通信電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)--FM解調(diào)報(bào)告--中南大學(xué)

1、通信電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)報(bào)告中南大學(xué)通信電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)報(bào)告 姓 名: 學(xué) 號(hào): 專(zhuān)業(yè)班級(jí): 選 題: FM解調(diào)器設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師: 董健老師 目錄一、 課程設(shè)計(jì)題目及要求2二、 FM解調(diào)簡(jiǎn)要說(shuō)明31、 實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法32、 利用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)鑒頻的原理3三、 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析51、 混頻電路分析52、 解調(diào)電路分析5四、 系統(tǒng)仿真與調(diào)試過(guò)程61、 混頻電路仿真與調(diào)試過(guò)程62、 解調(diào)電路仿真與調(diào)試過(guò)程103、 系統(tǒng)整體仿真與調(diào)試過(guò)程13五、 系統(tǒng)性能分析141、 混頻部分濾波電路性能分析.142、 解調(diào)部分濾波電路性能分析.163、 解調(diào)輸出誤差分析.16六、 心得體會(huì)17七、 參考文獻(xiàn)171、 課程

2、設(shè)計(jì)題目及要求1、 課程設(shè)計(jì)題目：FM解調(diào)器設(shè)計(jì)2、 課程設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：用集成單片鎖相環(huán)芯片如NE564設(shè)計(jì)一個(gè)FM解調(diào)電路，輸入FM信號(hào)為中心頻率為10.7MHz 、調(diào)制信號(hào)為1KHz、中頻頻率為455 KHz。3、 課程設(shè)計(jì)目的：通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使自己加強(qiáng)對(duì)高頻電子技術(shù)電路的理解，學(xué)會(huì)查尋資料方案比較，以及設(shè)計(jì)、計(jì)算等環(huán)節(jié)。進(jìn)一步提高分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)腦動(dòng)手獨(dú)立開(kāi)展電路實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，鍛煉分析解決高頻電子電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，真正實(shí)現(xiàn)由課本知識(shí)向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過(guò)典型電路的設(shè)計(jì)與制作，加深對(duì)基本原理的了解，增強(qiáng)自己的實(shí)踐能力。4、 課程設(shè)計(jì)的基本要求：1)、培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)需

3、要選學(xué)參考書(shū)，查閱手冊(cè)，圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，通過(guò)獨(dú)立思考深入鉆研有關(guān)問(wèn)題，學(xué)會(huì)自己分析解決問(wèn)題的方法。2)、通過(guò)實(shí)際電路方案的分析比較，設(shè)計(jì)計(jì)算元件選取安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握簡(jiǎn)單實(shí)用電路的分析方法和工程設(shè)計(jì)方法。3)、掌握常用儀表的正確使用方法，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)試和整機(jī)指標(biāo)測(cè)試方法，提高動(dòng)手能力。4)、了解與課程有關(guān)的電子電路以及元器件工程技術(shù)規(guī)范，能按課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的技術(shù)要求，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明，能正確反映設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成果，能正確繪制電路圖。5)、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和科學(xué)態(tài)度，使自己逐步建立正確的生產(chǎn)觀(guān)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)觀(guān)點(diǎn)和全局觀(guān)點(diǎn)。2、 FM解調(diào)簡(jiǎn)要說(shuō)明調(diào)頻波的解調(diào)簡(jiǎn)稱(chēng)鑒頻，對(duì)調(diào)頻波而言，調(diào)制

4、信息包含在已調(diào)信號(hào)瞬時(shí)頻率的變化中，所以解調(diào)的任務(wù)就是把已調(diào)信號(hào)瞬時(shí)頻率的變化不失真地轉(zhuǎn)變成電壓變化，即實(shí)現(xiàn)“頻率電壓”轉(zhuǎn)換，完成這一功能的電路，稱(chēng)為頻率解調(diào)器，簡(jiǎn)稱(chēng)鑒頻器。1、 實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法1） 利用波形變換進(jìn)行鑒頻； 2） 相移乘法鑒頻；3） 脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器；4） 利用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)鑒頻在本次課程設(shè)計(jì)中要求用集成的鎖相環(huán)芯片對(duì)FM已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，所以這里就只討論第四次方法：利用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)鑒頻。2、 利用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)鑒頻的原理鎖相環(huán)（PLL）包含3個(gè)必不可少的單元電路：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器把周期性輸入信號(hào)的相位與VCO信號(hào)的相位進(jìn)行比較；PD

5、的輸出信號(hào)是這兩個(gè)輸入信號(hào)之間相位誤差的度量。之后該誤差電壓由環(huán)路濾波器進(jìn)行濾波，而環(huán)路濾波器的輸出被用控制電壓送入VCO?？刂齐妷焊淖兞薞CO的頻率，以減小輸入信號(hào)與VCO之間的相位誤差。 鎖相環(huán)原理框圖如下：鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型如下：顯然是環(huán)路的瞬時(shí)頻差:右邊第一項(xiàng)稱(chēng)固定角頻率:式中最后一項(xiàng) 稱(chēng)控制角頻差:其表示壓控振蕩器在的作用下，產(chǎn)生振蕩角頻率偏離的數(shù)值。于是動(dòng)態(tài)方程構(gòu)成如下關(guān)系：瞬時(shí)頻差=固有頻差-控制頻差。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，控制電壓把VCO頻率的平均值調(diào)整到與輸入信號(hào)頻率的平均值完全一樣。對(duì)于輸入信號(hào)的一個(gè)周期，振蕩器僅輸出一個(gè)周期。鎖相并非意味著零相位誤差；恒定的相位誤

6、差和起伏的相位誤差都可能存在于鎖相環(huán)中。過(guò)大的相位誤差會(huì)導(dǎo)致失鎖。 當(dāng)輸入為調(diào)頻波時(shí)，如果環(huán)路濾波器的帶寬足夠?qū)?，使鑒相器的輸出電壓可以順利通過(guò)，則VCO就能跟蹤輸入調(diào)頻波中反映調(diào)制規(guī)律變化的瞬時(shí)頻率，即VCO的輸出就是一個(gè)具有相同調(diào)制規(guī)律的調(diào)頻波。這時(shí)環(huán)路濾波器 輸出的控制電壓就是所需的調(diào)頻波解調(diào)電壓。模擬鎖相環(huán)NE564芯片就可用來(lái) 設(shè)計(jì)FM解調(diào)電路。鎖相環(huán)解調(diào)原理框圖：3、 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析由于本次課程設(shè)計(jì)題目要求用集成的鎖相環(huán)芯片來(lái)進(jìn)行解調(diào)，而且要求中頻為455KHz，因?yàn)榻邮招盘?hào)的載頻為10.7MHz，所以就必須要有一個(gè)混頻的過(guò)程來(lái)得到題目所要求的中頻。

7、因而整個(gè)系統(tǒng)可以分為混頻子電路和解調(diào)子電路兩個(gè)模塊。1、 混頻電路分析接收信號(hào)載頻為10.7MHz，要得到455KHz的中頻，用一個(gè)模擬乘法器將接收信號(hào)和一個(gè)10.245MHz的正弦信號(hào)相乘，由傅里葉變換性質(zhì)可知道，會(huì)得到兩個(gè)信號(hào)和頻還有差頻的輸出，然后再經(jīng)過(guò)合適的濾波器之后就可以得到455KHz的中頻FM已調(diào)信號(hào)。其濾波器參數(shù)的選擇是這部分的難點(diǎn)，要經(jīng)過(guò)多次的分析才能得到準(zhǔn)確的參數(shù)。關(guān)于具體參數(shù)的選擇會(huì)在仿真調(diào)試部分加以說(shuō)明。實(shí)現(xiàn)框圖如下：2、 解調(diào)電路分析題目要求解調(diào)部分要用到集成鎖相環(huán)NE564，而Multisim這個(gè)軟件中沒(méi)有提供NE564，但提供了虛擬鎖相環(huán)這個(gè)元器件。所以可以用虛擬

8、鎖相環(huán)來(lái)代替NE564。解調(diào)電路框圖如下：4、 系統(tǒng)仿真與調(diào)試過(guò)程整個(gè)系統(tǒng)和各個(gè)子系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)好之后就是具體電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，這個(gè)階段其實(shí)是整個(gè)課程設(shè)計(jì)的核心。在這個(gè)階段中，可能會(huì)遇到各種問(wèn)題，而在遇到問(wèn)題的時(shí)候就需要我們首先要掌握足夠的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還有要善于分析，能夠快速的找到產(chǎn)生各種問(wèn)題的原因，進(jìn)而找到解決方法。下面就是我在本次課程設(shè)計(jì)中的仿真與調(diào)試過(guò)程。1、 混頻電路仿真與調(diào)試過(guò)程剛開(kāi)始設(shè)計(jì)混頻部分的濾波電路是以為只要保留兩個(gè)信號(hào)的差頻就可以了，濾除和頻就可以了。于是剛于始設(shè)計(jì)了如下的混頻電路：濾波器的截止頻率設(shè)置為500KHz。由這個(gè)混頻電路的輸出和由455KHz為載頻直接調(diào)制的FM信

9、號(hào)用示波器進(jìn)行對(duì)比：當(dāng)時(shí)肉眼看不出來(lái)這兩個(gè)信號(hào)有什么區(qū)別，就以為混頻電路是對(duì)的，但后來(lái)經(jīng)過(guò)解調(diào)部分電路之路發(fā)現(xiàn)不能正確解調(diào)出所需信號(hào)，才重新回來(lái)審試這個(gè)電路。后來(lái)發(fā)現(xiàn)Multisim中有傅里葉分析功能，于是利用這個(gè)功能分析了直接由455KHz載頻調(diào)制的FM信號(hào)和用模擬乘法器相乘之后信號(hào)的頻譜。Fig4.1.1、直接由455KHz載頻調(diào)制的FM信號(hào)頻譜Fig4.1.2、10.7MHz接收信號(hào)與10.245MHz本地振蕩相乘后的頻譜圖觀(guān)察這兩個(gè)信號(hào)的頻譜圖可明顯看到，這兩個(gè)信號(hào)在700KHz的頻譜基本是一樣的，從圖4.1.1看到其主要的頻率分量集中在300600KHz之間，而對(duì)于圖4.1.2在90

10、0KHz的地方有一個(gè)幅度比較大的分量，而且是800KHz的頻率處的幅度比圖4.1.1大，所以濾波電路可以用一個(gè)低通濾波器，其截止頻率設(shè)置為700KHz。低通濾波器如下：參數(shù)計(jì)算：取，可得到經(jīng)過(guò)一個(gè)截止頻率為700KHz的一階低通濾波器后，再用傅里葉分析來(lái)分析輸出信號(hào)的頻譜：Fig4.1.3、經(jīng)過(guò)一階低通濾波器后的頻譜由圖4.1.3可觀(guān)察，700KHz以上的頻率分量的幅度雖然有所衰減，但跟圖4.1.1想比，衰減得還不夠，所以可以嘗試用一個(gè)二階低通濾波器，但在接下來(lái)的仿真中，發(fā)現(xiàn)二階低通濾波器的衰減還是不夠，這里就不具體給出經(jīng)過(guò)二階濾波器后的頻譜圖。這里直接給出經(jīng)過(guò)一個(gè)三階低通濾波器和一個(gè)帶通濾波

11、器的設(shè)計(jì)：參數(shù)計(jì)算：低通濾波器的參數(shù)上面已說(shuō)明，這里就不重復(fù)了，三階低通濾波器后面是一個(gè)由低通濾波器和一個(gè)高通濾波器組成的帶通濾波器。帶通濾波器上限截止頻率：，取，可算得。帶通濾波器上限截止頻率：，取，可算得。接下來(lái)可以用傅里葉分析經(jīng)過(guò)一個(gè)三階低通濾波器和一個(gè)帶通濾波器后的信號(hào)的頻譜。Fig4.1.4、經(jīng)過(guò)三階低通濾波器和帶通濾波器后的頻譜通過(guò)觀(guān)察圖4.1.4和4.1.1，可以看出，經(jīng)過(guò)三階低通濾波器和帶通濾波器之后的信號(hào)的頻譜圖和用455KHz直接解頻的信號(hào)的頻譜圖是基本一樣的，這樣混頻部分的電路就設(shè)計(jì)好了。如下是完整的混頻部分電路圖：2、 解調(diào)電路仿真與調(diào)試過(guò)程為了保證解調(diào)電路的正確性，在

12、剛開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于解調(diào)電路的輸入信號(hào)，我首先采用用的不是經(jīng)過(guò)混頻后得到的中頻信號(hào)，是以455KHz為載頻直接調(diào)制的FM已調(diào)信號(hào)，而不是經(jīng)過(guò)混頻后得到的中頻信號(hào)，在確認(rèn)解調(diào)電路能夠正常準(zhǔn)確的工作后，再把混頻得到的中頻信號(hào)做為輸入。按照上面所說(shuō)明的解調(diào)部分框圖初頻設(shè)計(jì)解調(diào)電路如下：其中，關(guān)于PLL_VIRTUAL（虛擬鎖相環(huán)）有幾個(gè)參數(shù)需要設(shè)置：低通濾波器截止頻率，因?yàn)橐敵?KHz的解調(diào)信號(hào)，所以這里可以設(shè)為2KHz。壓控振蕩器自由運(yùn)行頻率，設(shè)置與輸入信號(hào)的載頻一樣，有利于使輸入信號(hào)的全部頻率分量都能進(jìn)入鎖相環(huán)的捕捉帶。壓控振蕩器輸出幅度，這個(gè)設(shè)置多少對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響這樣就可以通過(guò)示波器來(lái)觀(guān)察這個(gè)

13、初頻設(shè)計(jì)的電路的輸出結(jié)果了。Fig4.2.1、初步解調(diào)電路的輸出結(jié)果如上圖，雖然能得到包絡(luò)為1KHz的解調(diào)信號(hào)，但其毛刺很多，這是因?yàn)檩敵鲂盘?hào)中還含有很多的高頻分量，這是因?yàn)樘摂M鎖相環(huán)里面的環(huán)路濾波器的濾波效果并不是很好，為了得到更好的輸出，所以要在虛擬鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器的輸出端再添加濾波器。而關(guān)于濾波器參數(shù)的設(shè)置，我們也可以按照上面的方法，先用傅里葉分析虛擬鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)的頻譜。其結(jié)果如下：Fig4.2.2、虛擬鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)的頻譜由圖可以看出，輸出信號(hào)在1100KHz頻率上都有分量，因此在這里設(shè)計(jì)的一個(gè)低通濾波器，其截止頻率為1.2KHz，關(guān)于具體電容電阻的選值

14、這里就再說(shuō)明，參照上面的方法即可。電路圖如下：Fig4.2.3、加濾波器后的鎖相環(huán)解調(diào)電路Fig4.2.4、加濾波器后的鎖相環(huán)解調(diào)電路的輸出波形Fig4.2.5、加濾波器后的鎖相環(huán)解調(diào)電路的輸出波形頻譜圖由上面兩個(gè)圖可以清楚的看到，輸出信號(hào)基本是只含有1KHz頻率分量的，通過(guò)這兩個(gè)圖也可以證明以上的解調(diào)電路是能夠準(zhǔn)確地解調(diào)出1KHz的解調(diào)信號(hào)的。這樣解調(diào)部分的電路設(shè)計(jì)也完成了。3、 系統(tǒng)整體仿真與調(diào)試過(guò)程在各個(gè)子電路都設(shè)計(jì)跟調(diào)試好之后就是把各個(gè)子電路整合起來(lái)，進(jìn)行系統(tǒng)的整體仿真與調(diào)試。如下圖為整體電路圖：Fig4.3.1、系統(tǒng)整體電路圖 Fig4.3.2、最后輸出波形 Fig4.3.3、最后輸

15、出波形頻譜由以上兩圖可以看出，整體系統(tǒng)的最后輸出也是完全正確的，所以本次FM已調(diào)信號(hào)的解調(diào)可以說(shuō)是完成了。5、 系統(tǒng)性能分析1、混頻部分濾波電路性能分析如右圖是一個(gè)一階低通濾波器，其理論截止頻率為700KHzMultisim提供了一個(gè)交流分析仿真功能，利用這個(gè)交流分析功能，可以得出網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線(xiàn)，而上面一階低通濾波器的幅頻特性如下： 右圖是用交流分析仿真功能得出的一階低通濾波器的幅頻特性。其中縱軸的單位為十進(jìn)制單位?？梢钥闯?，一階低通濾波器對(duì)阻帶的衰減并不是很大。上圖是用Multisim中的波特儀來(lái)分析一階低通濾波器的特性的結(jié)果，其中縱軸是以對(duì)數(shù)為單位的。豎線(xiàn)代表衰減為-2.901想對(duì)應(yīng)的

16、頻率為705.175KHz，如右圖是一個(gè)由三個(gè)一階低通濾波器組成的三階低通濾波器。用交流分析仿真功能和波特儀來(lái)分析上述三階低通濾波器的幅頻特性如下：由以上兩圖可以看出，三階低通濾波器雖然對(duì)高頻分量有較好的衰減效果，但對(duì)低頻分量也會(huì)有一定的衰減，為了補(bǔ)償對(duì)低頻分量的衰減，還得再加一個(gè)帶通濾波器。這就得到了混頻部分完整的濾波電路，其幅頻特性如下：2、解調(diào)部分濾波電路性能分析解調(diào)部分濾波電路的幅頻特性由圖可清楚地看到，在1.028KHz片的衰減為-8.082db。3、解調(diào)輸出誤差分析用頻率計(jì)觀(guān)察輸出頻率如下圖結(jié)果：由此可以計(jì)算出輸出頻率的絕對(duì)誤差：；相對(duì)誤差：，可以看出，絕對(duì)誤差跟相對(duì)誤差都非常之小

17、，所以這個(gè)系統(tǒng)是不錯(cuò)的。6、 心得體會(huì)經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我更加牢固的掌握了有關(guān)通信電子線(xiàn)路方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過(guò)親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。 錯(cuò)而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測(cè)調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過(guò)而能改，善莫大焉”的知行觀(guān)。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，一定要不懈努力，不能遇到問(wèn)題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可！以及如何提高電路的性能等等，掌握了Multisim仿真的方法和技術(shù)，通過(guò)查詢(xún)資料，也了解了FM解調(diào)器的構(gòu)造及原理。 在設(shè)計(jì)課程中，我學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。了解了很多關(guān)于高頻信號(hào)方面的知識(shí)，而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。