基于Multisim调制解调仿真电路设计
春芽电子科技 春芽ing
摘 要
通信电路系统中实现调制解调方法很多，而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来鉴频实现调制解调因为工作稳定、失真度小、信噪比高等优点被广泛应用。本课题分别设计2ASK、2PSK、2FSK的调制解调电路，功能是数字基带信号经过调制输出模拟信号，然后运用锁相环进行解调出数字信号，所以调制解调电路都运用Multisim软件进行仿真分析。对2ASK、2FSK、2PSK解调电路时低通滤波器输出的波形失真比较大，经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。整个硬件电路设计中，尽量做到电路简单实用，基本达到功能要求。 关键词：调制解调，Multisim仿真，锁相环
Abstract
Communication circuit system to achieve a lot of modulation and demodulation, and the phase-locked loop frequency demodulation is the use of modern technology to achieve phase locked loop demodulation because the work is stable, low distortion, high signal noise ratio is widely used. This topic design of 2ASK, 2PSK, 2FSK modulation and demodulation circuit function is digital base band signal after the modulation output analog signal, then use the PLL to demodulate the digital signal, so modulation and demodulation circuit use Multisim software simulation analysis. The waveform distortion of the low pass filter output of 2ASK, 2FSK and 2PSK demodulation circuits is relatively large, and the digital baseband pulse can be regenerated by the sampling decision circuit. Throughout the hardware circuit design, as far as possible to achieve a simple and practical circuit, the basic requirements to achieve functional.
Keywords: Modulation and Demodulation, Multisim Simulation, Phase Locked Loop
目 录
摘 要 ................................................................................................................................................ 1 Abstract ............................................................................................................................................. 1 1绪论 ............................................................................................................................................... 3
1.1课题研究背景 ..................................................................................................................... 3 1.2 国内外发展现状 ................................................................................................................ 3 1.3 课题主要研究内容 ............................................................................................................ 3 2 锁相环基本原理 ........................................................................................................................... 4
2.1基本组成 ............................................................................................................................. 4 2.2工作原理 ............................................................................................................................. 4 3 2FSK调制解调电路设计 ............................................................................................................. 6 3.1 2FSK调制电路设计原理 .................................................................................................. 6 3.2 2FSK调制单元电路的设计 .............................................................................................. 6 3.3 2FSK解调单元电路的设计 ............................................................................................ 10 3.4 2FSK解调电路的整体设计 ............................................................................................ 12 4 2PSK调制解调电路设计 ........................................................................................................... 13 4.1 2PSK调制解调电路设计原理 ........................................................................................ 13 4.2 2PSK调制与解调电路的设计与仿真............................................................................. 14 5 2ASK调制解调电路设计 ........................................................................... 错误！未定义书签。 5.1 2ASK调制解调电路设计原理 ........................................................ 错误！未定义书签。 5.2 2ASK调制与解调电路的设计与仿真 ............................................ 错误！未定义书签。 6 调制解调仿真分析 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 7 总结与展望 ................................................................................................................................. 20 参考文献......................................................................................................................................... 21 致 谢 .............................................................................................................................................. 22
1绪论
1.1课题研究背景
通信电路系统中实现调频波解调的方法有很多，然而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来鉴频实现调制解调方法，具有工作稳定、失真度小、信噪比高优点，目前已经广泛应用于工程实践中。锁相环电路的英文全称是Phase-Locked Loop，英文简称是PLL，主要作用是使电路相位同步。锁相环由于可以实现输出信号对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环电路经常应用于闭环跟踪电路。锁相环电路工作过程中，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[1]。 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ω0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ω0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ω0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[2]。
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[3]。 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[4]。
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]。
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PLL。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[8]。
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。
PD LFVCO
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）UoU
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：
ui?t??Umsin???it??i?t??? （2-1） uo?t??Uomcos???ot??o?t??? （2-2）
式中的ω0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：
UD?KUmUomsin[?it??i(t)]cos[?ot??o(t)] （2-3）
11UD?KUmUom{sin[?it??i(t)]?cos[?ot??o(t)]}?KUmUom{sin[?it??i(t)]?cos[?ot??o(t)]}
22（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：
Uc(t)?1KUmUomsin{[?it??i(t)]?[?ot??o(t)]} （2-6） 2?Udmsin{[?it??ot]?[?i(t)??o(t)]} （2-7）
式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，?i(t)和?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
?(t)???(t)dt??do （2-9）
则，瞬时相位差θd为
?d?[?it??ot]??i(t)??o(t) （2-10）
d?(t)） （2-11） dt对两边求微分，可得频差的关系式为
d?dd(?it??ot)d[?i(t)??o(t)] （2-12） ??dtdtdt上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率
?(t)?和相位保持恒定不变的状态，Uc(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[9]。
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ωu以ω0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
?u(t)??o?K0uc(t) （2-13）
图2.3 压控特性
上式说明当Uc(t)随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu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ω0=ωi的状态不变。
3 2FSK调制解调电路设计
3.1 2FSK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：
S(t) 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：
f1振荡器选通开关反相器相加器e（t）f2振荡器选通开关
图3.2 键控法
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。
变频电路（产生正弦波）开关4066BD双D触发器2f1变频电路（产生正弦波）基带信号脉冲信号f12FSK
图3.3 2FSK调制原理图
3.2 2FSK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-50dB。
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f1=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。
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
1 ，选频网络如图3.6所示。 数： f ? LC2?
图3.6 变频电路图
（3）2FSK调制的整体电路图的设计
图3.7 2FSK的Multisim调制仿真电路图
（4）2FSK调制电路的仿真
图3.8 脉冲信号输出波形
图3.9 变频电路输出波形
图3.10 2FSK的仿真效果图
3.3 2FSK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。
调制信号模拟乘法器低通滤波器抽样判决基带信号定时脉冲压控振荡器 图3.11 2FSK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。
Uo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ωu
以ω0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
?u(t)??o?K0uc(t) （3-1）
图3.14 压控特性
上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu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ω0=ωi的状态不变。压控振荡器的电路图如图3.15所示：
Ui（t）U
图3.15压控振荡器
（4）抽样判决电路LM311
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。引脚功能如下。
1脚 GROUND/GND 接地 2脚 INPUT+ 正向输入端 3脚 INPUT- 反相输入端 7脚 OUTPUT 输出端 5脚 BALANCE 平衡 6脚 BALANCE/STROBE 平衡/选通 8脚 V+ 电源+
4脚 V- 电源- 图3.16 LM311引脚图
图3.17 抽样判决电路图
3.4 2FSK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。
图3.18 2FSK的Multisim的解调仿真电路
图3.19 2FSK的Multisim解调电路的仿真
4 2PSK调制解调电路设计
4.1 2PSK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]。
s(t)码型变换双极性不归零乘法器e2psk(t)cos?ct图
0
模拟调频法
开关电路cos?ct180移相0e2psk(t)?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。
调制信号模拟乘法器低通滤波器抽样判决基带信号定时脉冲压控振荡器图4.3解调原理框图
4.2 2PSK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。
图4.4 2PSK调制解调电路图
2PSK调制仿真图与解调后的仿真图如图4.5所示。
图4.5 2PSK调制解调电路图仿真结果
5 2ASK调制解调电路设计
5.1 2ASK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]。
s(t)乘法器e2ask(t)cos?ct图5.1模拟相乘法
开关电路
cos?cte2ASK(t)s(t)
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。
图5.3非相干解调方式
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。
调制信号模拟乘法器低通滤波器抽样判决基带信号定时脉冲压控振荡器
图5.5 2ASK解调原理框图
5.2 2ASK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]。2ASK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5.6 2ASK调制解调电路图
图5.7 2ASK调制解调仿真图
6 调制解调仿真分析
由于在解调2ASK、2FSK、2PSK时的数字基带信号都为1KHz，而在解调时压控震荡器的中心频率都为1KHz，所以本涉及中三个信号的解调电路都是一样的。锁相环鉴频电路环路输入频率跟随输出频率变化，即跟踪，实现环路锁定困难，会出现毛刺。低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以很好的解调出数字基带脉冲[14]。
在解调设计选取参数时，发现低通滤波器中C2的值最影响波形的输出，以2FSK解调为例，一开始我在C2设为10nF，出来的波形如图6.1所示。
图6.1 C2=10nF时的波形
可见解调出来的基带信号出现严重失真。后经过不断的尝试改变C2的值，最终把C2的值设为100nF，终于解调出很好的数字基带信号如图6.2所示。
图6.2 C2=100nF时的波形
7 总结与展望
本设计首先介绍锁相环技术发展的现状、方向以及背景，并对PLL的原理进行阐述。在此基础上分别设计2ASK、2PSK、2FSK的调制解调电路，其功能为数字基带信号经过调制输出一个模拟信号，然后用锁相环进行解调，最后采用Multisim软件进行仿真。在对2ASK、2FSK、2PSK解调时，低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。在整个电路设计中，力求要做到电路简单，并完成任务书提到的要求。
本次毕业设计中，我充分体会到熟练运用相关软件的重要性，不像以前做的课程设计，并没有多少工作在计算机里实现的，就仅仅画出了电路图之后用元器件在面包板上搭电路就行了。本次毕业设计都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到参数调节，可以说每一步都很艰难，每一步都是我一步一个脚印结结实实踩下去的。通过毕业设计，我增强对通信电子技术的理解，学会查寻资料﹑比较方案，学会通信电路的设计﹑计算；进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会，锻炼分析﹑解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与仿真加深对基本原理的了解，增强了工程实践能力。
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致 谢
毕业设计完成之际，意味着我们大学四年的学习任务将划上句号。四年的大学生活让我们每个人都学到很多东西，大学是我们每个人一段宝贵的人生经历，真诚的感谢这四年来培育我的老师们“传道、授业、解惑”，老师们教给我们太多太多，在毕业后的人生当中，我们一定认真做人，严谨做学问。
首先感谢我的毕业设计指导老师X老师在整个毕业设计过程中对我的认真指导和无微不至的关怀，从任务书下达开始X老师就严格要求我们，对我们提出明确目标和期望，建议我们合理和科学地制定毕业设计阶段规划，对于任务书他都亲自书写并给每个同学都推荐毕设相关的参阅资料。遇到问题X老师教我们先独立思考寻求途径力求解决，实在不懂的时候再给予我们提示和解答，一点一点循序善诱让我们学到更多属于自己的东西。本次设计我学会用Multisim仿真软件进行硬件电路设计和仿真，刚学习对电路模型的仿真过程中遇到很多问题，X老师一直都是很耐心的讲解，帮我找出问题的根源。
最后，感谢所有在的大学期间给予我帮助和支持的老师和同学们，同时感谢参加论文评审、评阅和答辩的各位老师，谢谢你们对我的毕业设计论文提出宝贵的意见和建议。