第3章通信电子电路仿真实验任务书

1第3章通信电子电路仿真实验任务书随着通信技术的发展，通信电子电路的开发研究也离不开EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）技术。加拿大InteractiveImageTechnologiec（简称IIT公司）开发的EDA工具软件Multisim专用于电路级仿真和设计，其中的RF（射频）模块为无线通信系统的设计提供了强有力的分析工具。本章所制定的实验任务主要针对通信电子电路的仿真和分析，而通信电子电路所涉及的大多是RF电路，它与一般的低频电路有很大的区别，通信电子电路的特点主要有：1、大量使用谐振网络，谐振网络不仅提供选频所要求的工作频率，同时还使晶体管特性与输入或输出阻抗匹配。因此，谐振网络设计的好坏直接影响到通信电子电路的性能。2、不同频段使用的元器件不同，中波、短波和米波波段大都采用集中参数元件，如通常的电阻、电容和电感线圈，在器件方面主要采用晶体管、集成电路等；而微波波段则采用分布参数元件，如同轴线和波导等，此外，还需特殊的微波器件，如微波二极管、调速管、行波管及磁控管等；通信电子电路的仿真应根据工作频段使用相应的元器件或由Multisim中标准的RF元器件创建高频电路。3、需使用RF常用仪器，在通信电子电路的仿真分析中，除使用信号发生器、示波器等常规仪器外，还需使用频谱分析仪、波特图仪和网络分析仪等。频谱分析仪主要用于测量信号所包含的频率及频率所对应的幅度，通信系统中对信号频谱的测量和分析是很普遍的，例如，通过频谱分析确定载波信号的谐波成份以及调制到载波上信息的失真等，以此判断通信电路或系统的工作状况并确定需采取的措施。波特图仪用来测量和显示一个电路、系统或放大器幅频特性和相频特性的一种仪器，类似于实验室的扫频仪或矢量网络分析仪。网络分析仪是高频电路中经常使用的仪器之一，现实中的网络分析仪是一种测试双端口高频电路的S参数仪器，而Multisim10的网络分析仪除了可用于测量S参数外，也可用于测量H、Y、Z参量。通信电子电路的仿真分析和设计主要有：放大器类（包含射频放大器、中频放大器、选频放大器、功率放大器等）、振荡电路、变频电路、匹配电路等。电路的仿真分析工具可以帮助设计者根据功率增益、电压增益、输入输出阻抗、噪声性能、信号频谱状况等参数来研究通信电子电路。3.1通信电子电路仿真实验的基本要求和流程一、电路仿真实验的基本要求通信电子电路仿真实验作为“通信电子电路综合实验”的电路设计分析部分，其基本要求如下：1、了解无线通信收发系统的基本组成，掌握通信系统中各功能模块电路的的工作原理；2、了解并比较实际无线收发系统的原理图，掌握各单元电路的基本组成；3、掌握通信电子电路的仿真分析方法，能制定相应的电路仿真分析步骤，并能根据电路功能建立仿真电路；4、掌握通信电子电路技术指标要求，能根据技术指标仿真分析并调试电路元器件参数，使其达到设计要求；5、能对仿真结果归纳、分析和总结，并能撰写完整的电路仿真分析报告；6、能根据要求作简单、流畅的答辩。2二、电路仿真实验的基本流程通信电子电路仿真实验由个人独立完成，实验基本流程如下：1、根据自身在无线收发系统硬件实验中负责的实验任务，确定个人电路仿真实验的相关内容，熟悉并掌握仿真软件的使用方法；2、根据相关电路的仿真实验任务书，制定仿真分析步骤，改变电路或信号参数，记录相应仿真分析结果，最终实现验收；3、分析整理仿真实验数据，撰写仿真实验分析报告；通信电子电路的仿真实验，在确定仿真电路时，可以按射频通信收发系统中各单元电路为蓝本进行仿真分析，也可按照单元电路中的某功能实现电路进行仿真分析；电路形式可以是实现单一功能的电路仿真分析，也可以是包含多个功能电路的系统级仿真分析。通信电子电路仿真实验的任务书就是按照射频收发系统的单元电路模块制定的，包括发射单元的锁相频率调制、射频功率放大、幅度调制等电路，以及接收单元的接收变频、频率解调、幅度解调等电路，每类电路都给出了仿真的基本要求。给出的部分仿真例题仅为形式参考，具体仿真电路应根据基本要求自行设计或采用硬件实验中的相关电路作参考。3.2锁相频率调制仿真实验任务书无线调频通信系统中的锁相振荡单元电路中，包含有参考频率振荡器、压控振荡器调频、锁相频率合成等功能电路。3.2.1振荡器类电路仿真任务书一、仿真分析任务从原理上说，凡具有放大能力的集成器件或三极管都可用来组成振荡器。在电路形式上，高频段可选用LC振荡器，频率稳定度要求较高时，可选用石英晶体振荡器。主要技术指标有（载波）振荡频率、振荡波形、输出幅度、频率稳定度、振幅稳定度等。具体仿真分析任务如下：1、设计并画出实际电路图（确定各元件参数、振荡频率及电源电压）；2、选用相应虚拟仪器或信号源：3、考察并记录输出电压波形；4、考察并记录输出频谱图及振荡频率；5、改变某些参数（如直流工作点、电感电容或负载等），重复3和4，并对仿真结果进行分析。二、参考仿真电路图仿真电路一般应自行设计，也可用实际电路作参考，以下所列的仿真电路仅起参考作用。1、LC电容三点式振荡器图3-2-1是一个典型的克拉泼电路。其中R1、R2、R3、R4和R5为直流偏置电阻，C1、C2、C3和L1构成振荡回路。根据仿真分析任务，主要可做以下仿真分析工作：（1）观察并记录输出波形，确定振荡频率；改变电感L1，观察并记录输出频率的变化。验证理论计算值。（2）改变电容C2（相当于改变反馈系数），观察并记录振荡频率及幅度的变化，分析其原因。（3）测试静态工作点，改变偏置电阻，分析静态工作点对振荡输出信号的影响，也可做失真度分析等。3+-V112VVT12N2714R110kΩR210kΩ0.1uFC4820pFC130pFC3R5100ΩR31.5kΩ1000pFC2R41kΩ25uHL1图3-2-1LC振荡器仿真参考电路2、晶体振荡电路图3-2-2所示为串联型晶体振荡电路，晶体频率为6MHz，接入不同RL（110K、10K、1K）可影响回路Q值，调整电位器RP可改变电路静态工作点。根据技术指标及仿真分析任务，考察电路参数对振荡器输出信号的影响。图3-2-2晶体振荡器仿真参考电路3、“通信电子电路”实验箱中幅度调制单元电路中的晶体振荡器根据技术指标及仿真分析任务，考察电路参数对振荡器输出信号的影响。3.2.2频率调制电路仿真任务书一、仿真分析任务频率调制的实现方式有很多，如变容管直接调频、通过调相获得调频信号的间接调频及锁相调频等，其电路形式也多样。主要技术指标有调制特性、调制系数、调制灵敏度、线性范围等。具体仿真分析任务如下：1、设计并画出实际电路图（确定各元件参数、载波振荡频率及电源电压）；2、选用相应虚拟仪器或信号源：3、考察并记录输出电压波形和幅度；4、考察并记录输出频谱图及振荡频率；5、改变某些参数（如直流工作点、电感电容或负载等），重复3和4，并对仿真结果进行分4析。二、参考仿真电路图仿真电路一般应自行设计，也可用实际电路作参考，以下所列的仿真电路仅起参考作用。1、变容二极管直接调频电路图3-2-3是一个变容二极管直接调频电路，图中Q1为高频三极管2N4289，D2和D3为变容二极管ZC836A，电路为共基极电容三点式振荡器，振荡回路由L1、C1和C2及D2和D3构成，L2、L3和L4为高频扼流圈，C5、C6和C7为高频旁路电容。V3为变容管反向偏置电压，V2为调制信号。根据仿真分析任务，主要可做以下仿真分析工作：（1）设计并画出实际电路图（确定各元件参数、自由振荡频率及电源电压）；（提示：可选用三极管2N3393，变容二极管ZC836A）（2）不加压控电压时（压控电压为0时），观察并记录输出电压波形；（3）选用相应虚拟仪器或信号源，并可改变电路参数进一步做以下仿真分析；（4）确定压控电压值，观察并记录输出电压波形和频谱，测量并记录输出频率值；（5）改变压控电压值（正负电压等间隔各取5个），观察并记录输出电压波形，测量并记录输出频率值；（6）画出压控特性曲线并求压控灵敏度；（7）对仿真结果进行分析。1uFC72V~1.41V_rms150kHz0DegR24.3kΩL2120uHQ12N4289R31kΩR110kΩL110uH260pFC210nFC1C410uFL4120uH1uFC5L3120uH1000pFC6V1+-12VV3+-2VV2D3ZC836AD2ZC836A图3-2-3变容二极管直接调频仿真参考电路2、“通信电子电路”实验箱中锁相振荡单元电路中的VCO调频电路3、“通信电子电路”实验箱中锁相振荡单元电路中的锁相调频电路根据技术指标及仿真分析任务，考察电路参数对振荡器输出信号的影响。3.2.3锁相环电路仿真任务书一、仿真分析任务锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分电路组成，对锁相环电路的仿真可建立在对以上三部分电路仿真的基础上再连接成锁相环后进行。主要技术指标有锁定（或同步）范围等。具体仿真分析任务如下：51、模拟乘法鉴相器的仿真分析（1）确定模拟乘法器电路（如1495/1496乘法器内部电路图或乘法器模块电路）；（2）输入二个同频不同相的正弦信号（确定信号参数）；（3）选用相应虚拟仪器，观察并记录输出电压波形，测量输出电压值；（4）改变二个输入正弦信号的相位差（从-180度～+180度，注意：在仿真电路中，-30度相当于+330度），测量并记录输出电压值，作出输出电压随相位差变化的关系曲线；（5）对仿真结果进行分析。2、环路滤波器仿真分析（1）确定环路滤波器电路形式，画出实际电路图（确定各元件参数）；（2）选用相应虚拟仪器或信号源，确定输入信号的频率与幅度；（3）观察并记录输出电压波形，测量并记录输出电压值；（4）保持输入信号幅度不变，改变输入信号频率，重复（3）；（5）改变滤波器参数，重复（4）。（6）对仿真结果进行分析。3、压控振荡器仿真分析参见调频电路仿真任务。4、锁相环特性仿真分析将锁相环各部分电路连接组成完整锁相环电路，考察锁定或同步范围。二、参考仿真电路图1、1496模拟乘法器电路在通信电子电路中，很多功能的实现中都需要用到模拟乘法器，图3-2-4是1496集成模拟乘法器的片内电路，可用其实现信号相乘，进行鉴相、混频、调制及解调等仿真实验分析。根据技术指标及模拟乘法器鉴相仿真分析任务，考察其鉴相特性。图3-2-41496集成模拟乘法器电路2、仿真模块组成锁相环仿真电路如图3-2-5所示。采用模拟乘法器A1作为鉴相器，V2为压控振荡器，R1和C1构成环路滤波，直流电压V1用来调整压控振荡器的中心频率。VCO的输出连接在模拟乘法器“X”输入。根据仿真分析任务，主要可做以下仿真分析工作：（1）调整V1选定VCO的中心频率（可自行设置，图中为200KHz），当输入信号V3的频率在100～300kHz之间变化时，观测并记录输入、输出频率是否相同，考察锁相环的6锁定与失锁，分析仿真结果。（2）当输入信号V3的频率分别为100KHz和300KHz时，观察并记录环路滤波器的输出（电容C1端）波形及VCO的输出波形，考察环路的捕捉过程及频率的牵引作用，分析仿真结果。1kΩ0.1uFR3C1UXYK·XYA1V35V3.54V_rms100kHz0Deg10kΩR1R210kΩV1+7.8V-+-+-V2-1V1V~~5V/0V图3-2-5锁相环仿真参考电路2、“通信电子电路”实验箱中锁相振荡单元电路中的锁相环电路根据技术指标及仿真分析任务，考察锁相环路工作情况。3.2.4频率合成器仿真任务书频率合成是将一个高稳定度和高精度的频率（参考频率）经过变换产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术，是现代通信不可缺少的技术。其主要技术指标有频率范围、频率间隔、频率转换时间、频率稳定度和准确度、频谱纯度等。具体仿真分析任务如下：一、仿真分析任务1、确定参考频率、频率间隔及频率范围；2、设计并画出实际电路图（确定各元件参数及电源电压）；（提示：可采用数字锁相环CD4046、CMOS与非门及晶体构成的参考振荡器、分频器可选用计数器：CD4060、74HC19