高频电子线路课程设计方案

高频电子线路课程设计 方案 第一部分 设计要求 : 一、课程设计目的 调和混频的基本理论和实现方法； 件 进行仿真； 二、设计 内容 及要求 内容： （ 1）高频 号 产生与检波 （ 2） 号 产生与检波 中频 号的产生与检波 产生与解调 产生与解调 要求： 和 2， 3和 4均选做其一。调制信号均为 5频 波频率取 500该范围内可调），中频 波频率取465他载波频率均取 100 2. 以上 1中的 波不可用相同的方法； 3. 明确设计任务，合理选择设计方案； 4. 利用 行仿真； 三、设计原始资料 件，电子通信系统教材及高频电子线路相关参考资料。 四、 设计完成后提交的文件和图表 1计算说明书部分 各种类型调制、解调，混频的主要公式 2图纸部分： (1) 各种调制、解调，混频的原理框图； (2) 实现各种调制、解调，混频的程序流程框图； (3) 相应的仿真波形图。 五、进程安排 件（ 3天）； 定各种调制、解调、混频的实现方案（ 2天）； 3. 行仿真设计（ 3天）； 2天）。 六、主要参考资料 用技术教程，雷振山，中国铁道出版社 2.电子线路，谢嘉奎，北京：高等教育出版社 3.高频电子电路，张肃文 ， 北京： 高等教育出版社 4.电子通信系统（第四版）， 美 北京：电子工业 出版社 5.高频电路，沈伟慈 ， 西安：西安电子科技大学出版社 第二部分 设计正文 : 一、课程设计目的 件 进行仿真设计； 二、设计 内容 及要求 (一 ) . 设计内容 ： （ 1）高频 号 产生与检波 （ 2） 号 产生与检波 中频 号的产生与检波 产生与解调 产生与解调 要求： 和 2， 3和 4均选做其一。调制信号均为 5频 波频率取 500该范围内可调），中频 波频率取465他载波频率均取 100 2. 以上 1中的 波不可用相同的方法； 3. 明确设计任务，合理选择设计方案； 4. 利用 行仿真； 三、设计原理及仿真结果 一） 调幅与检波 调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调制是在发射端将调制信号从低频段变换到高频段 , 便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用；解调是在接 收端将已调波信号从高频段变换到低频段 , 恢复原调制信号。 在模拟系统里 , 按照载波波形的不同 , 可分为脉冲调制和正弦波调制两种调制方式。 脉冲调制是以高频矩形脉冲为载波 , 用低频调制信号分别去控制矩形脉冲的幅度、宽度或位置三个参量 , 分别称为脉幅调制 ( 脉宽调制 (脉位调制 ( 正弦波调制是以高频正弦波为载波 , 用低频调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量 , 分别称为调幅 ( 调频 (调相 ( 调幅 括四种方式：普通调幅 边带调幅 边带调幅 残留边带调幅 中双边带调幅 括全载波双边带调幅 抑制双边带调幅 种。对于相同调制信号产生的已调波信号的时域波形不一样 , 频谱不一样 , 带宽不完全一样 , 调制与解调的实现方式与难度不一样。 根据设计要求，本课程设计均采用正弦波调制。 普通调幅信号的解调方法有两种 , 即包络检波和同步检波。 包络检波也称峰值检波， 利用普通调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点 , 如能将包络提取出来 , 就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。 同步检波也称相乘检波， 同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相 (或固定相位差 )的信号 , 称为同步信号。 1. 生与检波 1） a)调幅方式是用低频调制信号去控制高频正弦波 (载波 )的振幅 , 使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。 设载波 信号 为 uc(t)=其中载波信号频率 00 调制信号为单频信号 um(t)=中调制信号频率 则 t)=( Uc+k +m 中调幅指数 m= k 0 m1, k 为比例系数。 如图 1所示为产生 图 1 如图 1所示， um(t)与一直流偏置 与载波信号 uc(t)相乘得到。 如图 2所示为载波信号 uc(t)、调制信号 um(t)以及 图 2 b) t)= um(t) t)=t) +1/2 c+m)t+1/2 t 则 所示 图 3 c) 载波功率 :c 2/2 调幅波上下边频功率： m )2 /2 (m /8 = 发射总功率： 1+2） 波的原理分析 1) 非相干检波 包络检波也称峰值检波， 利用普通调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点 , 如能将包络提取出来 , 就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。 如图 4所示为包络检波原理框图。 图 4 包络检波 用低通滤波器取出 滤除 m 及其以上的高频分量 , 同时用隔直流电容滤除直流分量 , 就可以恢复与原调制信号 t)成 t) t) 非线性器件 低通滤波器 正比的单频信号了。 图 4中的非线性器件可以用二极管 , 也可以用晶体三极管。 b) 在本课程设计中， 产生的 t)作为输入信号输入到由二极管或晶体三极管组成的峰值检波电路中，提取出调幅波中的峰值，再将其输入到低通滤波器中，从而得到解调的调制信号 um(t)。 调幅信号 t)=( Uc+k +m 调信号 um(t)=图 5所示为二极管峰值包络检波器。 图 6 3) 在本次课程设计中，采用 拟仪器平台进行对调幅波的 产生、调频波、调相波的调制与解调的仿真。 一种图形化的编程语言（又称“ G”语言），它是一个虚拟仪器开发平台，也是一个图形化软件集成开发 C 环境。 用于各个行业，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，利用它可以方便地组建自己的虚拟仪器。 因此，在本次课程设计中，可以利用 a) 下图为利用 写的 C 调制解调程序图 如图所示，首先由两个信号发生器生成调制信号 um(t)与载波信号 uc(t)，分别 设置其频率为 5 500幅值均取 1V,并将他们分别用波形显示器显示；其次， 将调幅信号 t)经过数据转换后，放置一个峰值检波器对其进行检波，通过检波后，将峰值检波器中输出的位置项与信号采样率的倒数相乘后转换为时间，并于峰 值检波器的振幅项分别作为 X、 Y 由一 形创建器创建一波形，得到于在峰值检测过程中，对调幅信号的检测产生一个直流偏移，因此在经过峰值检波器的信号减去其平均值。得到得到 调信号。因此，由 为了保证程序能够连续运行，在所有虚拟仪器外添加一个 b) 制解调波形 3. 生与检波 只有边带功率才与调制信号有关。 载波功率在 号中占有大部分能量，即使在满调制 (m=1)条件下，两个边带上的有用信号仍然只占很小能量。因此，从功率上讲， 号功率利用率比较低。 为了提高调幅信号的效率，就得抑制掉已调波中的载波分量。要抑制掉需在图 3 取掉，得到抑制载波的双边带信号，即 1) a) 抑制载波双边带调幅，由调制信号与载波信号相乘直接得到 设调制信号为 um(t)=中调制信号频率 载波 信号 为 uc(t)=其中载波信号频率 00 则 t)= um(t)uc(t) = 图 9所示为产生 幅波的原理方框图。 图 9 如图 10 所示为载波信号 uc(t)、调制信号 um(t)以及 制信号t) uc(t) um(t) 波形。 图 10 b)设调制信号为 x(t), 当调制信号 x(t)为确知信号时， 如图 11示为 频谱分析 (a) 调制信号； (b) 载波信号； (c) 已调波信号 图 11 c) B S C c o s)()( 2 )(2 )()( B S C 谱中没有载波分量， 。因此，信号的全部功率都包含在边带上， 即 这就使得调制效率达到 100，即 。 2 )a) 相干检波 同步检波也称相乘检波， 同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相位差 )的信号 , 称为同步信号。 同步检波可由乘法器和低通滤波器实现 , 其原理见图 12。 图 12 相干检波 设输入 制信号： t)= 乘法器另一输入同步信号为： uc(t)=乘法器输出为： uo(t)= t) uc(t) = 21+ 其中 由上式 可见 , 输出信号 t)中含有 m , 2 c+ m ,2 m 几个频率分量。为了达到解调 目的，采用低通滤波器取出 m 分量 ,就可恢复原调制信号。 2)(2t) um(t) uc(t) 低通滤波器 b) 本次课程设计 uc(t)相乘后通过一低通滤波器，滤去 2 c+m ,2 而得到 图 13为 调信号波形。 图 3图 13 3)a)如下 图所示，为利用 如图所示，首先由两个信号发生器生成调制信号 um(t)与载波信号 (t)，分别设置其频率为 5 100幅值均取 1V,并将他们分别用波形显示器显示；并将调制信号与载波信号相乘得到 将其用波形显示器显示。为了保证程序能够连续运行，在所有虚拟仪器外添加一个 此，由 由乘法器得到 幅信号 t)后，将调幅信号与一载波信号同步信号相乘，为了保证同步信号与载波信号同频同相，将载波信号作为同步信号，相乘结果通过一个低通滤波器，将低通滤波器设置为巴特沃斯低通滤波器，截止频率设置为 10到 制解调信号。因此，由 波。 b)如下图所示利用 制解调所产生的波形图。 如图所示，所得波形分别为调制信号、载波信号、调幅信号和解调信号 的波形图。 4 )a) 调制信号 um(t)= *5000t)； 载波 信号 uc(t)= 2 *100000t）； 调幅信号 t)= um(t)uc(t) = *5000t) 2 *100000t） 调幅信号 t)经过乘法器与载波信号 uc(t)相乘后得到输出信号uo(t)为 uo(t)= t) uc(t)= *5000t) (2*100000t） )2 = 21 *5000t)（ 1+ 2 *200000t） 信号通过低通滤波器得到解调信号 (t)= 21 *5000t) 由相干检波对 t)解调所得到的解调信号 (t)频率与原调制信号 um(t)相同，幅度为原信号的 1/2。 b)同步信号 如果同步信号与发射端载波同频不同相 ,有一相位差 , 即 uc(t)= ） 则乘法器输出中的 若 是一常数 , 即同步信号与发射端载波的相位差始终保持恒定 , 则解调出来的 只不过振幅有所减小。当然90, 否则 , 是随时间变化的 , 即同步信号与发射端载波之间的相位差不稳定 , 则解调出来的 c) 制功率与效率分析 由于 谱中没有载波分量， 。设调制信号为 x(t),因此，信号的全部功 率都包含在边带上， 即 这就使得调制效率达到 100，即 。 由分析可得， 制与解调过程中，调制功率取决于输入的调制信号，与载波信号无关，因而调制效率 100。 二）角度调制与解调 角度调制是频率调制 度调制是使正弦载波信号的角 度随着基带调制信号的幅度变化而改变。 在调频信号中，载波信号的频率随着基带调制信号的幅度变化而改变。调制信号 2)(2 幅度变大时，载波信号的频率也变大（或变小），调制信号幅度变小时，载波信号的频 率也变小（或变大）；而在调相信号中；载波信号的相位随着基带调制信号的幅度变化 而改变 。 调制信号幅度变大时，载波信号的相位也变大（或变小），调制信号幅度变小 时，载波信号的相位也变小（或变大）；实际上，在某种意义上，调频和调相是等同的， 所以我们都称之 为角度调制 ； 而在这种调制方式中，载波的幅度保持不变。 调频信号可以被看作调制信号在调制前先积分的调相信号。这意味着先对 m(t)积 分 ， 再将结果作为调相器的输入即可得到调频信号。相反，先微分 m(t)，再将结果作 为调频器的输入也可得到调相信号。 有两种基本的方法来产生调频信号：直接法和间接法。在直接法中，载波的频率 直接随着输入的调制信号的变化而改变。在间接法中，先用平衡调制器产生一个窄带 调频信号 ， 然后通过倍频的方式把载波频率提高到需要的水平。 1）频率调制原理分析 a）频率调制的数学分析 频率调制 指调制信号去控制高频振荡频率，使高频振荡的瞬时 频率随调制信号规律作线性变化的过程。 设 ： 载波 信号 为 uc(t)=其中载波信号频率 00 调制信号为 um(t)=中调制信号频率 则根据频率调制的定义 ,调频信号信号应为： t)= ct+= ct+其中，调频信号的瞬时角频率为 (t)= c+ (t)=c+ t)= c+ 式中 瞬时相位 (t) 是瞬时角频率 (t) 对时间的积分 ,即： (t) =t ( + 0 式中 ,0 为信号的起始角频率。为了分析方便 ,不妨设 0=0, 则上式变为 (t) =t ( = c t+ ct+c+ (t) 由上式可见，调频的结果也引起了载波瞬时相位的变化。 t)=ct+调频指数 频信号的最大相偏，也就是相对于调制信号的最大频偏： m= Uk= =F 大频偏 m：瞬时角频率 (t)偏移 m= k 调频波的波形如图 16所示。 图 16 调频波的波形 b)调频波的频谱 调频波的展开式 t)=ct+ = ti c e 它展开为傅立叶级数。是周期性函数，可以将式中的 fe i n 式中 Jn(宗数为 它可以用无穷级数进行计算 : 它随 7所示 ,并具有以下特性 : 图 17 第一类贝塞尔函数曲线 因此，调频波的级数展开式为： 2) 频率解调原理分析 s i n ()fj m t j n m e 20( 1 ) ( )2() ! ( ) !fn n m n m 为奇数时为偶数时()()(0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81 . 003 6 . . . .)4c o s ()4) c o s ()3c o s ()2) c o s ()2c o s ()2) c o s ()c o s () c o s (c o s)()c o s ()()(43210)(s i n a）这里用振幅鉴频法对调频波进行鉴频 若能将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的 波 ,就可以通过包络检波器解调此调频信号。用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。 所以只要具有在 电压变换作用的网络都可以获得 ，如图 18。 (a)振幅鉴频器框图； (b)变换电路特性 图 18 振幅鉴频器原理 设调制信号为 f(t),则调频波为 : 对此式直接微分可得 到一个 ： 显然微分后的电压振幅与瞬时频率成正比。经包络检波器就可以解调出原来的调制 络检波(a ) (b)u0变换电路 包络检波00( ) c o s ( ) ()( ) n ( ) c t U t k f dd u tu t kU k t d 00( ) c o s ( ) ()( ) n ( ) c t U t k f dd u tu t kU k t d 信号。 b)峰值检波 峰值检波原理可见 在本次课程设计中， 有峰值检波器将调制信号从 3) 频率调制解调的仿真 a)频率调制解调的 如图 4示为频率调制解调的 序图。 如图所示，频率的调制解调主要有文本编程实现，在 成频率调制与生成 频率调制程序如下所示： w1,*t*i); *pi*f; w2=*t*i)/(2*); c*w1*t*i+ 其中 为了达到公式节点与外界虚拟仪器的连接，在公式节点上添加输入节点F、 f，输出节点 了能够保证公式节点连续运行，在公式节点外添加 设置循环次数 N=10000。为了保证调频指数与斜率检波器斜率可调，在前面板增添两个数值输入控制按钮控制其数值。 为了能够准确显示 波形，采用创建波形虚拟仪器，并且选用波形显示器将其显示。频率解调在得到 号，采用峰值检波解调 解调过程与 此，利用 b)频率调制解调的 如下图所示为频率调制解调过程中的调制信号、调频信号、 调信号波形图。 如图所示，图所得波形分别为调制信号、调频信号、 号和解调信号 的波形图。 3)a) 调频指数 率调制是频谱的非线性搬移，频谱分量丰富，但大部分集中在有效带宽内。角度调制的调制信息包含在正弦波载波的角度中，其幅度是恒定的，可以用高效的 C 类放大器放大；而载波功率被分配到边带中。 频率调制指数 率调制的抗干扰性就越好，但占用有限带宽就越大：调频波的抗干扰性能是以增加信道有效带宽为代价的。 因此，并非调制指数越大越好，当调制指数较大时，接收机的接收门限就越高，即要求解调器输入端的信噪比很大才能有效地改善噪声性能。当然，在 存在噪声。 b)调频波的频谱结构和特点 单一频率调制的调频信号是由载波分量和无穷多对对称于载频两侧的边频率分量 组成的，每个变频分量的间隔为调制频率 或 F。因此调频是非线性频谱的搬移。 载波分量和每对边频分量的振幅由对应的各阶贝 塞尔函数来确定， 们 的振幅也发生变化，在某些 能会使某些频率分量振幅为零。 偶数的边频分量符号相同。如将这对边频分量相加，则可合成为一 相 位与载波相同。奇数的边频分量符号相反。如将一对奇频分量相加，则合成矢量与 载波垂直，是正交窄带调频 当 有较大振幅的边频分量数目就越多。图 7 m而改变 c）调频波的功率 调频信号 t)在电阻 消耗的平均功率为 :等于各个频率分量的平均功率之和。 n (21 22 n fn (2 =1 22 1 =这个结果表明： 制的过程只是进行功率的再分配，而分配原则与 d) 调频信号的瞬时频率与调制信号成线性关系，而瞬时相位与调制信号的积分成线性关系。 最大频偏k或 2 与调制信号的振幅成正比，表示受调制信号的控制程度。 调频指数 Ff 与调制信号的振幅成正比，与调制频率成反比，它等于最大频偏除以调制频率。 如图 21所示为调频波 的关系 图 21调频波 的关系 四、心得与体会 两周的课程设计就要完了，在这短暂的两周中我比较圆满的完成了这次课程设计的任务，为了做好这次的课程设计，我又重新复习了高频电子线