基于Multisim调制解调仿真电路设计综述Word下载.docx
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路工作过程中，当输出信号与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，也就是输出电压与输入电压的相位被锁住，同时具有载波跟踪特性。
锁相环电路作为窄带跟踪滤波器，可以提取噪声中的信号，用高稳定的参考振荡器锁定，可提供高稳定的频率源，可以进行高精度的相位与频率测量等。
目前锁相环解调器在通信、雷达、测量和自动化控制等领域应用非常广泛，随着电子技术快速发展，因此对锁相环解调的研究和应用也越来越多关注。
本课题主
要通过分析与研究调制解调电路，加深对锁相环解调方式的理解和运用，并设计出2FSK、2PSK、2ASK的调制电路，通过锁相环解调出来原信号⑴。
1.2国内外发展现状
如今锁相环解调技术的发展非常迅速，锁相环解调理论已经应用到很多领域，比如手机、SDH网络、汽车电子的无线发射器等应用。
调频波信号特点是频率随调制信号幅度的变化而变化，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。
当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率30目等时，压控振荡器输出信
号的频率将保持3。
不变。
如果压控振荡器的输入信号除有锁相环低通滤波器输出的信号Uc外还有调制信号Ui，那么压控振荡器输出信号的频率就是以3。
为中心频率，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。
当然锁相环还有许多优越性使得锁相环解调技术在生活中常用的电子设备中发挥作用⑵。
目前锁相环电路理论研究日渐完善，应用范围涉及到所有电子技术领域。
随着通信和电子系统的快速发展，使得集成锁相环和数字锁相环取得巨大进步。
现在锁相环的应用品种繁多，提高系统的稳定性和可靠性是至关重要的问题，现在
正向着集成化，数字化，多用化方面快速进军⑻。
1.3课题主要研究内容
调制解调方面的电路设计是通信设备中重要组成部分，用准备传输的低频信号去控制高频载波参数信号的电路叫做调制电路设计，解调电路是调制电路的逆过程，从已调制的高频信号还原出原来调制信号叫做解调电路设计⑷。
本课题主要建立2ASK、2FSK、2PSK的调制和解调电路。
解调电路设计选用锁相环解调电路。
锁相环路的输出信号频率可以准确地跟踪输入参考信号频率的变化，环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益实现在所需数值范围内变化。
输出信号频率随输入参考信号频率变化的这种特性叫做锁相环的跟踪特性，利用这种特性可以设计出载波跟踪型锁相环和调制跟踪型锁相环。
要实现信息的远距离传输，接收端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的解调就是用携带信息的输出信号Uo还原出载波
信号Ui的参数，载波信号的参数主要是幅度、频率和相位。
因此解调电路分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。
调幅载波的特征是频率与载波信
号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；
调频载波的特征是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；
调相载波的特征是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。
本课题主要是调制出2FSK、2ASK、2PSK，调制电路采用的是锁相环解调出来，最后运用Multisim仿真软件进行仿真出效果。
特别是对2ASK、2FSK、2PSK进行解调电路设计时，低通滤波器的输出波形失真度比较大，但是最终经过抽样判决电路整形以后便再生出数字基带脉冲波形[5]o
2锁相环基本原理
2.1基本组成
如今的很多电子设备都需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步才能正常工作，运用锁相环路就便可以实现这样目的。
锁相环路是种反馈型控制电路，简称锁相环PLLo锁相环的特征是利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因锁相环可以实现输出信号频率自动跟踪于输入信号的频率，因此锁相环电路通常用于闭环跟踪电路。
锁相环工作过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电
压与输入电压的相位被锁住，这也是锁相环名称的由来⑹o
锁相环一般是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三个部分组成，锁相环组成的原理框图如图2.1所示。
图2.1锁相环基本组成
锁相环电路的鉴相器又叫做相位比较器，作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制。
2.2工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2.2所示。
Ui（t）
Uo
图2.2乘法器
鉴相器的工作原理是：
设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：
（2-1）
（2-2）
Uit二UmSin冲Vt
Uot二U°
mCOSL：
°
t入t
式中的30为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。
则模拟乘法器的输出电压Ud为：
11UdgKUnUomfsin[it讯t）]cos[°
ta⑴]}KUrUomfsin[itr（t）]-cos[°
tr（t）]}
（2-4）用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡
器的输入控制电压Uc（t）。
即Uc（t）为：
1
Uc（t）KUmUomSin{[・it“（t）]-[ot%（t）]}（2-6）
2
二UdmSin{[it-ot]旦（t）j（t）]}（2-7）
式中的Q为输入信号的瞬时振荡角频率，和二o（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：
即
二（t）=・（t）dt血（2-9）
则，瞬时相位差也为
对两边求微分，可得频差的关系式为
d日d_d®
t—%t）异佝⑴―曳（t）]
dtdtdt
和相位保持恒定不变的状态，U」t）为恒定值。
当上式不等于零时，说明锁相环
的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，Uc（t）随时间而变化。
因压控振荡器的压控特性如图2.3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率
QU以Q为中心，随输入信号电压Uc（t）的变化而变化。
该特性的表达式为
上式说明当Uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率Qu也随时间而变,
锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持30=3i的状态不变。
32FSK调制解调电路设计
3.12FSK调制电路设计原理
2FSK叫做二进制移频键控或二进制频移键控。
2FSK信号产生的方法一般有两种：
一
种叫直接调频法，另一种叫频移键控法。
（1）模拟调频法：
即直接利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。
如图3.1
所示：
St）模拟调频器.2FSK
图3.1模拟调频法
直接调频法是频移键控通信方式早期采用的实现方法。
其优点是调制方便，设备简单,
得出的是2FSK信号，相位连续。
（2）
键控法：
即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。
如图3.2所示：
2FSK键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛，但设备要复杂些，得出的是2FSK信号，相位不连续［10］。
该文采用键控法产生2FSK信号，即用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独
立频率源的振荡作为输出。
调制原理图设计如图3.3所示。
图3.32FSK调制原理图
3.22FSK调制单元电路的设计
要将时钟脉冲信号经过2FSK调制成为2FSK信号，我们采用一个受基带脉冲控制的开
关电路去选择两个独立的频率源作为输出。
键控法产生的2FSK信号频率稳定度可以做得很
高并且没有过度频率，它的转换速度快，波形好。
（1）四双向模拟开关CD4066
CD4066的引脚功能如图3.4所示。
每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。
当控制端加高电平时，开关导通；
当控制端加低电平时开关截止。
模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；
模拟开关截
■号,
-50dB。
止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。
模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的
模拟信号的上限频率为40MHz。
各开关间的串扰很小，典型值为
图3.4四双向模拟开关CD4066
输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f仁32KHZ的载频，另一路经倒相去
控制f2=16KHz的载频。
当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。
此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到2FSK已调信号。
四双向模拟开关仿真如图3.5所示。
亠耳亠亠且吗
.p■XK4
ng
.S3
g
1X2
5
-S3l
VS5
T7—
14I
图3.5四双向模拟开关
（2）变频电路
变频电路是将输入的二进制数字基带信号通过控制载频转换成已调信号，即2FSK调
制信号。
两路载频分别经射随、LC选频、射随再送至模拟开关。
其中LC选频电路函
数：
fC，选频网络如图3.6所示。
2兀
图3.6变频电路图
（3）2FSK调制的整体电路图的设计
；
；
ZFZ；
心:
LI
i
图3.72FSK的Multisim调制仿真电路图
（4）2FSK调制电路的仿真
Reverse
T1@@
[±
t+]
rz^ri
Time
lBQ-^6MS
180B4aSus
0.000s
Ch-annd^A
0-000V
0.000V
Chaonel^B
□-□OOv
OrOOOV
Ttmebase
Scale:
Mus/tilw
Kpos.（piv）:
O
[丫/dadd]伍
ChanoelASenile:
5V/&
v
Tpcs.（pnv）:
1-2[ac]|o][dcI
ChannelB
Tpos.（&
v）i:
-2I^Acl'
-Q-；
D匚；
|
Save
Ext-rigger
Tnagger
Ed^e:
£
a]L~^-]日]【Ext]
Level:
q”
Type[sing-||NQr.11AUito|[陀ooe]
图3.8脉冲信号输出波形
Oscilloscope-XSC2
Reverse
nlaisi
ChanneJ_A
ChannriljB
+
T2-T1
Timebase
200us/Div
ChannelA
5V/Dtv
ChannelBScale:
5V/Ditv
Trigge
Edge:
QSB][Eart]
Xpos,（Div）:
□
"
fp0s.（t>
iv）:
0r6
Ypos.（C>
fv）:
-L6
2Le：
vel:
av
SEISJ
®
医®
[SO
■q：
Type
Si^c.H丁.A..ito[r^one]
Ext.trigger
图3.9变频电路输出波形
Ext,trigger
risa
T2ata
T2<
Tim皂
0.000v
o.ooav
Q.OOOs
O.0Q0V
SVjDrv
¥
pofi.（Div）l0
;
200
Xpo5P（Div}20
函回込I巫巨叵[dcJ
Ch^inelE
S
Ypos.（piv）:
-1.2
o，lAC][0[DC]~]o
Trigger
Edge：
EE[JPeJlExt]Leveliqv
Type[Sing.|Nor,|Auto[None]
图3.102FSK的仿真效果图
3.32FSK解调单元电路的设计
锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成,该文锁相环解调原理框图如图3.11所示。
图3.112FSK解调原理框图
（1）锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图3.12所示。
图3.12乘法器
（2）低通滤波器如图3.13所示。
用低通滤波器LF将和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压Uc（t）。
图3.13环路滤波器
（3）压控振荡器的压控特性如图3.14所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率c
以3。
为中心，随输入信号电压比（t）的变化而变化。
■'
u（t）二o'
Kouc（t）（3-1）
上式说明当Uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率3u也随时间而变，锁相环
进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持3。
=3
的状态不变。
压控振荡器的电路图如图3.15所示：
图3.15压控振荡器
（4）抽样判决电路LM311
（5）
工作原理：
LM311是当2脚电压高于3脚电压时输出高电平，反之则输出低电平。
弓I脚
图3.17抽样判决电路图
3.42FSK解调电路的整体设计
2FSK解调电路的设计是采用锁相环进行解调，2FSK信号通过锁相环最终解调出数字
基带信号。
2FSK基于Multisim仿真的解调电路的整体电路设计图如图3.18所示。
当
图3.182FSK的Multisim的解调仿真电路
图3.192FSK的Multisim解调电路的仿真
42PSK调制解调电路设计
4.12PSK调制解调电路设计原理
PSK分为二进制相位键控（2PSK）和多进制相位键控（MPSK）。
该文主要介绍2PSK的调制与解调。
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,
则产生二进制移相键控（2PSK）信号。
通常用已调信号载波的0°
和180°
分别表示二进制数字
基带信号的1和0。
二进制移相键控信号的调制原理图如下所示。
其中图4.1是采用模拟调
频的方法产生2PSK信号，图4.2是采用数字键控的方法产生2PSK信号。
本设计调制2PSK
时采用的是键控法［11］。
双极性
co
图*I模拟调频法
s（t）
图4.2键控法
2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，该文的解调器原理图如图4.3与2FSK解调
原理相同。
图4.3K解调原理框图
4.22PSK调制与解调电路的设计与仿真
2PSK调制电路采用键控法调制，而解调电路的设计是采用锁相环进行解调，2PSK信
号通过锁相环最终解调出数字基带信号。
2PSK基于Multisim仿真的调制解调电路的整体电
路设计图如图4.4所示。
2PSK调制仿真图与解调后的仿真图如图4.5所示。
Ume
Ch-annelA
r1
o.ooav-
0.000v"
0,000s
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Ext.tnaaer
500
ChannelAscale:
1
5
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03匡1[A]汀[Ext]
X0OS.（Div）;
o
YpO5,（i>
V）;
1.2
Levdl:
□v
[7/t]Add]|b/A|a/B]
Q[Acira~'
[Dcl[~
@Type[sinfl"
][nor,|[Auto]
图4.52PSK调制解调电路图仿真结杲
52ASK调制解调电路设计
5.12ASK调制解调电路设计原理
在二进制数字振幅调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实现这种调制的
方式有两种：
（1）模拟相乘法：
通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种
直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法，电路设计如图5.1
所示。
在该电路中载波信号和二进制数字信号同时输入到相乘器中完成调制。
（2）数字键控
法:
用开关电路控制输出调制信号，当开关接载波就有信号输出，当开关接地就没信号输出，
其电路如图5.2所示［12］。
e2ask（t）
图5.1模拟相乘法
图5.2数字键控法
2ASK/OOK信号有两种基本的解调方法：
非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），相应的接收系统如图5.3图5.4所示。
定时
脉冲
图5.3非相干解调方式
带通
相乘器
低通
挾样
滤遞器
4
滤波器
判决器
cosCJM
图5.4相干解调方式
该文2ASK的调制方法采用的是模拟相乘法，而调制则采用的是相干解调。
该文的2ASK解调原理框图5.5如下所示。
图5.52ASK解调原理框图
5.22ASK调制与解调电路的设计与仿真
2ASK调制电路采用键控法调制，而解调电路的设计是采用锁相环进行解调，2ASK信
号通过锁相环最终解调出数字基带信号[13]o2ASK基于Multisim仿真的调制解调电路的整体
电路设计图如图
5.6所示。
图5.62ASK调制解调电路图
Ieraq
ri
53.500ms
-157.030UV
LZ.OOOV
r2+
53.500rrts
0.000S-
O.CM3QV
0,000¥
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