基于Multisim的DSB的調(diào)制與解調(diào)電路的仿真分析

1、*師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2014屆通信工程專業(yè)課程設(shè)計報告課程設(shè)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(xué)生姓名： * 學(xué)生學(xué)號： * 系 別： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 屆 別： 2014屆 指導(dǎo)教師： * 電氣信息工程學(xué)院制2013年4月基于Multisim的DSB的調(diào)制與解調(diào)電路的仿真分析學(xué)生：*指導(dǎo)教師：*電氣信息工程學(xué)院 通信工程專業(yè)1 課程設(shè)計的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計的任務(wù)本課程設(shè)計是實現(xiàn)DSB的調(diào)制解調(diào)。在此次課程設(shè)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(xué)習(xí)

2、，更清晰地認(rèn)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(yīng)用方式與特色。利用自主的設(shè)計過程來鍛煉自己獨(dú)立思考，分析和解決問題的能力，為我今后的自主學(xué)習(xí)研究提供具有實用性的經(jīng)驗。1.2 課程設(shè)計的要求（1）熟悉multisim的使用方法，掌握DSB信號的調(diào)制解調(diào)原理，以此為基礎(chǔ)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(jié)果來加強(qiáng)對DSB信號調(diào)制解調(diào)原理的理解。（3）在老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成課程設(shè)計的全部內(nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計論文，文中能正確闡述和分析設(shè)計

3、和實驗結(jié)果。 1.3 課程設(shè)計的研究基礎(chǔ)（設(shè)計所用的基礎(chǔ)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A0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信號（DSB-SC），簡稱雙邊帶信號（DSB），表示為： 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上下按調(diào)制信號規(guī)律變化。這樣，當(dāng)調(diào)制信號進(jìn)入負(fù)半周時，就變?yōu)樨?fù)值。表明載波電壓產(chǎn)生相移。因而當(dāng)自正值或負(fù)值通過零值變化時，雙邊帶調(diào)制信號波形均將出現(xiàn)的相移突變。雙邊帶調(diào)制信號的包絡(luò)已不再反映的變化，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

4、器作 為雙邊帶調(diào)制電路的組成模型，如圖所示，圖中。圖1 雙邊帶調(diào)制信號組成模型調(diào)制過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式：設(shè)載波電壓為：。調(diào)制信號為： 。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(xué)表達(dá)式為： = 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。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(fù)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(dú)解調(diào)。相干解調(diào)的原理框圖 如圖所示： 圖2 雙邊帶解調(diào)信號組成模型解調(diào)過

5、程的數(shù)學(xué)表達(dá)式：雙邊帶調(diào)幅波的電壓可表示為：本機(jī)載波電壓為： 解調(diào)波的表達(dá)式： = = 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(chǔ)上抑制掉不攜帶有用信息的載波，保留攜帶有用信息的兩個邊帶。SSB是在雙邊帶調(diào)幅的基礎(chǔ)上，

6、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(jié)構(gòu)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。調(diào)制信號輸入相乘器調(diào)制信號輸出相乘器解調(diào)信號輸出高頻載波信號高頻載波信號圖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(yuǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)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，輻射效率太低，不易實現(xiàn)

7、。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(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，所以至今仍廣泛應(yīng)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(shè)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(shè)計3.1各單元模塊

8、功能介紹及電路設(shè)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(fù)原調(diào)制信息的過程。圖5 DSB的調(diào)制電路部分圖6 DSB的解調(diào)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(shè)計電路圖中，所用到的元器件包括電容、電阻、直流電源、交流電源、單刀雙擲開關(guān)、集成功放LM741CN、相乘器、示波器等。3.3 特殊器件的介紹（1）LM7

9、41CN的介紹：LM741CN是一款普通的8腳單通道運(yùn)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(luò)，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(yīng)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”；  兩個輸入信號都能適應(yīng)正、負(fù)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

10、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(jì)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(shè)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。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(jī)交互界面，并且提供了更加豐富的元件庫、儀

11、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(xué)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(fù)雜的數(shù)學(xué)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(chǔ)上，大大增強(qiáng)了軟件的仿真測試和分析功能，大大擴(kuò)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(yīng)得元件模型，使得仿真設(shè)計的結(jié)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

12、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(jìn)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(xué)模型如圖所示。圖中為已調(diào)信號，為加性高斯白噪聲。 和首先經(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(dá)解調(diào)器輸入端的信號為 、噪聲為高斯窄帶噪聲，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，噪聲為。 圖13 有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學(xué)模型設(shè)解

13、調(diào)器輸入信號為與相干載波相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，輸出信號為因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為解調(diào)DSB信號時，接收機(jī)中的帶通濾波器的中心頻率與調(diào)制載頻相同，因此解調(diào)器輸出端的窄帶噪聲可表示為它與相干載波相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為故輸出噪聲功率為這里，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可得解調(diào)器的輸入信噪比同時可得解調(diào)器的輸出信噪比因此制度增益為由此可見，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(shè)計要求是否相符）通過觀察

14、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(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)DSB信號的調(diào)制與解調(diào)。5 總結(jié)5.1 設(shè)計小結(jié)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(xué)習(xí)，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(yīng)用，是我們學(xué)習(xí)當(dāng)中的一個問題。而通過本次課程設(shè)計，我們在強(qiáng)大的Multisim平臺上對數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了一次仿真，有效的完善

15、了學(xué)習(xí)過程中實踐不足的問題，同時進(jìn)一步鞏固了原先的基礎(chǔ)知識。5.2 收獲體會通過這次的課程設(shè)計，一方面，我們對調(diào)制和解調(diào)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，尤其是在系統(tǒng)設(shè)計方面，盡管是非常基礎(chǔ)的DSB調(diào)制與解調(diào)的傳輸，也是經(jīng)過若干設(shè)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(dǎo)致整個仿真過程無法正常運(yùn)行。另一方面，我們通過本次的課程設(shè)計，著實領(lǐng)教了Multisim強(qiáng)大的功能和實力。通過在Multisim環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)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(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)設(shè)計方法。這些經(jīng)驗雖然并不高深，但是對于剛?cè)腴T的初學(xué)者來說，對以后步入專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計或研發(fā)無疑具有重大的意義。6 參考文獻(xiàn)1電子線路：非線性部分/謝佳奎主編：謝佳奎，宣月清，馮軍編.4版.北京：高等教育出版社，（2010重?。?通信原理/樊昌信，曹麗娜編著. 6版.北京：國防工業(yè)出版社，2011.8重印3張肅文，陸兆熊.高頻電子線路.第三版.高等教育出版社，1993年4董在望，肖華庭.通信電路原理.高等教育出版社，1989年5黃智偉.基于Multisim2001的電子電路計算機(jī)仿真設(shè)計與分析.北京電子工業(yè)出版社。20046 Multisim7電路設(shè)計及仿真應(yīng)用/熊