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通信电子线路实验报告


通信电子线路研究性报告

姓名 班级 学号 通线教师 时间

XX 通信 120X 122110XX 路 勇

2014/11/14

一 实验要求
1 2 了解丁类放大器的相关信息 利用模拟乘法器实现 AM、SSB 及 DSB 的振幅调制与解调

二 实验过程
2.1 丁类放大器
丁类放大也称 D 类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频 信号的。具有效率高,体积小的优点。许多功率高达 1000W 的这类数字式放大器,体积只 不过像盒 VHS 录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器,但在有源超低音 音箱中却有较多的应用。 D 类放大器实际上是一种开关放大器,其开关频率高达 100kHz 以上。输入端是直接从 数码信号源如 CD 唱机、DVD 影碟机、DVD Audio 或 SACD 光碟机以及 DTV 数码电视等 输入的数码音频信号,而不是经过 ADC 模数转换或 DAC 数模转换处理的音乐模拟信号。 典型的实现过程如下: 先由振荡器调制直流电源产生一个基准方波信号, 其工作频率可跟随输入信号变化, 设 定为几十到几百千赫; 脉冲宽度则随输入信号的幅度大小而变化。 还可以设置一个锯齿波信 号产生器,其频率为基准方波信号的一倍,并与之同步。锯齿波信号用来同需要放大的、不 断变化的输入信号作比较。 当锯齿波同输入信号发生差异时, 便产生与其瞬时振幅一致的相 移信号。 再用一个逻辑上由基准信号和相移信号控制的开关电路输出一个极性经过选择的脉 冲宽度调制信号(PWM 信号) 。PWM 信号经晶体管放大和高速整流,再通过低通滤波器滤 除高频成分、平滑处理后回复为音频信号馈送扬声器放音。 这种电路最大优点是功耗极小。 因为它通常采用耐二次击穿、 开关转换效率极高的场效 应晶体管,运行中几乎没有损耗,效率可达 90%以上(普通 A 类或 AB 类放大器的效率最 大也只不过 50%) 。高效意味着耗电小、散热要求低,从而导致集成电路化的大批量生产。 其另一个优点是失真小。我们都知道,为了增加频响宽度、防止信号饱和畸变,几乎所有放 大器都需要使用反馈电路, 可是反馈产生的延时效应却对原音重现带来失真。 由于数码放大 器转换时间极快,延时效应微乎其微,产生的误差只有传统模拟放大器的六分之一,所以对 输出控制得更好, 尤其是瞬态反应更为精确真实, 特别适用于爆发力要求较高的重低音功放。

2.2

AM、DSB 及 SSB 的调制

1

2.2.1

基本原理

由于从消息转换过来的调制信号具有频率较低的频谱分量, 这种信号在许多信道中不宜 传输。因此,在通信系统的发送端通常需要有调制过程,同时在接受端则需要有解调过程从 而还原出调制信号。 所谓调制就是利用原始信号控制高频载波信号的某一参数, 使这个参数随调制信号的变 化而变化,最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的调幅(AM)、调频(FM) 、调相 (PM) 三种。解调是与调制相反的过程,即从接收到的已调波信号中恢复原调制信息的过程。与调 幅、调频、调相相对应,有检波、鉴频和鉴相。 振幅调制方式是用传递的低频信号去控制作为传送载体的高频振荡波 (称为载波) 的幅 度, 是已调波的幅度随调制信号的大小线性变化, 而保持载波的角频率不变。 在振幅调制中, 根据所输出已调波信号频谱分量的不同,分为普通调幅( AM ) 、抑制载波的双边带调幅 (DSB) 、抑制载波的单边带调幅(SSB)等。 AM 的载波振幅随调制信号大小线性变化。 DSB 是在普通调幅的基础上抑制掉不携带有用信息的载波,保留携带有用信息的两个边带。 SSB 是在双边带调幅的基础上,去掉一个边带,只传输一个边带的调制方式。它们的主要区 别是产生的方法和频谱的结构不同。 2.2.2 AM 调制

AM 信号是载波信号振幅在V m 0 上下按输入调制信号规律变化的一种调幅信号,表达式 如下:

vo (t ) ? ?Vm0 ? k a u? (t )?cos wc t

(1)

由表达式(1)可知,在数学上,调幅电路的组成模型可由一个相加器和一个相乘器组 成 , 如 图 1 所 示 。 图中 , AM 为 相 乘 器 的乘 积 常数 , A 为 相 加 器 的加 权 系 数, 且

A ? k , AM AVcm ? k a

u ? (t )
u c (t )

调 幅 电 路

uo (t )

2

u ? (t )

AM xy

x
u c (t )
y

+
A
A

A +

uo(t )

图 2.1 普通调幅(AM)电路的组成模型

设调制信号为:

u?(t ) Ec ? U ?M = cos ? t
载波电压为:

uc(t ) ? U cM

cos

wc t

上两式相乘为普通振幅调制信号:

u s (t ) ? K ( EC ? U cM
= = =

cos ? t )

U cM cos wc t

KU cM ( EC + U ?M cos?t ) coswc t KU cM Ec (1 ? M a cos?t ) coswc t U S (1 ? M a cos?t ) coswc t
Ma ? U ?M EC
( 2)

式中,

称为调幅系数(或调制指数) ,其中 0<

Ma

≤1。而当

Ma

>1 时,

u (t ) 在 ?t ? ? 附近, c 变为负值, 它的包

uc(t ) 络已不能反映调制信号的变化而造成失

真,通常将这种失真成为过调幅失真,此种现象是要尽量避免的。 2.2.3 普通调幅(AM)信号的波形 在 Multis im 仿真电路窗口中创建如图 3.1.2 所示的由乘法器(K=1)组成的普通调幅(AM)电路, 在该电路中, 直流电压源

Ec

(图中 V1)和低频调制信号

U ?(t )

(图中 V2)分别加到乘法器 A1

的 X 输入端口,高频载波信号电压

U c (t )

(图中 V3)加到乘法器的 Y 输入端口。将示波器的

A、 B 通道分别加到乘法器的 X 输入端口、乘法器的输出端口,其构成如下图 3.1 所示: 前半部分为乘法器调制电路,后半部分为包络检波的解调装置。
3

图 3.1 乘法器组成的普通调幅(AM)电路

运行仿真电路可得到输出波形(见图 3)。 此时调幅指数

Ma ?

U ?M

EC

=0.5, 运行仿真开

关, 双击示波器图标,可以得到示波器仿真输出波形和输入调制信号波形(见图 3.2),从图中 输出波形可以看出, 高频载波信号的振幅随着调制信号的振幅规律变化, 即已调信号的振幅 在

u ?m 上下按输入调制信号规律变化。

图 3.2 普通调幅(AM)电路的输入波形(上)和调制信号波形(下) 4

从图 3.2 可得到如下结论:调幅电路组成模型中的相乘器对 u ? (t ) 和 算得结果,反映在波形上是将 u ? (t ) 不失真地转移到载波信号振幅上。

u c (t ) 实现相乘运

若将图 3.2.1 中调制信号电压的幅值改为 4V,则调指数

Ma ?

U ?M

EC

=1,这时电路输

出的曲线的包络恰好为调幅曲线,其仿真结果见仿真示波器屏幕,如图 3.3 所示

图 3.3 调幅电路恰好调幅(M=1)时的调制信号(上)及其输出波形(下)

因此, 在振幅调制仿真过程中可以得出如下结:为了保证已调波的包络真实地反映出调 制信号的化规律,避免产生过调失真,要求调制系数 Ma 必满足 0<Ma<1,这与式(2)理论上 推导得出的结果是一致的。 2.2.4 普通调幅(AM)信号的解调

解调(Demodulation)是调制的逆过程。振幅调制信号的解调电路称为振幅检波电路, 简称检波电路(Detector ) ,它的作用是从振幅调制信号中不失真地检出调制信号来。对于普 通调幅信号来说,它的载波分量未被抑制掉,可以直接利用非线性器件实现相乘作用,得到 所需的解调电压,而不必另加同步信号,通常将这种振幅检波器称为包络检波器。目前应用
5

最广的是二极管包络检波器。 解调调幅波时, 二级管总是在输入信号的每个周期的峰值附近到导通, 因此输出电压与 输入信号包络相同。 二极管电流的平均分量 Iav 流过电阻 R 形成检波输出, 而高频分量被电 容 C 滤掉。图 4.1 即为调制波形和解调输出波形。

此图像即为解调之后的图像。 由图可以发现高频载波信号的振幅随着调制信号的振幅规 律变化,即已调信号的振幅在 Ec 上下按照输入调制信号规律变化。 若将仿真图中调制信号电压幅值改成 4V, 则调制指数 ma=1 成为全调制, 仿真结果如下:

6

由上面三图可得如下结论: 当用二极管包络检波法解调普通调幅波时, 要选择合适的电 路参数。 2.2.5 利用仿真软件 Multisim 10 对 DSB 电路仿真分析

u s (t )

振幅调制波的 解调电路
图 5.1 振幅检波电路的作用

u o (t )

如图 5.1 所示,

us(t )

为输入振幅调制信号电压,为

uo(t )

反 映 调制 信 号变 化

的输出电压。在频域上,这种作用就是将振幅调制信号频谱不失真地搬回到零频率附近。因 此振幅检波电路也是一种频谱搬移电路,可以用相乘器实现这种作用,如图 5.2 所示:

AM xy
u s (t )
x y

u

低通滤波器

u o (t )

u r (t )

图中电路由相乘器和低通滤波器组成。 由图可见, 将

u s (t ) 先与一个等幅余弦电压 u r (t ) Vrm cos wc t ,称为同步信号,相 wc
的双边

相乘,要求这个电压与输入载波信号同频同相,即 u r (t ) = 乘结果是

u s (t )

频谱被搬移到

wc

的两边,一边搬到 2

wc

上,构成载波角频率为 2

带调制信号,它是无用的寄生分量;另一边搬到零频率上,这样,

u s (t )

的一边带就必将被

搬到负频率轴上,负频率是不存在的,实际上,这些负频率分量应叠加到相应的正频率分量 上,构成实际的频谱,因此它比搬移到 2

wc

上的任一边带频谱在数值上加倍。而后用低通

滤波器滤除无用的寄生分量,取出所需的解调电压。必须指出,同步信号

u r (t ) 必须与输入

信号保持严格同步(同频、同相)是实现上述电路模型的关键,故将这种检波电路称为同步 检波电路。否则检波性能就会下降。 当恢复载波与发射载波同频同相时,输出将无失真的将调制信号恢复处出来。
7

信号的数学表达式: 抑制掉调幅信号频谱结构中无用的载频分量, 仅传输两个边频的调制方式成为抑制载波 的双边带调制,简称双边带调制,并表示为:

u0 (t ) ? k a u? (t ) cos wc t Vm 0 上下按调制信号规律变化。

显然, 它与调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在 这样,当调制信号 u ? (t ) 进入负半周时,

u o (t ) 就变为负值。表明载波电压产生 1800 相移。
0

因而当 u ? (t ) 自正值或负值通过零值变化时,双边带调制信号波形均将出现 180 的相移突 变。双边带调制信号的包络已不再反映 u ? (t ) 的变化,但它仍保持频谱搬移的特性,因而仍 是振幅调制波的一种,并可用相乘器作为双边带调制电路的组成模型,如下图 7 所示,图中

AM Vcm ? k a 。

AM xy

u ? (t )
Vcm cos wct

x y

uo (t ) ? AM Vcmu? (t ) coswc t

图 5.3 双边带调制信号组成模型 调制过程的数学表达式 设载波电压为:

uc (t ) ? U cM cos wc t

调制信号为: u? (t ) ? U ?M cos?t 经过模拟乘法器 A1 后输出电压为抑制载波双边带调制信号,其数学表达式为:

u(t ) ? K ? uc (t ) ? u? (t )
= =

K ? U cM coswc t ? U ?M cos?t

KU cM U ?M ?cos(wc ? ?)t ? cos(wc ? ?)t ?

2

(4)

解调过程的数学表达式 双边带调幅波的电压 u(t)可表示为:

u(t ) ? KU cM coswc t

U ?M cos?t ? U ?M ? u? (t ) ? coswc t
8

本机载波电压为: 解调波的表达式:

uc (t ) ? U cM cos wc t
u p (t ) ? K ? uc (t ) ? u? (t )
= =

K ? U cM coswc t ? U ?M cos?t

KU cM U ?M ?cos(wc ? ?)t ? cos(wc ? ?)t ?

2

(5)

2.2.5

抑制载波的单边带调幅(SSB)信号的波形

在 Multisim 仿真电路窗口中创建如下图 5.2.1 所示的电路,其中由高频载波信号

u c (t )

(V1) 、 低 频 调 制 信 号 u ? (t ) (V2) 及 乘 法 器 (K=1)A1 组 成 抑 制 载 波 双 边 带 调 幅 电 路

? (t ) ? ? sin(? t ) f (t ) ? cos(?c t ) ;由模拟积分器和乘法器(K=0.1)组成相移 90. 度 f c 。两者
通过模拟加法器相加后,模拟出单边带调幅(SSB)信号。 、

图 5.1 SSB 乘法器调制解调电路

2.2.6

DSB 信号的调制波形与解调波形

调制波形:

9

DSB 波形图,可见其过零点相位有一个 180°的反转。 解调波形如下

10

2.2.6

SSB 信号的解调

各单元模块功能介绍及电路设计: 由于从消息转换过来的调制信号具有频率较低的频谱分量, 这种信号在许多信道中不宜 传输。因此,在通信系统的发送端通常需要有调制过程,同时在接受端则需要有解调过程从 而还原出调制信号。 所谓调制就是利用原始信号控制高频载波信号的某一参数,使这个参数随调制信号的 变化而变化。 解调是与调制相反的过程, 即从接收到的已调波信号中恢复原调制信息的过程 电路参数的计算及元器件的选择 在本次课程设计电路图中,所用到的元器件包括电容、电阻、直流电源、交流电源、单刀双 掷开关、集成功放 LM741CN、相乘器、示波器等。 特殊器件的介绍: (1)LM741CN 的介绍:LM741CN 是一款普通的 8 脚单通道运算放大器,其工作电压范围 7~36V,单位增益带宽 1MHz,输入失调电压 6mV(最大值) 。

实物图

外部管脚图

(2)模拟相乘器的介绍:模拟乘法器具有两个输入端(常称 X 输入和 Y 输入)和一个 输出端(常称 Z 输出) , 是一个三端口网络,电路符号如图所示:如果两个输入信号只能 为单极性的信号的乘法器为“单象限乘法器” ;一个输入信号适应两种极性,而一个只能是 一种单极性的乘法器为“二象限乘法器” ; 器为“四象限乘法器” 。 两个输入信号都能适应正、负两种极性的乘法

11

模拟相乘器

SSB 信号的数学表达式:单边带调制(SSB)信号是由 DSB 信号经边带滤波器滤除一 个边带或在调制过程中,直接将一个边带抵消而成的。根据滤除方法的不同,产生 SSB 信 号的方法有:滤波法和移相法。 单频调制时, SSB 信号的表达式为: 取上边带:

取下边带:

从上式看,单频时的 SSB 信号仍是等幅波,但它与原载波电压是不同的。SSB 信号的 振幅和调制信号的幅度成正比, 它的频率随着调制信号频率的不同而不同, 因此它含有消息 特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同,在单频调制时,它们的包络都是一个 常数。
F (?)

0

?

- ?c

0

?c

?

f (t )

平 衡 调制 器 A

f (t )cos ?ct co s?ct

- ?/2

- ?/2 s i n?ct 平 衡 调制 器 B

+ ∑ - +

u SSB -上边带 +下边带

^ f (t )s in ?ct

F (?) j

0

?

0 - ?c

?c

?

12

图 6.1 移相法产生 SSB 信号原理如图所示, 移相法是利用移项网络, 对载波和调制信号进行适当的相移, 以便在相加过程中将其中 的一个边带抵消而获得 SSB 信号,图为 SSB 调制信号的原理框图,图中,两个调制器相同, 但输入信号不同。调制器 B 的输入信号是移项 90 度的载频和调制信号;调制信号的输入没 有相移。两个分量相加时为下边带信号,两个分量相减时为上边带信号。 2.2.7 利用仿真软件 Multisim 10 对 SSB 电路仿真分析

在 Multisim 仿真电路窗口中创建如下图 7.1 所示的电路,其中由高频载波信号 (V1)、低频调制信号 u ? (t ) (V2)及乘法器(K=1)A1 组成抑制载波双边带调幅电路

u c (t )

? (t ) ? ? sin(? t ) f (t ) ? cos(?c t ) ;由模拟积分器和乘法器(K=0.1)组成相移 90. 度 f c 。 两者
通过模拟加法器相加后,模拟出单边带调幅(SSB)信号。

13

同步检波器输入的双边带信号(下)及其输出信号(上)

用乘法器组成的抑制载波双边带(DSB)输入波形及调制波形

14

系统测试(要求测试环境、测试仪器、测量数据) 由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响, 因而调制系统的抗噪声性能主要用解调器 的抗噪声性能来衡量。 为了对不同调制方式下各种解调器性能进行度量, 通常采用信噪比增 益 G(又称调制制度增益)来表示解调器的抗噪声性能。有加性噪声时解调器的数学模型如 图所示。 图中 为已调信号, 为加性高斯白噪声。 和 首先经过带通滤波 、

器, 滤出有用信号, 滤除带外的噪声。 经过带通滤波器后到达解调器输入端的信号为 噪声为高斯窄带噪声

, 显然解调器输入端的噪声带宽与已调信号的带宽是相同的。 最 ,噪声为 。

后经解调器解调输出的有用信号为

有加性噪声时解调器的数学模型

带通滤波器的带宽==已调信号带宽 带通滤波器的带宽等于 SSB 信号带宽 SSB 解调器与 DSB 结构相同,输入输出噪声功率关系不变

(1)噪声功率 这里,B = fH 为 SSB 信号的带通滤波器的带宽。

(2)信号功率 SSB 信号 与相干载波相乘后,得解调器输出信号

因此,输出信号平均功率

15

输入信号平均功率为 因 与 的幅度相同,所以具有相同的平均功率,故上式

信噪比 单边带解调器的输入信噪比为

单边带解调器的输出信噪比为

调制增益 结论:信噪比没有改善,因为在相干解调过程中,信号和噪声中的正交分量均被抑制 掉。
2.2.8 实验小结

模拟调制系统是电子信息工程通信方向最主要的模块之一,通过在课堂上对理论知识 的学习,我们了解到模拟调制系统的基本方式以及其原理。然而,如何将理论在实践中得到 验证和应用,是我们学习当中的一个问题。而通过本次课程设计,我们在强大的 Multisim 平台上对数字信号的调制解调进行了一次仿真,有效的完善了学习过程中实践不足的问题, 同时进一步巩固了原先的基础知识。 Multisim 软件前身是加拿大 IIT 公司在 20 世纪八十年代后期推出的电路仿真软件 EWB (Electronics Workbench),后来,EWB 将原先版本中的仿真设计更名为 multisim,2005 年之后, 加拿大 IIT 公司隶属于美国国家仪器公司 (National Instrument, 简称 NI 公司) , 美国 NI 公司于 2006 年初首次推出 Multisim9.0 版本。目前最新版本是美国 NI 公司推出的 multisim10。包含了电路原理图的图形输入、电路的硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿 真能力。它具有更形象直观的人机交互界面,并且提供了更加丰富的元件库、仪表库和各种 分析方法。完全满足电路的各种仿真需要。 Multisim 软件是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件,其基本元件的数学模型是 基于 Spice 版本,但增加了大量的 VHDL 元件模型,可以仿真更复杂的数学元器件,另外解 决了 Spice 模型对高频仿真不精确的问题。Multisim 在保留了 EWB 形象直观等优点的基础 上,大大增强了软件的仿真测试和分析功能,大大扩充了元件库中的元件的数目,特别是增 加了大量与实际元件对应得元件模型,使得仿真设计的结果更加精确、更可靠、更具有实用 性。 在模拟调制中,AM 调制优点在于系统结构简单,价格低廉,所以至今仍广泛应用于无 线但广播。DSB 与 AM 信号相比,因为不存在载波分量,DSB 调制效率是 100%,即将全部功
16

率都用于信息传输,所以选择 DSB 调制与解调作为课程设计的题目具有很大的实际意义。 我还深刻的认识到“实践是检验真理的唯一标准” ,本次作业也使我知道了自己知识面 还是太贫乏,知识掌握得也不是很牢固,总之,本次实验使我受益良多,在以后的学习中, 我也会注意知识的积累及巩固。

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

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