AM-DSB-SSB調(diào)制解調(diào)仿真

通信電子線路實(shí)驗(yàn)報(bào)告仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告—調(diào)幅及檢波指導(dǎo)教師:路勇學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)日期：2015.11.23成績(jī)：前言信號(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，并且是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)，不致相互干擾。而要還原出被調(diào)制的信號(hào)就需要解調(diào)電路。調(diào)制與解調(diào)在高頻通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也是信號(hào)處理應(yīng)用的重要問(wèn)題之一，系統(tǒng)的仿真和分析是設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要步驟和必要的保證。論文利用Multisim提供的示波器模塊，分別對(duì)信號(hào)的調(diào)幅和解調(diào)進(jìn)行了波形分析。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(wú)線但廣播。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%。我們注意到DSB信號(hào)兩個(gè)邊帶中任意一個(gè)都包含了M(w)的所有頻譜成分，所以利用SSB調(diào)幅可以提高信道的利用率，所以選擇SSB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。論文主要是綜述現(xiàn)代通信系統(tǒng)中AM,DSB,SSB調(diào)制解調(diào)的基本技術(shù)，并分別在時(shí)域討論振幅調(diào)制與解調(diào)的基本原理,以及介紹分析有關(guān)電路組成。此課程設(shè)計(jì)的目的在于進(jìn)一步鞏固高頻、通信原理等相關(guān)專業(yè)課上所學(xué)關(guān)于頻率調(diào)制與解調(diào)等相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。本次綜合課設(shè)于2011年6月20日著手準(zhǔn)備。我團(tuán)隊(duì)四人：曹翔、李婷婷、賴志娟、劉少楠分工合作，利用兩天時(shí)間完成對(duì)設(shè)計(jì)題目的認(rèn)識(shí)與了解，用三天時(shí)間完成了本次設(shè)計(jì)的仿真、調(diào)試?；纠碚撚捎趶南⑥D(zhuǎn)換過(guò)來(lái)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，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端通常需要有調(diào)制過(guò)程，同時(shí)在接受端則需要有解調(diào)過(guò)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，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(guò)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(guò)程。與調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相相對(duì)應(yīng)，有檢波、鑒頻和鑒相[1]。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。利用仿真軟件Multisim10對(duì)AM電路仿真分析3.1AM信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式AM信號(hào)是載波信號(hào)振幅在上下按輸入調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的一種調(diào)幅信號(hào)，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(gè)相加器和一個(gè)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)，且調(diào)幅電路++A圖1普通調(diào)幅（AM）電路的組成模型++A設(shè)調(diào)制信號(hào)為：=cos載波電壓為：cos上兩式相乘為普通振幅調(diào)制信號(hào)：cos）=+==（2）式中,稱為調(diào)幅系數(shù)(或調(diào)制指數(shù))，其中0＜≤1。而當(dāng)＞1時(shí)，在附近，變?yōu)樨?fù)值，它的包絡(luò)已不能反映調(diào)制信號(hào)的變化而造成失真，通常將這種失真成為過(guò)調(diào)幅失真，此種現(xiàn)象是要盡量避免的。3.2普通調(diào)幅（AM）信號(hào)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)組成的普通調(diào)幅(AM)電路，在該電路中，直流電壓源(圖中)和低頻調(diào)制信號(hào)(圖中)分別加到乘法器A1的X輸入端口，高頻載波信號(hào)電壓(圖中)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、模擬加法器的輸出端口，其構(gòu)成如下圖2所示：圖2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(jiàn)圖3)。此時(shí)調(diào)幅指數(shù)=0.5，運(yùn)行仿真開(kāi)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(hào)波形(見(jiàn)圖3)，從圖中輸出波形可以看出，高頻載波信號(hào)的振幅隨著調(diào)制信號(hào)的振幅規(guī)律變化，即已調(diào)信號(hào)的振幅在上下按輸入調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化。圖3普通調(diào)幅（AM）電路的輸入波形（上）和調(diào)制信號(hào)波形（下）從圖3.2.1可得到如下結(jié)論：調(diào)幅電路組成模型中的相乘器對(duì)和實(shí)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(hào)振幅上。若將圖3.2.1中調(diào)制信號(hào)電壓的幅值改為2V，則調(diào)指數(shù)=1，這時(shí)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(jiàn)仿真示波器屏幕，如圖4所示：圖4調(diào)幅電路恰好調(diào)幅(M=1)時(shí)的調(diào)制信號(hào)（上）及其輸出波形（下）若將圖2中調(diào)制信號(hào)電壓的幅值改為12V，則調(diào)制指數(shù)=3,Ma>1,這時(shí)電路輸出的曲為過(guò)量調(diào)幅曲線，仿真結(jié)果如圖5所示：圖5調(diào)制電路過(guò)調(diào)失真(Ma>1)時(shí)的輸出波形從圖中可以看出已調(diào)波的包絡(luò)形狀與調(diào)制信號(hào)不一樣，產(chǎn)生了嚴(yán)重的包絡(luò)失真，這種情況稱為過(guò)調(diào)失真，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免。因此,在振幅調(diào)制仿真過(guò)程中可以得出如下結(jié)：為了保證已調(diào)波的包絡(luò)真實(shí)地反映出調(diào)制信號(hào)的化規(guī)律，避免產(chǎn)生過(guò)調(diào)失真，要求調(diào)制系數(shù)Ma必滿足0<Ma<1，這與式(2)理論上推導(dǎo)得出的結(jié)果是一致的。3.3普通調(diào)幅（AM）信號(hào)的解調(diào)解調(diào)（Demodulation）是調(diào)制的逆過(guò)程。振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)電路稱為振幅檢波電路，簡(jiǎn)稱檢波電路（Detector），它的作用是從振幅調(diào)制信號(hào)中不失真地檢出調(diào)制信號(hào)來(lái)。對(duì)于普通調(diào)幅信號(hào)來(lái)說(shuō)，它的載波分量未被抑制掉，可以直接利用非線性器件實(shí)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(hào)，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(shí)，二級(jí)管總是在輸入信號(hào)的每個(gè)周期的峰值附近到導(dǎo)通，因此輸出電壓與輸入信號(hào)包絡(luò)相同。二極管電流的平均分量流過(guò)電阻R形成檢波輸出，而高頻分量被電容C濾掉。圖6即為調(diào)制波形和解調(diào)輸出波形。圖6檢波器輸出波形（上）與輸入調(diào)幅波（下）的關(guān)系（不失真）由于參數(shù)的選擇，檢波器容易惰性失真。在二級(jí)管截止期間，電容C兩端電壓下降的速度取決于RC的時(shí)常數(shù)。如果電容放電速度很慢，使得輸出電壓不能跟隨輸入信號(hào)包絡(luò)下降的速度，那么檢波輸出將與輸入信號(hào)包絡(luò)不一樣，產(chǎn)生失真。把由于RC時(shí)間常數(shù)過(guò)大而引起的這種失真稱為惰性失真或者對(duì)角線切割失真。如圖7：圖7檢波器出現(xiàn)惰性失真時(shí)的輸出波形同時(shí)還有一種失真，底部切割失真。如圖8所示。產(chǎn)生這種失真是因?yàn)榻恢绷髫?fù)載不同引起的。要避免底邊切割失真，一定要設(shè)法增大交流阻抗和直流阻抗的比值。圖8檢波器出現(xiàn)負(fù)峰切割失真時(shí)的輸出波形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(shí)，要選擇合適的電路參數(shù)。利用仿真軟件Multisim10對(duì)DSB電路仿真分析4.1DSB信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式抑制掉調(diào)幅信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)中無(wú)用的載頻分量，僅傳輸兩個(gè)邊頻的調(diào)制方式成為抑制載波的雙邊帶調(diào)制，簡(jiǎn)稱雙邊帶調(diào)制，并表示為：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(guò)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，如下圖9所示，圖中。圖9雙邊帶調(diào)制信號(hào)組成模型4.1.1調(diào)制過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式設(shè)載波電壓為：調(diào)制信號(hào)為：經(jīng)過(guò)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：==（4）4.1.2解調(diào)過(guò)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：==（5）4.2DSB信號(hào)的波形在Multisim仿真電路窗口中創(chuàng)建如下圖10所示的電路，其中由高頻載波信號(hào)()、低頻調(diào)制信號(hào)()及乘法器(K=0.1)A3組成抑制載波雙邊帶調(diào)幅電路；由模擬乘法器A1輸出電壓u(t)、本機(jī)載波信號(hào)()和乘法器(K=0.1)A4組成抑制載波雙邊帶解調(diào)電路,其目的是從抑制載波雙邊帶調(diào)幅波中檢出調(diào)制信號(hào)。圖10DSB乘法器調(diào)制解調(diào)電路運(yùn)行仿真開(kāi)關(guān),雙擊示波器圖標(biāo)，可以得到抑制載波雙邊帶調(diào)幅仿真輸出波形如圖11所示：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4.3DSB信號(hào)的解調(diào)振幅調(diào)制波的解調(diào)電路振幅調(diào)制波的解調(diào)電路圖12振幅檢波電路的作用uxy低通濾波器如圖12uxy低通濾波器圖13振幅解調(diào)電路的組成模型圖中電路由相乘器和低通濾波器組成。由圖可見(jiàn)，將先與一個(gè)等幅余弦電壓相乘，要求這個(gè)電壓與輸入載波信號(hào)同頻同相，即=，稱為同步信號(hào)，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(hào)，它是無(wú)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(shí)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(shí)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(wú)用的寄生分量，取出所需的解調(diào)電壓。必須指出，同步信號(hào)必須與輸入信號(hào)保持嚴(yán)格同步（同頻、同相）是實(shí)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(huì)下降。當(dāng)恢復(fù)載波與發(fā)射載波同頻同相時(shí)，輸出將無(wú)失真的將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)處出來(lái)。如圖14：圖14同步檢波器輸入的雙邊帶信號(hào)（上）及其輸出信號(hào)（下） 若恢復(fù)載波與發(fā)射載頻有一定的頻差，將會(huì)引起振幅失真和頻率失真，若只有一定的相差，但頻率相同，則會(huì)引起一個(gè)振幅衰減因子，使振幅減小。利用仿真軟件Multisim10對(duì)SSB電路仿真分析SSB信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式單邊帶調(diào)制（SSB）信號(hào)是由DSB信號(hào)經(jīng)邊帶濾波器濾除一個(gè)邊帶或在調(diào)制過(guò)程中，直接將一個(gè)邊帶抵消而成的。單頻調(diào)制時(shí)，SSB信號(hào)的表達(dá)式為：取上邊帶：取下邊帶：從上式看，單頻時(shí)的SSB信號(hào)仍是等幅波，但它與原載波電壓是不同的。SSB信號(hào)的振幅和調(diào)制信號(hào)的幅度成正比，它的頻率隨著調(diào)制信號(hào)頻率的不同而不同，因此它含有消息特征。單邊帶信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)形狀相同，在單頻調(diào)制時(shí)，它們的包絡(luò)都是一個(gè)常數(shù)。5.2移相法產(chǎn)生SSB信號(hào)的方法：圖15移相法產(chǎn)生SSB信號(hào)原理如圖15所示，移相法是利用移項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)載波和調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南嘁?，以便在相加過(guò)程中將其中的一個(gè)邊帶抵消而獲得SSB信號(hào)，圖1為SSB調(diào)制信號(hào)的原理框圖，圖中，兩個(gè)調(diào)制器相同，但輸入信號(hào)不同。調(diào)制器B的輸入信號(hào)是移項(xiàng)90度的載頻和調(diào)制信號(hào)；調(diào)制信號(hào)的輸入沒(méi)有相移。兩個(gè)分量相加時(shí)為下邊帶信號(hào)，兩個(gè)分量相減時(shí)為上邊帶信號(hào)。5.3抑制載波的單邊帶調(diào)幅（SSB）信號(hào)的波形在Multisim仿真電路窗口中創(chuàng)建如下圖16所示的電路，其中由高頻載波信號(hào)()、低頻調(diào)制信號(hào)()及乘法器(K=0.1)A3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=0.2)A2組成相移度。兩者通過(guò)模擬加法器相加后，模擬出單邊帶調(diào)幅（SSB）信號(hào)。圖16SSB乘法器調(diào)制解調(diào)電路運(yùn)行仿真開(kāi)關(guān),雙擊示波器圖標(biāo)，可以得到抑制載波單邊帶調(diào)幅仿真輸出波形如圖17所示：圖17用乘法器組成的抑制載波單邊帶(SSB)輸入波形及調(diào)制波形5.4抑制載波的單邊帶調(diào)幅（SSB）信號(hào)的解調(diào)SSB的解調(diào)方法和DSB完全相同，所獲得波形如圖18所示。圖18同步檢波器輸出信號(hào)（上）及其經(jīng)過(guò)低通濾波器的信號(hào)（下）6、總結(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(guò)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(wèn)題。而通過(guò)本次研究性學(xué)習(xí)，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(guò)程中實(shí)踐不足的問(wèn)題，同時(shí)進(jìn)一步