AM,DSB,SSB調制和解調電路的設計

1、東北大學分校電子信息系基于Multisim的調幅電路的仿真專業(yè)名稱電子信息工程班級學號5081411學生曹翔指導教師王芬芬設計時間2011/6/22.專業(yè)資料.基于Multisim的調幅電路的仿真1. 前言信號調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，并且是頻譜資源得到充分利用。調制作用的實質就是使相同頻率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，不致相互干擾。而要還原出被調制的信號就需要解調電路。調制與解調在高頻通信領域有著廣泛的應用，同時也是信號處理應用的重要問題之一，系統(tǒng)的仿真和分析是設計過程中的重要步驟和必要的保證。論文利用Multisim提

2、供的示波器模塊，分別對信號的調幅和解調進行了波形分析。AM調制優(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。與AM信號相比，因為不存在載波分量，DSB調制效率是100%。我們注意到DSB信號兩個邊帶中任意一個都包含了M（w）的所有頻譜成分，所以利用SSB調幅可以提高信道的利用率，所以選擇SSB調制與解調作為課程設計的題目具有很大的實際意義。論文主要是綜述現代通信系統(tǒng)中AM,DSB,SSB調制解調的基本技術，并分別在時域討論振幅調制與解調的基本原理,以及介紹分析有關電路組成。此課程設計的目的在于進一步鞏固高頻、通信原理等相關專業(yè)課上所學關于頻率調制與解調等相關容。同時加強了團隊

3、合作意識，培養(yǎng)分析問題、解決問題的綜合能力。本次綜合課設于2011年6月20日著手準備。我團隊四人：曹翔、婷婷、賴志娟、少楠分工合作，利用兩天時間完成對設計題目的認識與了解，用三天時間完成了本次設計的仿真、調試。2. 基本理論由于從消息轉換過來的調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)送端通常需要有調制過程，同時在接受端則需要有解調過程從而還原出調制信號。所謂調制就是利用原始信號控制高頻載波信號的某一參數，使這個參數隨調制信號的變化而變化，最常用的模擬調制方式是用正弦波作為載波的調幅（AM）、調頻（FM）、調相（PM）三種。解調是與調制相反的過程，即從

4、接收到的已調波信號中恢復原調制信息的過程。與調幅、調頻、調相相對應，有檢波、鑒頻和鑒相1。振幅調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，是已調波的幅度隨調制信號的大小線性變化，而保持載波的角頻率不變。在振幅調制中，根據所輸出已調波信號頻譜分量的不同，分為普通調幅（AM）、抑制載波的雙邊帶調幅（DSB）、抑制載波的單邊帶調幅（SSB）等。AM的載波振幅隨調制信號大小線性變化。DSB是在普通調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兩個邊帶。SSB是在雙邊帶調幅的基礎上，去掉一個邊帶，只傳輸一個邊帶的調制方式。它們的主要區(qū)別是產生的方法和頻譜的結構

5、不同。3. 利用仿真軟件Multisim10對AM電路仿真分析3.1 AM信號的數學表達式AM信號是載波信號振幅在"mo上下按輸入調制信號規(guī)律變化的一種調幅信號，表達式如下：v（t）=V+ku（t）coswt（1）om0aQc由表達式（1）可知，在數學上，調幅電路的組成模型可由一個相加器和一個相乘器組成，如圖1所示。圖中，A為相乘器的乘積常數，A為相加器的加權系M數，且A二k,AAV二kMcmau(t)oUQ（t）調幅電路u（t）c設調制信號為：u=E+UcosQtQ(t)cQM載波電壓為：u=UcoswTc(t)cMc上兩式相乘為普通振幅調制信號：u=K(E+UcoscoswTs(

6、T)CcMcMc=KU(E+Ucos0T)coswTcMCQ.Mc-KUE(1+McosGt)coswTcMcac2)-U(1+McosGt)coswt式中，M=aSac稱為調幅系數(或調制指數)，其中OVMW1。而當M>1aa時，在Gt=n附近，u(t)變?yōu)樨撝?，u(t)它的包絡已不能反映調制信號的變化cc而造成失真，通常將這種失真成為過調幅失真，此種現象是要盡量避免的。3.2普通調幅(AM)信號的波形在Multisim仿真電路窗口中創(chuàng)建如圖3.1.2所示的由乘法器(K-1)組成的普通調幅(AM)電路，在該電路中，直流電壓源E(圖中V)和低頻調制信號U(圖c4G(t)中V)分別加到乘法

7、器A1的X輸入端口，高頻載波信號電壓U(圖中匕)加到2c(t)1乘法器的Y輸入端口。將示波器的A、B通道分別加到乘法器的X輸入端口、模擬加法器的輸出端口，其構成如下圖2所示：圖2乘法器組成的普通調幅(AM)電路運行仿真電路可得到輸出波形（見圖3）。此時調幅指數M廣UqmE=°.5,運°c行仿真開關,雙擊示波器圖標，可以得到示波器仿真輸出波形和輸入調制信號波形（見圖3），從圖中輸出波形可以看出，高頻載波信號的振幅隨著調制信號的振幅規(guī)律變化，即已調信號的振幅在E上下按輸入調制信號規(guī)律變化。c圖3普通調幅（AM）電路的輸入波形（上）和調制信號波形（下）從圖3.2.1可得到如下結論

8、：調幅電路組成模型中的相乘器對u（t）和u（t）實QC現相乘運算得結果，反映在波形上是將U（t）不失真地轉移到載波信號振幅上。Q若將圖3.2.1中調制信號電壓的幅值改為2V,則調指數=U=1，這°'c時電路輸出的曲線的包絡恰好為調幅曲線，其仿真結果見仿真示波器屏幕，如圖4所示：圖4調幅電路恰好調幅（M=1）時的調制信號（上）及其輸出波形（下）若將圖2中調制信號電壓的幅值改為12V,則調制指數M廣U=3,Ma>1,°'c這時電路輸出的曲為過量調幅曲線，仿真結果如圖5所示：圖5調制電路過調失真（Ma1）時的輸出波形從圖中可以看出已調波的包絡形狀與調制信號不

9、一樣，產生了嚴重的包絡失真，這種情況稱為過調失真，在實際應用中應盡量避免。因此,在振幅調制仿真過程中可以得出如下結：為了保證已調波的包絡真實地反映出調制信號的化規(guī)律，避免產生過調失真，要求調制系數Ma必滿足0<Ma<1，這與式（2）理論上推導得出的結果是一致的。3.3普通調幅（AM）信號的解調解調（Demodulation）是調制的逆過程。振幅調制信號的解調電路稱為振幅檢波電路，簡稱檢波電路（Detector）,它的作用是從振幅調制信號中不失真地檢出調制信號來。對于普通調幅信號來說，它的載波分量未被抑制掉，可以直接利用非線性器件實現相乘作用，得到所需的解調電壓，而不必另加同步信號，

10、通常將這種振幅檢波器稱為包絡檢波器。目前應用最廣的是二極管包絡檢波器。解調調幅波時，二級管總是在輸入信號的每個周期的峰值附近到導通，因此輸出電壓與輸入信號包絡相同。二極管電流的平均分量I流過電阻R形成檢波輸av出，而高頻分量被電容C濾掉。圖6即為調制波形和解調輸出波形。圖6檢波器輸出波形（上）與輸入調幅波（下）的關系（不失真）由于參數的選擇，檢波器容易惰性失真。在二級管截止期間，電容C兩端電壓下降的速度取決于RC的時常數。如果電容放電速度很慢，使得輸出電壓不能跟隨輸入信號包絡下降的速度，那么檢波輸出將與輸入信號包絡不一樣，產生失真。把由于RC時間常數過大而引起的這種失真稱為惰性失真或者對角線切

11、割失真。如圖7：圖7檢波器出現惰性失真時的輸出波形同時還有一種失真，底部切割失真。如圖8所示。產生這種失真是因為交直流負載不同引起的。要避免底邊切割失真，一定要設法增大交流阻抗和直流阻抗的比值。圖8檢波器出現負峰切割失真時的輸出波形由上面三圖可得如下結論：當用二極管包絡檢波法解調普通調幅波時，要選擇合適的電路參數。4. 利用仿真軟件Muitisim10對DSB電路仿真分析4.1 DSB信號的數學表達式抑制掉調幅信號頻譜結構中無用的載頻分量，僅傳輸兩個邊頻的調制方式成為抑制載波的雙邊帶調制，簡稱雙邊帶調制，并表示為：u(t)=ku(t)coswt0aQc顯然，它與調幅信號的區(qū)別就在于其載波電壓振

12、幅不是在V上下按調制信號m0規(guī)律變化。這樣，當調制信號u(t)進入負半周時，u(t)就變?yōu)樨撝怠１砻鬏d波電Qo壓產生1800相移。因而當u(t)自正值或負值通過零值變化時，雙邊帶調制信號波Q形均將出現1800的相移突變。雙邊帶調制信號的包絡已不再反映u(t)的變化，但Q它仍保持頻譜搬移的特性，因而仍是振幅調制波的一種，并可用相乘器作為雙邊帶調制電路的組成模型，如下圖9所示，圖中AV二k。AMXyXu(t)=AVu(t)coswtoMcmQcMcmau(t)QVcoswtcmc圖9雙邊帶調制信號組成模型4.1.1調制過程的數學表達式設載波電壓為：u(t)=UcoswtccMc調制信號為：u(t)

13、二UcosQtQQM經過模擬乘法器Al后輸出電壓為抑制載波雙邊帶調制信號，其數學表達式為:u(t)=Kxu(t)xu(t)cQ=KxUcoswtxUcosQtcMcQM=KUULos(wcMQMc+Q)t+cos(wcQ)t:24)4.l.2解調過程的數學表達式雙邊帶調幅波的電壓u(t)可表示為:u(t)=KUcoswtcMcUcosQt=Uxu(t)xcoswtQMQMQc本機載波電壓為：u(t)=UcoswtccMc解調波的表達式：u(t)=Kxu(t)xu(t)pc=KxUcoswtxUcos0tcMcQM=KUUlcos(wcMQMc+Q)t+cos(wcQ)t/25).專業(yè)資料.4.

14、2 DSB信號的波形在Multisim仿真電路窗口中創(chuàng)建如下圖10所示的電路，其中由高頻載波信號u(t)(V)、低頻調制信號u(t)(V)及乘法器(K=0.1)A3組成抑制載波雙邊c13Q9帶調幅電路；由模擬乘法器A1輸出電壓u(t)、本機載波信號u(t)(V)和乘法器c14(K=0.1)A4組成抑制載波雙邊帶解調電路，其目的是從抑制載波雙邊帶調幅波中檢出調制信號u(t)。Q圖10DSB乘法器調制解調電路運行仿真開關，雙擊示波器圖標，可以得到抑制載波雙邊帶調幅仿真輸出波形如圖11所示：4.3DSB信號的解調振幅調制波的惴(t)o解調電路"圖12振幅檢波電路的作用u(t)sAxyMxu

15、低通濾波器u(t)yru(t)o如圖12所示，為輸入振幅調制信號電壓，為反映調制信號變化的輸出電壓在頻域上，這種作用就是將振幅調制信號頻譜不失真地搬回到零頻率附近。因此振幅檢波電路也是一種頻譜搬移電路，可以用相乘器實現這種作用，如圖13所示：圖13振幅解調電路的組成模型圖中電路由相乘器和低通濾波器組成。由圖可見，將u(t)先與一個等幅余弦電壓su(t)相乘，要求這個電壓與輸入載波信號同頻同相，即u(t)=Vcoswt，稱為同rrrmc步信號，相乘結果是u(t)頻譜被搬移到w的兩邊，一邊搬到2w上，構成載波角scc頻率為2w的雙邊帶調制信號，它是無用的寄生分量；另一邊搬到零頻率上，這c樣，u(t

16、)的一邊帶就必將被搬到負頻率軸上，負頻率是不存在的，實際上，這些s負頻率分量應疊加到相應的正頻率分量上，構成實際的頻譜，因此它比搬移到2wc上的任一邊帶頻譜在數值上加倍。而后用低通濾波器濾除無用的寄生分量，取出所需的解調電壓。必須指出，同步信號u(t)必須與輸入信號保持嚴格同步(同頻、r同相)是實現上述電路模型的關鍵，故將這種檢波電路稱為同步檢波電路。否則檢波性能就會下降。當恢復載波與發(fā)射載波同頻同相時，輸出將無失真的將調制信號恢復處出來如圖14：圖14同步檢波器輸入的雙邊帶信號(上)及其輸出信號(下)若恢復載波與發(fā)射載頻有一定的頻差，將會引起振幅失真和頻率失真，若只有一定的相差，但頻率相同，

17、則會引起一個振幅衰減因子，使振幅減小。5. 利用仿真軟件Muitisim10對SSB電路仿真分析5.1SSB信號的數學表達式單邊帶調制(SSB)信號是由DSB信號經邊帶濾波器濾除一個邊帶或在調制過程中，直接將一個邊帶抵消而成的。單頻調制時，u(t)=kuuDSBQcSSB信號的表達式為：取上邊帶：u(t)二Ucos(®+Q)tSSBC取下邊帶：u(t)二Ucos(w-Q)tSSBCU二UXUQC從上式看，單頻時的SSB信號仍是等幅波，但它與原載波電壓是不同的。SSB信號的振幅和調制信號的幅度成正比，它的頻率隨著調制信號頻率的不同而不同，因此它含有消息特征。單邊帶信號的包絡與調制信號的

18、包絡形狀相同，在單頻調制時，它們的包絡都是一個常數。5.2移相法產生SSB信號的方法:uSSB上邊下邊如圖15所示，移相法是利用移項網絡，對載波和調制信號進行適當的相移，以便在相加過程中將其中的一個邊帶抵消而獲得SSB信號，圖1為SSB調制信號的原理框圖，圖中，兩個調制器相同，但輸入信號不同。調制器B的輸入信號是移項90度的載頻和調制信號；調制信號的輸入沒有相移。兩個分量相加時為下邊帶信號，兩個分量相減時為上邊帶信號。5.3抑制載波的單邊帶調幅(SSB)信號的波形在Multisim仿真電路窗口中創(chuàng)建如下圖16所示的電路，其中由高頻載波信號u(t)(V)、低頻調制信號u(t)(V)及乘法器(K=

19、0.1)A3組成抑制載波雙c13Q9邊帶調幅電路f(t)=cos(®t)；由模擬積分器和乘法器(K=0.2)A2組成相移90.度cf(t)=-sin(®t)。兩者通過模擬加法器相加后，模擬出單邊帶調幅(SSB)信號。c運行仿真開關,雙擊示波器圖標，可以得到抑制載波單邊帶調幅仿真輸出波形如圖17所示：5.4抑制載波的單邊帶調幅（SSB）信號的解調SSB的解調方法和DSB完全相同，所獲得波形如圖18所示。6、結束語模擬調制系統(tǒng)是電子信息工程通信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