基于Multisim的DSB的调制与解调电路的仿真分析

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Multisim的DSB的调制与解调电路的仿真分析**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第1页学生：***指导教师：***电气信息工程学院通信工程专业1课程设计的任务与要求1.1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。1.2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。1.3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：twtuktucacos)()(0显然，它与调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在0mV上下按调制信号规律变化。这样，当调制信号)(tu进入负半周时，)(tuo就变为负值。表明载波电压产生0180相移。因而当)(tu自正值或负值通过零值变化时，双边带调制信号波形均将出现0180的相移突变。双边带调制信号的包络已不再反映**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第2页)(tu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，并可用相乘器作为双边带调制电路的组成模型，如图所示，图中acmMkVA。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：twUtuccMccos)(。调制信号为：tMtmcos)(00。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，其数学表达式为：)()()(0tmtuKtSmc=tMtwUKccMcoscos0=2)cos()cos(0twtwMKUcccM图3DSB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)(0tmtwVccmcostwtmVAtsccmMmcos)()(0xyAMxy**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第3页失真地恢复出原始基带信号。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：twKUtSmccMcos)(本机载波电压为：twUtuccMccos)(解调波的表达式：)()()(0tutSmKtm=tStwUKmccMcoscos=2)cos()cos(twtwUKSccMm2DSB的调制与解调系统方案制定2.1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Stm)(twVccmcos)()()(0ttuKtmsmcxyAMxy**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第4页谱的结构不同。这里重点研究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4DSB调制与解调的系统框图2.2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=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。3DSB的调制与解调系统方案设计3.1各单元模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调制信号输入tMtmcos)(00高频载波信号twUtuccMccos)(调制信号输出twtmVAtsccmMmcos)()(0高频载波信号twUtuccMccos)(相乘器相乘器解调信号输出)()()(0ttuKtmsmc**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第5页复原调制信息的过程。图5DSB的调制电路部分图6DSB的解调电路部分3.2电路参数的计算及元器件的选择**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第6页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。3.3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7~36V，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3.4系统整体电路图**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第7页图10系统整体电路图4Multisim软件系统仿真和调试4.1仿真软件介绍Multisim软件前身是加拿大IIT公司在20世纪八十年代后期推出的电路仿真软件EWB（ElectronicsWorkbench）,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（NationalInstrument，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。**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第8页4.2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12同步检波器输入的双边带信号（上）及其输出信号（下）**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第9页4.3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()mtS为已调信号，()nt为加性高斯白噪声。()mtS和()nt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()mtS、噪声为高斯窄带噪声()int，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()omt，噪声为()ont。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()()cosmcstmtt与相干载波cosct相乘后，得211()cos()()cos222ccmttmtmtt经低通滤波器后，输出信号为1()()2omtmt因此，解调器输出端的有用信号功率为221()()4ooSmtmt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，因此解调器输出端的窄带噪声()int可表示为()()cos()siniccscntnttntt它与相干载波相乘后，得**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告第10页()cos[()cos()sin]11()[()cos2()sin2]22icccsccccscnttnttnttntnttntt经低通滤波器后，解调器最终的输出噪声为1()()2ocntnt故输出噪声功率为2211()()44oocoNntntnB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2221()[()cos]()2icmSstmttmt可得解调器的输入信噪比21()2iiomtSNnB同时可得解调器的输出信噪比221()()414oooimtSmtNnBN因此制度增益为2ooDSBiiSNGSN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()snt被消除的缘故。4.4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带处，与书中DSB信号的调制理论一致。