通信电子线路实验-调幅模块仿真（发送与接收）

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目录

目录

实验目的

实验内容

实验原理

实验步骤

实验结果及分析

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• 实验目的

1. 进一步熟悉Multisim电路仿真软件;
2. 掌握通信电子线路中发射机和接收机的基本原理;
3. 熟悉发射机电路中:本地振荡器，射极跟随器，调幅和高频放大各级电路的波形;
4. 熟悉接收机电路中:高频放大，混频，本地振荡器，检波器和低频放大器部分各级电路的波形;

• 实验内容

1.    设计电路，使用Multisim绘制仿真电路图；

2.    Multisim 的仿真结果（仿真结果需给出截屏）和分析，包括：

a)    时域特性：显示该电路主要关键点时域波形，包括但不限于：输入/输出信号的电压波形；

b)    频域特性：显示该电路主要关键点的频谱，包括但不限于：输入/输出信号的频谱；

3.    发送端仿真电路：

a)    普通调幅 AM（测试调幅指数如何影响输出）：

输入调制信号电压波形、频谱；

载波信号电压波形、频谱；

输出已调幅信号电压波形、频谱。

b)    抑制载波双边带调幅 DSB-SC：

输入调制信号电压波形、频谱；

载波信号电压波形、频谱；

输出已调幅信号电压波形、频谱。

4.    接收端仿真电路

a)    峰值包络检波

输入已调幅信号电压波形、频谱

输出解调信号电压波形、频谱

b)    同步检波

输入已调幅信号电压波形、频谱

输出解调信号电压波形、频谱

同步载波信号电压波形、频谱

5.    输入信号频率至少为 10MHz。

• 实验原理

1.  线性调制的一般模型  

所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程，广义的调制分为基带调制和带宽调制（也成载波调制）。在无线通信中和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或几个参数按照调制信号的规律而变化。调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特性。解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。线性调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号做线性变化的过程。线性调制器的一般模型如图所示：

图2.1 线性调制一般模型

设正弦波载波为

ct=Acoswct+φ0                            

式中：A为载波幅度；wc为载波角频率；φ0为载波初始相位（本文φ0默认为0）。

该模型由一个相乘器和一个冲激响应为h(t)的滤波器组成。因此，线性调制信号（已调信号）的时域和频域表达式为

smt=Amtcoswct*h(t) 

Smω=12Mω+ωc+Mω-ωcH(ω) 

式中：m(t)为基带调制信号，H(ω)⇔h(t)。

由以上表示式可见，在波形上，已调信号的幅度随基带信号的规律而成正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此这种调制通常被称为线性调制。但应注意，这里的“线性”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。

在该模型中，只要适当选择滤波器的特性H(ω)，便可以得到幅度调制信号。

如果将c（t）展开，则可得到另一种形式的时域表达式。即

smt=sItcosωct+sQtsinωct                  

其中               

sIt=hIt*m(t)           hIt=htcosωct                        sQt=hQt*m(t)       hQt=htsinωct          

上式表明，sm(t)可等效成为两个互为正交调制分分量的合成。因此可以得到图2所示的等效模型。该模型称为线性调制相移法的一般模型，它同样适用于所有线性调制。

图2 线性调制一般模型

1. 普通调幅（AM）的基本原理

在图1中，若假设滤波器为全通网络（h(t)＝1），调制信号叠加直流后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅（AM）信号。 AM调制器模型如下图所示。

图3  AM调制器模型

AM信号的时域和频域表达式分别为

sAMt=A0+mtcosωct=A0cosωct+mtcosωct             

SAMω=πA0δω+ωc+δ(ω-ωc)+12Mω+ωc+M(ω-ωc)      

式中，A0为外加的直流分量；mt可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即mt=0。

AM信号的典型波形和频谱分别如下图（a）、（b）所示，图中假定调制信号mt的上限频率为ωH。显然，调制信号mt的带宽为Bm=2fH。

图4  AM信号的典型波形和频谱图

由图（a）可见，AM信号波形的包络与输入基带信号mt成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。 但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足A0≥|mt|max，否则将出现过调幅现象而带来失真。

由它的频谱图可知，AM信号的频谱sAMt是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即

BAM=2Bm=2fH                              

式中，Bm=fH为调制信号mt的带宽，fH为调制信号的最高频率。

1. 双边带调制（DSB）的基本原理

如果在AM调制模型中将直流A去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式—抑制载波双边带信号(DSB—SC)，简称双边带信号。 

其时域表达式为

sDBω=mtcosωct                                              

式中，假设的平均值为0。DSB的频谱与AM的谱相近，只是没有了在±ω处的函数δ，即

smt=12Mω+ωc+Mω-ωc                

与AM信号比较，因为不存在载波分量，DSB信号的调制效率是100%，即全部效率都用于信息传输。但由于DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号。DSB信号借条是需采用相干解调，也称同步检波（比包络检波器复杂得多）。其典型波形和频谱如图5所示：

注意，虽然DSB信号节省了载波功率，但它所需的传输带宽仍是调制信号带宽的两倍，及与AM信号带宽相同。

图5  DSB调制典型波形和频谱

1. 相干解调与包络检波

调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号sAMt还原为调制信号mt。 AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。

1. 相干解调

图6 相干解调原理图

由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。相干解调的原理框图如图2.5所示。将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得

sAMt*cosωct=A0+mtcos2ωct=12A0+mt+12A0+mt*cos2ωct  

由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号

m0t=12A0+m(t)                        

由此可见，相干解调器适用于所有线性调制信号的解调，及对于AM、DSB都是使用的。只是AM信号的解调结果中含有直流分量A0，这时在解调后加上一个简单隔直流电容即可。从以上分析可知，相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。否则，相干解调后将会使原始信号减弱，甚至带来严重失真，这在传输数字信号是有位严重。

2
）包络检波法

由sAMt的波形可见，当满足条件：

A0≥|mt|max  

时，AM波的包络与调制信号m(t)的形状完全一样，因此，用包络检波的方法分容易恢复出原始调制信号；如果上述条件没有满足，就会出现“过调幅”现象，这时用包络检波将会发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如相干解调。AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故可以用包络检波的方法恢复原始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成，如下图所示

图7 包络检波原理图

包络检波法属于非相干解调法，其特点是：解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电路。

顺便指出，DSB是抑制载波的已调信号，其包络不直接表示调制信号，因而不能采用简单的包络检波方法解调。但若插入很强的载波，使之成为或近似为AM信号，则可以利用包络检波方法解调，这种方法称为插入载波包络检波法。它对于DSB也使用。载波分量可以在接受端插入。注意，为了保证检波质量，插入的载波振幅应远大于信号的振幅，同时也要求插入的载波与调制载波同频同相。

• 实验步骤

1.    设计发射机和接收机各级电路;

2.    观察各级电路的输入和输出信号的波形;

3.    通过仿真，加深对各级电路工作原理的理解。

• 实验结果及分析

  1. 1. 1. 发送端：
           1. 普通调幅AM.
              1. 仿真电路图：

根据实验原理，在Multisim软件环境中绘制出电路图如图8所示：

图8 AM电路图

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输入调制信号电压波形与频谱：

输入调制信号为一频率为2kHz的正弦信号，振幅为40mV。

波形如图9所示：

图9 输入波形图

其频谱如图10所示：

图10 调制信号频谱

1. 1. 1. 1. 1. 1. 载波信号电压波形、频谱：

载波信号为一频率为10MHz的正弦信号，振幅为0.1V，波形如图11所示：

图11 载波波形

其频谱如图所示：

图12 载波频谱

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输出已调幅信号电压波形、频谱：

电压波形如图所示：

图13 输出信号波形

频谱如图所示：

图14 输出信号频谱

其中，我们可通过改变R13的值来改变调制系数。改变后的Vo如图所示：

图15 改变调制系数后Vo

1. 1. 1. 1. 1. 抑制载波双边带调幅 DSB-SC.
               1. 仿真电路图：

根据实验原理，在Multisim软件环境中绘制出电路图如图8所示：

图16 DSB电路图

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输入调制信号电压波形与频谱与载波信号电压波形、频谱：

同普通调幅AM

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输出已调幅信号电压波形、频谱：

图17 DSB输出波形

频谱如图所示：

可见频域成分集中在10Mhz左右。

图18 DSB输出信号频谱

1. 1. 1. 1. 接收端：
            1. 峰值包络检波.
               1. 仿真电路图：

根据实验原理，在Multisim软件环境中绘制出电路图如图8所示：

图19 包络检波电路

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输入已调信号电压波形与频谱：

见普通调幅AM输出。

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输出解调幅信号电压波形：

图20 包络检波输出

频谱如图：

图21 包络检波频谱

1. 1. 1. 1. 1. 同步检波.
               1. 仿真电路图：

根据实验原理，在Multisim软件环境中绘制出电路图如图8所示：

图22 同步检波电路

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输入调制信号电压波形与频谱：

见普通调幅AM输出。

1. 1. 1. 1. 1. 1. 输出解调幅信号电压波形、频谱：

图23 同步检波电路输出波形

频谱为：

图24 同步检波电路输出频谱

1. 1. 1. 1. 1. 1. 同步载波信号电压波形、频谱
               2. 同普通调幅AM