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信息2 利用模擬乘法器實現AM、SSB及DSB的振幅調制與解調二 實驗過程2.1 丁類放大器丁類放大也稱D類放大或數字式放大器。系利用極高頻率的轉換開關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1000W的這類數字式放大器，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用。 D 類放大器實際上是一種開關放大器，其開關頻率高達100kHz以上。輸入端是直接從數

2、碼信號源如CD唱機、DVD影碟機、DVD Audio或SACD光碟機以及DTV數碼電視等輸入的數碼音頻信號，而不是經過ADC模數轉換或DAC數模轉換處理的音樂模擬信號。典型的實現過程如下： 先由振蕩器調制直流電源產生一個基準方波信號，其工作頻率可跟隨輸入信號變化，設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。還可以設置一個鋸齒波信號產生器，其頻率為基準方波信號的一倍，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。當鋸齒波同輸入信號發(fā)生差異時，便產生與其瞬時振幅一致的相移信號。再用一個邏輯上由基準信號和相移信號控制的開關電路輸出一個極性經過選擇的脈沖寬度調制信號

3、（PWM信號）。PWM信號經晶體管放大和高速整流，再通過低通濾波器濾除高頻成分、平滑處理后回復為音頻信號饋送揚聲器放音。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、開關轉換效率極高的場效應晶體管，運行中幾乎沒有損耗，效率可達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，從而導致集成電路化的大批量生產。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，可是反饋產生的延時效應卻對原音重現帶來失真。由于數碼放大器轉換時間極快，延時效應微乎其微，產生的誤差只有傳統(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的調制2.2.1 基本原理由于從消息轉換過來的調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)送端通常需要有調制過程，同時在接受端則需要有解調過程從而還原出調制信號。 所謂調制就是利用原始信號控制高頻載波信號的某一參數，使這個參數隨調制信號的變化而變化，最常用的模擬調制方式是用正弦波作為載波的調幅(AM)、調頻(FM)、調相 (PM)三種。解調是與調制相反的過程，即從接收到的已調波信號中恢復原調制信息的過程。與調幅、調頻、調相相對應，有檢波、鑒頻和鑒相

5、。 振幅調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，是已調波的幅度隨調制信號的大小線性變化，而保持載波的角頻率不變。在振幅調制中，根據所輸出已調波信號頻譜分量的不同，分為普通調幅（AM）、抑制載波的雙邊帶調幅（DSB）、抑制載波的單邊帶調幅（SSB）等。AM的載波振幅隨調制信號大小線性變化。DSB是在普通調幅的基礎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是在雙邊帶調幅的基礎上，去掉一個邊帶，只傳輸一個邊帶的調制方式。它們的主要區(qū)別是產生的方法和頻譜的結構不同。2.2.2 AM調制AM信號是載波信號振幅在上下按輸入調制信號規(guī)律變化的一種調幅

6、信號，表達式如下： （1）調幅電路由表達式（1）可知，在數學上，調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，A為相加器的加權系數，且A+ +圖2.1普通調幅（AM）電路的組成模型設調制信號為：=cos載波電壓為：cos上兩式相乘為普通振幅調制信號：cos）=+= （2）式中,稱為調幅系數(或調制指數) ，其中01。而當1時，在附近，變?yōu)樨撝?，它的包絡已不能反映調制信號的變化而造成失真，通常將這種失真成為過調幅失真，此種現象是要盡量避免的。2.2.3普通調幅（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、的普通調幅(AM)電路，在該電路中，直流電壓源 (圖中V1)和低頻調制信號 (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，其構成如下圖3.1所示：前半部分為乘法器調制電路，后半部分為包絡檢波的解調裝置。圖3.1乘法器組成的普通調幅(AM)電路運行仿真電路可得到輸出波形(見圖3)。此時調幅指數=0.5，運行仿真開關,雙擊示波器圖標，可以得到示波器仿真輸出波形和輸入調制信號波形(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制信號的振幅規(guī)律變化，即已調信號的振幅在上

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

9、上推導得出的結果是一致的。2.2.4 普通調幅（AM）信號的解調解調（Demodulation）是調制的逆過程。振幅調制信號的解調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制信號中不失真地檢出調制信號來。對于普通調幅信號來說，它的載波分量未被抑制掉，可以直接利用非線性器件實現相乘作用，得到所需的解調電壓，而不必另加同步信號，通常將這種振幅檢波器稱為包絡檢波器。目前應用最廣的是二極管包絡檢波器。解調調幅波時，二級管總是在輸入信號的每個周期的峰值附近到導通，因此輸出電壓與輸入信號包絡相同。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即為調制波形和解調輸出波形。此圖像即為解調之后的圖像。由圖可以發(fā)現高頻載波信號的振幅隨著調制信號的振幅規(guī)律變化，即已調信號的振幅在Ec上下按照輸入調制信號規(guī)律變化。若將仿真圖中調制信號電壓幅值改成4V，則調制指數ma=1成為全調制，仿真結果如下：由上面三圖可得如下結論：當用二極管包絡檢波法解調普通調幅波時，要選擇合適的電路參數。2.2.5利用仿真軟件Multisim 10對DSB電路仿真分析振幅調制波的解調電路圖5.1 振幅檢波電路的作用如圖5.1所示，為輸入振幅調制信號電壓，為反映調制信號變化的輸出電壓。在頻域上，這種作用就是將振幅調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，相乘結果是頻譜被搬移到的兩邊，一邊搬到2上，構成載波角頻率為2的雙邊帶調制信號，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頻率軸上，負頻率是不存在的，實際上，這些負頻率分量應疊加到相應的正頻率分量上，構成實際的頻譜，因此它比搬移到2上的任一邊帶頻譜在數值上加倍。而后用低通濾波器濾除無用的寄生分量，取出所需的解調電壓。必須指出，同步信號必須與輸入信號保持嚴格同步（同頻

12、、同相）是實現上述電路模型的關鍵，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。當恢復載波與發(fā)射載波同頻同相時，輸出將無失真的將調制信號恢復處出來。信號的數學表達式：抑制掉調幅信號頻譜結構中無用的載頻分量，僅傳輸兩個邊頻的調制方式成為抑制載波的雙邊帶調制，簡稱雙邊帶調制，并表示為：顯然，它與調幅信號的區(qū)別就在于其載波電壓振幅不是在上下按調制信號規(guī)律變化。這樣，當調制信號進入負半周時，就變?yōu)樨撝?。表明載波電壓產生相移。因而當自正值或負值通過零值變化時，雙邊帶調制信號波形均將出現的相移突變。雙邊帶調制信號的包絡已不再反映的變化，但它仍保持頻譜搬移的特性，因而仍是振幅調制波的一種，并可用相

13、乘器作為雙邊帶調制電路的組成模型，如下圖7所示，圖中。圖5.3雙邊帶調制信號組成模型 調制過程的數學表達式設載波電壓為：調制信號為： 經過模擬乘法器A1后輸出電壓為抑制載波雙邊帶調制信號，其數學表達式為：= = （4）解調過程的數學表達式雙邊帶調幅波的電壓u(t)可表示為：本機載波電壓為： 解調波的表達式： = = （5）2.2.5 抑制載波的單邊帶調幅（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)、低頻調制信號 (V2)及乘法器(K=1)A1組成抑制載波雙邊帶調幅電路；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，模擬出單邊帶調幅（SSB）信號。、圖5.1 SSB乘法器調制解調電路2.2.6 DSB信號的調制波形與解調波形調制波形：DSB波形圖，可見其過零點相位有一個180°的反轉。解調波形如下2.2.6 SSB信號的解調各單元模塊功能介紹及電路設計：由于從消息轉換過來的調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)送端通常需要有調制過程，同時在接受端則需要有解調過程從而還原出調制信號。所謂調制就是利用原始信號控制高頻載波信號的某一參數，使這個參數隨調制信號的變化而變化。解調是與調制相反的過程，即從接收到的已調波信號中恢復原調制信息的過程電路

15、參數的計算及元器件的選擇在本次課程設計電路圖中，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、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腳單通道運算放大器，其工作電壓范圍736V，單位增益帶寬1MHz，輸入失調電壓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）， 是一個三端口網絡，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正、負兩種極性的乘法器為“四象限乘法器”。模擬相乘器SSB信號的數學表達式：單邊帶調制（SSB）信號是由DSB信號經邊帶濾波器濾除一個邊帶或在調制過程中，直接將一個邊帶抵消而成的。根據濾除方法的不同，產生SSB信號的方法有：濾波法和移相法。 單頻調制時，=SSB信號的表達式為： 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信號的振幅和調制信號的幅度成正比，它的頻率隨著調制信號頻率的不同而不同，因此它含有消息特征。單邊帶信號的包絡與調制信號的包絡形狀相同，在單頻調制時，它們的包絡都是一個常數。圖6.1 移相

17、法產生SSB信號原理如圖所示，移相法是利用移項網絡，對載波和調制信號進行適當的相移，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調制信號的原理框圖，圖中，兩個調制器相同，但輸入信號不同。調制器B的輸入信號是移項90度的載頻和調制信號；調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)、低頻調制信號 (V2)及乘法器(K=1)A1組成抑制載波雙邊帶調幅電路；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)輸入波形及調制波形系統(tǒng)測試（要求測試環(huán)境、測試儀器、測量數據）由于加性噪聲只對已調信號的接收產生影響，因而調制系統(tǒng)的抗噪聲性能主要用解調器的抗噪聲性能來衡量。為了對不同調制方式下各種解調器性能進行度量，通常采用信噪比增益G（又稱調制制度增益）來表示解調器的抗噪聲性能。有加性噪聲時解調器的數學模型如圖所示。圖中為已調信號，為加性高斯白噪聲。 和首先經過帶通濾波器，濾出有用信號，濾除帶外的噪聲。經過帶通濾波器后到達解調器輸入端的信號為 、噪聲為

19、高斯窄帶噪聲，顯然解調器輸入端的噪聲帶寬與已調信號的帶寬是相同的。最后經解調器解調輸出的有用信號為，噪聲為。有加性噪聲時解調器的數學模型帶通濾波器的帶寬=已調信號帶寬 帶通濾波器的帶寬等于SSB信號帶寬 SSB解調器與DSB結構相同，輸入輸出噪聲功率關系不變（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 單邊帶解調器的輸入信噪比為 單邊帶解調器的輸出信噪比為 調制增益 結論：信噪比沒有改善，因為在相干解調過程中，信

20、號和噪聲中的正交分量均被抑制掉。2.2.8 實驗小結模擬調制系統(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習，我們了解到模擬調制系統(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用，是我們學習當中的一個問題。而通過本次課程設計，我們在強大的Multisim平臺上對數字信號的調制解調進行了一次仿真，有效的完善了學習過程中實踐不足的問題，同時進一步鞏固了原先的基礎知識。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，其基本元件的數學模型是基