基于multisim及锁相环的2PSK2ASK2FSK的调制解调电路仿真最新.docx
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基于multisim及锁相环的2PSK2ASK2FSK的调制解调电路仿真最新
州坯7天¥
LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
毕业设计
基于Multisin的锁木相环解调系统仿真
学生姓名
专业班级
指导教师
计算机与通信学院
答辩日期
基于Multisim的锁相环解调系统仿真
PLLDemodulationSystemSimulationBasedonMultisim
摘要
实现调频波解调的方法有很多,而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来实现鉴频,具有工作稳定,失真小,信噪比高等优点,所以被广泛用在通信电路系统中。
锁相环其原理是通过鉴相检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压,对振荡器输出信号的频率实施控制。
该文首先介绍了锁相环技术发展的现状、方向以及背景,并对PLL的原理进行了阐述。
在以上的基础上,分别设计了2ASK、2PSK、2FSK的调制解调电路,其功能为数字基带信号经过调制输出一个模拟信号,然后用锁相环进行解调,最后采用Multisim软件进行仿真。
在对2ASK、2FSK、2PSK解调时,低通滤波器输出的波形失真比较大,不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。
在整个电路设计中,力求要做到电路简单,并完成任务书提到的要求。
关键词:
调制;解调;Multisim;锁相环
Abstrack
Therearemanywaystorealizefrequencywavedemodulation,andPLLfrequencywhichhastheadvantagesofstableoperation,smalldistortion,highsignal-to-noiseratioandsoonisachievedbyusingmodernPLLfrequencytechnology,soitiswidelyusedincommunicationcircuitsystem.
Phase-lockedloopthroughthediffereneeofthephasedetectionofinputsignalandtheoutputsignalphase,andthedetectedphasediffereneesignalintooutputvoltagesignal,thesignalthroughalowpassfilter.Aftertheformationofthevoltagecontroloscillator,theoutputsignaloftheoscillatorfrequencycontrol.
Thispaperfirstintroducesthepresentsituation,developmentdirection,phase-lockedlooptechnologyaswellasthebackground,andtheprincipleofPLLisdiscussed.Onthebasisoftheabove,themodulationanddemodulationcircuitof2ASK,2PSK,2FSKwhichfunctionisadigitalbasebandsignalismodulatedbyananalogsignalandoutputweredesigned,andthenuseingthe
PLLdemodulation,finallyusingMultisimsoftwaresimulation.Inthe2ASK,2FSK,2PSKdemodulation,theoutputofthelowpassfilterwaveformdistortionisrelativelylarge,butfinallyitcanregeneratedigitalbasebandpuIsesamplingdecisioncircuitaftershaping.Inthecircuitdesign,andstrivetodoasimpiecircuit,andcompletethetaskbookmentionedrequirements.
Keywords:
modulate;modulation;PLL;Multisim
绪论.
1.1
研究背景.
1.2
研究现状.
1.3
研究内容介绍.
基本原理.
2.1
Multisim介绍
2.2
锁相环基本原理.
2.2.1锁相环的基本组成
2.2.2锁相环的工作原理.
调制解调电路设计.
3.1
2FSK调制解调电路设计
3.1.1
2FSK调制电路设计原理
3.2
3.3
3.4
总结.
3.1.2
3.1.3
3.1.4
2FSK调制单元电路的设计
2FSK解调单元电路的设计
2FSK解调电路的整体设计
2PSK调制解调电路设计
3.2.12PSK调制解调电路设计原理
13
15
17
3.2.22PSK调制与解调电路的设计与仿真
2ASK调制解调电路设计
3.3.12ASK调制解调电路设计原理
3.3.22ASK调制与解调电路的设计与仿真
解调结果分析.
24
18
19
19
20
22
参考文献.
25
附录:
(外文翻译).致谢
50
26
第1章绪论1.1研究背景
实现调频波解调的方法有很多,而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来实现鉴频方法,具有工作稳定失真小,信噪比高等优点,所以被广泛用在通信电路系统中。
锁相环路是一种反馈电路,锁相环的英文全称是Phase-LockedLoop,简称PLL。
其作用是使得电路相位同步。
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,它还具有载波跟踪特性。
作为一个窄带跟踪滤波器,可提取淹没在噪声中的信号;用高稳定的参考振荡器锁定,可提供高稳定的频率源;可进行高精度的香味与频率测量等等。
如今锁相环解调器在通信、雷达、测量和自动化控制等领域应用极为广泛,随着电子技术的发展,对锁相环解调的研究和应用得到了越来越多的关注。
现在通过分析与研究,加深对锁相环解调方式的理解,并根据它的原理,设计出2FSK、2PSK、2ASK的调制电路,并通过锁相环解调出来。
1.2研究现状
锁相环解调技术的发展十分迅速,如今已经在很多领域都应用了锁相环解调的理论。
可用于手机中、SDH网络中、在汽车MP3无线发射器中’测量汽车转速都是十分典型的应用。
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化,压控振荡器的振荡频
率取决于输入电压的幅度。
当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率30相等时,压控振荡器输出信号的频率将保持30不变。
若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通
滤波器输出的信号uc外,还有调制信号ui,则压控振荡器输出信号的频率就是以30为中心,随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。
当然,锁相环的许多优越性使得
锁相环解调技术在很多我们周围都可以见到的物品中发挥着其巨大的功效。
如今,锁相环路理论与研究日臻完善,应用范围遍及整个电子技术领域。
随着通信及电子系统的飞速发展,促使集成锁相环和数字锁相环突飞猛进。
现在品种齐全繁多,提高系统的工作稳定性和可靠性和小型化,目前仍朝着集成化,数字化,多用化方向迅
速发展。
1.3研究内容介绍
调制和解调电路是通信设备中重要组成部分。
用待传输的低频信号去控制高频载波参数电路称为调制电路,解调是调制的逆过程,从高频已调信号中还原出原调制信号称为解调电路。
该文主要建立了2ASK、2FSK、2PSK的调制解调电路。
解调电路中使用了锁相环
解调。
锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化,环路锁定后
输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内.这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性.利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。
为了实现信息的远距离
传输,收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的解调就是用携带信息的输出信号uo来还原载波信号ui的参数,载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,解调有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变化而变化;调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,相位随输入信号幅度的变化而变化。
该文中调制出2FSK、2ASK、2PSK,调制时
采用的是锁相环解调出来,最后用Multisim进行仿真出效果。
在对2ASK、2FSK、2PSK解调时,低通滤波器输出的波形失真比较大,不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。
第2章基本原理
2.1Multisim介绍
随着电子技术和计算机技术的发展,电子产品已与计算机紧密相连,电子产品的智能化日益完善,电路的集成度越来越高,而产品的更新周期却越来越短。
Multisim10是加拿大InteractiveImageTechnologies公司2001年推出的Multisim最新版本。
可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路。
它有丰富的元件库,为用户提供元器件模型的扩充和技术;虚拟测试仪器仪表种类齐全,其操作方法与实际仪器十分相似;具有较为详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等18种电路分析方法,提供了多种输入输出接口,Multisim10可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口,也能通过Windows电路图送往文字处理系统中进行编辑排版,同时还支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。
Multisim10把所有的元件分成13类库,再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。
Multisim10提供了18种仪表,仪表工具栏通常位于电路窗口的右边,也可以用鼠标将其拖至菜单的下方,呈水平状。
Multisim10具有以下特点:
(1)Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用,同时也可以新建或扩充已有的元器件库,而且建库
所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到,因此可以很方便地在工程设
计中使用。
(2)Multisim10的虚拟测试仪器仪表种类齐全,有一般实验用的通用仪器,如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源;还有一般实验室少有或没有的仪器,如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
(3)Multisim10具有较详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、
电路零极点分析、交直流灵敏度分析等,以帮助设计人员分析电路的性能。
(4)MultisimIO可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据,列出被仿真电路的所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。
MultisimIO是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表,实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。
MultisimIO是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件,该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台,不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容,而且具有较强的VHDL和Verilog设计与仿真功能。
它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点;它丰富的元件库中提供了超过16000个组件,全部采用世纪模型,确保了仿真结果的真实性和实用性;它采用开放式的库管理模式,能自动地生成
模拟和数字组件模型,这对新器件的补充十分有利。
Multisim10的虚拟测试仪器种类齐全,有一般实验用的通用仪器,如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源;还有一般实验室少有或没有的仪器,如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
MultisimIO具有较为详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法,以帮助设计人员分析电路的性能。
MultisimIO可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等;可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如
开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
在进行仿
真的同时,软件还可以存储测试点的所有数据,列出被仿真电路的所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数等。
2.2锁相环基本原理221锁相环的基本组成
利用
PLL)。
因锁
许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(锁相环的特点是:
利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
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。
锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成,锁相环组成的原理框图如图2.1所示。
图2.1锁相环基本组成
锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压,对振荡器输出信号的频率实施控制。
2.2.2锁相环的工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图
2.2所示。
图2.2乘法器
鉴相器的工作原理是:
设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别
为:
Ui(t)=UmSin9it+8i(t)]
(2-1)
Uo(t)=UomCOS^ot+日。
(t)]
(2-2)
式中的CD0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的固有振荡角频率。
则模拟乘法器的输出电压UD为:
Ud=KUmUomsingt+3(t)]COS®t+g(t)]
(2-3)
11
Ud寸呻峽曲)]+沁申(t^KUg础申⑴1険+砂]}(2-4)
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉,剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压Uc(t)。
即Uc(t)为:
1
Uc(t)=2KUmUomSin{[琳嘗⑴]—[叫tWo(t)]}
(2-6)
=UdmSin{2it-%t]+冋⑴-氏⑴]}
(2-7)
式中的Di为输入信号的瞬时振荡角频率,q(t)和日o(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为:
即
0(t)=J⑷(t)dt+日do
(2-9)
则,瞬时相位差0d为
=®t"ot]+q(t)-日o(t)
(2-10)
逊严)
dt
(2-11)
对两边求微分,可得频差的关系式为
d^d_d®it-仞。
dt
dt
t)+d[q(t)」。
(t)]
dt
(2-12)
图2.3压控特性
«u(t)=叽中KoUc(t)
锁相环
并保持
上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位
保持恒定不变的状态,Uc(t)为恒定值。
当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,Uc(t)随时间而变化。
因压控振荡器的压控特性如图2.3所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率
30为中心,随输入信号电压Uc(t)的变化而变化。
该特性的表达式为
(2-13)
上式说明当Uc(t)随时间而变时,压控振荡器的振荡频率3U也随时间而变,进入“频率牵引”,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态,30=3i的状态不变。
第3章调制解调电路设计3.12FSK调制解调电路设计
3.1.12FSK调制电路设计原理
2FSK即叫做二进制移频键控或二进制频移键控。
2FSK信号产生的方法一般有两种:
一种叫直接调频法,另一种叫频移键控法。
(1)模拟调频法:
即直接利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。
如
图3.1所示:
图3.1模拟调频法
直接调频法是频移键控通信方式早期采用的实现方法。
其优点是调制方便,设备简
单,得出的是2FSK信号,相位连续。
(2)键控法:
即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。
如图3.2所示:
选通开关
*
*1振荡器
Ie(t)
反相器
—
图3.2键控法
2FSK键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现,故应用广泛,但设备要复杂些,得出的是2FSK信号,相位不连续。
该文采用键控法产生2FSK信号,即用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出。
设计原理图如图3.3所示:
图3.32FSK调制原理图
3.1.22FSK调制单元电路的设计
要将时钟脉冲信号经过2FSK调制成为2FSK信号,我们采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立的频率源作为输出。
键控法产生的2FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过度频率,它的转换速度快,波形好。
1)四双向模拟开关CD4066
CD4066勺引脚功能如图3.4所示。
每个封装内部有4个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中输入端和输出端可互换。
当控制端加高电平时,开关导通;当控制端加低电平时开关截止。
模拟开关导通时,导通电阻为几十欧姆;模拟开关截止时,呈现很高的阻抗,可以看成为开路。
模拟开关可传输数字信号和模拟信号,可传输的模拟信号的上限频率为40MHz各开关间的串扰很小,典型值为—50dB。
图3.4四双向模拟开关CD4066
输入的基带信号由转换开关分成两路,一路控制f1=32KHz的载频,另一路经倒相
去控制f2=16KHz的载频。
当基带信号为“1”时,模拟开关1打开,模拟开关2关闭,
此时输出f1=32KHz,当基带信号为“0”时,模拟开关2开通。
此时输出f2=16KHz,
于是可在输出端得到2FSK已调信号。
如图3.5所示:
1OV
«■
-U1
JZia
■S
图3.5模拟开关
2)变频电路
2FSK
变频电路是将输入的二进制数字基带信号通过控制载频转换成已调信号,即调制信号。
两路载频分别经射随、LC选频、射随再送至模拟开关。
其中LC选频电路函数:
f=丄应,选频网络如图3.6所示:
2兀
rtr
图3.6变频电路图
3)2FSK调制的整体电路图的设计
州理
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图3.72FSK的Multisim调制仿真电路图
4)2FSK调制电路的仿真
o^clllciscope-xsci
Reverse
Save
Ext.trigger
T1@@
T2-T1
C_hannel_A0X00^0X00V0,000V
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Time130-^&6us130.-qa6LE0,0005
Timethase
Scales30us/Div
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ChannelB
Scale;SV心V
X口o雷.Qv);O
[VAllACkl^B/A
1.2
yjME-CP'v);-2
[疋]
Trager
Edge:
CF]P1A[
0
IType5*ng-||M3f-1|avU>J[eqiZ
f1[Ext]
Level:
图3.8脉冲信号输出波形
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rj-fd
■?
tr'
Til**门a囹
T2-T1
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ChannelA
Channel0
ReverseT
[sav*
Ext,trigger
Timebase
Scale:
200us/Div
Xpos.(piv):
□
际[丽]A/BI
channelA
Scale:
5V/Div
Ypos.(piv):
0.6疋[Q一I聞
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5V/Div
Ypos.Cpiv):
-1.6
(竺1.0,[^[P]
Trigger
Edge:
国I死J^0-H三:
Level:
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Sing.I[not.』伍uto][None|
图3.9
变频电路输出波形
Oscilloscope
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