基于Multisim的调频电路设计与仿真

※※※※※※※※※※※※※※※※※※实践教学※※※※※※※※※※※※※※※※※※兰州理工大学计算机与通信学院2011年秋季学期高频电子线路课程设计题目：基于Multisim的调频电路设计与仿真专业班级：姓名：学号：指导老师：贾科军成绩：基于Multisim的调频电路设计与仿真摘要：由于一般的低频信号无法进行远距离传输，所以得经过调频搬到高频信号上传输，这个过程就是我们常说的调频。而解调则是调频的逆过程，目的是还原出原信号波形。本课程设计的内容是基于Multisim的调频电路设计与仿真。频率的调制与解调电路用Multisim软件进行仿真分析，得出相应的合适的仿真波形图，实现相应的功能。关键词：调频与解调；Multisim;仿真分析目录第一章前言....................................................错误!未定义书签。第一章前言《通信电子线路》主要的学习内容是无线电通信系统中发射和接收设备中单元电路的形式及工作原理等。在无线电发射机中，需要发射的低频调制信号（如由语音信号转换而来的电信号）都要经过调制才能发送传输。所谓调制是指用低频调制信号去改变高频振荡波，使其随低频调制信号的变化规律（幅度、频率或相位）相应变化的过程。由这些经过调制后的已调波携带低频信号的信息到空间进行传输，完成信号的发射。从频谱的角度来看，调制是将低频调制信号的频谱从低频端搬到高频端的过程。而在无线电接收机中，从接收到的已调波信号中恢复出原低频调制信号的过程称之为解调。从频谱的角度来看，解调则是将信号的频谱从高频端搬回到低频端的过程。上述提到的载波、已调波、调制（包括调幅、调频、调相）和解调等概念很抽象枯燥，学生感到不好理解，犹如在听“天书”。学生若对概念理解不好，则难以掌握无线电通信的基本原理，对通信系统的信号流程也难以理解，学习目的无法实现。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。Multisim是一个能进行电路原理设计、对电路功能进行测试分析的仿真软件。Multisim的功能更强大，更适合于对模拟电路、数字电路和通信电路等的仿真与测试。它的元器件库提供数千种电路元器件供仿真选用，提供的虚拟测试仪器仪表种类齐全，还有较为详细的电路分析功能，仿真速度更快。它将实验过程中创建的电路原理图、使用到的仪器、电路测试分析后结果的显示图表等全部集成到同一个电路窗口中，具有直观、方便、实用和安全的优点。第二章调制技术2.1调制和解调的概念调制技术就是把基带信号变换成传输信号的技术。基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信中则指相应的电脉冲。在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数（振幅、频率和相位），使这些参数随基带信号变化。用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号。未调制的高频电振荡称为载波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脉冲序列等）。被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波或已调信号。已调信号通过信道传送到接收端，在接收端经解调后恢复成原始基带信号。解调是调制的反变换，是从已调波中提取调制信号的过程。在无线电通信中常采用双重调制。第一步用数字信号或模拟信号去调制第一个载波(称为副波）。或在多路通信中用调制技术实现多路复用（频分多路复用和时分多路复用）。第二步用已调副载波或多路复用信号再调制一个公共载波，以便进行无线电传输。第二步调制称为二次调制。用基带信号调制高频载波，在无线电传输中可以减小天线尺寸，并便于远距离传输。应用调制技术，还能提高信号的抗干扰能力。2.2调制的分类调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类；按照载波的形式分为连续波调制和脉冲调制两类。模拟调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。数字调制有振幅键控（ASK）、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)和差分移相键控(DPSK)等。脉冲调制有脉幅调制(PAM)、脉宽调制（PDM）、脉频调制（PFM）、脉位调制(PPM)、脉码调制(PCM)和增量调制（ΔM）。按照传输特性，调制方式又可分为线性调制和非线性调制。广义的线性调制，是指已调波中被调参数随调制信号成线性变化的调制过程。狭义的线性调制,是指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上、下边带的调制过程。此时只改变频谱中各分量的频率，但不改变各分量振幅的相对比例，使上边带的频谱结构与调制信号的频谱相同，下边带的频谱结构则是调制信号频谱的镜像。狭义的线性调制有调幅(AM)、抑制载波的双边带调制(DSB-SC)和单边带调制(SSB)。（1）模拟调制模拟调制一般指调制信号和载波都是连续波的调制方式。它有调幅、调频和调相三种基本形式。①调幅(AM)：用调制信号控制载波的振幅，使载波的振幅随着调制信号变化。已调波称为调幅波。调幅波的频率仍是载波频率，调幅波包络的形状反映调制信号的波形。调幅系统实现简单,但抗干扰性差,传输时信号容易失真。②调频(FM)：用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。已调波称为调频波。调频波的振幅保持不变，调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。调频系统实现稍复杂，占用的频带远较调幅波为宽，因此必须工作在超短波波段。但抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。③调相(PM)：用调制信号控制载波的相位，使载波的相位随着调制信号变化。已调波称为调相波。调相波的振幅保持不变，调相波的瞬时相角偏离载波相角的量与调制信号的瞬时值成比例。在调频时相角也有相应的变化，但这种相角变化并不与调制信号成比例。在调相时频率也有相应的变化，但这种频率变化并不与调制信号成比例。在模拟调制过程中已调波的频谱中除了载波分量外在载波频率两旁还各有一个频带，因调制而产生的各频率分量就落在这两个频带之内。这两个频带统称为边频带或边带。位于比载波频率高的一侧的边频带，称为上边带。位于比载波频率低的一侧的边频带，称为下边带。在单边带通信中可用滤波法、相移法或相移滤波法取得调幅波中一个边带，这种调制方法称为单边带调制(SSB)。单边带调制常用于有线载波电话和短波无线电多路通信。在同步通信中可用平衡调制器实现抑制载波的双边带调制(DSB-SC)。在数字通信中为了提高频带利用率而采用残留边带调制(VSB),即传输一个边带（在邻近载波的部分也受到一些衰减）和另一个边带的残留部分。在解调时可以互相补偿而得到完整的基带。（2）数字调制一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。它有四种基本形式：振幅键控、移频键控、移相键控和差分移相键控。①振幅键控(ASK)：用数字调制信号控制载波的通断。如在二进制中,发0时不发送载波,发1时发送载波。有时也把代表多个符号的多电平振幅调制称为振幅键控。振幅键控实现简单，但抗干扰能力差。②移频键控(FSK)：用数字调制信号的正负控制载波的频率。当数字信号的振幅为正时载波频率为f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为f2。有时也把代表两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控。移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。③移相键控(PSK)：用数字调制信号的正负控制载波的相位。当数字信号的振幅为正时，载波起始相位取0；当数字信号的振幅为负时,载波起始相位取180°。有时也把代表两个以上符号的多相制相位调制称为移相键控。移相键控抗干扰能力强，但在解调时需要有一个正确的参考相位，即需要相干解调。④差分移相键控(DPSK)：利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。第三章调频技术3.1调频与鉴频的概念调频就是用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。已调波称为调频波。调频波的振幅保持不变，调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。调频系统实现稍复杂，占用的频带远较调幅波为宽，因此必须工作在超短波波段。抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。把含有信息的低频信号从经过传输的调频波中解调出来，还原含有信息的低频信号，称为鉴频。使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。3.2间接调频电路调频波的数学表示式，在调制信号为uΩ(t)时，为uFM(t)=Ucmcos[ωct+kf]（3-1）可见调频波的相位偏移为kf，与调制信号uΩ(t)的积分成正比。若将调制信号先通过积分器得，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为的调相波，即u(t)=Ucmcos[ωct+kP]（3-2）因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图10-1所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器(例如石英晶体振荡器)作为载波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。图3-1间接调频原理方框图3.3变容二极管直接调频电路（1）．变容二极管的特性变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的。在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。其结电容Cj与反向偏置电压ur之间有如下关系：01jjrrdCCuU(3-3)式中，UD为PN结的势垒电压，Cj0为ur=0时的结电容;γ为电容变化系数。（2）．调频基本原理图3-2变容二极管调频电路图3-2是变容二极管调频器的原理电路。图中虚线左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极管和它的偏置电路。其中Cc是藕合电容，ZL为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为ur=VccVB+uΩ(t)=VQ+uΩ(t)(3-4)式中，VQ=VccVB是加在变容二极管上的直流偏置电压；uΩ(t)为调制信号电压。图3-3结电容随调制电压变化关系图3-3(a)是变容二极管的结电容与反向电压ur的关系曲线。由电路可知，加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压uΩ(t)之和，若设调制电压为单频余弦信号，即uΩ(t)=UΩmcosΩt则反向电压为:ur(t)=VQ+UΩmcosΩt(3-5)如图3-3(b)所示。在ur(t)的控制下，结电容将随时间发生变化，如图3-3(c)所示。结电容是振荡器振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。（3）.电路分析设调制信号为uΩ(t)=UΩmcosΩt，加在二极管上的反向直流偏压为VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制信号uΩ(t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为ur(t)=VQ+UΩmcosΩt(3-6)相应的变容二极管结电容变化规律为当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。此时ur(t)=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ:01jjQrQdCCVU(3-7)当调制信号电压uΩ(t)=UΩmcosΩt时，00cos[1cos][(1)]jjjrDQmrDDQCCCUVUtmtUUV代入式(3-7),并令m=UΩm/(UD+VQ)为电容调制度，则可得0[1cos]jjrCCmt(3-8)上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时