【《低频正弦波调幅与检波的仿真实验探究》9300字（论文）】

PAGEI低频正弦波调幅与检波的仿真实验探究目录TOC\o"1-3"\h\u8500第一章绪论 2293441.1课题背景 2153581.1.1调幅与检波 2294221.1.2Multisim14.0仿真平台 4289781.2研究目的 5144901.3研究内容 522902第二章幅度调制与解调理论 562922.1模拟乘法器及基本单元电路 585352.2AM调幅波的产生与解调 7294782.2.1AM调幅波的产生原理 7159012.2.2AM调幅波的检波原理 8199652.3DSB调幅波的产生与解调 9302712.3.1DSB调幅波的产生原理 9141492.3.2DSB调幅波的检波原理 1017026第三章基于Multisim14.0的调幅与检波电路设计 127203.1模拟乘法器MC1496建模 12299593.2基于MC1496的调幅电路设计 13146983.3基于MC1496的检波电路设计 14158323.3.1检波电路 1450553.3.2滤波电路 158360第四章Multisim仿真分析 15259854.1AM波调幅与检波仿真 15199504.1.1AM波调幅仿真分析 15170714.1.2AM波检波仿真分析 1785794.2DSB波调幅与检波仿真 18143834.2.1DSB波调幅仿真分析 18233934.2.2DSB波检波仿真分析 19312574.3AM调幅波与DSB调幅波仿真对比 212877第五章结论与展望 22绪论1.1课题背景1.1.1调幅与检波通信技术日益发展使人们的生活更加便捷，无论是生活中的手机、电视，还是军事中的雷达、卫星等，无时不刻都在接受讯息或者向外发送信息。这些形形色色的通信设备都可看做一个个信息源，大量的信息源产生模拟信号，模拟信号可以直接调制和传输，也可以转换成数字数据并使用数字调制技术进行传输。语音、音乐、图像和视频都是模拟信号的例子。每一个信号都有其带宽、动态范围和信号性质的特征。例如，在音频和黑白视频中，信号只有一个分量，即测量气压或光强度。但在彩色视频的情况下，信号有四个分量，即红、绿、蓝颜色分量，加上强度的第四个分量。在彩色电视广播中，除了四种视频信号外，还有一种音频信号承载着音频信息。各种模拟信号在信号带宽方面表现出很大的多样性。例如，语音信号的带宽高达4kHz，音乐信号的带宽通常为20kHz，视频信号的带宽要高得多，约为6MHz。尽管目前的趋势是模拟信号的数字传输，但我们仍然有大量的模拟信号传输，尤其是在音频和视频广播中。近年来，载波调制传输模拟信号发展为一项重要的传输技术。本文研究的是信号改变载波振幅的调幅系统，调幅技术是通信原理课程的关键和难点，其调制方式是使作为载体的高频信号(载波)的幅度随需要传递的低频信号(调制信号，一般为视频信号或音频信号)的幅度线性变化，而保持载波的频率不变，最终产生调幅波。经过调幅处理后的载波就能以发射机的天线对外发射出去，然后被接收机接收到，通过这样的信号传输方式，就能达到便于天线发送和传输信号不易失真的效果，解决了远距离低频信号传输的难题。目前主要的载波调制振幅传输方式包括普通调幅(AmplitudeModulation,AM)、双边带调幅(DoubleSideBand,DSB)、单边带调幅(SingleSideBand,SSB)。其中普通调幅根据调制信号的大小分为高电平调幅和低电平调幅,对小信号的调制一般是通过非线性器件(如二极管，晶体三极管)组成的低电平调制电路来完成的。由于集成电路的迅速发展，用于调幅的集成模拟乘法器也被设计出来，尤其在低电平调幅电路这一领域，其中双边带调幅/单边带(DSB/SSB)调制由于其可靠的传输特性而在许多重要的无线通信应用中得到了实现，例如微波信号的光传输、基于双边带(DSB)、单边带(SSB)和带载波抑制的双边带(DSB-CS)调制方案的Mach-Zehnder调制器(MZM)、波分复用(WDM)光纤无线(RoF)网络、宽带监视、扩频和软件定义无线电的宽带无线信号或光上转换。在这些方案中，DSB-CS调制提供了最佳的接收灵敏度，最低的频谱占用，最小的电气带宽要求，最小的接收功率损失后，较长的传输距离。本实验基于集成模拟乘法器MC1496构建载波调制电路，最终实现AM调幅与DSB调幅双功能。通过发射机天线发射出去的已调波要通过接收机接收，当信号接收端接收到已调波后，要对已调波进行解调制，才能还原出传递信息，这涉及到产生一个参考正弦信号，该正弦信号在频率和相位上与载波完全同步，称为本地载波。它的传递方式分为两大类:与信号一起传输载波的技术和在调制信号中不包含载波的其他技术。第一类是传统的调幅(AM)，或双带大载波(DSB-LC)，它需要一个简单的检测电路，第二类是双边带抑制载波(DSB-SC)。为了提高调幅通信系统的功率效率，我们考虑了DSB-SC传输，DSB-SC信号的传统解调方法是相干(同步)解调，相干解调包括乘积型同步检波与叠加型同步检波，其调制器是一个混频器或模拟乘法器。本文对调幅波采用乘积型同步检波方法，是依靠一个相同的乘法器和一个低通滤波器来实现的。1.1.2Multisim14.0仿真平台为满足新型电子电路仿真与设计需求，加拿大的交互式图像技术有限公司(InteractiveImageTechnologies,IIT)在原有EWB软件的基础上扩充开发出Multisim仿真软件，专门用于电路仿真与设计模块。Multisim软件的操作界面就像一个虚拟实验室，既有仿真元件和仪器的存储，也有仿真分析的各种操作命令，简单易懂，给电路仿真和故障分析带来了极大的方便。本文使用NIMultisim14.0版本来构建电路。Multisim14.0的虚拟测试仪器种类繁多，非常适合于电路模拟和测试，有通用的实验设备，如可以测量节点交直流电压与频率的电压表、电流表、可以产生模拟信号的函数信号发生器、Agilent示波器等，还有一些在一般实验室很少或没有的仪器，如电流电压分析仪、可以产生数字信号的仪器、分析数字电路逻辑的仪器等。Multisim14.0还具有多种电路分析功能，可以通过电压电流等仪表实现交直流分析、失真分析等。通过这些分析功能，电路设计人员能够直观便捷的得到电路参数，并经过调试以得到理想性能的电路。除此之外，Multisim14.0还具有元件故障设定功能，便于进行电路故障模拟分析。Multisim软件还是一个数字电路仿真工作台，它为用户提供各种数字电路元件，如逻辑门电路、编码器、加法器、触发器、组合逻辑元件、顺序逻辑元件、脉冲源、LBD、LED等。利用这些元件，我们可以建立在实验室中已经完成的所有电路，并且我们使用的器件和仪器都接近于虚拟，其性能参数可以是理想的，极大克服了传统实验室电路设计的局限性。事实上，设计伴随着实验。因此，利用该软件，我们可以不断地修改我们的电路设计，通过测试其参数和性能，使实验变得非常方便，同时也减少了实验次数，提高了实验速度和实验效率。1.2研究目的本次实验旨在利用Multisim14.0仿真平台对集成模拟乘法器MC1496实现建模，用所建乘法器模型搭建调幅与检波电路，对标准调幅(AM)和双边带载波抑制调幅(DSB-SC)与检波电路进行仿真实验。在实验中，通过修改电路参数，优化电路，生成无明显失真的AM波与DSB波，并对DSB调幅波进行检波，对调制信号实现较完美的复现。同时通过此次实验加强对Multisim软件的熟练运用。1.3研究内容1、在Multisim14.0仿真环境中创建集成模拟乘法器MC1496模块。2、利用MC1496构建调幅电路与检波电路。3、对调幅与检波电路进行仿真，修改电路参数，进行AM调幅、DSB调幅与乘积型同步检波并分析实验结果，优化电路。幅度调制与解调理论2.1模拟乘法器及基本单元电路在模拟应用中，模拟乘法器起着至关重要的作用，它在自适应滤波、调制器、频率转换、图像处理、自动增益控制、人工神经网络、模糊综合系统等方面有广泛的应用。实现两个连续模拟信号的乘积是模拟乘法器的基本功能，通过它的这项功能可以进行模拟信号的复杂变换与处理，它是一种多用途的非线性模拟信号处理函数，可应用于计算、电视、广播、雷达及航天等信号系统。模拟乘法器是一个三端口的模型(如图1)，包括uxt和uyt两个输入和输出uztuo(t)=Kuxt其中K是一个具有合适尺寸的常数,表示乘法器的相乘增益，数值大小可通过电路参数调节。图1模拟乘法器三端口网络本实验所用的模拟乘法器为MC1496模拟乘法器，其内部结构如图2所示，该电路由一个双电流源标准差动放大器驱动的上四阶差动放大器组成，其输入可正可负，所以输入信号的范围为四象限。晶体管Q1与Q2、Q3与Q4组成上四阶差动放大器，Q5、Q6、Q7、Q8形成双电流源标准差动放大器。输出为Q1、Q2、Q3、Q4的集电极，之间以交叉耦合方式连接在一起，因此载波信号与调制信号发生全波平衡倍增，输出信号即是二者的乘积。MC1496引脚图如图3所示，引脚8与引脚10、引脚1与引脚分别是载波与调制信号的输入端口，在具体实验中，载波信号与调制信号应经过RC抑制网络接入模拟乘法器输入端口，以减小由函数发生器内阻引起的震荡。引脚6和引脚12为输出信号端口。引脚2与引脚3为Q5、Q6的发射极，它们之间接电阻可对线性理信号处理范围进行调整。引脚14接直流电源VEE，与VEE串联的插入射频扼流圈可以提高内部电流源的稳定性。内部偏置电流由引脚5的条件设置。MC1496模拟乘法器原理如图4所示，载波信号VC与调制信号VS经过相乘运算得到输出信号VO。图2集成模拟乘法器MC1496内部电路图图3单片集成MC1496引脚图图4模拟乘法器MC1496原理框图2.2AM调幅波的产生与解调2.2.1AM调幅波的产生原理普通调幅(AM)是把调制信号uΩ(t)=Uu=UAMUAMcosωct为载波信号uc、12ma=Umka为比例系数，可通过改变调幅电路的参数调节，从而影响ma的大小，继而改变调幅程度。若ma=0，则表示没有调制；若0<ma<1，则表示可以正常调制，调幅波能正确反映调制信号的变化；若ma=1，Um=u=UUcmcos图5AM调幅原理方框图2.2.2AM调幅波的检波原理AM调幅波的频谱中包含载波信号与上下边带信号，其检波原理是通过模拟乘法器将AM调幅波信号与载波信号相乘，即u=UUcm2cos利用恒等式cosucosv=12[cos进行计算，结果的频谱中包含与调制信号同频的信号和远大于调制信号频率的高频信号，输出信号经过截止频率合适的低通滤波器滤波，最终就能得到与调制信号同频的信号。解调时的本地载波可以通过谐振限幅放大器从AM调幅波中取出。图6AM检波原理方框图2.3DSB调幅波的产生与解调2.3.1DSB调幅波的产生原理普通调幅波(AM)的频谱中包含载波信号和边带信号，双边带振幅调制(DSB)形式会将载波信号抑制，只发射边带信号，通过这样的方法可以有效减小发射功率。其调制方式是用模拟乘法器的乘积功能，将载波信号与调制信号相乘，经过和差化积公式的运算，得到二者的和频和差频分量，也就是上下边带信号，即uDSB=K为模拟乘法器的相乘增益。由抑制载波的双边带调制产生的频率均匀地置于载波频率的上方和下方，并将载波电平降低到最低实用电平。与振幅调制(AM)不同，双边带抑制载波不传输载波信号，通过将功率效率提高到100%，大部分的功率分布在上面和下面的边带中。图7抑制载波的双边带调幅原理方框图如果调制信号为单频率信号uΩ(t)=U=12KUΩm=1图8单频调制的DSB信号频谱图9限带信号调制的DSB信号频谱图8为单频调制，输出信号只有两个频率分量。图9为调制信号为限带信号时的频谱，当输入信号不是单频正弦信号时，可以通过傅里叶变换将其变为限带信号进行调制。2.3.2DSB调幅波的检波原理检波即解调，是从接收到的信息中分离出传递信息的过程，即解调调幅波以得到调制信号。振幅调制的检波方法包括包络检波与同步检波，包络检波是AM波检波的常用方法，具体方法是通过峰值检测电路检出AM波的包络，得到调制信号。本实验对DSB调幅波的检波方法是乘积型同步检波，另一同步检波方法是叠加型同步检波。乘积型检波是将已调波与载波相乘，得到包含调制信号的信号输出，利用滤波器将输出信号中的其他频率的无关信号滤除，即可得到所需调制信号（如图10）。这一过程可通过模拟乘法器MC1496实现。图10乘积型同步检波原理方框图图11乘积型同步检波电路方框图如图11所示，当X输入端输入载波信号uc(t)=Ucm14K其中，前两项为高频信号，需要用低通滤波器将其去除；最后一项与调制信号成正比，调整调幅与解调的K与K'，使12K'KUcm2=1，即可还原出调制信号。由式(6)可见，12K'KUcmV==kUO可见本地载波的频相变化会对解调后的信号造成严重的失真。而在通信领域，通信接收系统一般独立于发射系统，其电路结构可能导致接收信号的频率变化与相位偏移，DSB调幅也可能导致移动射频通信系统中的频率漂移。所有这些频率和相位的变化都必须利用接收信号中的信息来估计，以便在接收端复制或恢复载波信号并允许相干解调。因此，我们得到了一个非同步载波的不稳定系统。解决这一问题的关键是使用稳定的载波采集技术，而常见的载波恢复机制包括在模拟域使用倍四方环来获取载波频率和采用锁相环来补偿频率和相位偏差。倍四方环可以获得相对准确的载频，而锁相环可以消除剩余频率和相位偏移。具体的恢复载波方法有定向锁相环(DD-PLL)或信号平方方法，这些方法的目的是从通带波中恢复载波信号，并将其用于相干解调过程。DSB调幅波解调中常采用的载波恢复方法是信号平方方法，其过程是先通过模拟乘法器将DSB信号取平方，即uDSB2(t)=1式(12)的结果中包含了频率为载波信号频率两倍的信号分量，将这一分量经过二分频电路就可以得到与载波信号同频同相的信号。基于Multisim14.0的调幅与检波电路设计3.1模拟乘法器MC1496建模由于Multisim14.0仿真平台没有模拟乘法器MC1496这一器件，需要对其进行建模并封装为子模块。如图12，C_IN1与C_IN2接载波输入，S_IN1与S_IN2接调制信号，OUT1与OUT2为输出端，GA1与GA2之间接电阻，调节相乘增益，Bais外接电阻，VEE接负电源。MC1496电路结构中的双差分放大器有两种工作模式，一种是在线性工作区，另一种是在饱和工作区。在调幅电路中，低差动放大器一般在线性区工作。本实验中的AM调幅与DSB调幅均采用低电平调制方式，模拟乘法器MC1496是低电平调制的理想选择，因为当MC1496输入信号均为低电平时，输出信号为两个输入信号乘积的函数，经过运算得到双边带信号。图13为封装后的MC1496模块。图12集成模拟乘法器MC1496子电路图图13集成模拟乘法器MC1496封装模块3.2基于MC1496的调幅电路设计图14抑制载波的双边带调幅仿真电路图14为由集成模拟乘法器MC1496构建调幅电路，此电路包含两个信号源，用于生成调制信号与载波信号。XFG1信号发生器用于输出载波信号uc，XFG2信号发生器用于输出调制信号uΩ，可通过示波器XSC1观察到输出的调制信号的波形。集成模拟乘法器MC1496载波信号输入端无直流偏置，C_IN1与C_IN2具有相同的直流电位，S_IN1与S_IN2端较载波信号输入端非线性失真小，用于输入调制信号。电位器R17与R12、R11构成调零电路，调节调制信号输入端S_IN1与S_IN2的电位高低，并起到对调幅度调节的作用。GA1与GA2之间接电阻R10，可以调节调制幅度的大小。具体实验中，需要利用电位器R17调节S_IN1与S_IN2端电位。当调节电位器使S_IN1与S_IN2端电位相同时，S_IN1与S_IN2端直流电压为0，从C_IN1与C_IN2端输入高频载波信号，从S_IN1与S_IN2端输入低频调制信号，输出端便可得到DSB波信号，通过示波器就可以看到DSB调幅波波形。当调节电位器使S_IN1与S_IN2端电位不同时，相当于在S_IN1与S_IN2端产生直流偏置，从C_IN1与C_IN2端输入高频载波信号，从S_IN1与S_IN2端输入低频调制信号，输出端就可以得到AM调幅波信号，与输出端相连的示波器就可以显示AM波波形。需要注意的是，在调节电位器生成AM波时，要使调制系数在0到1之间，避免AM波包络失真。3.3基于MC1496的检波电路设计3.3.1检波电路AM调幅波与DSB调幅波的检波原理与其调制原理大致相同，需要用到模拟乘法器MC1496进行调幅波与载波信号的相乘运算。图15为DSB调幅波的检波电路，本地载波信号从C_IN端输入，AM调幅波或DSB调幅波从DSB_IN端输入，输出端即可得到包含有调制信号的频谱信号。除调制信号外，其他信号均为高频信号。图15抑制载波的双边带调幅波检波仿真电路3.3.2滤波电路通过图15检波电路得到的输出信号中不仅包含调制信号，还包含频率为2ωc+Ω与2ωc−Ω的高频信号，因此需要低通滤波器将其去除，只保留调制信号。图16为低通滤波器，信号从I图16低通滤波器仿真电路Multisim仿真分析4.1AM波调幅与检波仿真4.1.1AM波调幅仿真分析在Multisim仿真平台搭建图14所示电路，XFG1信号发生器生成载波信号，输出频率为5MHz,振幅为40mV的高频正弦波。XFG2信号发生器生成调制信号，输出频率为20KHz的低频正弦波。设置调制信号振幅为100mV，通过调节电位器，改变S_IN1端与S_IN2端直流电位得到AM调幅波。S_IN1端与S_IN2端直流电位和它们之间的电压差Vd表1R1710%20%30%40%50%55%60%70%80%90%V-4.94-4.68-4.42-4.19-3.98-3.89-3.80-3.62-3.47-3.32V-3.32-3.45-3.61-3.75-3.98-4.08-4.18-4.40-4.67-4.96V-1.62-1.23-0.81-0.4400.190.380.781.201.64当电位器调节到40%~50%或50%~60%，S_IN1端与S_IN2端之间的电压差Vd不为0，输出端可观察到完整的AM波；当电位器调节到50%，S_IN1端与S_IN2端之间的电压差Vd=0，输出端便能得到DSB波；当电位器处于其他区间，则加在调制信号上的偏压过大，就会导致AM波超出输出摆幅。当电位器调节到55%时，S_IN1端直流电位为-3.89V，S_IN2端直流电位为-4.08V，总体直流偏置为0.19V。此时得到的AM图17AM调幅波波形图18AM调幅波与调制信号波形图18为调制信号与AM调幅波的波形对比，可以看出AM调幅波的包络振幅随调制信号的振幅线性变化。4.1.2AM波检波仿真分析在Multisim仿真平台搭建图15所示检波电路，对图17中所示AM调幅波进行检波。图19为解调信号与AM调幅波的波形对比，解调信号完美符合AM波的包络，可以看出集成模拟乘法器同步检波具有检波线性好的优点。图19AM调幅波与解调信号波形图20AM调制信号与解调信号波形将调制信号与解调信号进行对比(如图20)，解调信号的振幅为100mV，频率为20kHz，与调制信号相同，相位较调制信号略有偏差。因此，由集成模拟乘法器MC1496构成的乘积型同步检波器能够对AM调幅波进行精确的检波。4.2DSB波调幅与检波仿真4.2.1DSB波调幅仿真分析在Multisim仿真平台搭建图14所示电路，XFG1信号发生器生成载波信号，输出频率为5MHz,振幅为40mV的高频正弦波。XFG2信号发生器生成调制信号，输出频率为20KHz的低频正弦波。设置调制信号振幅为100mV，得到调幅波。当电位器调节到50%时，S_IN1端直流电位为-3.98V，S_IN2端直流电位为-3.98V，总体直流偏置为0V，此时输出端可以得到的DSB调幅波。图21中展示了双边带调幅(DSB)中双边带调幅波的仿真结果，可以看出高频载波信号的振幅随调制信号变化，DSB波的振幅(包络)的最大值为200mV，频率为5MHz。图21双边带调幅波仿真波形图22DSB调幅波与调制信号波形图22中展示了DSB调幅波与调制信号的波形对比，可以看出DSB调幅波的包络正比于调制信号的绝对值。4.2.2DSB波检波仿真分析在Multisim仿真平台搭建图15所示检波电路，对图21中所示DSB调幅波进行检波。图23为解调信号与DSB调幅波的波形对比，解调信号符合DSB波的包络。图23DSB波波形与解调信号波形图23为DSB调幅波信号uDSB与解调后信号uo的对比，uo基本符合DSB波的包络形状。图24为原调制信号uΩ与解调后信号uo的对比，解调信号的频率为20kHz，振幅为100mV图24DSB调制信号与解调信号波形4.3AM调幅波与DSB调幅波仿真对比图25AM调幅波波形图25为电位器调制为55%时，AM调幅波在调制信号零点处的波形，可见AM调幅波的相位没有变化。图26DSB调幅波波形图26为电位器调制为50%时，DSB调幅波在调制信号零点处的波形，可以看出已调波的相位在调制信号零点处的相位变化，其相位翻转了180度。AM调幅中，当调制信号为0时，式(4)中UΩmcosΩt=0，但因为存在直流偏置U不为0，所以AM调幅波的包络不为0。而在DSB调幅中，不存在直流偏置，所以当调制信号为0时，DSB调幅波的包络为0。图25与图26中可以看出AM调幅波与DSB调幅波包络不同，当调制信号过零时，DSB调幅波幅度为0，而AM调