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1、课程设计报告 题 目： 基于 Multisim 的 DSB 的调制与 解调电路的仿真分析 学生姓名： * 学生学号： * 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 通信工程 届 别： 2014 届 指导教师： * 电气信息工程学院制 2013 年 4 月 基于基于 MultisimMultisim 的的 DSBDSB 的调制与解调电路的仿真分析的调制与解调电路的仿真分析 .- 学生：* 指导教师：* 电气信息工程学院 通信工程专业 1 1 课程设计的任务与要求课程设计的任务与要求 1.11.1 课程设计的任务课程设计的任务 本课程设计是实现 DSB 的调制解调。在此次课程设计中，我将通过多方搜 集
2、资料与分析，来理解 DSB 调制解调的具体过程和它在 multisim 中的实现方法。 通过这个阶段学习，更清晰地认识 DSB 的调制解调原理，同时加深对 multisim 这款通信仿真软件操作的熟练度，并在使用中去感受 multisim 的应用方式与特 色。利用自主的设计过程来锻炼自己独立思考，分析和解决问题的能力，为我 今后的自主学习研究提供具有实用性的经验。 1.21.2 课程设计的要求课程设计的要求 （1）熟悉 multisim 的使用方法，掌握 DSB 信号的调制解调原理，以此为 基础在软件中画出电路图。 （2）绘制出 DSB 信号调制解调前后在时域和频域中的波形，观察两者在解 调前
3、后的变化，通过对分析结果来加强对 DSB 信号调制解调原理的理解。 （3）在老师的指导下，独立完成课程设计的全部内容，并按要求编写课程 设计论文，文中能正确阐述和分析设计和实验结果。 1.31.3 课程设计的研究基础课程设计的研究基础（设计所用的基础理论） （1）DSB 调制过程的分析：在 AM 信号中，载波分量并不携带信息，信息 完全有边带传送。如果在 AM 调制模型中将直流分量去掉，即可得到一种高调 0 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（DSB） ， 表示为： 显然，它与调幅信号的区别就在于其载波电twtuktu ca cos)()( 0 压振幅不是在上
4、下按调制信号规律变化。这样，当调制信号进入负半 0m V)(tu 周时，就变为负值。表明载波电压产生相移。因而当自正值或负值通 )(tuo0 180)(tu 过零值变化时，双边带调制信号波形均将出现的相移突变。双边带调制信号的包络已 0 180 不再反映的变化，但它仍保持频谱搬移的特性，因而仍是振幅调制波的一种，并可)(tu .- 用相乘器作为双边带调制电路的组成模型，如图所示，图中。 acmM kVA 图 1 双边带调制信号组成模型 调制过程的数学表达式：设载波电压为：。调制信号为： twUtu ccMc cos)( 。经过模拟乘法器 A1 后输出电压为抑制载波双边带调制信号，tMtmcos
5、)( 00 其数学表达式为： )()()( 0 tmtuKtSm c =tMtwUK ccM coscos 0 = 2 )cos()cos( 0 twtwMKU cccM 图 3 DSB 调制过程的波形及频谱 （2）DSB 解调过程的分析：调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频 信号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且 不失真地恢复出原始基带信号。 )( 0 t m twV ccmcos twtmVAts ccmMm cos)()( 0 xyAM x y .- 双边带解调通常采用相干解调的方式，它使用一个同步解调器，即由相乘 器和低通滤波器组成。在解调过程中，输入
6、信号和噪声可以分别单独解调。相 干解调的原理框图如图所示： 图 2 双边带解调信号组成模型 解调过程的数学表达式：双边带调幅波的电压可表示为： twKUtSm ccM cos)( 本机载波电压为： twUtu ccMc cos)( 解调波的表达式： )()()( 0 tutSmKtm =tStwUK mccM coscos = 2 )cos()cos(twtwUKS ccMm 2 2 DSBDSB 的调制与解调系统方案制定的调制与解调系统方案制定 2.12.1 方案提出（需有系统框图，系统功能参数）方案提出（需有系统框图，系统功能参数） 振幅调制方式是用传递的低频信号去控制作为传送载体的高频振
7、荡波（称 为载波）的幅度，是已调波的幅度随调制信号的大小线性变化，而保持载波的 角频率不变。在振幅调制中，根据所输出已调波信号频谱分量的不同，分为普 通调幅（AM） 、抑制载波的双边带调幅（DSB） 、抑制载波的单边带调幅（SSB） 等。AM 的载波振幅随调制信号大小线性变化。DSB 是在普通调幅的基础上抑制 掉不携带有用信息的载波，保留携带有用信息的两个边带。SSB 是在双边带调 幅的基础上，去掉一个边带，只传输一个边带的调制方式。它们的主要区别是 产生的方法和频谱的结构不同。 S tm)( twV ccmcos )()()( 0 ttuKtm sm c xyAM x y .- 这里重点研究
8、抑制载波的双边带调幅（DSB） 。下图为 DSB 调制与解调的系统 框图。 图 4 DSB 调制与解调的系统框图 2.22.2 方案论证方案论证 在现实的环境中，我们所得到的一般信号振幅，频率都比较低，不能满足 远距离，高清度的传输要求，必须将信号采用高频载波调制传输。我们在实际 的生活中要将声音，图像，语言，文字等这些采集的低频信号进行远距离的传 输是不理性的信号。由于要传输的基于低频范围，如果信号直接发射出去，需 要的发射和接受天线尺寸太大，辐射效率太低，不易实现。我们知道，天线如 果要想有效的辐射，需要天线的尺寸 l 与信号的波长 v 可以比拟。即使天线的 尺寸为波长的十分之一，即 l=
9、v/10，对于频率为 10kHz 的信号，需要的天线长 度为 3Km，这样长的天线几乎是无法实现的。若将信号调制到 10MHz 的载波频 率上，需要的天线长度仅为 3m，这样的天线尺寸小，实现起来也比较容易。 在模拟调制中，AM 调制优点在于系统结构简单，价格低廉，所以至今仍 广泛应用于无线但广播。DSB 与 AM 信号相比，因为不存在载波分量，DSB 调制 效率是 100%，即将全部功率都用于信息传输，所以选择 DSB 调制与解调作为课 程设计的题目具有很大的实际意义。 3 3 DSBDSB 的调制与解调系统方案设计的调制与解调系统方案设计 3.13.1 各单元模块功能介绍及电路设计各单元模
10、块功能介绍及电路设计 由于从消息转换过来的调制信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许 多信道中不宜传输。因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程，同时在 接受端则需要有解调过程从而还原出调制信号。 所谓调制就是利用原始信号控制高频载波信号的某一参数，使这个参数随调 制信号的变化而变化。解调是与调制相反的过程，即从接收到的已调波信号中 恢复原调制信息的过程。 调制信号输入 tMtmcos)( 00 高频载波信号 twUtu ccMc cos)( 调制信号输出 twtmVAts ccmMm cos)()( 0 高频载波信号 twUtu ccMc cos)( 相 乘 器 相 乘 器 解调信号输出
11、 )()()( 0 ttuKtm sm c .- 图 5 DSB 的调制电路部分 图 6 DSB 的解调电路部分 3.23.2 电路参数的计算及元器件的选择电路参数的计算及元器件的选择 在本次课程设计电路图中，所用到的元器件包括电容、电阻、直流电源、 .- 交流电源、单刀双掷开关、集成功放 LM741CN、相乘器、示波器等。 3.33.3 特殊器件的介绍特殊器件的介绍 （1）LM741CN 的介绍：LM741CN 是一款普通的 8 脚单通道运算放大器，其 工作电压范围 736V，单位增益带宽 1MHz，输入失调电压 6mV（最大值） 。 图 7 实物图 图 8 外部引脚图 （2）模拟相乘器的介
12、绍：模拟乘法器具有两个输入端（常称 X 输入和 Y 输入）和一个输出端（常称 Z 输出） ， 是一个三端口网络，电路符号如图所示： 如果两个输入信号只能为单极性的信号的乘法器为“单象限乘法器” ；一个输入 信号适应两种极性，而一个只能是一种单极性的乘法器为“二象限乘法器” ； 两个输入信号都能适应正、负两种极性的乘法器为“四象限乘法器” 。 图 9 模拟相乘器 3.43.4 系统整体电路图系统整体电路图 .- 图 10 系统整体电路图 4 4 MultisimMultisim 软件系统仿真和调试软件系统仿真和调试 4.14.1 仿真软件介绍仿真软件介绍 Multisim 软件前身是加拿大 II
13、T 公司在 20 世纪八十年代后期推出的电路仿 真软件 EWB（Electronics Workbench）,后来，EWB 将原先版本中的仿真设计更 名为 multisim，2005 年之后，加拿大 IIT 公司隶属于美国国家仪器公司 （National Instrument，简称 NI 公司） ，美国 NI 公司于 2006 年初首次推出 Multisim9.0 版本。目前最新版本是美国 NI 公司推出的 multisim10。包含了电路 原理图的图形输入、电路的硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真能力。它 具有更形象直观的人机交互界面，并且提供了更加丰富的元件库、仪表库和各 种分析方法。完
14、全满足电路的各种仿真需要。 Multisim 软件是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件，其基本元件的 数学模型是基于 Spice 版本，但增加了大量的 VHDL 元件模型，可以仿真更复杂 的数学元器件，另外解决了 Spice 模型对高频仿真不精确的问题。Multisim 在 保留了 EWB 形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能， 大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应得元件 模型，使得仿真设计的结果更加精确、更可靠、更具有实用性。 .- 4.24.2 系统仿真实现系统仿真实现 图 11 用乘法器组成的抑制载波双边带(DSB)输入波形及调制波形 图
15、 12 同步检波器输入的双边带信号（上）及其输出信号（下） .- 4.34.3 系统测试系统测试（要求测试环境、测试仪器、测量数据） 由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能 主要用解调器的抗噪声性能来衡量。为了对不同调制方式下各种解调器性能进 行度量，通常采用信噪比增益 G（又称调制制度增益）来表示解调器的抗噪声 性能。 有加性噪声时解调器的数学模型如图所示。 图中( )m tS为已调信号，( )n t为加性高斯白噪声。 ( )m tS和( )n t首先经过带通 滤波器，滤出有用信号，滤除带外的噪声。经过带通滤波器后到达解调器输入 端的信号为( )m tS 、噪声为高
16、斯窄带噪声( )in t，显然解调器输入端的噪声带宽与 已调信号的带宽是相同的。最后经解调器解调输出的有用信号为( )om t，噪声为 ( )on t。 图 13 有加性噪声时解调器的数学模型 设解调器输入信号为 ( )( )cosmcs tm tt 与相干载波cosct相乘后，得 2 11 ( )cos( )( )cos2 22 ccm ttm tm tt 经低通滤波器后，输出信号为 1 ( )( ) 2 om tm t 因此，解调器输出端的有用信号功率为 22 1 ( )( ) 4 o o Sm tm t 解调 DSB 信号时，接收机中的带通滤波器的中心频率o与调制载频c相同， 因此解调器
17、输出端的窄带噪声( )in t可表示为 ( )( )cos( )siniccscn tn ttn tt 它与相干载波相乘后，得 .- ( )cos( )cos( )sin 11 ( )( )cos2( )sin2 22 icccsc cccsc n ttn ttn tt n tn ttn tt 经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为 1 ( )( ) 2 ocn tn t 故输出噪声功率为 22 11 ( )( ) 44 oocoNntntn B 这里，2HBf，为 DSB 信号的带通滤波器的带宽。 解调器输入信号平均功率为 222 1 ( ) ( )cos( ) 2 ic m Sstm tt
18、m t 可得解调器的输入信噪比 2 1 ( ) 2 i io mt S Nn B 同时可得解调器的输出信噪比 2 2 1 ( ) ( ) 4 1 4 o oo i mt Smt Nn B N 因此制度增益为 2 o o DSB i i S N G S N 由此可见，DSB 调制系统的制度增益为 2。也就是说 DSB 信号的解调器使信 噪比改善了一倍。这是因为采用相干解调，使输入噪声中的正交分量( )sn t被消 除的缘故。 4.44.4 数据分析数据分析（对比系统功能及参数与设计要求是否相符） 通过观察调制波形可以得知，示波器中的红线为高频载波，绿线为调制信号， 载波信号把调制信号搬移到更高频
19、带处，与书中 DSB 信号的调制理论一致。通 过观察解调波形可以得知，示波器中的红线为同步检波器输入的双边带信号， 绿线为解调输出的信号，与调制信号一致。 综上所述，本电路设计能够实现 DSB 信号的调制与解调。 .- 5 5 总结总结 5.15.1 设计小结设计小结 模拟调制系统是通信工程专业方向最主要的模块之一，通过在课堂上对理 论知识的学习，我们了解到模拟调制系统的基本方式以及其原理。然而，如何 将理论在实践中得到验证和应用，是我们学习当中的一个问题。而通过本次课 程设计，我们在强大的 Multisim 平台上对数字信号的调制解调进行了一次仿真， 有效的完善了学习过程中实践不足的问题，同
20、时进一步巩固了原先的基础知识。 5.25.2 收获体会收获体会 通过这次的课程设计，一方面，我们对调制和解调有了更进一步的认识， 尤其是在系统设计方面，尽管是非常基础的 DSB 调制与解调的传输，也是经过 若干设备协同工作，才能保证信号有效传输，而小到仅仅是一个电容电阻参数， 都有可能导致整个仿真过程无法正常运行。 另一方面，我们通过本次的课程设计，着实领教了 Multisim 强大的功能和 实力。通过在 Multisim 环境下对系统进行模块化设计与仿真，使我们获得两方 面具体经验，第一是 Multisim 中各个功能模块的使用方法，第二是图形化和结 构化的系统设计方法。这些经验虽然并不高深
21、，但是对于刚入门的初学者来说， 对以后步入专业领域进行设计或研发无疑具有重大的意义。 6 6 参考文献参考文献 1电子线路：非线性部分/谢佳奎主编：谢佳奎，宣月清，冯军编.4 版.北京： 高等教育出版社， （2010 重印） 2通信原理/樊昌信，曹丽娜编著. 6 版.北京：国防工业出版社，2011.8 重印 3张肃文，陆兆熊.高频电子线路.第三版.高等教育出版社，1993 年 4董在望，肖华庭.通信电路原理.高等教育出版社，1989 年 5黄智伟.基于 Multisim2001 的电子电路计算机仿真设计与分析.北京电子工业出版社。 2004 6 Multisim7 电路设计及仿真应用/熊伟等编
22、著。北京:清华大学出版社，2005.7 7 Multisim7 User Guide.Interactive Image Technology Ltd.Canda,3003 8曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析M.西安:西安电子科技大学出版社, .- 2003，6. 9郑步生,吴渭.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用M.北京:电子工业出版社, 2002，2. 7 7 附录附录 系统主要功能展示图系统主要功能展示图 器件清单器件清单 .- 指导教师评语指导教师评语 成绩 评定 指导教师签字： 年 月 日 答辩小组评语答辩小组评语 成绩 评定 答辩小组签字： 年 月 日 .-