AM波的调制与解调.doc

高频电子线路课程设计

海 南 大 学

高频电子线路课程设计报告书

题 目：AM波的调制与解调
姓 名：
学 号：
同 组 人：
年 级：2011级
学 院：信息科学技术学院
系 别：电子信息工程
专 业：电子信息工程《1》班
课程教师：
完成日期：2014 年 01月 08 日

目 录
零、摘要……………………………………………………………………………-2-
一、设计指标………………………………………………………………………-3-
二、系统框图………………………………………………………………………-3-
三、设计原理………………………………………………………………………-3-
1、正弦波振荡器…………………………………………………………………-3-
2、基极调幅电路…………………………………………………………………-4-
3、包络检波………………………………………………………………………-5-
4、LC集中选择性滤波器…………………………………………………………-6-
四、设计单元电路…………………………………………………………………-6-
1、正弦波振荡器…………………………………………………………………-6-
2、基极调幅电路…………………………………………………………………-9-
3、包络检波………………………………………………………………………-12-
4、LC集中选择性滤波器…………………………………………………………14-
五、设计总电路……………………………………………………………………15-
1、总电路图………………………………………………………………………15-
2、仿真与分析……………………………………………………………………15-
六、元件清单………………………………………………………………………18-
七、电路的优缺点…………………………………………………………………18-
八、问题与解答……………………………………………………………………19-
九、心得体会………………………………………………………………………19-
十、参考文献………………………………………………………………………20-

AM波的调制与解调
摘要
在本次课程设计中，我们组以AM波的调制与解调电路为所设计的题目，运用proteus仿真软件，根据设计要求设计出电路。而设计思路就是运用正弦波振荡器产生高频电信号作为载波，其次通过基极调幅电路将调制信号附加在高频载波上进行调制，就会得到已调信号发送出去，在接收部分，我们用包络检波电路进行解调，但是解调出来的信号不纯，所以再用LC式集中选择性滤波器进行滤波，就可以输出低频信号。在你每个通信系统中，都必须有发送设备，传输煤质，和接收设备，二在本次设计当中，我们主要设计AM波的调制与解调过程。
本设计结合proteus仿真软件来对小功率调幅发射机电路的设计与调试方法进行研究。proteus软件能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证、和设计数据管理。这个系统是本次设计的一个核心软件。
关键字：调幅 解调 正弦波振荡器 基极调幅
包络检波 LC集中式选择滤波器

一、设计指标
1、设计一个AM（FM、DSD、SS）波的调制与解调
2、确定相关的单元电路
（1）、工作原理
（2）、元器件参数选取
（3）、理论计算
（4）、输入输出的波形图和频谱图
（5）、仿真并且与理论计算进行比较分析
（6）、该设计的优缺点并进行提问与回答
3、构建总电路图
二、系统框图

调制信号
LC滤波器
包络检波
基极调幅
振荡器
高频载波波

输出低频调制信号

三、设计原理
根据设计要求，我们的设计分为四个部分，分别是正弦波振荡器，基极调幅，运用正弦波振荡器产生高频电信号作为载波，其次通过基极调幅电路将调制信号附加在高频载波上进行调制，就会得到已调信号发送出去，在接收部分，我们用包络检波电路进行解调，但是解调出来的信号不纯，所以再用LC式集中选择性滤波器进行滤波，就可以输出低频信号。
1、正弦波震荡器
正弦波振荡器是指不需要输入信号控制就能自动地将直流电转换为特定频率和振幅的正弦交变电压（电流）的电路。它由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。常用的正弦波振荡器有电容反馈振荡器和电感反馈振荡器两种。后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较高。
正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生的首要条件，产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路各部分。
反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路。它由放大器和反馈网络两大部分组成，如下图所示：

而振荡电路有三个条件是非常重要，其分别是平衡条件，起振条件，和稳定条件。
（1）、平衡条件：
记闭环电压放大倍数Ku(s)，开环电压放大倍数 K(s)，电压反馈系数 F(s)，环路增益 T(s)，反馈系数 F′(jω)=-F(jω)。 自激振荡的条件就是环路增益为1， 即T(jω)=K(jω)F(jω)=1，通常又称为振荡器的平衡条件。
振荡器的平衡条件又可细分为振幅平衡条件（|T(jω)|=1）和相位平衡条件（ψ(T)=ψ(K)+ψ(F)=±2nπ, n=0,1,2…）。值得说明的是：
a. 当|T(jω)|>1，形成增幅电路振荡；当T|(jω)|<1时，形成减幅振荡。
b. 平衡时电源供给的能量等于环路消耗的能量；
c. 通常的环路只在某一特定才满足相位条件。
（2）、起振条件：
为使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大， 即振荡开始时应为增幅振荡，即T(jω)>1，称为自激振荡的起振条件。与平衡条件相应的，振荡器的起振条件又可细分为起振的振幅条件（|T(jω)|>1）和相位条件（ψ(T)=ψ(K)+ψ(F)+ψ(F')=±2nπ, n=0,1,2…），其中起振的相位条件即为正反馈条件。
（3）、稳定条件：
振荡器的稳定条件相应地可分为振幅稳定条件和相位稳定条件。
a. 振幅稳定条件
要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。
b.相位稳定条件
同理，要使相位稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止相位变化的能力。
2、基极调幅电路
采用基极调幅，就是用调制信号来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。
调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。而所谓的基极调幅，就是用调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。低频调制信号电压与直流偏压相串联。放大器的有效偏压等于这两个电压之和，它随调制信号波形而变化。在欠压状态下，集电极电流的基波分量随基极电压成正比变化。因此，集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，于是得到调幅波输出。
基极调幅电路(发射极调幅电路）
vbe=VBB+vΩ+vc=VBB+VΩcosΩt+Vccosωot
当vΩ、vc幅度不同时：
(1)vΩ、vc均较小时就采用幂级数法分析，产生调幅波。 (因非线性失真大，很少使用)
(2)vΩ较小(几mv~几十mv)，vc较大(几百mv)时就采用时变参量法分析。
(3)vΩ小(几mv)，vc大(0.5~1v)就采用开关函数法分析。调幅系数m<<1,线性范围小。
(4)vΩ、vc均较大(常用)时工作于(甲乙类)欠压状态。φ工作=90o~120o，过压工作时，vce变化小
基极调幅特点：
(1)所需vΩ功率小，用于小功率发射机；
(2)m不可太大，否则易包络失真；
(3)集电极效率低(欠压工作）
3、包络检波
检波定义：振幅调制波的解调电路称振幅检波电路，简称检波电路。检波是从振幅调制波中不失真的检出调制信号的过程。（它是振幅调制的逆过程）。检波功能：在频域上，该作用就是将已调幅波的调制信号频谱不失真地搬到零频率附近。检波乃是实现频谱线性搬移。检波的类型：同步检波，包络检波。而在此次设计中我们采用的是包络检波。
下图为包络检波的系统方框图

因UAM经由非线性器件后输出电流中含有能线性反映输入信号包络变化规律的音频信号分量（即反映调制信号变化规律）。所以包络检波仅适用于标准调制波的解调。此电路不需要加同步信号，电路显得较简单。
然而使用二极管也可以组成最简单的调幅波检波电路。检波二极管具有结电容低，工作频率高和反向电流小等特点，传统上用于调幅信号检波。二极管检波原理如下：调幅波信号是二极管检波电路的输入，因为二极管只允许单向导电，所以，如果使用的是硅管，则只有电压高于0.7V的部分可以通过二极管。同时，由于二极管的输出端连接了一个电容，这个电容与电阻配合对二极管输出中的高频信号对地短路，使得输出信号基本上就是信号包络线。
下图就是检波器的电路原理图和波形图：

如上图所示二极管包络检波器主要由二极管和RC低通滤波电路组成。二极管导通时，输入信号向C充电，充电时常数为（为二极管导通内阻），充电快；二极管截止时，C向R放电，放电快。在输入信号作用下，二极管导通和截止不断重复，直到充放电达到平衡后，输出信号跟踪了输入信号的包络。只要选择适当的RC和二极管D,使得充电时间常数足够小，而放电时间常数RC足够大即，，传输系数就可以接近1,。但如果参数选择不当，二极管包络检波器会产生惰性失真和负峰切割失真还有非线性失真和频率失真。惰性失真是由于RC过大而造成的。
4、LC集中选择性滤波器
LC集中选择性滤波器相当于带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
LC集中选频滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等形式。带通滤波器在某一指定的频率范围之内，信号能够通过，而在此范围之外，信号不能通过。

上图是由由5节单节滤波器组成，有6个调谐回路的带通滤波器，图中每个谐振回路都谐振在带通滤波器的五上，耦合电容Co的大小决定了耦合强弱，因而又决定了滤波器的传输特性，始端和末端的电容C'o分别连接信源和负载，调节它们的大小，可以改变信源内阻凡、负载RI。与滤波器的匹配，匹配好了，可以减少滤波器的通带衰减。节数多，则带通曲线陡。理想带通滤波器的特性如下图左所示，实际带通滤波器的特性如下图右所示。

四、设计单元电路
1、正弦波振荡
采用电容反馈三点式振荡电路完成正弦波振荡的设计，电路原理图如下图。反馈电压取自C1，返回电压中高次谐波分量很少，输出波形较好，反系数与回路电容有关，若用改变回路的方法改变振荡频率，必将改变反馈系数，影响起振。为了维持震荡，放大器的环路增益应该等于1，即AF=1，因为在谐振频率上振荡器的反馈系数为C2/C3，所以维持震荡所需的电压增益应该是F= C2/C3。
参数计算：
载波频率f0=1MHZ，f0=1/2π[L1(C2C3/ C2 + C3 )]1/2
设置并计算得：C2=3nF，C3=10nF，L1=10uH
根据振荡器工作原理，要满足晶体管的工作及电路起振，
所以设VCC=12V，R1=2K, R2=10K, R3=3K, R4=1K

正弦振荡电路

理论波形：理论的波形应该是1MHz的正弦高频载波，其周期T≈1us
下图是理论波形图：

下图是理论频谱图：

正弦震荡电路图的仿真结果如下：
下图是仿真波形图

下图是仿真频谱图

理论与仿真结果对比：
理论波形频率f≈1MHz，频谱分布只存在1MHZ信号，振幅4V，仿真波形频率f≈1MHz，频谱集中分布在1.02MHZ，有少量干扰信号振幅3.2V
因此，仿真结果与理论结果很相近，符合设计要求

2、基极调幅电路
基极调幅，就是用调制信号电压来改变高频功率放大器的基极电压来实现调幅的。我们采用三极管作为放大器，利用基极反相偏置电压使三极管工作在丙类状态下。将低频信号电压与直流偏压相串联。放大器的有效偏压等于这两个电压之和，它随调制信号波形而变化。使三极管工作在欠压状态下，集电极电流的基波分量随着基极电压成正比变化。再将调制后的信号经过耦合回路输出。这样就实现了基极调幅的作用。
参数计算：
使用基极调幅，需要让电路工作于欠压状态，亦即使晶体管工作于放大区，这就要求发射结正偏而集电结反偏。由于通过振荡器得到的载波振幅为4V，频率为1MHZ。调制信号振幅为1V，频率为1KHZ。故设置VCC=12V，R1=2k，R2=2K，滤波器的频率f =1/2π(LC)1/2，设取C1=250pF，变压器两端的电感取L=100uH。

基极调幅电路

下图是理论的波形图：

下图是理论的频谱图：

由上面的基极调幅电路的仿真结果：
下图是仿真波形图

下图是仿真频谱图：

理论与仿真结果比较：仿真波形包络的频率f≈1MHZ，与理论值也就是原调制信号的频率一致，说明调制信号被正确调制在载波上，使得载波的幅值随着调制信号的波形而变化。仿真得出的输出波形频谱与理论频谱差别不大，产生了双边带调幅信号。由仿真波形得出，Vmax=250mV，Vmin=80mV，所以该波形的调制度ma=(Vmax-Vmin)/2*Vo≈0.5312=53.12％。由频谱图可见，调制信号的频谱与理想波形的频谱图相近。
3、包络检波电路
在包络检波电路中，我们组设置了两个二极管，其中D1是用来检出调至信号的正半周期的波，而D2是是用来检出负半周期的波的。包络检波电路设计图如下所示。
参数计算：由于在包络检波时会出现四种失真情况，为了减小调制信号在输出时产生不必要的失真，古要设置好参数。为防止惰性失真：需满足Ωmax RC<=1.5，故取C3=100nF，R6=1KΩ。为防止负峰切割失真：需满足ma<ri2/R+ri2=RΩ/R，（ma=0.8）。故取R2=3KΩ，R1=1KΩ。防止频率失真：需满足C2>>1/ΩminR2=0.3uF，取C2=20uF，C1<<1/ΩmaxR1=1uF，取C1=100uF

包络检波电路
理论波形图：
在理想情况下，经过解调之后应该得到低频正弦信号的波形，如下图所示，而且理想情况下应该只含有1KHZ的频率。

下面的包络检波电路的仿真波形图：

下面是包络检波电路的仿真频谱图：

理论与仿真结果进行分析：
由波形图可以看出，解调出的波形基本是正弦波的形状，而且该正弦波的周期T=T2-T1=1.004ms≈1ms，则f=1/T=1KHZ，基本上是调制之前的低频信号，但波形图放大之后可以看到有很多毛刺，这是因为检波出来的低频信号好有一些高频分量没有滤除掉。同时，由频谱图，可以发现该正弦波并不只有1KHZ的频率，还包涵了其他一些频率，但是这并不影响，毕竟理论波形只有在理想状态下才可达到，而且由频谱图可以看出，主要的频率集中在1KHZ。所以基本实现解调。
4、LC集中式选择性滤波器电路
我们设计的是由六个单节滤波器组成的电路。如下图所示的滤波电路。
参数计算：
设 Z1为每单节串联电容阻抗，Z2为并联阻抗。则该滤波器的传统条件为0>=Z1/4Z2>=-1，即在通带内，要求阻抗Z1和Z2异号，并且|4Z2|>|Z1|,当f>f2时，Z1和Z2同号，都是容性，因此是阻带。当f1<f<f2时，Z1和Z2异号，且满足|4Z2|>|Z1|，故在此范围内为通带。当f<f1时，虽然Z1和Z2异号，但|4Z2|<|Z1|，因而是阻带。多节滤波器是由单节组成的。在通带内无衰减，即衰减数为零：在阻带内，衰减常数迅速增大，意味着f>f2与f<f1的频率分量受到很大衰减。f1与f2为截止频率，中心频率f0=(f1 f2)1/2，滤波器的通带宽度为Δf=f2-f1
所以设C6=C7=C8=C9=C10=C11=253nF 和L1=L2=L3=L4=L5=L6=100mH，所以可以算出f2=1/2π[CL]1/2=1KHz，即通频带为0Hz~1KHz

LC集中式选择性滤波器
五、设计总电路电路
由于上面已经将每个部分的电路图设计出来了，所以只需将所有板块放在一个图中在进行调整。

1、总电路图

这便是所设计的总电路图。

2、仿真与分析
下面对此图进行仿真与分析仿真结果如下：

下图是调制信号：f=1KHZ
A=1V

下图是振荡器产生的载波信号：f=1MHZ
A=4V

下图是经基极调幅电路的调幅信号

下图是调幅输出频谱

下图是解调输出信号 ：f=1KHZ
A==15mV

仿真分析：振荡电路产生的正弦波振荡信号和调制信号经基极调幅电路调制后的调幅信号，与单元电路仿真结果几乎一致，解调后的低频信号与原调制信号也相吻合。同时，也可以看出，在总电路中，由于各级单元电路的相互影响，导致调制信号的波形有了一定的改变。不过在各级间用变压器链接后得以改善，结果令人满意。

六、元件清单
1、电源：+12V直流电源两个；
2、二极管：1N6096两支；
3、三极管：2N2222A两支、2N2218A一支；
4、变压器：单边电感为10uH和100uH的1:1变压器各一个；
5、电容、电感、电阻若干；
6、测量用示波器、频谱分析仪若干。
七、电路的优缺点
在设计电路时我们将电路分成了四块，分别是正弦振荡器，基极调幅，包络检波和LC集中选择性滤波器。每一个模块都有着它的优点与缺点。所以分别对每个模块进行分析。
优点：正弦振荡器可以将直流电能转化为交流电能，而本身静止不动，而且它产生的是等幅振荡，不仅使用方便，灵活性也大。而在正弦振荡器中我们选择的电容三端式振荡器，它的输出波形较好，而且可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而稳定度较高，而且适用于较高的工作频率。基极调幅的优点是所需的调制功率很小，对整机的小型化有利。包络检波的主要优点是当负载电阻远远大于二极管内阻时，它的检波频率就接近于1，而且它的结构简单也便于调试。对于LC集中选择性滤波器它的电路简单。
缺点：电容三端式振荡器是通过改变电容来改变振荡频率，因此反馈系数也会被改变。但是可在电感两端加上一个可变电容，令前面的电容固定，便可以这个缺点。基极调幅的主要缺点是平均集电极效率不高。包络检波的主要缺点在于由于二极管的输入电阻会使输入谐振回路的Q值降低，消耗一些高频功率。对于LC集中选择性滤波器它只适用于简单的滤波，并且它的元件较多，电路相对较复杂。
但总体说来，我们所设计的这个AM波的调制与解调结构简单，但我们也省略许多功放与滤波电路，当然的到的结果也有许多毛刺，但是这个简易的系统可以节省资源大大减轻电路结构复杂度的前提下，能够具备完善的调制解调功能，可以说极具性价比，也基本满足了设计要求。
八、问题与解答
1、为什么在正弦振荡器中电容三端式输出的波形较好？
答：这是因为集电极和积极电流课通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量小，波形更加接近于正弦波。其次，该电路中的不稳定电容都是与该电路并联的，适当加大回路电容还可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而就提高了频率稳定度。
2、在包络检波时产生的惰性失真应该如何减小？
答：为了防止惰性失真，只要适当的选取RC的数值，使得电容的放电加快，让它跟上高频信号电压包络就好了。
3、为什么包络检波部分要使用两个二极管？
答：因为正弦波是有正半周期与负半周期，在波形的正半周期，幅值大于0的时候，可以通过其中正接法的二极管，不能通过负接法的二极管，但是当波形进入负半周期的时候，就只可以通过负接法的二极管了。这就是为了将正、负半周期的波形都检出来。
九、心得体会
终于课程设计就要结束了，经过这么长时间的努力来，我们小组还是交出了作品，可能因为自己在学习高频电子线路时没能把书本里面的内容吧，刚刚开始的时候真的手足无措，处处找出口，可却处处碰壁。但是幸好我没有放弃，无论多少失败，不懂得就问同学，或者自己查资料看书。最终真的还是完成了这次任务。其实在这次课程设计中不仅检验了我所学的知识，也教会了我如何去做一件事情又如何去完成它。
在经过一段时间的研究，终于确定下我们所要设计的单元电路时就好的多了，至少知道自己该看什么了，真的是万变不离书，我们在高频书上找到那几个模块，进行深入地研究，弄懂了四大模块原理及电路图。在此次设计中，为了提高效率弄懂模块后，我们小组便进行了分工设计，我做包络检波与滤波部分，我的队友做正弦振荡和基极调幅部分。我们相互监督，相互帮助，相互理解与宽容，最终完成了设计。
此次设计让我深刻的了解到了这个行业的艰辛，同时也认识到了自己能力的不足。但是我很肯定的说我在这方便的认识的确比没有做课程设计时多的多了，

让我肯定了自己的学习能力，虽然对于新手的我来说，一切都显得那么的困难，无从入手，但是当我在经过一定时间之后，在仿真软件中将波形调出来那种胜利的愉悦，是难以言喻的！就像真的自己收获了果实一样。我将在今后的日子里，更勤奋的学习专业知识，力争将来设计出令我自己更满意的产品。
同时也感谢帮助过我的同学们，在此还要感谢老师。但是由于我能力有限，在设计过程中难免出错，而且做出来的波也有很多毛刺，恳请老师多多指教，我十分乐意接受你的批评与指教，也乐意改正。
十、参考文献
[1] 、《高频电子线路》，张肃文， ---北京高等教育出版社，2009年5月
[2] 、《电子电路设计与实践》，姚福安，--山东科学技术出版社，2003年
[3] 、《模拟电子技术基础》，童诗白，华成英，---高等教育出版社，2006年

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