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抑制载波双边带调制

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实践教学

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高频电子线路课程设计

题目：

抑制载波双边带调制

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摘要

在常规AM调幅时，由于载波分量不包含任何信息，又占整个调幅波平均功率的很大比例，造成了发射功率的极大浪费。

为了提高调制效率，使总功率包含在边带中。

因此，在传输前把载波抑制掉，就可以在不影响传输信息的条件下，大大节省发射机的发射功率。

针对AM波的不足，产生了双边带（DSB）信号调制与解调。

本次课程设计为一个DSB调制解调过程电路。

DSB调幅调制过程中将载波完全抑制，它的产生原理是调制信号与载波信号直接相乘。

DSB解调过程中将已调信号经过一个低通通滤波器然后与载波信号直接相乘。

从而提高了调制效率。

关键词：

双边带、高频载波、调幅、调制信号、仿真

一、电路设计

1.1设计的意义

调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。

一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。

基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。

这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。

调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。

而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。

调制在整个通信过程中是最基本、最重要的一个处理信号方法，在通信系统中，对模拟基带信号进行调制的目的就是为了让多个基带信号经过调制后在有线信道上同时传输，同时也适合于在无线信道中实现频带信号的传输；并且还能增强信号的抗噪声能力。

因此，调制的意义可概括为减小干扰，提高系统抗干扰能力，同时还可实现传输带宽与信噪比之间的互换。

1.2原理分析

DSB（DoubleSideBand）信号是抑制了载波的双边带信号，发送时，不发送载波信号，对于DSB信号，其包洛的变化反映了调制信号绝对值的变化情况，当调制信号过零点时，有相位的突变。

DSB信号的解调就是从它的幅度变化上提取原调制信号的过程。

DSB的调制与解调原理图如图下所示。

图1DSB的调制与解调原理图

1.2.1DSB信号的调制

针对AM波的不足，DSB条幅调制过程中将载波完全抑制，它的产生原理是调制信号与载波信号直接相乘。

原理图如下图所示。

图2抑制载波双边带调幅调制原理框图

（1）

式中K为一常数，与实现DSB波的电路有关。

抑制载波的双边带调幅波的时域和频域波形如图所示。

DSB波的包络不再与调制信号成正比关系，当改变正负符号时，DSB相应的跳转180度，如图所示。

图3DSB波时域波形与频域谱

DSB信号的频谱有如下特点：

（1）上、下边带均包含调制信号的全部信息。

（2）幅度减半，带宽加倍。

（3）线性调制。

1.2.2DSB解调原理

由抑制载波双边带调幅信号的频谱可知，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。

图4抑制载波双边带调制的相干解调

 将已调信号乘上一个同频同相的载波，如图4所示，可得到

（2）

用一个带通滤波器可以将上式中第1项和第2项分离，无失真地恢复出原始的调制信号。

这种调制方法又称为同步解调或相干解调。

相干解调的关键是必须产生一个同频同相的载波。

如果同频同相的条件得不到保证，则会破坏原始信号的恢复。

同步检波器用于对载波被抑止的双边带或单这带信号进行解调。

它的特点是必须外加一个频率和相位部与被抑止的载波相同的电压。

同步检波的名称即由比而来，外加载波信号电压加入周步检波器可以有两种方式：

一种是将它与接收信号在检波器中相乘，经低通滤波器后，检出原调制信号，另一种是权巳与接收信号相加，经包络检波器后取出原调制信号。

1.3电路设计

1.3.1调制电路

图5调制电路图

调制方式电力线载波机采用的调制方式主要有双边带幅度调制、单边带幅度调制和频率调制三种。

双边带幅度调制双边带幅度调制（AM）也称为双边带调幅。

在这种调制方式中，频率稳定的载频被音频信号所调制，使其幅度与调制信号的幅度成正比变化。

调制后的信号频谱包含原来的载频和上下两个边带。

两个边带的频率等于载频与调制音频的和（上边带）或差（下边带）。

双边带调幅占用的频带宽度为调制信号频带宽度的两倍。

这种方法所用电路简单，早期应用普遍。

它有以下缺点:

①接收频带宽，对噪声及干扰敏感。

②电力线载波通道日益增多，频率十分拥挤，而这种方式占用频带宽，故不能充分利用电力线载波频谱。

③必须发送对传输信息无用的载频.传输功率利用不充分，对其他电路形成干扰。

中国目前在35kV及以下的电力网中还有应用这种调制方式的载波机，工厂也有少量生产。

1.3.2解调电路

图6解调电路图

1.3.3总体电路

图7调制解调总电路图

1.3.4电路分析

（1）调制与解调电路分析

调制信号：

频率400Hz振幅40mV

载波信号：

频率40KHz振幅40Mv

调制电路：

设载波为:

uc（t）=Ucmcosωct（3）

单频调制信号为:

uΩ（t）=UωmcosΩt（Ω〈〈ωc）（4）

则双边带调幅信号为:

uDSB（t）=kuΩ（t）uc（t）=kUΩmUcmcosΩtcosωct［cos（ωc+Ω）t+cos（ωc-Ω）t］（5）

其中k为比例系数。

可见双边带调幅信号中仅包含两个边频,无载频分量,其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。

图8显示了单频调制双边带调幅信号的有关波形与频谱图。

图8双边带调幅波形与频谱图

需要注意的是,双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的变化,而且在调制信号波形过零点处的高频相位有180°的突变。

可以看出,在调制信号正半周,cosΩt为正值,双边带调幅信号uDSB（t）与载波信号uc（t）同相；在调制信号负半周,cosΩt为负值,uDSB（t）与uc（t）反相。

所以,在正负半周交界处,uDSB（t）有180°相位突变。

另外，双边带调幅波和普通调幅波所占有的频谱宽度是相同的，为2Fmax。

解调电路：

双边带调幅波中不含载波分量，用相乘器进行检波时，需要在接收端产生一个载波。

图9所示为双边带调幅波的相乘检波电路方框图。

图9双边带相乘解调电路框图

设输入为单频调制的双边带信号

us（t）=UscosΩtcosωct（Ω〈〈ωc）（6）

并假设本机载波信号与原载波信号同频不同相，即有相差φ，则

uL（t）=ULcos（ωct+φ）（7）

相乘器的输出信号

u’o（t）=KmUsULcosΩtcosωctcos（ωct+φ）

=1.6KmUsULcosΩt[cosφ+cos（2ωct+φ）]（8）

有用分量为

u’1（t）=1.6KmUsULcosφcosΩt（9）

无用分量为

u’’1（t）=1.6KmUsULcosΩtcos（2ωct+φ）

=1.6KmUsULcos[（2ωc-Ω）t+φ]+1.6KmUsULcos[（2ωc+Ω）t+φ]（10）

由上式可知，相乘器输出的无用分量的频率为2ωc±Ω，故滤波器对有用频率分量的传输系数应尽可能大，对无用频率分量2ωc±Ω的传输系数应尽可能小。

设滤波器对有用品频率分量Ω的传输系数为Kf,则整个检波器输出的有用信号为

uo（t）=KFu’1（t）=1.6KfKmUsULcosφcosΩt（11）

uo（t）与us（t）的幅度之比，即为检波器传输系数Kd。

且由以上公式可得

Kd＝1.6KfKmULcosφ（12）

由上式可以看出，为了增大检波器的传输系数，对恢复的载波，也称本机振荡电压的要求是：

①幅度UL应尽可能大，但不应超过相乘器的最大容许输入电压。

②本机振荡电压不但应与原载波电压同频，而且应同相。

因为φ＝0时，cosφ＝1，达最大值，相应地Kd也达到最大的可能值。

故此种相乘检波又称同步检波或相干检波。

低通滤波器的上截至频率应低于2倍高频载波频率，而高于最高调制频率。

1）求

对于DSB系统，解调器输入信号为

，与相干载波

相乘后，得

，经低通滤波器后，输出信号为：

（13）

因此，解调器输出端的有用信号功率为  

2）求

    解调DSB信号的同时，窄带高斯噪声

也受到解调。

此时，接收机中的带通滤波器的中心频率

与调制载波

相同。

因此，解调器输入端的噪声

可表示为

它与相干载波

相乘后，得

经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为

                                   （14）

故输出噪声功率为

                            （15）

根据式（17）和式（18），则有

                            （16）

这里，

为DSB信号带宽。

3）求

（17）

 综上所述，由式（18）及式（19），可得解调器的输入信噪比为

                                （18）

又根据式（12）及式（15），可得解调器的输出信噪比为

                             （19）

因而调制制度增益为

                                 （20）

由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。

这说明，DSB信号的解调器使信噪比改善了一倍。

这是因为采用同步解调，把噪声中的正交分量

抑制掉了，从而使噪声功率减半。

因为双边带信号不包含载波，所以发送的全部功率都载有信息，功率有效利用率高。

因此在本设计中，调幅模块我们采用的是抑制载波的双边带调幅信号。

（2）乘法器电路分析

双差分对电路：

它由两个单差分对电路组成。

V1，V2，V5组成差分对电路I。

V3，V4，V6组成差分对电路II。

双差分模拟乘法器由三对差分管组成，它实际上是利用三极管的某个PN结处于微导通状态时的非线形特性工作的。

PN结正向导通时截止区电流几乎为零，导通区，电流随电压的增加线形上升，而在微导通区，电流与电压呈非线性关系。

图10双差分乘法器电路

二、multisim软件简介

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在绘制电路图时只需打开器件库，再用鼠标左键选中要用的元器件，并把它拖放到工作区即可。

当光标移动到元器件的引脚时，会自动产生一个带十字的黑点，进入到连线状态。

单击鼠标左键确认后，移动鼠标即可实现连线，搭接电路原理图既方便又快捷，就像在计算机上进行实验一样。

三、仿真电路

3.1调制电路仿真

（1）载波是高频振荡信号，仿真波形如下图所示：

图11载波的时域波形仿真

（2）调制信号是低频基带信号，仿真波形如下图所示：

图12调制信号的波形仿真

（3）由于调制信号是正弦波，由傅立叶变换可得调制信号的频谱为冲激函数，仿真频谱图如下所示：

图13调制信号的频谱仿真

3.2解调电路仿真

3.2.1无噪声源时解调电路仿真

（1）DSB调幅调制过程中将载波完全抑制，产生原理是调制信号与载波信号直接相乘。

则其电路仿真波形如下所示：

图14DSB信号的时域波形仿真

（2）DSB信号的频谱只包含上变频和下变频，不包含载波频率，则其频谱图如下所示：

图15DSB信号的频谱仿真

（3）DSB信号解调出的是原调制信号，解调波形如下：

图16解调信号的波形仿真

3.2.2有噪声源时的解调电路仿真

加入噪声源后，由于噪声的干扰，从而使DSB信号产生严重失真，仿真波形所示：

图17加噪声源后的DSB信号波形

3.3仿真结果分析

（1）根据上图可知在无噪声源的情况下，结合电路本身的原因，信号在输出时无明显的失真。

（2）在有噪声源的条件下，信号在输出时有明显的失真。

（3）我们知道，比起普通条幅调制电路，DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。

这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一个正交分量

被消除的缘故。

四、参考文献

（1）吴慎山主编电子线路设计与实践北京：

电子工业出版社2005.9

（2）赵家贵主编电子电路设计北京：

中国计量出版社2005

（3）黄智伟主编电子电路计算机仿真设计与分析北京：

电子工业出版社2004.3

（4）侯丽敏主编通信电子线路北京：

清华大学出版社2008

（5）李秀人电子技术实训指导国防工业出版社

（6）谢沅清邓钢通信电子线路电子工业出版社

（7）王卫东傅佑麟高频电子线路电子工业出版社

（8）何希才新型电子电路应用实例科学出版社

五、总结

通过这次课程设计，我们拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。

设计的目的是在于通过理论与实际的结合，提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。

作为整个电子信息科学与技术学习体系的有机组成部分，课程设计虽然安排在每周一晚上进行，但并不具有绝对独立的意义。

它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。

运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。

检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。

对我们专业的本科生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。

这也是一次预演和准备毕业设计工作。

通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。

在一个星期的课程设计之后，我觉得不仅实际动手能力有所提高，更重要的是懂得设计流程，从开始设计思路，到实现，到纠正完善，再到最后设计论文的撰写，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。

在设计的过程中我遇到很多困难，例如multisim软件的学习，因为是第一次接触，所以对这个软件毫无理解。

资料的查找，后来从它的性能开始了解，设计各个击破，到最后终于完成了这次的期末课程设计。

总而言之，通过这次课程设计，我们获得了很多，但学海无涯，我们还得一如既往的努力踏实的学习，只有这样才能成为合格的人才。

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