通信電子線路實驗報告

1、通信電子線路研究性報告姓名 XX 班級 通信120X 學(xué)號 122110XX 通線教師 路 勇 時間 2014/11/14 18一 實驗要求1 了解丁類放大器的相關(guān)信息2 利用模擬乘法器實現(xiàn)AM、SSB及DSB的振幅調(diào)制與解調(diào)二 實驗過程2.1 丁類放大器丁類放大也稱D類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號的。具有效率高，體積小的優(yōu)點。許多功率高達(dá)1000W的這類數(shù)字式放大器，體積只不過像盒VHS錄像帶那么大。這類放大器不適宜于用作寬頻帶的放大器，但在有源超低音音箱中卻有較多的應(yīng)用。 D 類放大器實際上是一種開關(guān)放大器，其開關(guān)頻率高達(dá)100kHz以上。輸入端是直接從數(shù)

2、碼信號源如CD唱機(jī)、DVD影碟機(jī)、DVD Audio或SACD光碟機(jī)以及DTV數(shù)碼電視等輸入的數(shù)碼音頻信號，而不是經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換或DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換處理的音樂模擬信號。典型的實現(xiàn)過程如下： 先由振蕩器調(diào)制直流電源產(chǎn)生一個基準(zhǔn)方波信號，其工作頻率可跟隨輸入信號變化，設(shè)定為幾十到幾百千赫；脈沖寬度則隨輸入信號的幅度大小而變化。還可以設(shè)置一個鋸齒波信號產(chǎn)生器，其頻率為基準(zhǔn)方波信號的一倍，并與之同步。鋸齒波信號用來同需要放大的、不斷變化的輸入信號作比較。當(dāng)鋸齒波同輸入信號發(fā)生差異時，便產(chǎn)生與其瞬時振幅一致的相移信號。再用一個邏輯上由基準(zhǔn)信號和相移信號控制的開關(guān)電路輸出一個極性經(jīng)過選擇的脈沖寬度調(diào)制信號

3、（PWM信號）。PWM信號經(jīng)晶體管放大和高速整流，再通過低通濾波器濾除高頻成分、平滑處理后回復(fù)為音頻信號饋送揚(yáng)聲器放音。這種電路最大優(yōu)點是功耗極小。因為它通常采用耐二次擊穿、開關(guān)轉(zhuǎn)換效率極高的場效應(yīng)晶體管，運(yùn)行中幾乎沒有損耗，效率可達(dá)90%以上（普通A類或AB類放大器的效率最大也只不過50%）。高效意味著耗電小、散熱要求低，從而導(dǎo)致集成電路化的大批量生產(chǎn)。其另一個優(yōu)點是失真小。我們都知道，為了增加頻響寬度、防止信號飽和畸變，幾乎所有放大器都需要使用反饋電路，可是反饋產(chǎn)生的延時效應(yīng)卻對原音重現(xiàn)帶來失真。由于數(shù)碼放大器轉(zhuǎn)換時間極快，延時效應(yīng)微乎其微，產(chǎn)生的誤差只有傳統(tǒng)模擬放大器的六分之一，所以對輸

4、出控制得更好，尤其是瞬態(tài)反應(yīng)更為精確真實，特別適用于爆發(fā)力要求較高的重低音功放。 2.2 AM、DSB及SSB的調(diào)制2.2.1 基本原理由于從消息轉(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，最常用的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相 (PM)三種。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。與調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相相對應(yīng)，有檢波、鑒頻和鑒相

5、。 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，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。2.2.2 AM調(diào)制AM信號是載波信號振幅在上下按輸入調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)幅

6、信號，表達(dá)式如下： （1）調(diào)幅電路由表達(dá)式（1）可知，在數(shù)學(xué)上，調(diào)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，為相乘器的乘積常數(shù)，A為相加器的加權(quán)系數(shù)，且A+ +圖2.1普通調(diào)幅（AM）電路的組成模型設(shè)調(diào)制信號為：=cos載波電壓為：cos上兩式相乘為普通振幅調(diào)制信號：cos）=+= （2）式中,稱為調(diào)幅系數(shù)(或調(diào)制指數(shù)) ，其中01。而當(dāng)1時，在附近，變?yōu)樨?fù)值，它的包絡(luò)已不能反映調(diào)制信號的變化而造成失真，通常將這種失真成為過調(diào)幅失真，此種現(xiàn)象是要盡量避免的。2.2.3普通調(diào)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

7、的普通調(diào)幅(AM)電路，在該電路中，直流電壓源 (圖中V1)和低頻調(diào)制信號 (圖中V2)分別加到乘法器A1的X輸入端口，高頻載波信號電壓 (圖中V3)加到乘法器的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、乘法器的輸出端口，其構(gòu)成如下圖3.1所示：前半部分為乘法器調(diào)制電路，后半部分為包絡(luò)檢波的解調(diào)裝置。圖3.1乘法器組成的普通調(diào)幅(AM)電路運(yùn)行仿真電路可得到輸出波形(見圖3)。此時調(diào)幅指數(shù)=0.5，運(yùn)行仿真開關(guān),雙擊示波器圖標(biāo)，可以得到示波器仿真輸出波形和輸入調(diào)制信號波形(見圖3.2)，從圖中輸出波形可以看出，高頻載波信號的振幅隨著調(diào)制信號的振幅規(guī)律變化，即已調(diào)信號的振幅在上

8、下按輸入調(diào)制信號規(guī)律變化。圖3.2普通調(diào)幅（AM）電路的輸入波形（上）和調(diào)制信號波形（下）從圖3.2可得到如下結(jié)論：調(diào)幅電路組成模型中的相乘器對和實現(xiàn)相乘運(yùn)算得結(jié)果，反映在波形上是將不失真地轉(zhuǎn)移到載波信號振幅上。若將圖3.2.1中調(diào)制信號電壓的幅值改為4V，則調(diào)指數(shù)=1，這時電路輸出的曲線的包絡(luò)恰好為調(diào)幅曲線，其仿真結(jié)果見仿真示波器屏幕，如圖3.3所示圖3.3 調(diào)幅電路恰好調(diào)幅(M=1)時的調(diào)制信號（上）及其輸出波形（下）因此,在振幅調(diào)制仿真過程中可以得出如下結(jié)：為了保證已調(diào)波的包絡(luò)真實地反映出調(diào)制信號的化規(guī)律，避免產(chǎn)生過調(diào)失真，要求調(diào)制系數(shù)Ma必滿足0<Ma<1，這與式(2)理論

9、上推導(dǎo)得出的結(jié)果是一致的。2.2.4 普通調(diào)幅（AM）信號的解調(diào)解調(diào)（Demodulation）是調(diào)制的逆過程。振幅調(diào)制信號的解調(diào)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(diào)制信號中不失真地檢出調(diào)制信號來。對于普通調(diào)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(xiàn)相乘作用，得到所需的解調(diào)電壓，而不必另加同步信號，通常將這種振幅檢波器稱為包絡(luò)檢波器。目前應(yīng)用最廣的是二極管包絡(luò)檢波器。解調(diào)調(diào)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(dǎo)通，因此輸出電壓與輸入信號包絡(luò)相同。二極管電流的平均分量Iav流過電阻R形成檢波輸出，而高頻分量被電容C濾掉。圖4

10、.1即為調(diào)制波形和解調(diào)輸出波形。此圖像即為解調(diào)之后的圖像。由圖可以發(fā)現(xiàn)高頻載波信號的振幅隨著調(diào)制信號的振幅規(guī)律變化，即已調(diào)信號的振幅在Ec上下按照輸入調(diào)制信號規(guī)律變化。若將仿真圖中調(diào)制信號電壓幅值改成4V，則調(diào)制指數(shù)ma=1成為全調(diào)制，仿真結(jié)果如下：由上面三圖可得如下結(jié)論：當(dāng)用二極管包絡(luò)檢波法解調(diào)普通調(diào)幅波時，要選擇合適的電路參數(shù)。2.2.5利用仿真軟件Multisim 10對DSB電路仿真分析振幅調(diào)制波的解調(diào)電路圖5.1 振幅檢波電路的作用如圖5.1所示，為輸入振幅調(diào)制信號電壓，為反映調(diào)制信號變化的輸出電壓。在頻域上，這種作用就是將振幅調(diào)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

11、是一種頻譜搬移電路，可以用相乘器實現(xiàn)這種作用，如圖5.2所示：uxy低通濾波器圖中電路由相乘器和低通濾波器組成。由圖可見，將先與一個等幅余弦電壓相乘，要求這個電壓與輸入載波信號同頻同相，即=，稱為同步信號，相乘結(jié)果是頻譜被搬移到的兩邊，一邊搬到2上，構(gòu)成載波角頻率為2的雙邊帶調(diào)制信號，它是無用的寄生分量；另一邊搬到零頻率上，這樣，的一邊帶就必將被搬到負(fù)頻率軸上，負(fù)頻率是不存在的，實際上，這些負(fù)頻率分量應(yīng)疊加到相應(yīng)的正頻率分量上，構(gòu)成實際的頻譜，因此它比搬移到2上的任一邊帶頻譜在數(shù)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(diào)電壓。必須指出，同步信號必須與輸入信號保持嚴(yán)格同步（同頻

12、、同相）是實現(xiàn)上述電路模型的關(guān)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(dāng)恢復(fù)載波與發(fā)射載波同頻同相時，輸出將無失真的將調(diào)制信號恢復(fù)處出來。信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式：抑制掉調(diào)幅信號頻譜結(jié)構(gòu)中無用的載頻分量，僅傳輸兩個邊頻的調(diào)制方式成為抑制載波的雙邊帶調(diào)制，簡稱雙邊帶調(diào)制，并表示為：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

13、乘器作為雙邊帶調(diào)制電路的組成模型，如下圖7所示，圖中。圖5.3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：= = （4）解調(diào)過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式雙邊帶調(diào)幅波的電壓u(t)可表示為：本機(jī)載波電壓為： 解調(diào)波的表達(dá)式： = = （5）2.2.5 抑制載波的單邊帶調(diào)幅（SSB）信號的波形在Multisim仿真電路窗口中創(chuàng)建如下圖5.2.1所示的電路，其中由高頻載波信號 (V1)、低頻調(diào)制信號 (V2)及乘法器(K=1)A1組成抑制載波雙邊帶調(diào)幅電路；由模擬積分器和乘法器(K=0.1)組成相移度 。兩者通過模

14、擬加法器相加后，模擬出單邊帶調(diào)幅（SSB）信號。、圖5.1 SSB乘法器調(diào)制解調(diào)電路2.2.6 DSB信號的調(diào)制波形與解調(diào)波形調(diào)制波形：DSB波形圖，可見其過零點相位有一個180°的反轉(zhuǎn)。解調(diào)波形如下2.2.6 SSB信號的解調(diào)各單元模塊功能介紹及電路設(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)制信息的過程電路

15、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。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(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）。實物圖 外部管腳圖（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

16、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”。模擬相乘器SSB信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式：單邊帶調(diào)制（SSB）信號是由DSB信號經(jīng)邊帶濾波器濾除一個邊帶或在調(diào)制過程中，直接將一個邊帶抵消而成的。根據(jù)濾除方法的不同，產(chǎn)生SSB信號的方法有：濾波法和移相法。 單頻調(diào)制時，=SSB信號的表達(dá)式為： 取上邊帶：+=w取下邊帶：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(diào)制信號的幅度成正比，它的頻率隨著調(diào)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(luò)與調(diào)制信號的包絡(luò)形狀相同，在單頻調(diào)制時，它們的包絡(luò)都是一個常數(shù)。圖6.1 移相

17、法產(chǎn)生SSB信號原理如圖所示，移相法是利用移項網(wǎng)絡(luò)，對載波和調(diào)制信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)南嘁?，以便在相加過程中將其中的一個邊帶抵消而獲得SSB信號，圖為SSB調(diào)制信號的原理框圖，圖中，兩個調(diào)制器相同，但輸入信號不同。調(diào)制器B的輸入信號是移項90度的載頻和調(diào)制信號；調(diào)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。2.2.7 利用仿真軟件Multisim 10對SSB電路仿真分析在Multisim仿真電路窗口中創(chuàng)建如下圖7.1所示的電路，其中由高頻載波信號 (V1)、低頻調(diào)制信號 (V2)及乘法器(K=1)A1組成抑制載波雙邊帶調(diào)幅電路；由模擬積分器和乘法器(K=0.1)組成

18、相移度 。兩者通過模擬加法器相加后，模擬出單邊帶調(diào)幅（SSB）信號。同步檢波器輸入的雙邊帶信號（下）及其輸出信號（上）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

19、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。有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學(xué)模型帶通濾波器的帶寬=已調(diào)信號帶寬 帶通濾波器的帶寬等于SSB信號帶寬 SSB解調(diào)器與DSB結(jié)構(gòu)相同，輸入輸出噪聲功率關(guān)系不變（1）噪聲功率 這里，B = fH 為SSB 信號的帶通濾波器的帶寬。（2）信號功率SSB信號 與相干載波相乘后，得解調(diào)器輸出信號 因此，輸出信號平均功率 輸入信號平均功率為 因與的幅度相同，所以具有相同的平均功率，故上式信噪比 單邊帶解調(diào)器的輸入信噪比為 單邊帶解調(diào)器的輸出信噪比為 調(diào)制增益 結(jié)論：信噪比沒有改善，因為在相干解調(diào)過程中，信

20、號和噪聲中的正交分量均被抑制掉。2.2.8 實驗小結(jié)模擬調(diào)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(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。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