导致失锁。当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。模拟锁相环NE564芯片就可用来设计FM解调电路。2、 单位模块设计由于本次课程设计题目要求用集成的锁相环芯片来进行解调，而且要求中频为455KHz，因为接收信号的载频为10.7MHz，所以就必须要有一个混频的过程来得到题目所要求的中频。然后再对455kHz进行解调，因此，整个FM解调系统大体可分为两个模块，一个是混频电路得到中频，另一个是解调电路。下面以每个单位模块的设计来论述整个系统的设计。3.1 混频电路设计1、混频器的原理混频就是对某信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定的频率上（常称为中频），而元信号的特征（如调幅规律）不变。混频是一个频谱搬移电路，混频前后，信号的频谱结构并不发生变化。混频器的电路组成如图所示： 图3 混频电路的原理框图混频的优点：1）变频可提高接收机的灵敏度2）提高接收机的选择性3）工作稳定性好4）波段工作时其质量指标一致性好混频器的分类：1） 二极管混频器2） 三极管混频器3） 模拟乘法器混频器4） 场效应管混频器本次的混频电路设计选择模拟乘法器，具体原理图如下：图4 模拟乘法器混频器的数学模型框图 采用中心频率不同的带通滤波器或则可完成低中频混频或高中频混频。接收信号载频为10.7MHz，要得到455KHz的中频，用一个模拟乘法器将接收信号和一个10.245MHz的正弦信号相乘，由傅里叶变换性质可知道，会得到两个信号和频还有差频的输出，然后再经过合适的滤波器之后就可以得到455KHz的中频FM已调信号。输出图5 混频电路的设计框图3.2 解调电路的设计题目要求解调部分要用到集成锁相环NE564，而Multisim这个软件中没有提供NE564，但提供了虚拟锁相环这个元器件。所以可以用虚拟锁相环来代替NE564。解调电路框图如下：图6 虚拟锁相环的原理框图当环路锁定时，控制电压把VCO频率的平均值调整到与输入信号频率的平均值完全一样。对于输入信号的一个周期，振荡器仅输出一个周期。锁相并非意味着零相位误差；恒定的相位误差和起伏的相位误差都可能存在于锁相环中。过大的相位误差会导致失锁。当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。4、 电路仿真及参数设置根据混频电路和解调电路的原理能够把整个FM解调系统设计出来，但是具体的参数设置以及滤波器的设计涉及到整个解调系统的性能和解调效果。电路仿真和参数设置整个课程设计的核心。在这个阶段中，可能会遇到各种问题，而在遇到问题的时候就需要我们首先要掌握足够的专业知识，还有要善于分析，能够快速的找到产生各种问题的原因，进而找到解决方法，充分掌握Multisim的各种运用。4.1 混频电路的仿真调试功能：根据课设题目要求输入FM信号为中心频率为10.7MHz 、调制信号为1KHz、中频频率为455 KHz，因此需要混频电路得到所需的455KHz。由模拟乘法器和滤波器构成：图7 混频电路的设计图对比混频电路的输出455KHz和由455KHz为载频直接调制的FM信号用示波器进行对比：图8 混频电路和直接由455KHz载频调制的FM信号的波形对比图仅从两个波形的对比图看，基本混频结果是正确的，但后来经过解调部分电路之路发现不能正确解调出所需信号，因此此混频电路存在问题。经过使用Multisim的傅里叶分析功能，傅立叶分析直接由455KHz载频调制的FM信号和用模拟乘法器相乘之后信号的频谱，如下图所示。图9 直接由455KHz载频调制的FM信号频谱图10 10.7MHz接收信号与10.245MHz本地振荡相乘后的频谱图结论：对比观察这两个信号的频谱图可明显看到，这两个信号在700KHz的频谱基本是一样的，从图8看到其主要的频率分量集中在300600KHz之间，而对于图9在900KHz的地方有一个幅度比较大的分量，而且是800KHz的频率处的幅度比图8大，所以滤波电路可以用一个低通滤波器，其截止频率设置为700KHz。低通滤波器如下：图11 一阶低通滤波器的设计电路参数计算： 取，可得到经过一个截止频率为700KHz的一阶低通滤波器后，再用傅里叶分析来分析输出信号的频谱：图12 经过一阶低通滤波器后的频谱结论：由图12可观察，700KHz以上的频率分量的幅度虽然有所衰减，但跟图9相比，衰减得还不够，因此尝试用一个二阶低通滤波器，但在接下来的仿真中，发现二阶低通滤波器的衰减还是不够，这里就不具体给出经过二阶滤波器后的频谱图。这里直接给出经过一个三阶低通滤波器和一个带通滤波器的设计：图13 三阶低通滤波器和带通滤波器的组合电路设计参数计算：低通滤波器的参数上面已说明，不再赘述，三阶低通滤波器后面是一个由低通滤波器和一个高通滤波器组成的带通滤波器。带通滤波器上限截止频率：，取，可算得。带通滤波器上限截止频率：，取，可算得。傅里叶分析经过一个三阶低通滤波器和一个带通滤波器后的信号的频谱。图14 经过三阶低通滤波器和带通滤波器后的频谱结论：通过观察图14和9，可以看出，经过三阶低通滤波器和带通滤波器之后的信号的频谱图和用455KHz直接解频的信号的频谱图是基本一样的，这样混频部分的电路就设计可认为基本正确。如下是完整的混频部分电路图：图15 完整的混频电路部分4.2 解调电路的仿真调试为了保证能够正确解调FM信号，采用用的不是经过混频后得到的中频信号，可以采用对比以455KHz为载频直接调制的FM已调信号的解调结果，在确认解调电路能够正常准确的工作后，再把混频得到的中频信号做为输入。最后在对滤波电路的参数进行设置。图16 以455KHz为载频直接调制的FM的解调信号PLL_VIRTUAL（虚拟锁相环）的参数设置：图17 PLL_VIRTUAL（虚拟锁相环）的参数设置VCO Free Running Frequency:压控振荡器自由运行频率455KHz，设置与输入信号的载频一样，有利于使输入信号的全部频率分量都能进入锁相环的捕捉带。Low Pass Filter Cutoff Frequency:低通滤波器截止频率2KHz，因为要输出1KHz的解调信号，所以这里可以设为2KHz。VCO Output Amplitude:压控振荡器输出幅度1V，压控振荡器输出幅度的设置对结果没有影响。通过示波器来观察初步解调结果的波形：图18 初步解调电路的输出结果结论：如图所示，得到了包络为1KHz的解调信号，但边缘锯齿毛刺很多，这是因为输出信号中还含有很多的高频分量，这是因为虚拟锁相环里面的环路滤波器的滤波效果并不是很好，为了得到更好的输出，所以要在虚拟锁相环的环路滤波器的输出端再添加滤波器。而关于滤波器参数的设置，我们也可以按照上面的方法，先用傅里叶分析虚拟锁相环的环路滤波器的输出信号的频谱。其结果如下：图19 虚拟锁相环的环路滤波器的输出信号的频谱结论：由图可以看出，输出信号在1100KHz频率上都有分量，因此在这里设计的一个低通滤波器，其截止频率为1.2KHz，关于具体电容电阻的选值不再赘述，参照上面的方法即可。电路图如下：图20 完整的解调电路的设计通过示波器观察解调后的波形，如下图所示：图21 以455KHz为载频直接调制的FM的解调信号的最终解调波形将以455KHz为载频直接调制的FM的解调信号经过傅立叶分析，如图所示：图22 以455KHz为载频直接调制的FM的解调信号的频谱图结论：由图可知，输出信号基本是只含有1KHz频率分量的，通过这两个图也可以证明以上的解调电路是能够准确地解调出1KHz的解调信号的。说明解调电路的基本正确。通过以455KHz为载频直接调制的FM信号对解调电路的验证，说明解调电路设计正确，可以将经过混频后得到的455KHz中频信号接到设计好的解调电路上，通过示波器观察解调波形，如下图所示：图23 混频后的455KHz经加滤波器后的锁相环解调输出波形最后分析混频后的455KHz经加滤波器后的锁相环解调输出信号的频谱，如下图所示：图24 混频后的455KHz经加滤波器后的锁相环解调输出信号的频谱图结论：图24与图22对比基本一致，说明正确解调出FM信号。4.3 系统整体的仿真调试在各个子电路都设计跟调试好之后就是把各个子电路整合起来，进行系统的整体仿真与调试。如下图为整体电路图：图25 系统整体电路图 图26 最后输出波形 图27 最后输出波形频谱结论：根据对比以455KHz为载频直接调制的FM的解调信号输出波形和频谱图，并且正确解调出1KHz的原信号。五、系统性能分析5.1 混频部分滤波电路性能分析图28 混频部分一阶低通滤波器如图28是一个一阶低通滤波器，其理论截止频率为700KHz，Multisim提供了一个交流分析仿真功能，利用这个交流分析功能，可以得出网络的幅频特性曲线，而上面一阶低通滤波器的幅频特性如下：图29 一阶低通滤波器的幅频特性图29是用交流分析仿真功能得出的一阶低通滤波器的幅频特性。其中纵轴的单位为十进制单位。可以看出，一阶低通滤波器对阻带的衰减并不是很大。图30 一阶低通滤波器的波特图图30是用Multisim中的波特仪来分析一阶低通滤波器的特性的结果，其中纵轴是以对数为单位的。竖线代表衰减为-2.901想对应的频率为705.175KHz。接着分析由三个一阶低通滤波器组成的三阶低通滤波器，如下图所示：图31 三阶低通滤波器的电路设计用交流分析仿真功能和波特仪来分析上述三阶低通滤波器的幅频特性如下：图32 三阶低通滤波器的幅频特性 图33 一阶低通滤波器的波特图由图32和图33可以看出，三阶低通滤波器虽然对高频分量有较好的衰减效果，但对低频分量也会有一定的衰减，为了补偿对低频分量的衰减，还得再加一个带通滤波器。这就得到了混频部分完整的滤波电路，其幅频特性如下：图34 三阶低通滤波器+带通滤波器的幅频特性5.2 解调部分滤波电路性能分析解调部分滤波电路的幅频特性如下图所示：图35 解调部分滤波电路幅频特性结论：由图35可知，在1.028KHz片的衰减为-8.082db。5.3 解调输出误差分析用频率计观察输出频率如下图结果：图36 输出频率由图36可知，由此可以计算出输出频率的绝对误