高频电路仿真实验指导.总结

信息工程与自动化学院通信工程系 高频电路实验指导书信息工程与自动化学院高频电路实验指导书（MATLAB系统仿真部分）编写：陈家福2010年9月8日目 录实验一、MATLAB仿真基本操作综合实验实验二、AM调制与解调实验实验三、DSB调制与解调实验实验四、SSB调制与解调实验实验五、FM调制与解调实验实验六、混频器（变频器）仿真实验实验七、PLL锁相环仿真实验实验八、基于PLL的频率合成器仿真实验编写说明随着电子技术领域中信息化、数字化进程的快速发展和计算机技术的普适应用，传统硬件实验的局限性和众多缺点已经开始突显出来，过去靠硬件完成的电路功能，现在大部都可由软件来实现了。虚拟仪器和软件无线电已经正在取代传统硬件设备。现在，只要能用数学描述的任何事件、过程、信号和功能电路，都可以通过传感转换技术、DSP技术和计算机技术来实现。计算机仿真就是实现这个过程的不可缺失的重要的前期阶段。特别是需要配置贵重仪器或大量仪器参与的各种系统性实验，用传统方法操作的复杂程度高、成本也高，在规模化办学条件下几乎不可能满足实际需要。这种情况下计算机仿真实验的优越性就显现出来了，像是任意多踪数字存储示波、频谱分析、逻辑分析和复杂系统分析实验等，几乎必须由计算机仿真来完成。计算机仿真技术的应用能力已经成为高级工程技术人员必须具备的重要的工程素质之一。综上所述，适当引入计算机仿真实验，已经成为高校实践教学环节的重要补充。为此，我们在高频电子线路（或称通信电子线路、也称非线性电子线路）的实验教学中进行尝试，选择了一些对实验仪器设备硬件配置要求较高的一定数量的与高频电路相关的仿真实验。由于经验缺乏，若有不足，敬请各位师生指教。 通信工程实验室 陈家福 2011年10月实验一、MATLAB仿真基本操作综合实验一、实验目的：认识学习基于MATLAB仿真的M文件程序实现与Simulink仿真工具箱仿真模块调用实现的两种基本方法； 通过实验学习掌握各类仿真仪器设备的参数设置和操作使用方法。（一） 信号及其运算的MATLAB实现注意：以M文件方式，通过调用MATLAB相关函数编程进行实验时，命令和程序的输入一定要在纯英文状态下，否则输入的命令将会发生错误，程序无法执行。我们可通过MATLAB仿真工作窗中的编辑器功能来发现和纠正各类错误。1.1连续信号的MATLAB实现MATLAB提供了大量用以生成基本信号的函数，比如最常用的指数信号、正弦信号和三角波信号等就可通过MATLAB的内部函数命令来实现，不需要借助任何工具箱就可调用的函数。例如MATLAB的部分波形或图形函数，详见表一中所示： 表一、部分波形函数函数产生的波形Sin正弦波Cos余弦波Square方波Saw tooth锯齿波Rectpuls非周期方波Tripuls非周期三角波Pulstran脉冲序列 表二、部分图形函数函数图形figure生成图框axis设置坐标轴text在图上标记文字plot画图title添加图名grid网格线xlabel给x轴添加文本标记ylabel给y轴添加文本标记1 指数信号指数信号在MATLAB中可用exp函数表示，其调用形式为：y=A*exp(a*t)例如图1-1所示指数衰减信号的MATLAB源程序如下（取A=1，-0.4）:%program1-1Decaying exponential signalA=1;a=-0.4;t=0:0.01:10; ft=A*exp(a*t);plot(t,ft);grid on;2 正弦信号正弦信号Acos(*t+)和Asin(+)分别用MATLAB的内部函数cos和sin表示，其调用形式为： A*cos(*t+phi) A*sin(*t+phi)例如图1-2所示正弦信号的MATLAB源程序如下（取A=1，=2，=/6）：%program1-2SinusoidalA=1;w0=2*pi; phi=pi/6;t=0:0.001:8;ft=A*sin(w0*t+phi);plot(t,ft);grid on; 图1-1 单边指数衰减信号 图1-2 正弦信号除了内部函数外，在信号处理工具箱（Signal Prossing Toolbox）中还提供了诸如取样函数、矩形波、三角波、周期性矩形波和周期性三角波等在信号处理中常用的信号。3 取样函数取样函数Sa(t)在MATLAB中用sinc函数表示，其定义为： Sinc(t)=sin(t)/(t)其调用形式为： Y=sinc(t)例如图1-3所示取样函数的MATLAB源程序如下： %program1-3Sample function t=-3*pi:pi/100:3*pi; ft=sinc(t/pi); plot(t,ft);grid on;图1-3 取样函数 图1-4矩形波信号4 矩形脉冲信号矩形脉冲信号在MATLAB中用rectpuls函数来表示，其调用形式为： y=rectpuls(t,width)用以产生一个幅值为1、宽度为width、相对于t=0点左右对称的矩形波信号。该函数的横坐标范围由向量t决定，是以t=0为中心向左右各展开width/2的范围。Width的默认值为1。例如图1-4所示以t=2T(即t-2T=0)为对称中心的矩形脉冲信号的MATLAB源程序如下（取T=1）： %program1-4Rectangular pulse signal t=0:0.001:4; T=1; ft=rectpuls(t-2*T,2*T); plot(t,ft);grid on;axis(0 4 -0.5 1.5);周期性矩形波（方波）信号在NATLAB中用square函数来表示，其调用形式为： y=square(t,DUTY)用以产生一个周期为2、幅值为1的周期性方波信号，其中的DUTY参数表示占空比（dutycycle）,即在信号的一个周期中正值所占的百分比。例如图1-5所示实现频率为30Hz的周期性方波信号的MATLAB源程序如下： %program1-5Periodis rectangular pulse signal t=-0.0625:0.0001:0.0625; y=square(2*pi*30*t,50);%DUTY=50(percent) plot(t,y);axis(-0.0625 0.0625 -1.5 1.5);grid on图1-5周期性方波信号5 三角波脉冲信号三角波脉冲信号在MATLAB中用tripuls函数来表示，其调用形式为: y=tripuls(t,width,skew)用以产生一个最大幅度为1、宽度为 width、斜度为 skew的三角波信号。该函数的横坐标范围由向量t决定，是以t=0为中心向左右各展开width/2的范围。斜度skew是一个介于-1和1之间的值，它表示最大幅度1出现在t=(width/2)skew的横坐标位置。如图1-6所示三角波信号的MATLAB源程序如下： %program1-6Triangular pulse signal t=-3:0.001:3; ft=5*tripuls(t,4,0.5); plot(t,ft);grid on;axis(-3 3 -0.5 5); 图1-6三角波信号周期性三角波信号在MATLAB中用sawtooth函数来表示，其调用形式为： y=sawtooth(t,WIDTH)用以产生一个周期为2、最大幅度为1、最小幅度为-1的周期性三角波（锯齿波）信号，其中的WIDTH参数表示最大幅度出现的位置：在一个周期内，信号从t=0到WIDTH2时函数值是从-1到1线性增加的，而从WIDTH2到2时函数值又是从1到-1线性递减的；在其他周期内依次类推。例如图1-7所示的周期性三角波信号的MATLAB源程序如下： %program1-7periodic triangular pulse signal t=-5*pi:pi/10:5*pi; x=sawtooth(t,0.5); %锯齿波（或三角波） plot(t,x);axis(-16 16 -1.5 1.5);grid on; 图1.7 周期性三角信号6 一般周期性脉冲信号一般周期性脉冲信号在MATLAB中用pulstran函数表示，其调用形式为： y=pulstran(t,d,func)该函数基于一个名为func的连续函数并以之为一个周期，从而产生一串周期性的连续函数（func函数可自定义）。该pulstran函数的横坐标范围由向量t指定，而向量d用于指定周期性的偏移量（即各个周期的中心点），这样这个func函数会被计算length(d)次，并且整个pulstran函数的返回值实际上就相当于： y=func(t-d(1)+func(t-d(2)+从而实现一个周期性脉冲信号的产生。函数pulstran的更一般调用形式为： y=pulstran(t,d,func,p1,p2,)其中的p1,p2,为需要传送给func函数的额外输入参数值（除了变量t之外），如上述的rectuuls函数需要width这个额外参数,tripuls函数需要width和skew这两个额外参数，即整个pulstran函数的返回值实际上相当于： y=func(t-d(1),p1,p2,)+func(t-d(2),p1,p2,)+ 例如图1-8所示周期性矩形脉冲信号和周期性三角波信号的MATLAB源程序如下：%program1-8Periodic pulse generatort=0:1e-3:1; %1kHz sample freq for 1secd=0:1/4:1; %4Hz repetition freqy=pulstran(t,d,rectpuls,0.1); %脉冲系列定义为周期性矩形波figure(1);plot(t,y);grid on;axis(0,1,-0.1,1.1); %生成图形、设置栅格与坐标t=0: 1e-3:1; %1kHz sample freq for 1secd=0:1/3:1; %3Hz repetition freqy=pulstran(t,d, tripuls,0.2); %脉冲系列定义为周期性三角波figure(2); plot(t,y);grid on; axis(0,1,-0.1,1.1); 图1-8 周期性矩形脉冲和三角波脉冲信号（二）Simulink仿真工具箱模块的调用与实验仪器设备的操作使用1、常用工具模块的寻找路径SimulinkSimulinkContinuousSimulinkMath OperationSignal Processing Block set SinksDiscrete Communications Block setSimulinkSinksComm- FilterSources 2、仿真仪器的操作使用练习【实验目的】学习、掌握各类MATLAB仿真仪器设备、信号源、示波器与频谱仪等的使用方法。用仿真技术对某个给定信号波形进行时域观测和频谱分析，学习Simulink虚拟频谱仪的使用方法，深入理解时域和频域的概念。操作练习一：从仿真工具箱中调出一个信号产生器和一个示波器，学习用示波器观测信号产生器输出的不同信号的波形，学习相关参数设置的方法。操作练习二：频谱仪的使用周期信号是定义在（-，）区间，每隔一定时间T,按相同规律重复变化的信号，它可表示为 ft=f(t+mT)，式中m为任意整数，T为信号周期，1/T为该信号的频率。任意周期信号，当满足狄里赫利条件时，都可分解为付里叶级数。设某周期信号 /_D_D()_根据上述原理和实验的组成需要，从Simulink工具箱中调用信源功能模块、频谱仪功能模块和相关测试仪表，构成实验系统，对相关模块的参数进行设置并运行仿真实验，观察不同周期信号（正弦波、方波、锯齿波和随机信号等）的时域波形和频谱结构。实验系统构成如下图所示。其中Signal Generator为信号产生器模块、Scope为示波器（时域分析）模块、Spectrum为频谱分析仪（频域分析）模块、Zero-Order Hold为取样保持器模块。当信号发生器输出为如下正弦波时：其频谱仪测到的正弦波频谱只有一根谱线：当信号发生器的输出信号波形为锯齿波时 锯齿波波形图 锯齿波的频谱图当信号发生器输出为方波信号时， 示波器观测到的时间域方波信号波形仿真运行所得的方波频谱图如下所示： 由频谱仪观测到的频域的频谱图可见，对一个方波信号中包含了理论上为无限多次的丰富的奇次谐波分量，它的频谱具有不连续的离散特征。谱线高度（即信号幅度）与谐波分量的频率成反比，符合信号分解的付里叶级数表达式的变化规律。若选择信号发生器的不同类型的信号波形，其频谱的谱线结构也会跟着发生变化。操作练习三：示波器在仪表计量校准工作中的应用按下图的实验电路要求在Simulink工具箱中调用信号发生器一个，正弦波形信号产生器一个，XY模式专用示波器一个，组成周期信号李沙育图形观测实验系统。改变正弦波形信号产生器正弦波信号的频率或相位，观测XY示波器中李沙育图形的变化规律，了解李沙育图形测量原理和方法及标准时间、频率信号仪表校准中的工程应用。【实验总结和报告要求】改变信号发生器输出信号的振幅、频率和相位等参数，例如正弦波形信号的频率分别设为1倍、2倍、3倍等整倍数关系到；初始相位分别设为0、45（/4）、90(/2)、180（）、270（3/2）等值，观测XY示波器中李沙育图形的变化及规律；观测频谱仪的输出的谱线图形。总结实验过程中自己对Simulink仿真模块、仪表参数设置要点和规律的认识；总结实验体会并做出实验报告。实验二、AM调制与解调实验（一） 实验目的认识非线性六端网络的乘法器功能与应用；了解AM调制与解调的工作原理和仿真系统组成；学习计算机仿真工具、仪表的使用、基本参数设置和仿真实验技术。（二） 实验原理普通调幅（AM）电路属于最基本的线性频谱搬移电路，它可以由半导体二极管、三极管或集成电路所组成的具有非线性作用的任意六端非线性电路（或网络）所组成。非线性电路分析常用的一种分析法，就是在一定条件下，将非线性器件的伏安特性用幂级数近似，在静态工作点附近按泰勒级数展开来进行近似分析。它被称为幂级数分析法。也是非线性电路分析中用的最多的方法。具体说来，就是将非线性器件的伏安特性,先用泰勒级数直接展开，再用三角函数进一步展开分析。设非线性器件伏安特性为： （1-1）如果的各阶导数存在，则该伏安特性可以展开成以下幂级数： 若忽略三次以上各项，可得 （1-2）式中、是与特性相关的分解系数。为点下的静态值，为线性项系数，以上为非线性项系数。设加在非线性器件上的电压为单一频率的信号，将其代入（1-2）式中则有式中为直流分量，为基波分量振幅，为二次谐波分量振幅，它们分别等于 由以上分析可以看出（1）由于非线性器件的作用，电流中产生了新的频率分量；（2）单一信号作用于非线性器件时，输出电流中除了外，只包含有该频率分量的各次谐波，而无组合频率分量。该电路只相当于一个倍频器或谐波发生器。若在两个输入端口同时加入输入信号和，且，根据，以及三角函数的积化和差公式将两个输入信号代入下式忽略三次以上各项可得到由上式中可见，当两个不同频率信号输入到非线性元件时，由于平方律项的相乘作用，使其输出电流中不仅含有直流分量、基波分量和二次谐波分量，而且产生了有用的组合频率分量，其和频与差频。利用这种特性，就可实现两个信号间的线性频谱搬移。当考虑到三次以上各项分量的存在时，输出电流中将包含如下无穷多个组合频率分量其中各谐波分量很容易被选频网络滤除，而由二次项的相乘运算作用产生的基波组合分量则很容易被选取出来。这就是非线性电路的频移特性（或称调制特性），这正是非线性器件为什么能产生频谱搬移作用的根本原因。调幅电路的工作原理就是基于上述理论的。设有用调制信号和高频载波信号均为单一频率的余弦波，即调制信号 载波信号 由调幅的定义，可得AM已调波的数学表达式为t其中ma为调制度或调幅系数，它表示载波振幅受调制信号控制的程度。由于已调波也是一个高频振荡波，它的振幅的变化规律（即包络变化）与调制信号完全一致，因此已调幅波的包络中携带了原调制信号的信息。解调过程本质上就是调制的反过程。振幅调制的解调又称为检波，其作用是从调幅波中不失真地取出原调制信号。它可用单向导电的二极管包络检波器解调，也可直接用相乘器和低通波器来完成解调。（三） 技术路线及系统组成 普通AM调制可由以下基本电路来实现。 根据上述AM波的数学表达式和原理框图，MATLAB仿真的技术路线图如下所示。（四） 实验数据、结果及图表根据实验检测需要可以任意设置多踪示波器来观测所有电路不同输出点上的工作波形，以下是原调制信号、载波信号、已调波信号和解调后还原信号的完整工作波形图。实验中，为了进一步研究AM不同调制度和载波频率下的工作过程和结果，实验者可自行设定和改变相关参数，并不断进行仿真比较，深入进行观测和研究以加深认识。例如加大调制度，观测过调制现象。为了深入研究AM的频谱（频率域）特性，可调用频谱仪同时对AM调幅度进行频谱（频率成分）的分析和观测。由MATLAB仿真频谱仪观测的AM调幅波频谱的波形如下：在上面的频谱波形图中，左边为下边频分量，右边为上边频分量，中间为载频分量。（五） 实验总结和报告要求总结实验过程中自己对计算机数字化电路仿真模块、仪表参数设置要点和规律的认识；总结实验体会并作出实验报告。实验三、DSB调制与解调实验（一） 实验目的认识非线性六端网络的乘法器功能与应用；了解DSB调制与解调的工作原理和仿真系统组成；学习计算机仿真工具、仪表的使用、基本参数设置和仿真实验技术。（二） 实验原理对于单音调制，已知 由式中可知，在AM调制的基础上，只要省去加法运算，通过非线性六端网络的乘法器电路，直接用调制信号与载波信号相乘，就能实现DSB双边带调制。（三） 技术路线及系统组成 DSB调制与解调全过程的系统仿真电路如下所示，图中包括了时域波形观测和频域信号波形观测。（四） 实验数据、结果及图表仿真模块及参数设置由实验者完成。其时域波形图如下所示：在DSB调制波中可清楚看出，载波的过零点处均发了180度的相位反转。这是双边带调制的主要特征点之一。频域波形图如下所示：由图可见，频谱中载波受到了抑制，调制波中没有了载频分量。（五） 实验总结实验四、SSB调制与解调实验（一） 实验目的认识非线性六端网络的乘法器功能与应用；了解SSB调制与解调的工作原理和仿真系统组成；学习计算机仿真工具、仪表的使用、基本参数设置和仿真实验技术。（二） 实验原理在DSB调制电路基础上，对输出的已调波采取边带滤波措施，就能实现SSB单边带调制。（三） 技术路线及系统组成 SSB调制与解调的仿真实验系统如下所示：（四） 实验数据、结果及图表 时域波形观测图如下采用不同的边带滤波器，就能得到上、下两个不同边频（或边带）的SSB调制。这里，仅给出了频域观测的上边频的频谱图。（五） 实验总结实验五、FM调制与解调实验（一） 实验目的认识非线性频谱搬移电路的应用；了解FM调制与解调的工作原理和仿真系统组成；学习计算机仿真工具、仪表的使用、基本参数设置和仿真实验技术。（二） 实验原理 根据数学表达式，可用计算机仿真工具箱中的相关模块进行FM系统仿真。值得一提的是，在现实中，FM调频波是无法用普通时间域测量仪器（普通示波器）观测其实时波形的，这是因为普通示波器冲其量仅为双时基扫描方式，无法对FM非线性频谱搬移后产生的众多对（理论上为无限多对）的边频分量实现同步显示。但是MATLAB的仿真工具中的示波器却能实现此功能。这是计算机系统仿真的优越性和可贵之处。这是现有真实仪表无法相比的。（三） 技术路线及系统组成 FM调制仿真可由以下电路组成。（四） 实验数据、结果及图表 FM调制仿真观测到的时域波形图如下所示：频域测量结果如下：这是调制度较下情况下的频谱图。若改变调制度的设置就能得到不同的频谱测试图。也就是说，改变调制度，FM波中载波分量和边频分量就会按贝塞尔函数的规律变化。通过选择不同的调制度，就能控制FM波的最大频偏、载波分量和有效边频的对数即调频波的带宽。（五） 实验总结实验六、混频器（变频器）实验（一） 实验目的认识线性频谱搬移电路的应用；了解混频器（或变频器）的工作原理和仿真系统组成；学习计算机仿真工具、仪表的使用、基本参数设置和仿真实验技术。（二） 实验原理当乘法器的两个输入端口中，一个是已调波，另一个为载波时，相乘的结果，通过频谱搬移作用，就能改变原调制波中的载频，取其差频项就能起到降低原调制波载波频率的作用。混频器又称变频器，在通信工程和广播电视系统中，是不可缺少的频谱变换的功能电路。一般来说，主要用于不改变原调制特性条件下的降频处理。（三） 技术路线及系统组成混频器通常由乘法器（或具有乘法功能的非线性六端网络）、本地振荡器和带通滤波器三个部分组成。 （四） 实验数据、结果及图表实验结果的图中可以清楚看出，原调制信号的规律和属性没有改变，但是载波频率被变低了（周期变大，频率降低）。相当于在不改变原调制信号中有用信息特性的前提下，用较低频率的载波将较高频的原载波给替换了，这是在为后续解调有用信号时做降低技术门坎和难度的前期工作。（五） 实验总结实验七、锁相环（PLL）实验（一） 实验目的认识闭环反馈自动控制电路中的锁相环（PLL）电路；了解PLL的工作原理和仿真系统组成；学习计算机仿真工具、仪表的使用、基本参数设置和仿真实验技术。（二） 实验原理 锁相环由以下电路组成 它的基本工作原理基于信号的相位的闭环反馈自动控制。关键在掌握环路的锁定条件，当锁相环环路锁定时：（三） 技术路线及系统组成 PLL的系统组成电路如下图所示。可直接调用MATLAB仿真工具箱中“帮助菜单”栏中的提供的实例电路，对其相关参数和设置进行不同的选择和设定，就能深入研究PLL的工作原理和特性。（四） 实验数据、结果及图表这是输入参考信号波形。这是鉴相器输出波形。这是环路低通滤波器输出的误差控制信号波形。这是锁相环的输出波形图，其中三角波为锁相环的基本输出波形，方波为整形变换后的波形（因为三角波不便于数字频率计的测量，所以有必要进行波形变换，将三角波变换为方波）。（五） 实验总结实验八、基于PLL锁相环的频率合成系统仿真实验（一） 实验目的