基于Multisim10的振幅調(diào)制與解調(diào)電路設(shè)計(jì)與仿真

1、基于Multisim10的振幅調(diào)制與解調(diào)電路設(shè)計(jì)與仿真 摘要：信號(hào)調(diào)制可以將信號(hào)的頻譜搬移到任意位置，從而有利于信號(hào)的傳送，并且使頻譜資源得到充分利用。調(diào)制作用的實(shí)質(zhì)就是使相同頻率范圍的信號(hào)分別依托于不同頻率的載波上，接收機(jī)就可以分離出所需的頻率信號(hào)，不致互相干擾。這也是在同一信道中實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的基礎(chǔ)。而要還原出被調(diào)制的信號(hào)就需要解調(diào)電路。所以現(xiàn)在調(diào)制與解調(diào)在高頻通信領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：振幅調(diào)制與解調(diào)，檢波失真 ，參數(shù)選取一、振幅調(diào)制電路原理及工作過程首先將語音（調(diào)制）信號(hào)疊加直流后再與載波相乘，本電路采用乘法調(diào)幅進(jìn)行調(diào)制語音信號(hào)頻譜為300到3400,這里選擇頻率為1000的信號(hào)

2、模擬語音信號(hào)。選擇2M作為載波信號(hào)。讓模擬語音信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）與載波信號(hào)經(jīng)過乘法器產(chǎn)生調(diào)制系數(shù)=0.2的普通調(diào)幅波。如圖：圖1（調(diào)制電路電路圖）圖2（調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波仿真圖）二、解調(diào)電路工作原理及說明普通調(diào)幅波的包絡(luò)反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，其中大信號(hào)檢波電路利用了二極管的整流工作原理。解調(diào)電路輸入信號(hào)為載波為2M，調(diào)制信號(hào)為1000，調(diào)制系數(shù)=0.2的普通調(diào)幅波，電路如圖:圖3（解調(diào)電路圖）圖4（調(diào)幅波波形）圖5：（電路輸出解調(diào)端波形）我們可以看到輸出波形周期為1.002ms,輸出信號(hào)頻率為1000說明解調(diào)電路成功解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。三、解調(diào)(檢波)電路元件參數(shù)的選取電路元件參數(shù)主要是基于檢波效

3、率、濾波效果來選取的。其中濾波效果中的檢波失真是決定解調(diào)電路元件參數(shù)的主要方面。（一）、大信號(hào)檢波器存在的兩種失真對(duì)參數(shù)選取的影響1、 對(duì)角線失真(放電失真)產(chǎn)生原因：很大，放電很慢，可能在隨后的若干的高頻周期內(nèi)，包絡(luò)線電壓雖已下降，而C上的電壓還大于包絡(luò)線電壓，這就使二極管方向截止，失去檢波作用。在截至期間，檢波輸出波形呈傾斜的對(duì)角線形狀，對(duì)角線失真可以總結(jié)為電容放電曲線的下降速度慢于包絡(luò)線電壓下降的速度。不發(fā)生放電失真的條件： 包絡(luò)線下降速度小于放電速率，即:<將=0.2,，=1k代入上面不等式得到<8.66uF但在實(shí)際調(diào)試中當(dāng)=1.2uF時(shí)即產(chǎn)生對(duì)角線失真，如圖6：=1.2u

4、F）我們可以看到有微弱的放電失真，放電時(shí)間549.906us大于半個(gè)周期，這也在一定程度上說明了理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用中還是存在一定誤差的；當(dāng)取值變大時(shí)，放電失真更加嚴(yán)重，如圖7：圖7（）此外，在不發(fā)生放電失真的前提下應(yīng)盡量取大些，對(duì)提高檢波效率及濾波效果均有利。如圖：=1uF） =1nF）可以看到=1uF比=1nF濾波效果好。2、 割底失真產(chǎn)生原因：在接收機(jī)中，檢波器輸出耦合到下級(jí)的電容比較大，對(duì)檢波器輸出的直流而言，上有一個(gè)直流電壓,借助于有源二端網(wǎng)絡(luò)可把，用一個(gè)等效電路E和代替。這樣如果輸入信號(hào)調(diào)制度很深，即調(diào)制系數(shù)很大或檢波器交直流電阻之比很小，以致在一部分時(shí)間內(nèi)其幅值比E還小，則在此期間

5、內(nèi)將處于反向截止?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生失真，表現(xiàn)為輸出波形中的底部被割去。不發(fā)生割底失真條件：本電路中，采取將分成和，通過隔直流電容將并接在兩端，越大，交、直流負(fù)載電阻值的差別就越小，但是輸出音頻電壓也就越小。同時(shí)為了提高檢波效率，宜大，但過大則交流負(fù)載與之相比就小，宜產(chǎn)生割底失真。取=0.8,，=1nF時(shí)可以觀察到割底失真，同時(shí)也可以看到與相比輸出音頻電壓變大，如圖10:圖10（二）、其他電路元件參數(shù)的選取1、檢波二極管V為了提高檢波效率，應(yīng)選取正向電阻小，反向電阻大、同時(shí)要求PN結(jié)電容小的管子。這里選取IN4148型號(hào)二極管。2、輸出耦合電容：選取的比較大，這樣低頻也容易通過。3、 的選?。和ㄟ^圖5（

6、電路輸出解調(diào)端波形）我們可以觀察到，通過檢波電路的輸出的調(diào)制信號(hào)衰減很大，所以一般會(huì)在檢波電路后接低頻功率放大器，這樣等效為檢波電路后下一級(jí)低頻功率放大器的輸入電阻。四、結(jié)束語至此，本課題所設(shè)計(jì)的電路設(shè)計(jì)與仿真就結(jié)束了，雖然電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是其中體現(xiàn)的原理還是很深?yuàn)W的，通過此次電路仿真，也對(duì)振幅調(diào)制與解調(diào)電路的實(shí)現(xiàn)有了更為直觀的認(rèn)識(shí)。筆者相信隨著近幾年電子元件制作工藝越來越精湛，調(diào)制與解調(diào)在通信領(lǐng)域必將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。五、參考文獻(xiàn) 1.于洪珍，通信電子電路，清華大學(xué)出版社聶典，Multisim9計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，電子工業(yè)出版社課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 基于Multisim的D

7、SB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(hào)： * 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(jì)的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)本課程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)DSB的調(diào)制解調(diào)。在此次課程設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方法。通過這個(gè)階段學(xué)習(xí)，更清晰地認(rèn)識(shí)DSB的調(diào)制解調(diào)原理，同時(shí)加深對(duì)multisim這款通信仿真軟件操作的熟練度，并在使用中去感

8、受multisim的應(yīng)用方式與特色。利用自主的設(shè)計(jì)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(shí)用性的經(jīng)驗(yàn)。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求（1）熟悉multisim的使用方法，掌握DSB信號(hào)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(hào)調(diào)制解調(diào)前后在時(shí)域和頻域中的波形，觀察兩者在解調(diào)前后的變化，通過對(duì)分析結(jié)果來加強(qiáng)對(duì)DSB信號(hào)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(jì)的全部?jī)?nèi)容，并按要求編寫課程設(shè)計(jì)論文，文中能正確闡述和分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 1.3 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)（設(shè)計(jì)所用的基礎(chǔ)理論）（1）DSB調(diào)制過程的分析：在AM信號(hào)中，載

9、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(hào)（DSB-SC），簡(jiǎn)稱雙邊帶信號(hào)（DSB），表示為： 顯然，它與調(diào)幅信號(hào)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(hào)規(guī)律變化。這樣，當(dāng)調(diào)制信號(hào)進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，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(shí)，雙邊帶調(diào)制信號(hào)波形均將出現(xiàn)的相移突變。雙邊帶調(diào)制信號(hào)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(hào)組成模型調(diào)制過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式：設(shè)載波電壓

10、為：。調(diào)制信號(hào)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(hào)，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(gè)頻譜搬移的過程，它是將低頻信號(hào)的頻譜搬移到載頻位置。而解調(diào)是將位于載頻的信號(hào)頻譜再搬回來，并且不失真地恢復(fù)出原始基帶信號(hào)。雙邊帶解調(diào)通常采用相干解調(diào)的方式，它使用一個(gè)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(hào)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(hào)組成模型解調(diào)過程的數(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)

11、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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(gè)邊帶。SSB是在雙邊帶調(diào)幅的基礎(chǔ)上，去掉一個(gè)邊帶，只傳輸一個(gè)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(diǎn)研究抑制載波的雙邊

12、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(hào)輸入相乘器調(diào)制信號(hào)輸出相乘器解調(diào)信號(hào)輸出高頻載波信號(hào)高頻載波信號(hào)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(shí)的環(huán)境中，我們所得到的一般信號(hào)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(hào)采用高頻載波調(diào)制傳輸。我們?cè)趯?shí)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(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸是不理性的信號(hào)。由于要傳輸?shù)幕诘皖l范圍，如果信號(hào)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(shí)現(xiàn)。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(hào)的波長(zhǎng)v可以比擬。即使天線的尺寸為波長(zhǎng)的十分之一，即

13、l=v/10，對(duì)于頻率為10kHz的信號(hào)，需要的天線長(zhǎng)度為3Km，這樣長(zhǎng)的天線幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的。若將信號(hào)調(diào)制到10MHz的載波頻率上，需要的天線長(zhǎng)度僅為3m，這樣的天線尺寸小，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易。在模擬調(diào)制中，AM調(diào)制優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，所以至今仍廣泛應(yīng)用于無線但廣播。DSB與AM信號(hào)相比，因?yàn)椴淮嬖谳d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(jì)的題目具有很大的實(shí)際意義。3 DSB的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)由于從消息轉(zhuǎn)換過來的調(diào)制信號(hào)具有頻率較低的頻譜分量，這種信號(hào)在許多信道中不宜傳輸。因此，在通

14、信系統(tǒng)的發(fā)送端通常需要有調(diào)制過程，同時(shí)在接受端則需要有解調(diào)過程從而還原出調(diào)制信號(hào)。所謂調(diào)制就是利用原始信號(hào)控制高頻載波信號(hào)的某一參數(shù)，使這個(gè)參數(shù)隨調(diào)制信號(hào)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(hào)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(jì)算及元器件的選擇 在本次課程設(shè)計(jì)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）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，

15、輸入失調(diào)電壓6mV（最大值）。圖7 實(shí)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(gè)輸入端（常稱X輸入和Y輸入）和一個(gè)輸出端（常稱Z輸出）， 是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，電路符號(hào)如圖所示：如果兩個(gè)輸入信號(hào)只能為單極性的信號(hào)的乘法器為“單象限乘法器”；一個(gè)輸入信號(hào)適應(yīng)兩種極性，而一個(gè)只能是一種單極性的乘法器為“二象限乘法器”；  兩個(gè)輸入信號(hào)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

16、電路仿真軟件EWB（Electronics Workbench）,后來，EWB將原先版本中的仿真設(shè)計(jì)更名為multisim，2005年之后，加拿大IIT公司隸屬于美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instrument，簡(jiǎn)稱NI公司），美國(guó)NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最新版本是美國(guó)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(kù)、儀表庫(kù)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

17、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(duì)高頻仿真不精確的問題。Multisim在保留了EWB形象直觀等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，大大增強(qiáng)了軟件的仿真測(cè)試和分析功能，大大擴(kuò)充了元件庫(kù)中的元件的數(shù)目，特別是增加了大量與實(shí)際元件對(duì)應(yīng)得元件模型，使得仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果更加精確、更可靠、更具有實(shí)用性。4.2 系統(tǒng)仿真實(shí)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(hào)（上）及其輸出信號(hào)（下）4.3 系統(tǒng)測(cè)試（要求測(cè)試環(huán)境、測(cè)試儀器、測(cè)量數(shù)據(jù)）由于加性噪聲只對(duì)已調(diào)信號(hào)的接收產(chǎn)生影響，因而

18、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(duì)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(shí)解調(diào)器的數(shù)學(xué)模型如圖所示。圖中為已調(diào)信號(hào)，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(hào)，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(hào)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(hào)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(hào)為，噪聲為。 圖13 有加性噪聲時(shí)解調(diào)器的數(shù)學(xué)模型設(shè)解調(diào)器輸入信號(hào)為與相干載波相乘后，得經(jīng)低通濾波器后，輸出信號(hào)為因此，解調(diào)器輸出端的有用信號(hào)功率為解調(diào)DSB信號(hào)時(shí)

19、，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(hào)的帶通濾波器的帶寬。解調(diào)器輸入信號(hào)平均功率為可得解調(diào)器的輸入信噪比同時(shí)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(hào)的解調(diào)器使信噪比改善了一倍。這是因?yàn)椴捎孟喔山庹{(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(duì)比系統(tǒng)功能及參數(shù)與設(shè)計(jì)要求是否相符）通過觀察調(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(hào)，載波信號(hào)把調(diào)制信號(hào)搬移到更高頻帶處，與書中DSB信

20、號(hào)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(hào)，綠線為解調(diào)輸出的信號(hào)，與調(diào)制信號(hào)一致。綜上所述，本電路設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)DSB信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。5 總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)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(duì)理論知識(shí)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(shí)踐中得到驗(yàn)證和應(yīng)用，是我們學(xué)習(xí)當(dāng)中的一個(gè)問題。而通過本次課程設(shè)計(jì)，我們?cè)趶?qiáng)大的Multisim平臺(tái)上對(duì)數(shù)字信號(hào)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(shí)踐不足的問題，同時(shí)進(jìn)一步鞏固了原先的基礎(chǔ)知識(shí)。5.2 收獲體會(huì)通過這次的課程設(shè)計(jì)，一方面，我們對(duì)調(diào)制和解調(diào)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，尤其是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，盡管是非?；A(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(hào)有效傳輸，而小到僅僅是一個(gè)