包絡檢波的調(diào)制解調(diào)器.doc

I I 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 高頻電子線路課程設計高頻電子線路課程設計 論文 論文 題目 插入載波的包絡解調(diào)電路設計題目 插入載波的包絡解調(diào)電路設計 院 系 院 系 電子與信息工程學院電子與信息工程學院 專業(yè)班級 專業(yè)班級 電子電子 102 班班 學學 號 號 100404056 學生姓名 學生姓名 李宏李宏 指導教師 指導教師 蔡希彪蔡希彪 教師職稱 教師職稱 副教授副教授 起止時間 起止時間 2013 6 28 2013 7 7 高頻電子線路課程設計 論文 II 課程設計 論文 任務及評語課程設計 論文 任務及評語 院 系 電子與信息工程學院 教研室 通信工程 學 號100404056學生姓名李宏專業(yè)班級電子 102 班 課程設計 論 文 題 目 插入載波包絡檢波解調(diào)電路設計 課程設計 論文 任務 設計要求 1 用 EWB 仿真 設計一個插入載波包絡檢波解調(diào)電路 2 能夠觀察輸入輸出波形 3 對調(diào)制信號頻率 1000Hz 載波頻率 100000Hz 的單邊帶信號 進行解調(diào) 設計要求 1 分析設計要求 明確性能指標 必須仔細分析課題要求 性 能 指標及應用環(huán)境等 廣開思路 構(gòu)思出各種總體方案 繪制結(jié) 構(gòu)框圖 2 確定合理的總體方案 以電路的先進性 結(jié)構(gòu)的繁簡 成本 的高低及制作的難易等方面作綜合比較 并考慮器件的來源 敲定 可行方案 3 設計各單元電路 總體方案化整為零 分解成若干子系統(tǒng)或 單元電路 逐個設計 4 組成系統(tǒng) 在一定幅面的圖紙上合理布局 通常是按信號的 流向 采用左進右出的規(guī)律擺放各電路 并標出必要的說明 指導教師評語及成績 平時成績 20 論文成績 40 答辯成績 40 總成績 指導教師簽字 學生簽字 年 月 日 高頻電子線路課程設計 論文 III 摘 要 包絡檢波是一個解調(diào)的過程 它與調(diào)制過程相反 檢波器的作用是從振幅受 調(diào)制的高頻信號中還原出原調(diào)制信號 還原所得的信號與高頻調(diào)幅信號的包絡變 化規(guī)律一致 本次課程設計為插入載波的包絡檢波解調(diào)電路的設計 實現(xiàn)對單邊 帶信號的解調(diào) 本設計主要是載波信號和調(diào)制信號通過一個乘法器 再通過一定 頻率的低通濾波器產(chǎn)生單邊信號 再經(jīng)過包絡檢波電路得到解調(diào)后的輸出波形 本次課程設計的目的是一方面使我們能夠進一步理解課程內(nèi)容 基本掌握數(shù) 字系統(tǒng)設計和調(diào)試的方法 增加集成電路應用知識 培養(yǎng)我們 分析 解決問題的 能力 掌握了使用 EWB 軟件的仿真及應用 另一方面也可使我們更好地鞏固和 加深對基礎知識的理解 學會設計中小型高頻電子線路的方法 獨立完成調(diào)試過 程 增強我們理論聯(lián)系實際的能力 提高電路分析和設計能力 通過實踐引導我 們在理論指導下有所創(chuàng)新 為專業(yè)課的學習和日后工程實踐奠定基礎 通過設計 一方面可以加深我們的理論知識 另一方面也可以提高我們考慮問題的全面性 將理論知識上升到一個實踐的階段 關鍵字 單邊帶信號 包絡檢波電路 解調(diào) EWB 仿真 高頻電子線路課程設計 論文 IV 目錄 第 1 章 緒論 1 1 1 插入載波包絡檢波器概述 1 1 2 課程設計要求及技術指標 1 1 3 設計方案論證 2 1 4 總體方案設計框圖及分析 3 第 2 章 各單元電路設計 4 2 1 單邊帶信號的產(chǎn)生 4 2 2 低通濾波器設計 5 2 3 包絡檢波電路設計 5 第 3 章 整體電路設計 7 3 1 整體電路分析 7 3 2 電路參數(shù)計算 7 第 4 章 設計總結(jié) 11 參考文獻 12 附錄 元器件清單 13 高頻電子線路課程設計 論文 1 第 1 章 緒論 1 1 插入載波包絡檢波器概述 振幅調(diào)制信號的解調(diào)過程稱為檢波 有載波振幅調(diào)制信號的包絡直接反映調(diào) 制信號的變化規(guī)律 可以用二極管包絡檢波的方法進行檢波 而抑制載波的雙 邊帶或單邊帶振幅調(diào)制信號的包絡不能直接反映調(diào)制信號的變換規(guī)律 無法用包 絡檢波進行解調(diào) 所以要采用同步檢波方法 同步檢波器主要是用于對 DSB 和 SSB 信號進行解調(diào) 當然也可以用于 AM 它的特點是必須加一個與載波同頻同 相的恢復載波信號 外加載波信號電壓加入同步檢波器的方法有兩種 利用模擬 乘法器的相乘原理 實現(xiàn)同步檢波是很簡單的 利用抑制載波的雙邊帶信號 和輸入的同步信號 即載波信號 經(jīng)過乘法器相乘 可得輸出信號 實現(xiàn)了雙 邊帶信號解調(diào)課程設計作為高頻電子線路課程的重要組成部分 目的是一方面使 我們能夠進一步理解課程內(nèi)容 基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設計和調(diào)試的方法 增加集成 電路應用知識 培養(yǎng)我們的實際動手能力以及分析 解決問題的能力 另一方面 也可使我們更好地鞏固和加深對基礎知識的理解 學會設計中小型高頻電子線路 的方法 獨立完成調(diào)試過程 增強我們理論聯(lián)系實際的能力 提高電路分析和設 計能力 通過實踐引導我們在理論指導下有所創(chuàng)新 為專業(yè)課的學習和日后工程 實踐奠定基礎 通過設計 一方面可以加深我們的理論知識 另一方面也可以提 高我們考慮問題的全面性 將理論知識上升到一個實踐的階段 1 2 課程設計要求及技術指標 本次課程設計是設計一個包絡檢波電路對單邊信號進行解調(diào) 通過本次設計 掌握高頻電子線路的設計方法 并將其與仿真聯(lián)系起來 理論與實踐相結(jié)合 培 養(yǎng)獨立設計能力 要求熟悉掌握 EWB 仿真操作系統(tǒng) 及高頻電子線路課程 本 次課程設計要求用 EWB 仿真 設計一個插入載波包絡檢波解調(diào)電路 能夠觀察 輸入輸出波形 分析并討論電路及結(jié)果 設計參數(shù) 對調(diào)制信號頻率 1000Hz 載 波頻率 100000Hz 的單邊帶信號進行解調(diào) 按課程設計指導書提供的課題 按照 要求設計電路 計算電路的參數(shù) 完成課程設計 高頻電子線路課程設計 論文 2 1 3 設計方案論證 方案一 乘積型同步檢波器 這種方法是將外加載波信號電壓與接收信號在檢波器中相乘 再經(jīng)過低通濾 波器 最后檢出原調(diào)制信號 如框圖所示 調(diào)制信號乘法器 載波信號 低通濾波器 圖 1 1 乘積型同步檢波器 設輸入的已調(diào)波為載波分量被抑制的 DSB 信號 u1 為 本地載波信號 上兩式中 c 1 時 即本地載波的角頻率等于輸入信號的角頻率 它們的相 位不一定相同 低通濾波器濾除 c 附近的頻率分量后 得到頻率為的低頻信號 由上式可見 低頻信號的 成正比 當時 低頻信號電壓最大 隨著相 cos0 位差變大 輸出電壓變小 所以我們不但要求本地載波與輸出信號載波的角頻率 必須相等 方案二 疊加型同步檢波器 疊加型是將外加載波信號與接收信號相加 經(jīng)過包絡檢波器取出原調(diào)制信號 ttUu coscos 11 tUUu C coscos 2 1 10 cos tUu cc cos coscos 1112 ttUUu c 高頻電子線路課程設計 論文 3 圖 1 2 疊加型同步檢波器 設 u1 為單邊帶信號 Uc 為本振電壓 則合成的輸出信tU cos 1 tUc1cos 號為 u2 u1 uc 由此可見 合成信號的包絡 Um 和相角 都受到調(diào)制信號的控制 可以通過包 絡檢波器構(gòu)成的同步檢波器檢出單邊帶調(diào)制信號 將所調(diào)制的單邊帶信號與本振 信號通過一個加法器加到一起 再經(jīng)過包絡檢波器輸出解調(diào)后的信號 經(jīng)過兩方案的比較 方案二用到了包絡檢波器 更加符合設計要求 1 4 總體方案設計框圖及分析 圖 1 3 總體框圖 包絡檢波是一個解調(diào)的過程 它與調(diào)制過程相反 檢波器的作用是從振幅受調(diào) 制的高頻信號中還原出原調(diào)制信號 還原所得的信號與高頻調(diào)幅信號的包絡變化規(guī) 律一致 本設計主要是載波信號和調(diào)制信號通過一個乘法器得到載波被抑制的雙邊 帶信號 再通過一定中心頻率的低通濾波器把不需要的邊帶濾除 得到所需要頻率 單邊帶信號 加法器 包絡檢波器輸出波形 本振信號 調(diào)制信號加法器 載波信號 包絡檢波器 ttUUcttUu sin1sin11coscos1cos12 高頻電子線路課程設計 論文 4 的單邊帶信號 再經(jīng)過包絡檢波電路得到解調(diào)后的輸出波形 第 2 章 各單元電路設計 1 1 2 1 2 1 單邊帶信號的產(chǎn)生 首先需要產(chǎn)生單邊帶信號 產(chǎn)生 SSB 信號的方法很多 其中最基本的方法 有濾波法和相移法 本課設我采用的是濾波法 用濾波法實現(xiàn)單邊帶調(diào)制的原理 圖 圖中的為單邊帶濾波器 產(chǎn)生 SSB 信號最直觀方法的是 將 HssB 設計成具有理想高通特性或理想低通特性 的單邊帶濾波器 HssB 從而只讓所需的一個邊帶通過 而濾除另一個邊帶 產(chǎn)生上邊帶信號時 即為產(chǎn)生下邊帶信號時 即為 圖 2 1 單邊帶信號產(chǎn)生 原理框圖簡潔 直觀 但存在的一個重要問題是單邊帶濾波器不易制作 這 是因為 理想特性的濾波器是不可能做到的 實際濾波器從通帶到阻帶總有一個 過渡帶 濾波器的實現(xiàn)難度與過渡帶相對于載頻的歸一化值有關 過渡帶的歸一 化值愈小 分割上 下邊帶就愈難實現(xiàn) 而一般調(diào)制信號都具有豐富的低頻成分 經(jīng)過調(diào)制后得到的 DSB 信號的上 下邊帶之間的間隔很窄 要想通過一個邊帶 而濾除另一個 要求單邊帶濾波器在 附近具有陡峭的截止特性 即很小的過 渡帶 這就使得濾波器的設計與制作很困難 有時甚至難以實現(xiàn) 為此 實際中 往往采用多級調(diào)制的辦法 目的在于降低每一級的過渡帶歸一化值 減小實現(xiàn)難 度 從 SSB 信號調(diào)制原理圖中可以清楚地看出 SSB 信號的頻譜是 DSB 信號頻 譜的一個邊帶 其帶寬為 DSB 信號的一半 與基帶信號帶寬相同 即 4 1 2 1 tmmPP DSBSSB 高頻電子線路課程設計 論文 5 式中 為調(diào)制信號帶寬 H f 為調(diào)制信號的最高頻率由于僅包含一個邊帶 因此 SSB 信號的功率為 DSB 信號的一半 即 顯然 因 SSB 信號不含有載波成分 單邊帶幅度調(diào)制的效率也為 100 2 2 低通濾波器設計 圖 2 2 低通濾波器電路 由于設計所采用的基帶信號頻率是 10KHz 所以低通濾波器的頻率為 10KHz fi 低通濾波器的各元件參數(shù)取值 取 R 10KHz 則 2 3 包絡檢波電路設計 輸入信號單邊帶調(diào)制信號 其中調(diào)制指數(shù) m 高頻載波頻率 調(diào)制信號的頻 率 調(diào)頻幅度等參數(shù)均可自己設定 非線性器件由包絡檢波二極管組成 二極 管包絡檢波器由電容 C 和 R 并聯(lián)組成 輸出信號連接示波器 可觀察檢波的效果 Hm fB KHZ RC f10 2 1 FFC 10 8 10 59 1 10 2 1 高頻電子線路課程設計 論文 6 圖 2 3 包絡檢波電路 分析在高頻信號電壓的正半周期 二極管正向?qū)ú﹄娙?C 充電 由于二 極管正向?qū)娮韬苄?所以充電電流 I 很大 是電容的電壓 Vc 很快就接近高 頻電壓峰值 這個電壓建立后 通過信號源電路 又反向地加到二極管 D 的兩端 這時二極管是否導通 由電容 C 上的電壓 Vc 和輸入電壓 Vi 共同決定 當高頻信 號的瞬時值小于 Vc 時 二極管處于反向偏置 處于截止狀態(tài) 電容就會通過負 載電阻 R 放電 由于放電時間常數(shù) RC 遠大于調(diào)頻電壓周期 故放電很慢 當電容上的電壓下降不多時 調(diào)頻信號第二個正半周的電壓又超過二極管上 的負壓 使二極管導通 圖中 t1 到 t2 的時間為二極管導通的時間 在此時間內(nèi) 又對電容充電 電容的電壓又迅速接近第二個高頻的最大量 圖中 t2 至 t3 時間 為二極管截止的時間 在次時間內(nèi)電容又通過負載 R 放電 這樣不斷地反復循環(huán) 所以 只要充電很快 即充電時間常數(shù) RdC 很小 Rd 為二極管導通時的內(nèi)阻 而放電時間很慢即放電時間常數(shù) RC 很大 就能使傳輸系數(shù)接近 1 另外 由于正向?qū)щ姇r間很短 放電時間常數(shù)又遠大于高頻周期 所以輸出 高頻電子線路課程設計 論文 7 電壓 Vc 的起伏很小 可看成與高頻調(diào)幅波包絡基本一致 而高頻調(diào)幅波的包絡 又與原調(diào)制信號的形狀相同 故輸出電壓 Vc 就是原來的調(diào)制信號 達到了解調(diào) 的目的 第 3 章 整體電路設計 3 1 整體電路分析 圖 3 1 整體電路圖 本設計電路主要由三部分組成 首先調(diào)制信號和載波信號經(jīng)由乘法器產(chǎn)生載 波被抑制的雙邊帶信號 通過中心頻率一定的低通濾波器 將沒有用的邊帶濾除 掉 最終產(chǎn)生單邊帶信號 單邊帶信號做為調(diào)制信號加到包絡檢波器電路上 進 行解調(diào)最后在示波器顯示輸出波形 高頻電子線路課程設計 論文 8 3 2 電路參數(shù)計算 1 電壓傳輸系數(shù) 由于輸入大信號 檢波器工作在大信號狀態(tài) 二極管的伏安特性可用折線近 似 考慮輸入為等幅波 采用理想的高頻濾波 并以通過遠點的折線表示二極管 特性 忽略二極管的導通電壓 VP 則 u 0 00u giD gD 1 rd 為流通角 iD 是周期性余弦脈沖 由此可見 檢波器電壓傳輸系數(shù) Kd 是檢波器電流 iD 的通腳的函數(shù) 求出 后 就得到 Kd 2 流通角 二極管電流 ID 為一重復頻率 wi 的周期余弦脈沖 導通角為 振幅最大為 maxD I 其平均分量 I0 為 基頻分量為 式中 為電流分解系數(shù) 10 aa 可得的近似表達式如下 此處的 R 為檢波負載 gD 為檢波器內(nèi)電導 3 非線性失真 惰性失真 當輸入調(diào)幅波時過分增大 RL 和 C 致使二極管截止期間 C 通過 RL 的放電 速度過慢 在某 t1 時刻跟不上輸入調(diào)幅波包絡的下降速度 輸出平均電壓就會 cos 0 m d U U K cos sin 0max0 mD D Ug iI cos sin 1max1 mD D Ug iI cos1 1 max im d D U r I 3 3 RgD 高頻電子線路課程設計 論文 9 產(chǎn)生失真 稱惰性失真 為避免產(chǎn)生惰性失真 必須在任何一個高頻周期內(nèi)使 C 通過 RL 的放電速度大于或等于包絡的下降速度 調(diào)制時不產(chǎn)生惰性失真的條件 為兼顧載波性能工程上一般取 結(jié)論 和越大 包絡下降速度越大 不產(chǎn)生惰性失真所要求的 RLC 值也須越 a M 小 在多音調(diào)制時 作為工程估算 和 均應取最大值 a M 負峰切割失真 原因 檢波器與下級電路連接時 一般采用阻容耦合電路 Cc 為隔值電容 對 呈交流短路 Cc 兩端電壓為 VAV Ri2 為下級電路輸入電阻 VAV 在 RL Ri2 分壓后在 RL 兩端得 VA 電壓反作用到二極管兩端 若 VA Vsmmin D 截 止 使輸出調(diào)制信號電壓在其負峰值附近將被削平 出現(xiàn)負峰切割失真 克服失真條件 為了克服負峰切割失真 要求 VA Vsmmin 可得到克服失真 的條件 可見 交直流負載電阻越接近 不產(chǎn)生負峰切割失真所允許的 Ma 的值越接近于 1 Ma 一定時 交直流負載電阻值的差別受到不產(chǎn)生負峰切割的限制 克服辦法 若 Ri2 很大 可將 RL 分為 RL1 RL2 aa L M MM CR 1 aa L c M MM CR 110 5 maxmax 2 max 1 a L M M CR LLLi Li Li i a R R RRR RR RR R M 1 2 2 2 2 1 0 2 0 2 1 L L R R 高頻電子線路課程設計 論文 10 取 R RL1 RL2 Ri2 RL1 RL2 RL 若 Ri2 很小 則在 RL 與 Ri2 之間接一射隨器 高輸入阻抗低輸出阻抗 起到阻 抗匹配的作用 3 3 整體及部分電路的仿真 圖 3 2 總體電路仿真圖 高頻電子線路課程設計 論文 11 高頻電子線路課程設計 論文 12 第 4 章 設計總結(jié) 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識 發(fā)現(xiàn) 提出 分析和解決實際問題 鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié) 是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程 此次課程設計主要針對包絡檢波電路的設計提出自己的設計方案 并利用 EWB 仿真軟件來實現(xiàn)自己設計的電路圖 設計中用到了乘法器 低通濾波器 包 絡檢波器等在高頻電子線路課程中學到的知識 設計過程中查閱了大量的有關高 頻電子線路設計的書籍 鞏固了以前所學過的知識 而且學到了很多在書本上所 沒有學到過的知識 在此次課設中 通過動手實踐操作 進一步學習和掌握了有 關高頻原理的知識 加深了對包絡檢波技術的認識 在設計時根據(jù)課題要求 復 習相關知識 查閱了相當多的資料 這也在一定程度上拓寬了視野 豐富了知識 這次的高頻課程設計