杜路泉 : 基于 MATLAB 仿真的模拟乘法器 AM 波分析 2 振幅调制 AM 波的 MATLAB 仿真分析 AM 信号的时域表示式 :U m (t)=u c +k a U Ω cosωt, 由单一频率信号调幅可得 : u AM =U c (1+m a cosωt)cosω c t=u c [

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昨政喻
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1 第 37 卷第 11 期 2018 年 11 月绵阳师范学院学报 JournalofMianyangTeachers'Colege Vol.37 No.11 Nov.,2018 DOI: /j.cnki.cn /g 基于 MATLAB 仿真的模拟乘法器 AM 波分析杜路泉 ( 阿坝师范学院电子信息与自动化学院, 四川阿坝 ) 摘要 : 振幅调制 (AmplitudeModulation,AM) 是使载波的振幅按照所需传送信号的变化而变化, 但频率保持不变的调制方法在 AM 调制电路中, 要完成 AM 信号的低电平调制可采用频谱线性搬移电路来实现其中实现方法分为二极管电路或利用模拟乘法器产生普通调幅波基于对模拟信号幅度调制研究的目的, 采用 MATLAB 仿真的方法绘制出调幅波频谱, 分析幅度调制的波形和图像, 以及如何利用模拟乘法器来产生普通调幅波, 以此进一步了解振幅调制电路通过仿真软件 Multisim 构建电路并进行仿真分析, 改变电路参数分析调幅波波形, 对调幅电路参数设计和实际工程应用具有重要作用关键词 : 振幅调制 ;MATLAB;Multisim; 频谱 ; 电路参数中图分类号 :TN710 文献标志码 :A 文章编号 : X(2018) 引言现代通信中需要将信息传输, 进行远距离通信由于低频的信号不容易实现远距离传输, 需要将低频信号转换为高频信号, 再进行远距离传输振幅调制 AM 波就是将低频的信号调制到高频的载波上进行远距离传输在高频电子线路中, 多采用器件的非线性特性进行调制信号和载波信号的相乘, 以此实现信号的频谱搬移, 达到调制和解调的目的利用 MATLAB 对信号的振幅调制以及频谱进行分析, 设计硬件电路实现振幅调幅波, 并制作 AM 振幅调制的收音机 [1] 1 信号的调制调制就是把信号形式转化成适合在信道中传输的一种过程其具体过程就是用基带信号去控制载波信号调制分为振幅调制 (AmplitudeModulation,AM) 频率调制 (FrequencyModulation,FM) 相位调制 (Phase modulation,pm) u PM (t)=u C cos(w c t+m p cosωt) (1) 调幅在有线电或无线电通信和广播中应用甚广调幅波的表达式为 : u AM (t)=u M (t)cosω c t=u C (1+m a cosωt)cosω c t (2) 振幅调制可分为 : 普通调幅 (AM); 双边带调幅 (Bilateralbandamplitudemodulation,DSB), 双边带调幅信号中仅包含两个边频, 无载波分量, 其频带宽度仍为调制信号频率的 2 倍 ; 单边带调幅 (Singlesidebandam plitudemodulation,ssb), 单边带调幅信号中仅包含一个边频残留边带调幅 (VestigialSideBand-Amplitude Modulation,VSB), 发送信号包括一个完整边带载波及另一边带的小部分的调幅方法收稿日期 : 基金项目 : 阿坝师范学院 2017 年度质量工程项目 ( ). 作者简介 : 杜路泉 (1984-), 男, 四川南充人, 助教, 硕士, 研究方向 : 电路设计和信号分析 30

1 Spectrum analysisofamplitudemodulationsignal 将图 1 放大可以得到如图 2 所示的频谱信号, 其频谱有两个边带, 所以称为双边带调制 AM 调制还有一个注意事项就是直流分量 A 0 的大小,A 0 不能太小, 不然就会出现过调幅现象, 如图 3 所示图 2 AM 已调信号的频谱图 Fig.

2 杜路泉 : 基于 MATLAB 仿真的模拟乘法器 AM 波分析 2 振幅调制 AM 波的 MATLAB 仿真分析 AM 信号的时域表示式 :U m (t)=u c +k a U Ω cosωt, 由单一频率信号调幅可得 : u AM =U c (1+m a cosωt)cosω c t=u c [ cosω c t+ 1 2 m acos(ω c +Ω)t+ 1 2 m acos(ω c -Ω) ]t (3) 可见, 调幅波并不是一个简单的正弦波, 包含有三个频率分量 : 载波分量 ( 不含消息 ), 上边频分量和下边频分量 ( 均含消息 ) 根据以上式子可以知道 AM 的频谱就是对直流分量和调制信号的频谱进行了搬移如图 1 所示图 1 振幅调制信号频谱分析 Fig.1 Spectrum analysisofamplitudemodulationsignal 将图 1 放大可以得到如图 2 所示的频谱信号, 其频谱有两个边带, 所以称为双边带调制 AM 调制还有一个注意事项就是直流分量 A 0 的大小,A 0 不能太小, 不然就会出现过调幅现象, 如图 3 所示图 2 AM 已调信号的频谱图 Fig.2 Spectrum diagram ofam modulatedsignal 图 3 AM 过调制情况 Fig.3 ConditionsofAM overmodulation 因为抑制载波的双边带调制 DSB 信号的包络与调制信号的波幅变化规律不同, 所以不能进行包络检波在解调时需要采用相干解调,DSB 信号的频谱除不含有载频分量的离散谱外, 其信号频谱和 AM 调幅波的频谱一致它具有上边带和下边带, 信号带宽是基带信号的两倍 [2] 31

绵阳师范学院学报 ( 自然科学版 ) DSB 信号的时域表示式 S DSB (t)=m(t)cosω c t, 频谱为 DSB 的相干解调模型如图 4 所示 S DSB (ω)= 1 2 [M(ω+ω c)+m(ω-ω c )] (4) DSB 的时域波形和频谱如图 5 所示图 4 DSB 调制器模型 Fig.4 DSBmodulatormodel 图 5 DSB 调制时域和频域波形 Fig.

3 绵阳师范学院学报 ( 自然科学版 ) DSB 信号的时域表示式 S DSB (t)=m(t)cosω c t, 频谱为 DSB 的相干解调模型如图 4 所示 S DSB (ω)= 1 2 [M(ω+ω c)+m(ω-ω c )] (4) DSB 的时域波形和频谱如图 5 所示图 4 DSB 调制器模型 Fig.4 DSBmodulatormodel 图 5 DSB 调制时域和频域波形 Fig.5 TimeandfrequencywaveformsofDSBmodulation 图 5 中, 调制后的信号频谱并没有产生新的频谱分量, 而是将调制信号的频谱进行一个简单的搬移, 将其搬移到了载频的附近 DSB 调制虽然降低了载波功率, 但它所需的传输带宽还是调制信号带宽的两倍可以注意到 DSB 的两个边带都包括了信号所有频谱成分, 所以可以只传输一个边带, 这种单边带调制就是 SSB 调制,SSB 调制有两种方法, 分别是滤波法和相移法图 6 给出了滤波法的 SSB 调制仿真分析 [3] 从图 7 图 8 看出, 带通滤波器滤除下边带, 只剩下上边带, 这就是滤波法的 SSB 调制 32

4 杜路泉基于ＭＡＴＬＡＢ仿真的模拟乘法器ＡＭ波分析图６ＳＳＢ滤波法调制Ｆ６ＳＳＢｎｇｍｄｕｎ图７滤波前波形图８滤波后波形Ｆ７ＰｎｇｗｖｍＦ８Ａｎｇｗｖｍ３振幅调制ＡＭ波的电路设计与实现调制实际上是频谱的线性搬移而频谱搬移电路核心部分是相乘器要实现相乘可以采用霍尔效应相乘法对数反对数相乘法可变跨导相乘法等其中可变跨导相乘法具有电路简单易于集成工作频率高等特点其应用较为广泛这些电路除了可以实现信号的调制之外还可以实现解调混频鉴频及鉴相等功能其核心电路都是差分对电路５４３３

绵阳师范学院学报自然科学版图９中的耦合回路是电极的负载设滤波回路对输出频率分量呈Ｖ３射极接有大电阻来削弱现的阻抗为ＲＬ恒流源Ｉ０通过尾管Ｖ３提供Ｖ３射极发射结非线性电阻的作用７其中ｕａＵｃ ω为非线性通道ｕｂＵ２ｃ ω２为线性通道集电极负载为滤波回路滤波回路或滤波器的种类和参数可以根据需求不同进行功能设计若当忽略ｕｂ３则有ｕｂｕ

5 绵阳师范学院学报自然科学版图９中的耦合回路是电极的负载设滤波回路对输出频率分量呈Ｖ３射极接有大电阻来削弱现的阻抗为ＲＬ恒流源Ｉ０通过尾管Ｖ３提供Ｖ３射极发射结非线性电阻的作用７其中ｕａＵｃ ω为非线性通道ｕｂＵ２ｃ ω２为线性通道集电极负载为滤波回路滤波回路或滤波器的种类和参数可以根据需求不同进行功能设计若当忽略ｕｂ３则有ｕｂｕＩｎｈＡＯＥＶＴ ( ) ( ) ５ｕａ２６ｍＶ情况下有考虑ｕｂｕａＩＯＥ２ＶＴ ( ) ６３普通调幅电路ＡＭ波分析０的仿真电路中设置好电路中各个电子元件的参数如电阻电源示波器等器件的参数进行仿真分析示波器上可以观察到调幅波调制信号的波形如图所示图９差分对电路设计Ｆ９Ｄｇｎｄｎｐｃｃｕ图０普通调幅波仿真电路Ｆｇ０Ｎｍｍｐｕｄｍｄｕｄｗｖｍｕｎｃｃｕ图ＡＭ调幅波仿真波形ＦＡＭｍｐｕｄｍｄｕｄｗｖｍｕｎｗｖｍ３４

杜路泉基于ＭＡＴＬＡＢ仿真的模拟乘法器ＡＭ波分析３２抑制载波的双边带调制电路ＤＳＢ分析如图２图３所示设置电路各个元件的参数进行仿真分析

所以双边带幅度调制有更高的功率利用率９３ＤＳＢ电路仿真分析２ＤＳＢ调幅电路Ｆ３ＤＳＢｃｃｕｍｕｎｎｙＦ２ＤＳＢｍｐｕｄｍｄｕｎｃｃｕ３３

Ｓｍｕｎｗｖｍｍｐｕｄｍｐｕｄｍｄｕｎｇｎｍｄｕｎｇｎｄｍｄｕｎ４收音机电子线路的设计收音机的硬件电路由各种电子器件机械磁铁等组成

6 杜路泉基于ＭＡＴＬＡＢ仿真的模拟乘法器ＡＭ波分析３２抑制载波的双边带调制电路ＤＳＢ分析如图２图３所示设置电路各个元件的参数进行仿真分析从示波器上可以观察到双边带调制信号双边带调制相对于简单幅度调制最大的特点就是节省了传输功率因为简单幅度调制里加了一个直流分量而双边带调制没有直流分量所以双边带幅度调制有更高的功率利用率９３ＤＳＢ电路仿真分析２ＤＳＢ调幅电路Ｆ３ＤＳＢｃｃｕｍｕｎｎｙＦ２ＤＳＢｍｐｕｄｍｄｕｎｃｃｕ３３调幅信号的解调下面利用二极管进行调幅信号的检波分析给出了电路设计和解调波的仿真波形５见图４图５４调幅信号解调图５调幅波信号解调仿真波形Ｆ４ＤｍｄｕｎＦ５Ｓｍｕｎｗｖｍｍｐｕｄｍｐｕｄｍｄｕｎｇｎｍｄｕｎｇｎｄｍｄｕｎ４收音机电子线路的设计收音机的硬件电路由各种电子器件机械磁铁等组成用电源能量将微波信号转换为语音信号利用硬件电路将微波信号进行解调转换为语音信号的仪器基本原理就是利用信号调频调制信号的解调等手段转换为声音信号送到喇叭或者耳机６给出了收音机电路的原理框图０实物如图７６收音机的原理框图Ｆ６Ｓｃｈｍｃｄｇｍｄ３５

7 绵阳师范学院学报 ( 自然科学版 ) 本文中, 收音机的硬件电路采用芯片 CXA1691M 芯片设计由于在集成电路中不方便集成电容电感和电阻等器件, 因此在外围电路中需要添加相关器件, 以实现电路的各种控制, 如谐振供电滤波耦合等功能 5 结论图 17 焊接收音机实物图 Fig.17 Physicalpictureofweldingradio 本文利用 MATLAB 仿真软件对 AM 波双边带调制 DSB 信号单边带调制 SSB 信号, 通过对比分析了载波信号随调制信号的幅度变化而变化, 同时分析了信号在频域频谱的差异针对振幅调制与解调搭建相关硬件电路, 利用 Multisim 软件进行电路仿真分析, 给出了调幅波仿真信号和解调仿真信号根据电路原理图, 以集成芯片 CD1691M 为主控芯片焊接并调试收音机电路, 进行振幅调制 AM 波的解调, 能够清晰的接收 AM 波信号参考文献 : [1] 左环宇, 郝新红. 调频多普勒引信抗调幅干扰性能分析 [J]. 北京 : 北京航空航天大学学报,2017,43(10): [2] 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理 [M].7 版. 北京 : 国防工业出版社,2017: [3] 曾兴雯. 高频电率原理与分析 [M].6 版. 西安 : 西安电子科技大学出版社,2017: [4] 李娜, 穆海芳, 刘鹏. 无线电振幅调制电路设计 [J]. 河北北方学院学报 ( 自然科学版 ),2015,31(3): [5] 张立立, 杨华, 孟祥博. 基于 Multisim 的振幅调制解调系统的设计与仿真 [J]. 实验技术与管理,2017,34(12): [6] 姬翔. 调幅正弦信号参数估计方法研究及精度分析 [D]. 大连 : 大连海事大学,2015: [7] 周宇, 杨慧婷. 基于调频率调制的雷达通信共享信号研究 [J]. 电子科技大学学报,2017,46(6): [8] 陈学卿, 莫禾胜, 邓莉. 基于 Multisim1.0 的高频电路实验教学分析 [J]. 桂林航天工业学院学报,2013(2): [9] 程秀英, 侯卫周. 基于 Multisim10.1 的抗载波 DSB 调幅电路的仿真分析 [J]. 实验技术与管理,2012,29(8): [10] 张颖. 基于 MC1496 的振幅调制同步检波电路的实现与仿真 [J]. 电工研究,2012(11): [11] 涂春雷. 双频微带天线的研究与仿真设计 [D]. 南昌 : 江西师范大学,2014: [12] 李美凤, 贾伟伟, 付会凯. 基于 labview 和 Multisim 的 RLC 串联电路暂态响应仿真研究 [J]. 自动化与仪器表,2018(1): [13] 吴春林, 吴凌燕, 王守权, 等. 基于 Multisim 与 Proteus 的功率因数提高仿真研究 [J]. 计算机与数字工程,2017(9): [14] 汪海波, 蒋先伟, 王菲菲, 等. 基于 Multisim 的负反馈电路性能分析 [J]. 合肥师范学院学报,2017,35(6): [15] 罗鹏, 许海峰, 曹吉花, 等. 基于 Multisim14 的窄带高频功率放大器仿真研究. 佳木斯大学学报 ( 自然科学版 ),2017,35 (6): ( 下转第 55 页 ) 36

8 ( 上接第 36 页 ) AnalysisontheAmplitudeModulatedWaveofAnalogue MultiplierBasedonMATLABSimulation DULuquan (SchoolofElectronicInformationandAutomation,AbaTeachers'Colege,Aba,Sichuan ) Abstract:AmplitudeModulation(AM)makesamplitudeofcarierchangingwiththesignals,butfrequencyof carierremainsunchanged.intheamplitudemodulation,spectrallinearshiftcircuitcanbeusedtorealizethelow levelmodulationofam signal.thesolutionsincludediodecircuitandordinaryamplitude-modulatedwavethat generatedbyanaloguemultiplier.inordertoresearchthemodulationofanalogysignal'samplitude,themethodof MATLABsimulationisusedtomapthespectrumofAMwave.AccordingtoanalyzethewaveformandimageofAM andhowtousematlabanaloguemultipliergeneratingordinaryam,theam circuitisdeeplyresearched.itcan guidepracticalengineeringapplicationandam circuitparameterdesignbychangingthecircuitparametersthrough multisimsoftwaresimulation. Keywords:amplitudemodulation,MATLAB,multisim,frequencyspectrum,circuitparameter ( 责任编辑 : 陈桂芳 ) 55

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