MultisimDSB調(diào)制與解調(diào)電路仿真研究

1、課程設(shè)計報告題目：基于 Multisim 的 DSB 的調(diào)制與 解調(diào)電路的仿真分析電氣信息工程學(xué)院 通信工程 2014 屆學(xué)生姓名 ： 學(xué)生學(xué)號： 系別：專業(yè) ：屆別：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)，更清晰地認識 DSB的調(diào)制解調(diào)原理，同時加深對 mu

2、ltisim 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)計和實驗結(jié)果。1.3

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 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： u0 （t） kau （t）coswct 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 Vm0上下按調(diào)制信號規(guī)律變化。 這樣，當(dāng)調(diào)制信號 u （t）進入負半周時， uo （t ）就變?yōu)樨撝怠?表明載 波電壓產(chǎn)生 1800相移。因而當(dāng) u （t）自正值或負值通過零值變 化時，雙邊帶調(diào)制信號波形均將出現(xiàn) 180

4、0 的相移突變。雙邊帶調(diào)制信號的包絡(luò)已不再反映u (t) 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AMVcm ka 。圖 1 雙邊帶調(diào)制信號組成模型調(diào)制過程的數(shù)學(xué)表達式：設(shè)載波電壓為：uc(t) UcM coswct 。調(diào)制信號為：m0 (t) M 0 cos t 。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)表達式為：Sm(t) K uc(t) m0(t)= K U cM coswc t M 0 cos t=KU cMM 0 cos(wc)t cos(wc)t 2圖 3 DSB 調(diào)制過程的波形

5、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解調(diào)。 相干解 調(diào)的原理框圖如圖所示：19 / 15Sm(t )Vcm cos wctAM xy xym0(t) K uc (t) sm(t)圖 2 雙邊帶解調(diào)信號組成模型 解調(diào)過程的數(shù)學(xué)表達式：雙邊帶調(diào)幅波的電壓可表示為： Sm(t) KU cM coswct 本機載波電壓為： uc (t

6、) U cM coswct 解調(diào)波的表達式： m 0(t) K Sm(t) u(t)=K U cM cos wct Sm cos t= KSmU M cos(wc)t cos(wc )t 22 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

7、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)不同框圖。圖 4 DSB 調(diào)制與解調(diào)的系統(tǒng)框圖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)解調(diào)信號輸出m0(t) K uc(t) sm(t)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 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

8、采集的低頻信號進行遠距離的傳輸是不 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)。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 A

9、M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

10、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）LM741CN的介紹： LM741CN是一款普通的 8 腳單通道運算放大器，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

11、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

12、，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 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。 Mul

13、tisim 在保 留了 EWB形象直觀等優(yōu)點的基礎(chǔ)上， 大大增強了軟件的仿真測試和分析功能， 大 大擴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)器性能進行度 量，通常采用信噪比增益 G(又

14、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 Sm (t )為已調(diào)信號， n(t )為加性高斯白噪聲。 Sm(t)和n(t) 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解調(diào)器輸入端的 信號為 Sm(t) 、噪聲為高斯窄帶噪聲 ni (t)，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 mo (t ) ，噪聲為 no(t)。圖 13 有加性噪聲時解調(diào)器的數(shù)學(xué)模型設(shè)解調(diào)器輸入信號為sm(t) m(t)cos ct與相干載波 cos ct 相乘后，得2 1 1m(t) cos ctm(

15、t)m(t ) cos2 ct經(jīng)低通濾波器后，輸出信號為1mo(t) m(t)2因此，解調(diào)器輸出端的有用信號功率為2 1 2So mo2(t)m2(t)4解調(diào) DSB信號時，接收機中的帶通濾波器的中心頻率o 與調(diào)制載頻 c 相同， 因此解調(diào)器輸出端的窄帶噪聲 ni(t) 可表示為ni(t) nc(t)cos ct ns(t )sin ct它與相干載波相乘后，得ni(t)cos ct nc(t )cos ct ns(t)sin ct11nc(t)nc(t)cos 2 ct ns(t)sin 2 ct22經(jīng)低通濾波器后，解調(diào)器最終的輸出噪聲為1no(t)nc(t)2 故輸出噪聲功率為2 1 2 1

16、 No no (t)nc (t)noB44這里，B 2fH，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2 2 1 2Si sm2 (t) m(t)cos ct2m2(t)2可得解調(diào)器的輸入信噪比12Si 2m2(t) NinoB同時可得解調(diào)器的輸出信噪比124m2(t) m2(t) No1 NinoB4So因此制度增益為SoGDSBSi由此可見，No 22NiDSB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 ns(t) 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

17、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， 我們在強大的 Multisim 平臺上對數(shù)字

18、信號的調(diào)制解調(diào)進行了一次仿真，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)有了更進一步的認識， 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 強大的功能和 實力。通過在 Multisim 環(huán)境下對系統(tǒng)進行模塊化設(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)域進行設(shè)計或研發(fā)無疑具有重大的意義。6 參考文獻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 重印）2 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