高频电子线路课程设计方案

第一部分设计要求:一、课设计目的掌握电子通信系统的基本组成及各部分的作用；进一步理解各种调制、解调和混频的基本理论和实现方法；学会应用LabVIEW软件进行仿真；提高依据所学知识及查阅的课外资料来分析问题解决问题的能力。二、设计内容及要求内容：1.调幅与检波高频信号产生与检波DSBSC信号产生与检波2.混频与检波中频DSBFC信号的产生与检波FM波产生与解调PM波产生与解调要求：以124选做其一均正弦波信号载波频率取500kHz-1600kHz（该范围内可调DSBFC载波频率取465kHz，其他载波频率均取100kHz；以上1中的和DSBSC检波不可用相同的方法；明确设计任务，合理选择设计方案；利用LabVIEW进行仿真；三、设计原始资料LabVIEW软件信系统》教材及《高频电子线路》相关参考资料。四、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：各种调制、解调，混频的原理框图；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、进程安排学习使用LabVIEW软件（3天查阅资料，制定各种调制、解调、混频的实现方案（天3.LabVIEW进行仿真设计（3天4.验收成果与撰写设计报告（2天六、主要参考资料LabVIEW7Express实用技术教程，雷振山，中国铁道出版社《电子线路，北京：高等教育出版社《高频电子电路，北京：高等教育出版社《电子通信系统（第四版Tomasi，北京：电子工业出版社5.《高频电路，西安：西安电子科技大学出版社第二部设计正:一、课程计目的掌握电子通信系统的基本组成及各部分的作用；进一步理解各种调制与解调的基本理论和实现方法；学会应用LabVIEW软件进行仿真设计；提高依据所学知识及查阅的课外资料来分析问题解决问题的能力。二设内及求

1.调幅与检波高频信号产生与检波DSBSC信号产生与检波2.混频与检波中频DSBFC信号的产生与检波FM波产生与解调PM波产生与解调要求：以124选做其一均正弦波信号载波频率取500kHz-1600kHz（该范围内可调DSBFC载波频率取465kHz，其他载波频率均取100kHz；以上1中的和DSBSC检波不可用相同的方法；明确设计任务，合理选择设计方案；4.利用LabVIEW进行仿真；三、设计理及仿真结一）

调幅与波调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分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。在模拟系统按照载波波形的不,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位置三个参量,分别称为脉幅调制PAM),脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)。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(AM)、调频(FM)和调相PM)。调幅括四种方式：普通调幅AM、双边带调幅单边带调幅SSB残留边带调幅VSB,中双边带调幅包括全载波双边带调幅DSBFC抑制双边带调幅DSBSC两种。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(或固定相位差)的信号,称为同步信号。1.DSBFC生与检1）DSBFC产生的原理分析a).DSBFC调幅波的产生DSBFC即全载波双边带调幅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u(t)=Ucosωt,其中载波信号频率f=500KHZ；c

c

c

c调制信号为单频信号u(t)=Ucosωt，其中调制信号频率f=5KHZ。

则DSBFC调制信号为u

(t)=(U+kUcosωt）cosωtcc=U(1+mcosωt)cosωtc

c其中调幅指数m=kU/U,0＜m≤1,k为比例系数。

c1图1DSBFC调幅波的产生如1示的产生首先由调制信u(t)与一直流偏A相加后，再与载波信号u(t)乘得到。c如图2所示为载波信号u(t)制信号u(t)以及DSBFC制信号波c

形。图2DSBFC调制波形b)DSBFC的频谱分析DSBFC调制信号转化为：u

(t)=Ucosωtc+1/2mUcos(ω+ω)t+1/2mU

cos(ω-ω)tc

c

c

c

则DSBFC的频谱分析如图3所示图3DSBFC的频谱分析c)DSBFC调制功率与效率分析载波功率:P=Uc

c

2

/2R

L调幅波上下边频功率：P

lsf

=P

usf

=(mU/2)c

2

/2R=(mU)Lc

2

/8R

L

=m

2

P/4c发射总功率：P=P+P

+P

=（1+m

2

/2）P

c

lsf

usf

c2.DSBFC检波原理分1)非相干检波包络检波也称峰值检波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中一低频分量,滤-ω及其以上的高频分oc量,同时用隔直流电容滤除直流分,就可以恢复与原调制信号u(t)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)DSBFC峰值检波在本课程设计中DSBFC检波采用峰值检波，将产生DSBFC调幅信号u

(t)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u(t)。调幅信号u

(t)=(U+kUcosωt）cosωtcmc=U(1+mcosωt)cosωtc

c解调信号u

(t)=Ucosωt

如图5所示为二极管峰值包络检波器。图6DSBFC解调信号3)DSBFC产生与检波的仿真在本次课程设计中，采用虚拟仪器平台进行对调幅波的产生、调频波的调制与解调的仿真一种图形化的编程语称G”语言虚拟仪器开发平台，也是一个图形化软件集成开发环境LabVIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台，应用于各个行业，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件可以方便地组建自己的虚拟仪器。因此本次课程设计中以利用方便的完成实验的设计与仿真。a)DSBFC产生与检波的LabVIEW程序下图为利用LabVIEW编写的DSBFC调制解调的程序图。DSBFC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u(t)与载波信号u(t)，分别

c设置其频率为500KHZ,幅值均取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由一图形创建器创建一波形，得到DSBFC解调信号峰值检测过程中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。得到得到解调信号。因此，由LabVIEW程序完成DSBFC检波。为了保证程序能够连续运行，在所有虚拟仪器外添加一个循环体。b)DSBFC产生与检波的LabVIEW波形显示3.DSBSC生与检DSBFC信号的平均功率是由载波功率和边带功率组成的只有边带功率才与调制信号有关。载波功率在DSBFC信号中占有大部分能量，即使在满调制(=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，DCBFC信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DSBFC信号中的载波需在图中将直流分量A取掉到抑制载波０的双边带信号，即。1)DSBSC产生的原理分析a)DSBSC调幅波的产生DSBSC即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DSBCS调幅信号。设调制信号为u(t)=Ucosωt，其中调制信号频率f=5KHZ。

载波信号为u(t)=Ucosωt,其中载波信号频率f=100KHZ；c

c

c

c则DSBSC调制信号为u

(t)=u(t)u(t)DSBSCm=UcosωtUcosωt

c

c如图9所示为产生调幅波的原理方框图。图9DSBSC调幅波的产生如图10所示为载波信号u(t)、调制信号u(t)以及DSBSC制信号c

波形。图10DSBSC调制波形b)DSBSC的频谱分析设调制信号为信号的时域表示为s

(t)(t

tc当调制信号()为确知信号时，DSB信号的频谱为

DSBSC

XXc22如图11示为DSBSC的频谱分析(a)调制信号；(b)载波信号；(c)已调波信号图11DSBSC频谱分析c)DSBSC调制功率与效率分析由于DSBSC频谱中没有载波分量P。因此，信号的全部功率都包含c在边带上，即PDSBCS

P

2(t)222cc22cc这就使得调制效率达到％，即η2)DSBSC检波的原理分析a)相干检波

DSBSC

=1。同步检波也称相乘检波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DSBSC调制信号：u

(t)=UcosωtUcosωtmc乘法器另一输入同步信号为：(t)=Ucosωtc

c

c则乘法器输出为：u(t)=kuo

(t)u(t)c=kUcosωtUcosωtUcosωtmckU=mcosωt（1+Ucos2ωt）其中k乘法器增益。2由上式可见,输出信号(t)中含有,2ω+ω2ω-ω几个频oc,c率分量。为了达到解调DSBSC的的，采用低通滤波器取出分量,就可恢复原调制信号。b)DSBSC相干检波本次课程设计检波方法采取相干检波调幅波与同步信号(t)相乘后通过一低通滤波器，滤去2ω+ω2ω-ω频率信号，从cc,cm而得到DSBSC解调信号。如图为DSBSC解调信号波形。图3-2-5图13DSBSC解调波形3)DSBSC产生与检波的仿真a)DSBSC产生与检波的LabVIEW程序如下图所示，为利用编写的DSBSC调制解调的程序图。如图所示，首先由两个信号发生器生成调制信号(t)与载波信号u

c(t)，分别设置其频率为幅值均取并将他们分别用波形显示器显示将调制信号与载波信号相乘得到调幅信号将其用波形显示器显示了保证程序能够连续运行所有虚拟仪器外添加一个WHILE循环体。因此，由程序得到DSBFC调幅信号。由乘法器得到调信号u

(t)后，将调幅信号与一载波信号DSBSC同步信号相乘了保证同步信号与载波信号同频同相载波信号作为同步信号乘结果通过一个低通滤波器低通滤波器设置为巴特沃斯低通滤波器设置为10KHZ调制解调信号程序完成DSBSC检波。b)DSBSC产生与检波的LabVIEW波形显示如下图所示利用编写的程序DSBSC调制解调所产生的波形图。4)DSBSC结果分析a)DSBSC调制解调调制信号u(t)=cos(2π*5000t)；载波信号u(t)=cos（2π*100000tc调幅信号u

(t)=u(t)u(t)=cos(2π*5000t)π*100000t）DSBSCc调幅信号

(t)经过乘法器与载波信号(t)相乘后得到输出信号cu为uo

o

(t)=u

(t)u(t)=πc*100000t）)

2=

cos(2π*5000t)（1+cos（2π*200000t信号通过低通滤波器得到解调信号u

1(t)=cos(2π*5000t)2由相干检波对u

(t)解调所得到的解调信号u

(t)频率与原调制信号u(t)相同，幅度为原信号的。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θ,即u(t)=Ucos(ωt+θ）c

c

cUU则乘法器输出中的ω分量为2cosθcosωt。2若θ是一常,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ω分量仍与原调制信号成正比,只不过振幅有所减小θ≠90°,否则cosθ=0,ω分量也就为零了。若是时间变化的,即同步信号与发射端载波之间的相位差不稳,则解调出来的ω分量就不能正确反映调制信号了。c)DSBSC调制功率与效率分析由于DSBSC频谱中没有载波分量

=0调制信号为x(t),因此c号的全部功率都包含在边带上，即PDSBCS

P

2(t)2这就使得调制效率达到％，即η

=1。DSBSC由分析可得，DSBSC调制与解调过程中，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％。二角调与调的1.率的调制解调1）频率调制原理分析a）频率调制的数学分析频率调制FM是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u(t)=Ucosωt,其中载波信号频率f=100KHZ；c

c

c

c调制信号为u(t)=Ucosωt，其中调制信号频率f=5KHZ。

则根据频率调制的定义,调频信号信号应为：u

(t)=Ucos(ωt+kFMc

f

t

Ucosωt)m=Ucos(ωt+msinωt)c

c

f

其中，调频信号的瞬时角频率为ω(t)=ω++ku(t)=ω+costcfmcm式中k为比例常数。f瞬时相位是瞬时角频率ω(t)对时间的积分,即：φ(t)=

t

+φ

00式中,φ0为信号的起始角频率析方便不妨设φ0=0,则上式变为cfcft0

=ωt+mω

sinωt=t+msinωt=φ+cfm由上式可见，调频的结果也引起了载波瞬时相位的变化。FM波的表示式为：u

(t)=Ucos(ωt+msinωt)FMcfm调频指数mf：调频信号的最大相偏，也就是相对于调制信号的最大频偏：km==f=m=mωωm最大频偏Δω：瞬时角频率ω(t)移ω幅度。mc

=kUf

m调频波的波形如图16所示。图16调频波的波形ffnfffnfb)调频波的频谱调频波的展开式u

(t)=Ucos(ωt+msinωt)FMfm式中的

sinωtf

=Ueitejftc是周性函，可将展开立叶数。式中J()宗数为mn阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进nff行计算:

e

f

sint

J()enf

jnnJ(nf

(n()n2m2m!(m)!()J(m)(m)nf

为偶数时为奇数时它随m化的曲线如图17所示,并具有以下特性:fJmnf1.00.80.60.4

J

0

J

1

J

2

J

3

J

4

J

5

J

6

J

7

J

8

J

9

J

100.200.20.4

03589101112

f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又调幅的FM―AM波,就可以通过包络检波器解调此调频信号理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。所以只要具有在信号频率范围内具有频率-电压变换作用的网络都可以获得FM-AM波，如图18。u

FM

变换电路络检波

(a)

(b)(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Ω=(t),则调频波为:u

FM

tcos[

t

f

(

d

u

FM

t)

[

k

f

()]sin[

tk

f

对此式直接微分可得到一个FM-AM波：

FM

()U

c

tk

f

0

f(

)d

]

du

FM

(t)

U[kc

f

f(t)]tkc

f

0

f(]显然微分后的电压振幅与瞬时频率成正比检波器就可以解调出原来的调制信号。b)峰值检波峰值检波原理可见3.1.2DSBFC检波的原理分析。在本次课程设计中FM频率解调采用先将FM调制信号由微分检波器转化为AMFM波，再有峰值检波器将调制信号从信号从解调出来。3)频率调制解调的仿真a)频率调制解调的程序如图4-1-5所示为频率调制解调LabVIEW程序图。如图所示率的调制解调主要有文本编程实现序面板中添加一公式节点，完成频率调制与生成信号。频率调制程序如下所示：floatw1,w2;Y1=U*cos(2*pi*F*t*i);w1=2*pi*f;w2=kf*U*sin(2*pi*F*t*i)/(2*pi*F);Y2=Uc*cos(w1*t*i+w2);其中F为调制信号频率f为载波频率kf为调频灵敏度t为产生波形的时间间隔。为了达到公式节点与外界虚拟仪器的连接节点上添加输入节点kf、F、f，输出节点、Y2。为了能够保证公式节点连续运行，在公式节点外添加FOR循环，并设置循环次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、Y2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AMFM信号，采用峰值检波解AMFM信号，其解调过程与解调相同。因此，利用LabVIEW编程如下图b)频率调制解调的LabVIEW形显示如下图所示为频率调制解调过程中的调制信号、调频信号AMFM信号、解调信号波形图。如图所示，图所得波形分别为调制信号、调频信号信号和解调信号的波形图。3)FM结果分析a)调频指数kf频率调制是频谱的非线性搬移谱分量丰富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。频率调制指数越大，频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。因此非调制指数越大越好调制指数较大时收机的接收门限就越高调器输入端的信噪比很大才能有效地改善噪声性能在LabVIEW模拟过程中，不存在噪声。b)调频波的频谱结构和特点①

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个变频分量的间隔为调制频率或F此调频是非线性频谱的搬移。②

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不同，它们的振幅也发生变化，在某些值时，可能会使某些频率分量振幅为零。③

偶数的边频分量符号相同。如将这对边频分量相加，则可合成为一信号，且相位与载波相同。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。CfCf④

当mf越大，具有较大振幅的边频分量数目就越多。图说明了通过改变和而改变mf对频谱的影响。c）调频波的功率调频信号u

(t)在电阻R上消耗的平均功率为等于各个频率分FML量的平均功率之和。FM

U()LJ2()=1fP

RL

=PC这个结果表明：FM信号的平均功率等于未调制的载波平均功率。调制的过程只是进行功率的再分配，而分配原则与有关。d)FM波的特点调频信号的瞬时频率与调制信号成线性关系相位与调制信号的积分成线性关系。最大频f

或

m与调制信号的振幅成正比，表示受调制信号的控制程