基于Multisim10的振幅調(diào)制與解調(diào)電路設計與仿真講解

1、基于 Multisim10 的振幅調(diào)制與解調(diào)電路設計與仿真 摘要： 信號調(diào)制可以將信號的頻譜搬移到任意位置， 從而有利于信號的傳送， 并且使頻譜資 源得到充分利用。調(diào)制作用的實質(zhì)就是使相同頻率范圍的信號分別依托于不同頻率的載波 上，接收機就可以分離出所需的頻率信號， 不致互相干擾。 這也是在同一信道中實現(xiàn)多路復 用的基礎。 而要還原出被調(diào)制的信號就需要解調(diào)電路。 所以現(xiàn)在調(diào)制與解調(diào)在高頻通信領域 有著更為廣泛的應用。 關鍵詞： 振幅調(diào)制與解調(diào)，檢波失真 ，參數(shù)選取 、振幅調(diào)制電路原理及工作過程 首先將語音（調(diào)制）信號疊加直流后再與載波相乘，本電路采用乘法調(diào)幅進行調(diào)制 語音信號頻譜為 300 錯

2、誤！未找到引用源。 到 3400 錯誤！未找到引用源。 ,這里選擇頻率為 1000 錯誤！未找到引用源。 的信號模擬語音信號。選擇 2M 錯誤！未找到引用源。 作為載 波信號。 讓模擬語音信號 （調(diào)制信號）與載波信號經(jīng)過乘法器產(chǎn)生調(diào)制系數(shù)錯誤！ 未找到引 用源。 =0.2 的普通調(diào)幅波。如圖： 圖 1 （調(diào)制電路電路圖） 圖 2 （調(diào)制信號與調(diào)幅波仿真圖） 、解調(diào)電路工作原理及說明 普通調(diào)幅波的包絡反映了調(diào)制信號的變化規(guī)律， 其中大信號檢波電路利用了二極管的整流工 作原理。 解調(diào)電路輸入信號為載波為 2M 錯誤！未找到引用源。 ，調(diào)制信號為 1000 錯誤！未找到引用 源。，調(diào)制系數(shù) 錯誤！未

3、找到引用源。 =0.2 的普通調(diào)幅波，電路如圖 : 圖 3 （解調(diào)電路圖） 圖 4 （調(diào)幅波波形） 圖 5：（電路輸出解調(diào)端波形） 我們可以看到輸出波形周期為 1.002ms, 輸出信號頻率為 1000 錯誤！未找到引用源。 說明解 調(diào)電路成功解調(diào)出調(diào)制信號。 三、解調(diào) （檢波 ）電路元件參數(shù)的選取 電路元件參數(shù)主要是基于檢波效率、 濾波效果來選取的。 其中濾波效果中的檢波失真是決定 解調(diào)電路元件參數(shù)的主要方面。 一）、大信號檢波器存在的兩種失真對參數(shù)選取的影響 1、對角線失真 （放電失真 ） 產(chǎn)生原因： 錯誤！未找到引用源。 很大，放電很慢，可能在隨后的若干的高頻周期內(nèi)，包絡線電壓 雖已下降

4、，而 C 上的電壓還大于包絡線電壓，這就使二極管方向截止，失去檢波作用。 在截至期間， 檢波輸出波形呈傾斜的對角線形狀， 對角線失真可以總結為電容放電曲線 錯誤！未找到引用源。 的下降速度慢于包絡線電壓下降的速度。 不發(fā)生放電失真的條件： 包絡線下降速度小于 錯誤！未找到引用源。 放電速率，即 : 錯誤！未找到引用源。 錯誤！未找到引用源。 將錯誤！未找到引用源。 =0.2, 錯誤！未找到引用源。 ， =1k 錯誤！未找到引用源。 入上面不等式得到 6： 錯誤！未找到引用源。 8.66uF 但在實際調(diào)試中當 錯誤！未找到引用源。 =1.2uF 時即產(chǎn)生對角線失真，如圖 錯誤！未找到引用源。 =

5、1.2uF） 我們可以看到有微弱的放電失真，放電時間549.906us 大于半個周期，這也在一定程度上 說明了理論計算與實際應用中還是存在一定誤差的； 當 錯誤！未找到引用源。 取值變大時，放電失真更加嚴重，如圖 7： 圖 7( 錯誤！未找到引用源。 ) 此外，錯誤！ 未找到引用源。 在不發(fā)生放電失真的前提下應盡量取大些， 對提高檢波效 率及濾波效果均有利。如圖： 錯誤！未找到 引用源。 =1uF)錯誤！未找到引用源。 =1nF) 可以看到 錯誤！未找到引用源。 =1uF比錯誤！未找到引用源。 =1nF 濾波效果好。 2、割底失真 產(chǎn)生原因： 在接收機中，檢波器輸出耦合到下級的電容比較大，對檢

6、波器輸出的直流而言， 錯誤！ 未找到引用源。 上有一個直流電壓 錯誤！未找到引用源。 ,借助于有源二端網(wǎng)絡可把 錯 誤！未找到引用源。 ，錯誤！未找到引用源。 ，錯誤！未找到引用源。 用一個等效電路 E 和 錯誤！未找到引用源。 代替。這樣如果輸入信號調(diào)制度很深，即調(diào)制系數(shù) 錯誤！未 找到引用源。 很大或檢波器交直流電阻之比 錯誤！未找到引用源。 很小，以致在一部 分時間內(nèi)其幅值比 E 還小， 則在此期間內(nèi)將處于反向截止狀態(tài)， 產(chǎn)生失真， 表現(xiàn)為輸出 波形中的底部被割去。 不發(fā)生割底失真條件： 本電路中，采取將 錯誤！未找到引用源。 分成 錯誤！未找到引用源。 和 錯誤！未找到 引用源。，通過

7、隔直流電容 錯誤！未找到引用源。 將錯誤！未找到引用源。 并接在 錯誤！ 未找到引用源。 兩端， 錯誤！未找到引用源。 越大，交、直流負載電阻值的差別就越 小，但是輸出音頻電壓也就越小。 同時為了提高檢波效率， 錯誤！ 未找到引用源。 宜大， 但過大則交流負載與之相比就小，宜產(chǎn)生割底失真。 取錯誤！未找到引用源。 =0.8, 錯誤！未找到引用源。 ，錯誤！未找到引用源。 =1nF 時 可以觀察到割底失真， 同時也可以看到與 錯誤！未找到引用源。 相比輸出音頻電壓變大， 如圖 10: 圖 10 二）、其他電路元件參數(shù)的選取 1、檢波二極管 V 為了提高檢波效率，應選取正向電阻小 錯誤！未找到引用

8、源。 ，反向電阻大 錯誤！未找 到引用源。、同時要求 PN 結電容小的管子。這里選取 IN4148 型號二極管。 2、輸出耦合電容 錯誤！未找到引用源。 錯誤！未找到引用源。 選取的比較大，這樣低頻也容易通過。 3、錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。 的選?。?通過圖 5（電路輸出解調(diào)端波形）我們可以觀察到，通過檢波電路的輸出的調(diào)制信號衰 減很大， 所以一般會在檢波電路后接低頻功率放大器， 這樣錯誤！ 未找到引用源。 等效為檢 波電路后下一級低頻功率放大器的輸入電阻。 四、結束語 至此，本課題所設計的電路設計與仿真就結束了，雖然電路實現(xiàn)比較簡單，但是其中體 現(xiàn)的原理還是很深奧的， 通過此

9、次電路仿真， 也對振幅調(diào)制與解調(diào)電路的實現(xiàn)有了更為直觀 的認識。 筆者相信隨著近幾年電子元件制作工藝越來越精湛，調(diào)制與解調(diào)在通信領域必將會 有更廣泛的應用。 五、參考文獻 1. 于洪珍，通信電子電路 ，清華大學出版社 聶典， Multisim9 計算機仿真在電子電路設計中的應用 ，電子工業(yè)出版社 課程設計報告 題目： 基于 Multisim 的 DSB的調(diào)制與 解調(diào)電路的仿真分析 學生姓名 ： * 學生學號： 系別 ： 專業(yè) ： 屆 別： 指導教師 ： 電氣信息工程學院 通信工程 2014 屆 電氣信息工程學院制 2013 年 4 月 基于 Multisim 的 DSB的調(diào)制與解調(diào)電路的仿真分

10、析 學生： * 指導教師： * 電氣信息工程學院 通信工程專業(yè) 1 課程設計的任務與要求 1.1 課程設計的任務 本課程設計是實現(xiàn) DSB的調(diào)制解調(diào)。 在此次課程設計中， 我將通過多方搜集 資料與分析，來理解 DSB調(diào)制解調(diào)的具體過程和它在 multisim 中的實現(xiàn)方法。 通過這個階段學習，更清晰地認識 DSB的調(diào)制解調(diào)原理，同時加深對 multisim 這款通信仿真軟件操作的熟練度，并在使用中去感受 multisim 的應用方式與特 色。利用自主的設計過程來鍛煉自己獨立思考， 分析和解決問題的能力， 為我今 后的自主學習研究提供具有實用性的經(jīng)驗。 1.2 課程設計的要求 （1）熟悉 mul

11、tisim 的使用方法， 掌握 DSB信號的調(diào)制解調(diào)原理， 以此為基 礎在軟件中畫出電路圖。 2）繪制出 DSB信號調(diào)制解調(diào)前后在時域和頻域中的波形，觀察兩者在解 調(diào)前后的變化，通過對分析結果來加強對 DSB信號調(diào)制解調(diào)原理的理解。 (3)在老師的指導下，獨立完成課程設計的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程 設計論文，文中能正確闡述和分析設計和實驗結果。 1.3 課程設計的研究基礎 (設計所用的基礎理論) (1)DSB調(diào)制過程的分析：在 AM信號中，載波分量并不攜帶信息，信息完 全有邊帶傳送。如果在 AM調(diào)制模型中將直流分量 錯誤！未找到引用源。 去掉， 即可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式抑制載波雙邊帶

12、信號(DSB-SC)，簡稱雙 邊帶信號( DSB)，表示為： u0 (t) kau (t)coswct 顯然，它與調(diào)幅信號的區(qū) 別就在于其載波電壓振幅不是在 Vm0 上下按調(diào)制信號規(guī)律變化。這樣，當調(diào)制信 號 u (t)進入負半周時， uo (t )就變?yōu)樨撝?。表明載 波電壓產(chǎn)生 1800相移。因而當 u (t) 自正值或負值通過零值變化時，雙邊帶調(diào)制信號波形均將出現(xiàn)180 0的相移突變。雙邊帶調(diào) 制信號的包絡已不再反映 u (t) 的變化，但它仍保持頻譜搬移的特性，因而仍是振幅調(diào)制波 的一種，并可用相乘器作為雙邊帶調(diào)制電路的組成模型，如圖所示，圖中AM Vcm ka。 m0(t) AM xy

13、 x sm(t) AMVcmm0 (t)coswct Vcm cos wc t y 圖 1 雙邊帶調(diào)制信號組成模型 調(diào)制過程的數(shù)學表達式：設載波電壓為：uc(t) UcM coswct 。調(diào) 制信號為： m0(t) M0 cos t 。經(jīng)過模擬乘法器 A1 后輸出電壓 為抑制載波雙邊帶調(diào)制信號，其數(shù)學表達式為： Sm(t) K uc (t) m0(t) =K U cM coswct M 0 cos t = KU cM M 0 cos(wc)t cos(wc)t 圖 3 DSB 調(diào)制過程的波形及頻譜 (2)DSB解調(diào)過程的分析：調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻 信號的頻譜搬移到載頻位置。

14、 而解調(diào)是將位于載頻的信號頻譜再搬回來， 并且不 失真地恢復出原始基帶信號。 雙邊帶解調(diào)通常采用相干解調(diào)的方式， 它使用一個同步解調(diào)器， 即由相乘器 和低通濾波器組成。 在解調(diào)過程中， 輸入信號和噪聲可以分別單獨解調(diào)。 相干解 調(diào)的原理框圖如圖所示： m(t ) Vcm cos wct AM xy x y m0(t) K uc (t) sm(t) 圖 2 雙邊帶解調(diào)信號組成模型 解調(diào)過程的數(shù)學表達式：雙邊帶調(diào)幅波的電壓可表示為： Sm(t) KU cM coswct 本機載波電壓為： uc (t) U cM coswct 解調(diào)波的表達式： m 0（t） K Sm（t） u（t） =K U cM

15、 coswct Sm cos t = KSmU M cos（wc）t cos（wc）t 2 2 DSB 的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)方案制定 2.1 方案提出（需有系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)功能參數(shù)） 振幅調(diào)制方式是用傳遞的低頻信號去控制作為傳送載體的高頻振蕩波 （稱為 載波）的幅度， 是已調(diào)波的幅度隨調(diào)制信號的大小線性變化， 而保持載波的角頻 率不變。在振幅調(diào)制中， 根據(jù)所輸出已調(diào)波信號頻譜分量的不同， 分為普通調(diào)幅 （AM）、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（ DSB）、抑制載波的單邊帶調(diào)幅（ SSB）等。 AM 的載波振幅隨調(diào)制信號大小線性變化。 DSB是在普通調(diào)幅的基礎上抑制掉不攜帶 有用信息的載波， 保留攜帶有用信息的

16、兩個邊帶。 SSB是在雙邊帶調(diào)幅的基礎上， 去掉一個邊帶， 只傳輸一個邊帶的調(diào)制方式。 它們的主要區(qū)別是產(chǎn)生的方法和頻 譜的結構不同。 這里重點研究抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（ DSB）。下圖為 DSB調(diào)制與解調(diào)的系統(tǒng) 框圖。 圖 4 DSB 調(diào)制與解調(diào)的系統(tǒng)框圖 2.2 方案論證 在現(xiàn)實的環(huán)境中， 我們所得到的一般信號振幅， 頻率都比較低， 不能滿足遠 距離，高清度的傳輸要求， 必須將信號采用高頻載波調(diào)制傳輸。 我們在實際的生 活中要將聲音， 圖像，語言， 文字等這些采集的低頻信號進行遠距離的傳輸是不 理性的信號。 由于要傳輸?shù)幕诘皖l范圍， 如果信號直接發(fā)射出去， 需要的發(fā)射 和接受天線尺寸太大

17、，輻射效率太低，不易實現(xiàn)。我們知道，天線如果要想有效 的輻射，需要天線的尺寸 l 與信號的波長 v 可以比擬。即使天線的尺寸為波長的 十分之一，即 l=v/10 ，對于頻率為 10kHz 的信號，需要的天線長度為 3Km，這樣 長的天線幾乎是無法實現(xiàn)的。 若將信號調(diào)制到 10MHz的載波頻率上， 需要的天線 長度僅為 3m，這樣的天線尺寸小，實現(xiàn)起來也比較容易。 在模擬調(diào)制中， AM調(diào)制優(yōu)點在于系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，所以至今仍廣 泛應用于無線但廣播。 DSB與 AM信號相比，因為不存在載波分量， DSB調(diào)制效率 是 100%，即將全部功率都用于信息傳輸，所以選擇 DSB 調(diào)制與解調(diào)作為課程設

18、 計的題目具有很大的實際意義。 3 DSB 的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)方案設計 3.1 各單元模塊功能介紹及電路設計 由于從消息轉(zhuǎn)換過來的調(diào)制信號具有頻率較低的頻譜分量， 這種信號在許多 信道中不宜傳輸。 因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端通常需要有調(diào)制過程， 同時在接受 端則需要有解調(diào)過程從而還原出調(diào)制信號。 所謂調(diào)制就是利用原始信號控制高頻載波信號的某一參數(shù)，使這個參數(shù)隨調(diào) 制信號的變化而變化。 解調(diào)是與調(diào)制相反的過程， 即從接收到的已調(diào)波信號中恢 復原調(diào)制信息的過程。 圖 5 DSB 的調(diào)制電路部分 3.2 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇 在本次課程設計電路圖中，所用到的元器件包括電容、電阻、直流電源、交 流

19、電源、單刀雙擲開關、集成功放 LM741CN、相乘器、示波器等。 3.3 特殊器件的介紹 （1）LM741CN的介紹： LM741CN是一款普通的 8 腳單通道運算放大器，其 工作電壓范圍 736V，單位增益帶寬 1MHz，輸入失調(diào)電壓 6mV（最大值）。 圖 7 實物圖 圖 8 外部引腳圖 （2）模擬相乘器的介紹：模擬乘法器具有兩個輸入端（常稱X 輸入和 Y 輸入）和一個輸出端（常稱 Z 輸出）， 是一個三端口網(wǎng)絡，電路符號如圖所示： 如果兩個輸入信號只能為單極性的信號的乘法器為“單象限乘法器” ；一個輸入 信號適應兩種極性，而一個只能是一種單極性的乘法器為 “二象限乘法器”； 兩 個輸入信

20、號都能適應正、負兩種極性的乘法器為“四象限乘法器” 。 圖 9 模擬相乘器 3.4 系統(tǒng)整體電路圖 圖 10 系統(tǒng)整體電路圖 4 Multisim 軟件系統(tǒng)仿真和調(diào)試 4.1 仿真軟件介紹 Multisim 軟件前身是加拿大 IIT 公司在 20 世紀八十年代后期推出的電路仿 真軟件 EWB(Electronics Workbench),后來， EWB將原先版本中的仿真設計更名 為 multisim ，2005 年之后，加拿大 IIT 公司隸屬于美國國家儀器公司( National Instrument，簡稱 NI 公司)，美國 NI公司于 2006年初首次推出 Multisim9.0 版本。

21、 目前最新版本是美國 NI 公司推出的 multisim10。包含了電路原理圖的圖形輸入、 電路的硬件描述語言輸入方式， 具有豐富的仿真能力。 它具有更形象直觀的人機 交互界面， 并且提供了更加豐富的元件庫、 儀表庫和各種分析方法。 完全滿足電 路的各種仿真需要。 Multisim 軟件是迄今為止使用最方便、 最直觀的仿真軟件，其基本元件的數(shù) 學模型是基于 Spice 版本，但增加了大量的 VHDL元件模型，可以仿真更復雜的 數(shù)學元器件，另外解決了 Spice 模型對高頻仿真不精確的問題。 Multisim 在保 留了 EWB形象直觀等優(yōu)點的基礎上， 大大增強了軟件的仿真測試和分析功能， 大

22、大擴充了元件庫中的元件的數(shù)目，特別是增加了大量與實際元件對應得元件模 型，使得仿真設計的結果更加精確、更可靠、更具有實用性。 4.2 系統(tǒng)仿真實現(xiàn) 圖 11 用乘法器組成的抑制載波雙邊帶 （DSB）輸入波形及調(diào)制波形 圖 12 同步檢波器輸入的雙邊帶信號（上）及其輸出信號（下） 4.3 系統(tǒng)測試 (要求測試環(huán)境、測試儀器、測量數(shù)據(jù)) 由于加性噪聲只對已調(diào)信號的接收產(chǎn)生影響， 因而調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能主 要用解調(diào)器的抗噪聲性能來衡量。 為了對不同調(diào)制方式下各種解調(diào)器性能進行度 量，通常采用信噪比增益 G(又稱調(diào)制制度增益)來表示解調(diào)器的抗噪聲性能。 有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學模型如圖所示。 圖中

23、Sm (t )為已調(diào)信號， n(t )為加性高斯白噪聲。 Sm(t)和n(t) 首先經(jīng)過帶通濾 波器，濾出有用信號， 濾除帶外的噪聲。 經(jīng)過帶通濾波器后到達解調(diào)器輸入端的 信號為 Sm(t) 、噪聲為高斯窄帶噪聲 ni (t)，顯然解調(diào)器輸入端的噪聲帶寬與已調(diào) 信號的帶寬是相同的。最后經(jīng)解調(diào)器解調(diào)輸出的有用信號為 mo (t ) ，噪聲為 no(t)。 圖 13 有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學模型 設解調(diào)器輸入信號為 sm(t) m(t)cos ct 與相干載波 cos ct 相乘后，得 2 1 1 m(t) cos ctm(t)m(t ) cos2 ct 經(jīng)低通濾波器后，輸出信號為 1 mo(t)

24、 m(t) 2 因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為 2 1 2 So mo2(t)m2(t) 4 解調(diào) DSB信號時，接收機中的帶通濾波器的中心頻率o 與調(diào)制載頻 c 相同， 因此解調(diào)器輸出端的窄帶噪聲 ni(t) 可表示為 ni(t) nc(t)cos ct ns(t )sin ct 它與相干載波相乘后，得 ni(t)cos ct nc(t )cos ct ns(t)sin ct 11 nc(t)nc(t)cos 2 ct ns(t)sin 2 ct 22 經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為 1 no(t)nc(t) 2 故輸出噪聲功率為 2 1 2 1 No no (t)nc (t)

25、noB 44 這里， B 2fH ，為 DSB信號的帶通濾波器的帶寬。 解調(diào)器輸入信號平均功率為 2 2 1 2 Si sm2 (t) m(t)cos ct2m2(t) 2 可得解調(diào)器的輸入信噪比 12 Si 2m2(t) NinoB 同時可得解調(diào)器的輸出信噪比 So No 41m2(t) m2(t) 1 Ni 4 noB 因此制度增益為 So GDSBNo2 Si Ni 由此可見， DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為 2。也就是說 DSB信號的解調(diào)器使信 噪比改善了一倍。 這是因為采用相干解調(diào)， 使輸入噪聲中的正交分量 ns(t) 被消除 的緣故。 4.4 數(shù)據(jù)分析 對比系統(tǒng)功能及參數(shù)與設計要求是否

26、相符) 通過觀察調(diào)制波形可以得知， 示波器中的紅線為高頻載波， 綠線為調(diào)制信號， 載波信號把調(diào)制信號搬移到更高頻帶處，與書中 DSB 信號的調(diào)制理論一致。通 過觀察解調(diào)波形可以得知， 示波器中的紅線為同步檢波器輸入的雙邊帶信號， 綠 線為解調(diào)輸出的信號，與調(diào)制信號一致。 綜上所述，本電路設計能夠?qū)崿F(xiàn) DSB信號的調(diào)制與解調(diào) 5 總結 5.1 設計小結 模擬調(diào)制系統(tǒng)是通信工程專業(yè)方向最主要的模塊之一， 通過 在課堂上對理論知識的學習， 我們了解到模擬調(diào)制系統(tǒng)的基 本方式以及其原理。然而，如何將理論在實踐中得到驗證和 應用，是我們學習當中的一個問題。而通過本次課程設計， 我們在強大的 Multis

27、im 平臺上對數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)進行 了一次仿真，有效的完善了學習過程中實踐不足的問題，同 時進一步鞏固了原先的基礎知識。 5.2 收獲體會 通過這次的課程設計，一方面，我們對調(diào)制和解調(diào)有了更進 一步的認識，尤其是在系統(tǒng)設計方面，盡管是非常基礎的 DSB 調(diào)制與解調(diào)的傳輸， 也是經(jīng)過若干設備協(xié)同工作， 才能 保證信號有效傳輸，而小到僅僅是一個電容電阻參數(shù)，都有 可能導致整個仿真過程無法正常運行。 另一方面，我們通過本次的課程設計， 著實領教了 Multisim 強大的功能和實 力。通過在 Multisim 環(huán)境下對系統(tǒng)進行模塊化設計與仿真， 使我們獲得兩方面具 體經(jīng)驗，第一是 Multisim 中各個功能模塊的使用方法， 第二是圖形化和結構化的 系統(tǒng)設計方法。 這些經(jīng)驗雖然并不高深， 但是對