通信电子线路课程设计--FM解调报告--中南大学

1、通信电子线路课程设计报告中南大学通信电子线路课程设计报告 姓 名: 学 号: 专业班级: 选 题: FM解调器设计 指导老师: 董健老师 目录一、 课程设计题目及要求2二、 FM解调简要说明31、 实现鉴频的方法32、 利用锁相环路实现鉴频的原理3三、 系统方案设计分析51、 混频电路分析52、 解调电路分析5四、 系统仿真与调试过程61、 混频电路仿真与调试过程62、 解调电路仿真与调试过程103、 系统整体仿真与调试过程13五、 系统性能分析141、 混频部分滤波电路性能分析.142、 解调部分滤波电路性能分析.163、 解调输出误差分析.16六、 心得体会17七、 参考文献171、 课程

2、设计题目及要求1、 课程设计题目：FM解调器设计2、 课程设计要求：设计要求：用集成单片锁相环芯片如NE564设计一个FM解调电路，输入FM信号为中心频率为10.7MHz 、调制信号为1KHz、中频频率为455 KHz。3、 课程设计目的：通过课程设计，使自己加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料方案比较，以及设计、计算等环节。进一步提高分析、解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强自己的实践能力。4、 课程设计的基本要求：1)、培养学生根据需

3、要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。2)、通过实际电路方案的分析比较，设计计算元件选取安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。3)、掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。4)、了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。5)、培养严谨的工作作风和科学态度，使自己逐步建立正确的生产观点，经济观点和全局观点。2、 FM解调简要说明调频波的解调简称鉴频，对调频波而言，调制

4、信息包含在已调信号瞬时频率的变化中，所以解调的任务就是把已调信号瞬时频率的变化不失真地转变成电压变化，即实现“频率电压”转换，完成这一功能的电路，称为频率解调器，简称鉴频器。1、 实现鉴频的方法1） 利用波形变换进行鉴频； 2） 相移乘法鉴频；3） 脉冲计数式鉴频器；4） 利用锁相环路实现鉴频在本次课程设计中要求用集成的锁相环芯片对FM已调信号进行解调，所以这里就只讨论第四次方法：利用锁相环路实现鉴频。2、 利用锁相环路实现鉴频的原理锁相环（PLL）包含3个必不可少的单元电路：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。鉴相器把周期性输入信号的相位与VCO信号的相位进行比较；PD

5、的输出信号是这两个输入信号之间相位误差的度量。之后该误差电压由环路滤波器进行滤波，而环路滤波器的输出被用控制电压送入VCO。控制电压改变了VCO的频率，以减小输入信号与VCO之间的相位误差。 锁相环原理框图如下：锁相环数学模型如下：显然是环路的瞬时频差:右边第一项称固定角频率:式中最后一项 称控制角频差:其表示压控振荡器在的作用下，产生振荡角频率偏离的数值。于是动态方程构成如下关系：瞬时频差=固有频差-控制频差。当环路锁定时，控制电压把VCO频率的平均值调整到与输入信号频率的平均值完全一样。对于输入信号的一个周期，振荡器仅输出一个周期。锁相并非意味着零相位误差；恒定的相位误

6、差和起伏的相位误差都可能存在于锁相环中。过大的相位误差会导致失锁。 当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。这时环路滤波器 输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。模拟锁相环NE564芯片就可用来 设计FM解调电路。锁相环解调原理框图：3、 系统方案设计分析由于本次课程设计题目要求用集成的锁相环芯片来进行解调，而且要求中频为455KHz，因为接收信号的载频为10.7MHz，所以就必须要有一个混频的过程来得到题目所要求的中频。

7、因而整个系统可以分为混频子电路和解调子电路两个模块。1、 混频电路分析接收信号载频为10.7MHz，要得到455KHz的中频，用一个模拟乘法器将接收信号和一个10.245MHz的正弦信号相乘，由傅里叶变换性质可知道，会得到两个信号和频还有差频的输出，然后再经过合适的滤波器之后就可以得到455KHz的中频FM已调信号。其滤波器参数的选择是这部分的难点，要经过多次的分析才能得到准确的参数。关于具体参数的选择会在仿真调试部分加以说明。实现框图如下：2、 解调电路分析题目要求解调部分要用到集成锁相环NE564，而Multisim这个软件中没有提供NE564，但提供了虚拟锁相环这个元器件。所以可以用虚拟

8、锁相环来代替NE564。解调电路框图如下：4、 系统仿真与调试过程整个系统和各个子系统的框图设计好之后就是具体电路的设计与调试，这个阶段其实是整个课程设计的核心。在这个阶段中，可能会遇到各种问题，而在遇到问题的时候就需要我们首先要掌握足够的专业知识，还有要善于分析，能够快速的找到产生各种问题的原因，进而找到解决方法。下面就是我在本次课程设计中的仿真与调试过程。1、 混频电路仿真与调试过程刚开始设计混频部分的滤波电路是以为只要保留两个信号的差频就可以了，滤除和频就可以了。于是刚于始设计了如下的混频电路：滤波器的截止频率设置为500KHz。由这个混频电路的输出和由455KHz为载频直接调制的FM信

9、号用示波器进行对比：当时肉眼看不出来这两个信号有什么区别，就以为混频电路是对的，但后来经过解调部分电路之路发现不能正确解调出所需信号，才重新回来审试这个电路。后来发现Multisim中有傅里叶分析功能，于是利用这个功能分析了直接由455KHz载频调制的FM信号和用模拟乘法器相乘之后信号的频谱。Fig4.1.1、直接由455KHz载频调制的FM信号频谱Fig4.1.2、10.7MHz接收信号与10.245MHz本地振荡相乘后的频谱图观察这两个信号的频谱图可明显看到，这两个信号在700KHz的频谱基本是一样的，从图4.1.1看到其主要的频率分量集中在300600KHz之间，而对于图4.1.2在90

10、0KHz的地方有一个幅度比较大的分量，而且是800KHz的频率处的幅度比图4.1.1大，所以滤波电路可以用一个低通滤波器，其截止频率设置为700KHz。低通滤波器如下：参数计算：取，可得到经过一个截止频率为700KHz的一阶低通滤波器后，再用傅里叶分析来分析输出信号的频谱：Fig4.1.3、经过一阶低通滤波器后的频谱由图4.1.3可观察，700KHz以上的频率分量的幅度虽然有所衰减，但跟图4.1.1想比，衰减得还不够，所以可以尝试用一个二阶低通滤波器，但在接下来的仿真中，发现二阶低通滤波器的衰减还是不够，这里就不具体给出经过二阶滤波器后的频谱图。这里直接给出经过一个三阶低通滤波器和一个带通滤波

11、器的设计：参数计算：低通滤波器的参数上面已说明，这里就不重复了，三阶低通滤波器后面是一个由低通滤波器和一个高通滤波器组成的带通滤波器。带通滤波器上限截止频率：，取，可算得。带通滤波器上限截止频率：，取，可算得。接下来可以用傅里叶分析经过一个三阶低通滤波器和一个带通滤波器后的信号的频谱。Fig4.1.4、经过三阶低通滤波器和带通滤波器后的频谱通过观察图4.1.4和4.1.1，可以看出，经过三阶低通滤波器和带通滤波器之后的信号的频谱图和用455KHz直接解频的信号的频谱图是基本一样的，这样混频部分的电路就设计好了。如下是完整的混频部分电路图：2、 解调电路仿真与调试过程为了保证解调电路的正确性，在

12、刚开始设计时，对于解调电路的输入信号，我首先采用用的不是经过混频后得到的中频信号，是以455KHz为载频直接调制的FM已调信号，而不是经过混频后得到的中频信号，在确认解调电路能够正常准确的工作后，再把混频得到的中频信号做为输入。按照上面所说明的解调部分框图初频设计解调电路如下：其中，关于PLL_VIRTUAL（虚拟锁相环）有几个参数需要设置：低通滤波器截止频率，因为要输出1KHz的解调信号，所以这里可以设为2KHz。压控振荡器自由运行频率，设置与输入信号的载频一样，有利于使输入信号的全部频率分量都能进入锁相环的捕捉带。压控振荡器输出幅度，这个设置多少对结果没有影响这样就可以通过示波器来观察这个

13、初频设计的电路的输出结果了。Fig4.2.1、初步解调电路的输出结果如上图，虽然能得到包络为1KHz的解调信号，但其毛刺很多，这是因为输出信号中还含有很多的高频分量，这是因为虚拟锁相环里面的环路滤波器的滤波效果并不是很好，为了得到更好的输出，所以要在虚拟锁相环的环路滤波器的输出端再添加滤波器。而关于滤波器参数的设置，我们也可以按照上面的方法，先用傅里叶分析虚拟锁相环的环路滤波器的输出信号的频谱。其结果如下：Fig4.2.2、虚拟锁相环的环路滤波器的输出信号的频谱由图可以看出，输出信号在1100KHz频率上都有分量，因此在这里设计的一个低通滤波器，其截止频率为1.2KHz，关于具体电容电阻的选值

14、这里就再说明，参照上面的方法即可。电路图如下：Fig4.2.3、加滤波器后的锁相环解调电路Fig4.2.4、加滤波器后的锁相环解调电路的输出波形Fig4.2.5、加滤波器后的锁相环解调电路的输出波形频谱图由上面两个图可以清楚的看到，输出信号基本是只含有1KHz频率分量的，通过这两个图也可以证明以上的解调电路是能够准确地解调出1KHz的解调信号的。这样解调部分的电路设计也完成了。3、 系统整体仿真与调试过程在各个子电路都设计跟调试好之后就是把各个子电路整合起来，进行系统的整体仿真与调试。如下图为整体电路图：Fig4.3.1、系统整体电路图 Fig4.3.2、最后输出波形 Fig4.3.3、最后输

15、出波形频谱由以上两图可以看出，整体系统的最后输出也是完全正确的，所以本次FM已调信号的解调可以说是完成了。5、 系统性能分析1、混频部分滤波电路性能分析如右图是一个一阶低通滤波器，其理论截止频率为700KHzMultisim提供了一个交流分析仿真功能，利用这个交流分析功能，可以得出网络的幅频特性曲线，而上面一阶低通滤波器的幅频特性如下： 右图是用交流分析仿真功能得出的一阶低通滤波器的幅频特性。其中纵轴的单位为十进制单位。可以看出，一阶低通滤波器对阻带的衰减并不是很大。上图是用Multisim中的波特仪来分析一阶低通滤波器的特性的结果，其中纵轴是以对数为单位的。竖线代表衰减为-2.901想对应的

16、频率为705.175KHz，如右图是一个由三个一阶低通滤波器组成的三阶低通滤波器。用交流分析仿真功能和波特仪来分析上述三阶低通滤波器的幅频特性如下：由以上两图可以看出，三阶低通滤波器虽然对高频分量有较好的衰减效果，但对低频分量也会有一定的衰减，为了补偿对低频分量的衰减，还得再加一个带通滤波器。这就得到了混频部分完整的滤波电路，其幅频特性如下：2、解调部分滤波电路性能分析解调部分滤波电路的幅频特性由图可清楚地看到，在1.028KHz片的衰减为-8.082db。3、解调输出误差分析用频率计观察输出频率如下图结果：由此可以计算出输出频率的绝对误差：；相对误差：，可以看出，绝对误差跟相对误差都非常之小

17、，所以这个系统是不错的。6、 心得体会经过这次课程设计，使我更加牢固的掌握了有关通信电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 错而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！以及如何提高电路的性能等等，掌握了Multisim仿真的方法和技术，通过查询资料，也了解了FM解调器的构造及原理。 在设计课程中，我学会了很多学习的方法。了解了很多关于高频信号方面的知识，而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。