调幅解调电路的设计.docx
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调幅解调电路的设计
调
幅
解
调
电
路
的
设
计
——高频电子线路期末设计
小组成员:
彭银虎200740620134
宋伟男200740620138
王海燕200740620144
杨静200740620156
一、调幅解调电路的设计
任务:
1).明确系统的设计任务要求,合理选择设计方案及参数计算;
2).利用Protel99SE进行仿真设计;;
3).画出电路图、波形图、频率特性图。
1.基本原理
(1)振幅调制
调幅指的是用需要传送的信息(低频调制信号)去控制高频载波的振幅,使其随调制信号线性变化。
若设载波为uc(t)=Ucmcosωct,调制信号为单频信号,即uΩ(t)=UΩmcosΩt,则普通调幅信号为:
uAM(t)=(Ucm+kUΩmcosΩt)cosωct=Ucm(1+MacosΩt)cosωct
其中Ma=kaUΩm/Ucm为调幅指数(调幅度),ka为比例系数。
普通调幅波的波形和频谱图如图
(1)所示。
因为载波不包含信息,为了减小不必要的功率浪费,可以只发射上下边频,而不发射载波,称为抑制载波的双边带调幅信号,用DSB表示。
设载波为uc(t)=Ucmcosωct,单频调制信号为uΩ(t)=UωmcosΩt(Ω〈〈ωc),则双边带调幅信号为:
uDSB(t)=kuΩ(t)uc(t)=kUΩmUcmcosΩtcosωct
=
错误!
未找到引用源。
[cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t]
其中k为比例系数。
可见双边带调幅信号中仅包含两个边频,无载频分量,其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。
图
(2)显示了单频调制双边带调幅信号的有关波形与频谱图。
需要注意的是,双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的变化,而且在调制信号波形过零点处的高频相位有180°的突变。
可以看出,在调制信号正半周,cosΩt为正值,双边带调幅信号uDSB(t)与载波信号uc(t)同相;在调制信号负半周,cosΩt为负值,uDSB(t)与uc(t)反相。
所以,在正负半周交界处,uDSB(t)有180°相位突变。
另外,双边带调幅波和普通调幅波所占有的频谱宽度是相同的,为2Fmax。
因为双边带信号不包含载波,所以发送的全部功率都载有信息,功率有效利用率高。
因此在本设计中,调幅模块我们采用的是抑制载波的双边带调幅信号。
(2)调幅信号的解调
调幅信号的解调是振幅调制的相反过程,是从已调高频信号中恢复调制信号,通常将这种调制称为检波。
完成这种解调的电路称为振幅检波器。
检波电路有包络检波和同步检波。
本设计采用同步检波方式。
双边带调幅波中不含载波分量,用相乘器进行检波时,需要在接收端产生一个载波。
图(3)所示为双边带调幅波的相乘检波电路方框图。
设输入为单频调制的双边带信号
us(t)=UscosΩtcosωct(Ω〈〈ωc)
并假设本机载波信号与原载波信号同频不同相,即有相差φ,则
uL(t)=ULcos(ωct+φ)
相乘器的输出信号
u’o(t)=KmUsULcosΩtcosωctcos(ωct+φ)
=0.5KmUsULcosΩt[cosφ+cos(2ωct+φ)]
有用分量为u’1(t)=0.5KmUsULcosφcosΩt
无用分量为
u’’1(t)=0.5KmUsULcosΩtcos(2ωct+φ)
=0.5KmUsULcos[(2ωc-Ω)t+φ]+0.5KmUsULcos[(2ωc+Ω)t+φ]
由上式可知,相乘器输出的无用分量的频率为2ωc±Ω,故滤波器对有用频率分量的传输系数应尽可能大,对无用频率分量2ωc±Ω的传输系数应尽可能小。
设滤波器对有用品频率分量Ω的传输系数为Kf,则整个检波器输出的有用信号为
uo(t)=KFu’1(t)=0.5KfKmUsULcosφcosΩt
uo(t)与us(t)的幅度之比,即为检波器传输系数Kd。
且由以上公式可得
Kd=0.5KfKmULcosφ
由上式可以看出,为了增大检波器的传输系数,对恢复的载波,也称本机振荡电压的要求是:
①幅度UL应尽可能大,但不应超过相乘器的最大容许输入电压。
②本机振荡电压不但应与原载波电压同频,而且应同相。
因为φ=0时,cosφ=1,达最大值,相应地Kd也达到最大的可能值。
故此种相乘检波又称同步检波或相干检波。
低通滤波器的上截至频率应低于2倍高频载波频率,而高于最高调制频率。
2.电路设计与仿真
1)芯片MC1596介绍
MC1596是单片集成模拟乘法器,以实现输出电压为两个输入电压的线性积。
它以双差分电路为基础,在Y输入通道加入了反馈电阻,故Y通道输入电压动态范围较大,X通道输入电压动态范围很小。
如下图是MC1596内部电路图。
MC1596内部结构图
MC1596工作频率高,常用作调制、解调和混频,通常X通道作为载波或本振的输入端,而调制信号或已调波信号从Y通道输入。
当X通道输入是小信号(小于26mV)时,输出信号是X、Y通道输入信号的线性乘积。
下表给出了MC1596的参数典型值。
参数
MC1596
电源电压
V+=12V,V-=-8V
输入电压动态范围
-26mV≤ux≤26Mv
-4V≤uy≤4V
输出电压动态范围
±4V
3dB带宽
300MHZ
MC1596平衡调幅电路
设载波信号Uc(t)=Ucmcoswct,Ucm≥2KT/q,是大信号输入。
根据双曲线正切函数的特性,在大信号条件下具有开关函数的形式
当-π/2 错误! 未找到引用源。 =+1 当π/2 错误! 未找到引用源。 =-1 上式的傅立叶展开式为 th 错误! 未找到引用源。 =4/πcoswct—4/3πcos3wct+4/5πcos5wct+... 因为在2与3端加了反馈电阻RY=1KΩ,对于输入调制信号UΩ=UmcosΩt可扩大线性范围。 输出电流i=i1-i2为 i= 错误! 未找到引用源。 UΩ(t)th 错误! 未找到引用源。 若在输出端加入一个中心频率为wc,带宽为2Ω带通滤波器,则取出的差值电流为 Δi= 错误! 未找到引用源。 UΩmcosΩt×coswct 从图可以看出,电路采用了单端输出方式。 集电极电阻Rc对电流取样,可得单端输出时的uoM为 uoM=0.5ΔiRc= 错误! 未找到引用源。 UΩ(t)th 错误! 未找到引用源。 若带通滤波器带内电压传输系数为ABP,则经带通滤波器后输出电压 Uo=ABP 错误! 未找到引用源。 UΩmcosΩt×coswct 这是一个抑制载波的双边带调幅波. 图中Rw是载波调零电位器,其作用是调节MC1596的4和1端的直流电位差为零,确保输出为抑制载波的双边带调幅波.如果4和1端的直流电位差不为零,则有载波分量输出,相当于输出为普通调幅波。 如下图为振幅调制部分的电路图,其中: 调制信号V2=3cos(2π×20)V 载波信号V1=6cos(2π×1000)V 2)。 电路设计部分 (1)幅度调制电路 调制信号: V2=3cos(2Π×20)V 载波信号: V1=6cos(2Π×1000)V (2)解调电路 (3)总体电路图 3)。 相关仿真波形图 调制信号 载波信号 调幅波 解调波 参考资料: 《高频电子线路》胡宴如,耿苏燕主编高等教育出版社 二、心得体会 从3月8日到6月21日,我们进行了为期十五周的高频电子线路课程设计。 通过这次课程设计,我们拓宽了知识面,锻炼了能力,综合素质得到较大提高。 这次设计以四人为小组完成,设计的目的是在于通过理论与实际的结合,提高观察、分析和解决问题的实际工作能力,以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。 作为整个电子信息科学与技术学习体系的有机组成部分,课程设计虽然安排在每周一晚上进行,但并不具有绝对独立的意义。 它的一个重要功能,在于运用学习成果,检验学习成果。 运用学习成果,把课堂上学到的系统化的理论知识,尝试性地应用于实际设计工作,并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。 检验学习成果,看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离,并通过综合分析,找出学习中存在的不足,以便为完善学习计划,改变学习内容与方法提供实践依据。 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,再到最后设计论文的撰写,进一步激发了我们对专业知识的兴趣,并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。 在设计的过程中我遇到很多困难,例如multisim软件的学习,资料的查找,后来从它的性能开始了解,4个设计各个击破,到最后终于完成了这次的期末课程设计。 总而言之,通过这次课程设计,我们获得了很多,但学海无涯,我们还得一如既往的努力踏实的学习,只有这样才能成为合格的人才。 调制信号原理 AM、DSB、SSB信号的调制 班级: 信息工程(实验班)班号: 05911101姓名: 张俭伟学号: 1120111524 一、为什么要调制信号 由讯号源所产生的讯号不一定适合直接在传输介质中传送,为了达到目的,不直接将讯号发射出去,而依原讯号产生一个不同波形的讯号,再将此讯号传送于通讯介质中。 将原始讯号转换成更适合传输介质的发射讯号,藉以提高传输效率的程序,即所谓调制(Modulation)。 换句话说调变是将一较低频的调制讯号(ModulatingSignal),和一高频的载波(Carrier)做某种方式的结合,再将其传送。 调变的技术通常应用在通讯用途上。 为何要调制呢? (I)调制可使讯号易于传送 无线电传输中,信号波长和天线长度成正比。 通常天线大小是波长的十分之一或更大,一般低频讯号的波长对合理的天线长度来说太大了(波长=光速/频率)。 以人声为例,人声频率大多为100Hz~3000Hz,对应的波长则是100km~3000km,这种天线不可能制造。 而1MHz的波,波长300m,这样一来天线长度为30m,是合理的天线长度。 于是我们将低频讯号来调制高频载波,使讯号频谱转移至载波频率,使其有较小波长。 (II)调制可增加通信效率 若广播电台讯号完全没处理过就传出来,所有的讯号将会挤在一起互相干扰,因为大家的频率范围都差不多,若一次只传送一个电台的讯号,又相当浪费,因为整个可利用的频率范围远远超过一个电台的讯号带宽。 我们可用不同频率的载波来调制,使各广播电台讯号不互相干扰,在接收端使用滤波器选择要收听的电台。 (III)调制可避免噪声和干扰 通信理论的一个主要重点是: 减低噪声的影响。 因为通信距离都有相当长度,所以接收到的讯号和发射端的讯号比起来,经过衰减的接收讯号将小得多;若讯号完全没处理过,接收讯号大小和杂音比起来差不多,而使欲传递的讯息很难了解。 一般最常见的调变方式,有调幅AM(AmplitudeModulation)和调频FM(FrequencyModulation)。 二、调制原理 1、基本理论 由于从消息转换过来的调制信号具有频率较低的频谱分量,这种信号在许多信道中不宜传输。 因此,在通信系统的发送端通常需要有调制过程,同时在接受端则需要有解调过程从而还原出调制信号。 所谓调制就是利用原始信号控制高频载波信号的某一参数,使这个参数随调制信号的变化而变化,最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)三种。 解调是与调制相反的过程,即从接收到的已调波信号中恢复原调制信息的过程。 与调幅、调频、调相相对应,有检波、鉴频和鉴相。 振幅调制方式是用传递的低频信号去控制作为传送载体的高频振荡波(称为载波)的幅度,是已调波的幅度随调制信号的大小线性变化,而保持载波的角频率不变。 在振幅调制中,根据所输出已调波信号频谱分量的不同,分为普通调幅(AM)、抑制载波的双边带调幅(DSB)、抑制载波的单边带调幅(SSB)等。 AM的载波振幅随调制信号大小线性变化。 DSB是在普通调幅的基础上抑制掉不携带有用信息的载波,保留携带有用信息的两个边带。 SSB是在双边带调幅的基础上,去掉一个边带,只传输一个边带的调制方式。 它们的主要区别是产生的方法和频谱的结构不同。 2、数学表达 2-1、AM信号的数学表达式 AM信号是载波信号振幅在Vm0上下按输入调制信号规律变化的一种调幅信号,表达式如下: vo(t)Vm0kau(t)coswct (1) 由表达式 (1)可知,在数学上,调幅电路的组成模型可由一个相加器和一个相乘器组成,如图1所示。 图中,AM为相乘器的乘积常数,A为相加器的加权系数,且Ak,AMAVcmka 图1普通调幅(AM)电路的组成模型 设调制信号为: u(t)=EcUMcost 载波电压为: uc(t)UcMcoswct 上两式相乘为普通振幅调制信号: us(t)K(ECUcMcost)UcMcoswct =KUcM(EC+UMcost)coswct =KUcMEc(1Macost)coswct =US(1Macost)coswct (2) 式中,MaUMC称为调幅系数(或调制指数),其中0<Ma≤1。 而当Ma>1时,在t附近,uc(t)变为负值,它的包uc (t)络已不能反映调制信号的变化而造成失真,通常将这种失真成为过调幅失真,此种现象是要尽量避免的。 2-2、DSB信号的数学表达 抑制掉调幅信号频谱结构中无用的载频分量,仅传输两个边频的调制方式成为抑制载波的双边带调制,简称双边带调制,并表示为: u0(t)kau(t)coswct 显然,它与调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在 这样,当调制信号u(t)进入负半周时,Vm0上下按调制信号规律变化。 uo(t)就变为负值。 表明载波电压产生1800相移。 0u(t)180因而当自正值或负值通过零值变化时,双边带调制信号波形均将出现的相移突 变。 双边带调制信号的包络已不再反映u(t)的变化,但它仍保持频谱搬移的特性,因而仍是振幅调制波的一种,并可用相乘器作为双边带调制电路的组成模型,如图中AMVcmka。 图9双边带调制信号组成模型 2-3、SSB的数学表达 单边带调制(SSB)信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中,直接将一个边带抵消而成的。 单频调制时, SSB信号的表达式为: 取上边带: 取下边带: uDSB(t)kuucuSSB(t)Ucos(C)tuSSB(t)Ucos(C)t UUUC 三、调制方法 - 1、AM信号的调制电路 在Multisim仿真电路窗口中创建如图3.1.2所示的由乘法器(K=1)组成的普通调幅(AM)电路,在该电路中,直流电压源Ec(图中V4)和低频调制信号U(t)(图中V2)分别加到乘法 Uc(t)(图中器A1的X输入端口,高频载波信号电压V1)加到乘法器的Y输入端口。 将示波 器的A、B通道分别加到乘法器的X输入端口、模拟加法器的输出端口,其构成如下图所示: 2、DSB信号的调制 在Multisim仿真电路窗口中创建如下图所示的电路,其中由高频载波信号 低频调制信号u(t)(uc(t)(V13)、V9)及乘法器(K=0.1)A3组成抑制载波双边带调幅电路;由模拟乘法器 uc(t)(V14)和乘法器(K=0.1)A4组成抑制载波双边带解调电A1输出电压u(t)、本机载波信号 路,其目的是从抑制载波双边带调幅波中检出调制信号u(t)。 3、SSB信号的调制 采用移向法产生SSB信号。 3-1、移向法原理 移相法是利用移项网络,对载波和调制信号进行适当的相移,以便在相加过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号,图1为SSB调制信号的原理框图,图中,两个调制器相同,但输入信号不同。 调制器B的输入信号是移项90度的载频和调制信号;调制信号的输入没有相移。 两个分量相加时为下边带信号,两个分量相减时为上边带信号。 3-2、电路示意图 在Multisim仿真电路窗口中创建如下图16所示的电路,其中由高频载波信号 (uc(t)V13)、低频调制信号u(t)(V9)及乘法器(K=0.1)A3 组成抑制载波双边带调幅电路 - ˆ(t)sin(t)f(t)cos(ct);由模拟积分器和乘法器(K=0.2)A2组成相移90.度fc。 两 者通过模拟加法器相加后,模拟出单边带调幅(SSB)信号。
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