基于Multisim的调幅电路的仿真

摘要：介绍了在Multisiml0仿真平台中构成集成电路模块的方法．并基于

MuhisimlO仿真软件，对各个调幅电路进行仿真。依据仿真原理电路设计实物电路进行测试，并对仿真结果和实际电路测试所得数据进行分析比较。 关键词：调制调幅：包络检波；负峰切割失真；同步检波；Muhisiml0

1. 前言

信号调制可以将信号的频谱搬移到任意位置，从而有利于信号的传送，并且是频谱资源得到充分利用。调制作用的实质就是使相同频率范围的信号分别依托于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需的频率信号，不致相互干扰。而要还原出被调制的信号就需要解调电路。调制与解调在高频通信领域有着广泛的应用，同时也是信号处理应用的重要问题之一，系统的仿真和分析是设计过程中的重要步骤和必要的保证。论文利用Multisim提供的示波器模块，分别对信号的调幅和解调进行了波形分析。

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。与AM信号相比，因为不存在载波分量，DSB调制效率是100%。我们注意到

DSB信号两个边带中任意一个都包含了M(w)的所有频谱成分，所以利用SSB调幅

可以提高信道的利用率，所以选择SSB调制与解调作为课程设计的题目具有很大的实际意义。

论文主要是综述现代通信系统中AM ,DSB,SSB调制解调的基本技术，并分别在时域讨论振幅调制与解调的基本原理, 以及介绍分析有关电路组成。此课程设计的目的在于进一步巩固高频、通信原理等相关专业课上所学关于频率调制与解调等相关内容。同时加强了团队合作意识，培养分析问题、解决问题的综合能力。

2. 基本理论

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，最常用的模拟调制方式是用正弦波作为载波的调幅(AM)、

调频(FM)、调相 (PM)三种。解调是与调制相反的过程，即从接收到的已调波信号中恢复原调制信息的过程。与调幅、调频、调相相对应，有检波、鉴频和鉴相[1]。

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谱的结构不同。

3. 利用仿真软件 Multisim 10对AM电路仿真分析

3.1 AM信号的数学表达式

AM信号是载波信号振幅在Vm0上下按输入调制信号规律变化的一种调幅信号，表达式如下：

vo(t)Vm0kau(t)coswct （1）

由表达式（1）可知，在数学上，调幅电路的组成模型可由一个相加器和一个相乘器组成，如图3.1.1所示。图中，AM为相乘器的乘积常数，A为相加器的加权系数，且Ak,AMAVcmka

u(t) uc(t) 调幅电路 uo(t) u(t) AMxy x uc(t) + +A uo(t) y 图3.1.1 普通调幅（AM）电路的组成模型

设调制信号为：

u(t)=EcUMcost

载波电压为：

uc(t)UcMcoswct

上两式相乘为普通振幅调制信号：

us(t)K(ECUcMcost）UcMcoswct

=KUcM(EC+UMcost)coswct =KUcMEc(1Macost)coswct =US(1Macost)coswct式中,MaUM （2）

EC称为调幅系数(或调制指数) ，其中0＜Ma≤1。而当Ma＞1

时，在t附近，uc(t)变为负值，uc(t)它的包络已不能反映调制信号的变化而造成失真，通常将这种失真成为过调幅失真，此种现象是要尽量避免的。

3.2 普通调幅（AM）信号的波形

在Multisim仿真电路窗口中创建如图3.1.2所示的由乘法器(K=1)组成的普通调幅(AM)电路，在该电路中，直流电压源 Ec(图中V1)和低频调制信号U(t) (图中V2)分别加到乘法器A1的X输入端口，高频载波信号电压Uc(t) (图中V3)加到乘法器的Y输入端口。将示波器的A、B通道分别加到乘法器的X输入端口、乘法器的输出端口，其构成如下图3.2.1所示：

图3.2.1乘法器组成的普通调幅(AM)电路

载波和调幅波的波形如图：

我们使ma0.4

我们使ma0.8

我们使ma1

我们使ma1.4

从图中可以看出已调波的包络形状与调制信号不一样，产生了严重的包络失真，这种情况称为过调失真，在实际应用中应尽量避免。

因此,在振幅调制仿真过程中可以得出如下结：为了保证已调波的包络真实地反映出调制信号的化规律，避免产生过调失真，要求调制系数Ma必满足03.3 普通调幅（AM）信号的解调

解调（Demodulation）是调制的逆过程。振幅调制信号的解调电路称为振幅检波电路，简称检波电路（Detector），它的作用是从振幅调制信号中不失真地检出调制信号来。对于普通调幅信号来说，它的载波分量未被抑制掉，可以直接利用非线性器件实现相乘作用，得到所需

的解调电压，而不必另加同步信号，通常将这种振幅检波器称为包络检波器。

对于包络的解调，我们可以采用以下的解调电路 。选用合适的电容，电阻。

检波后得到的图形，与以调波的幅度、波形符合。并没有产生失真。

解调（Demodulation）是调制的逆过程。振幅调制信号的解调电路称为振幅检波电路，简称检波电路（Detector），它的作用是从振幅调制信号中不失真地检出调制信号来。对于普通调幅信号来说，它的载波分量未被抑制掉，可以直接利用非线性器件实现相乘作用，得到所需的解调电压，而不必另加同步信号，通常将这种振幅检波器称为包络检波器。目前应用最广的是二极管包络检波器。

由于参数的选择，检波器容易惰性失真。在二级管截止期间，电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。如果电容放电速度很慢，使得输出电压不能跟随输入信号包络下降的速度，那么检波输出将与输入信号包络不一样，产生失真。

把由于RC时间常数过大而引起的这种失真称为惰性失真或者对角线切割失真。如图3.3.2：

图3.3.2检波器出现惰性失真时的输出波形

惰性失真电路图如图3.3.3

图3.3.3惰性失真电路图

同时还有一种失真，底部切割失真。如图3.3.3

产生这种失真是因为交直流负载不同引起的。要避免底边切割失真，一定要设法增大交流阻抗和直流阻抗的比值。如图3.3.4

图3.3.4 检波器出现负峰切割失真时的输出波形

由上面三图可得如下结论：当用二极管包络检波法解调普通调幅波时，要选

[7]

择合适的电路参数。

负峰切割失真电路图如图3.3.5

4. 利用仿真软件Multisim 10对DSB电路仿真分析

4.1 DSB信号的数学表达式

抑制掉调幅信号频谱结构中无用的载频分量，仅传输两个边频的调制方式成为抑制载波的双边带调制，简称双边带调制，并表示为：

u0(t)kau(t)coswct

显然，它与调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在Vm0上下按调制信号规律变化。这样，当调制信号u(t)进入负半周时，uo(t)就变为负值。表明载波电压产生1800相移。因而当u(t)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1800的相移突变。双边带调制信号的包络已不再反映u(t)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，如下图7所示，图中AMVcmka。

AMxyu(t) Vcmcoswct xy uo(t)AMVcmu(t)coswct 图4.1.1 双边带调制信号组成模型

4.1.1 调制过程的数学表达式

设载波电压为：

uc(t)UcMcoswct

调制信号为：

u(t)UMcost

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：

u(t)Kuc(t)u(t)

=KUcMcoswctUMcost

=KUcMUMcos(wc)tcos(wc)t2 （4） 4.1.2 解调过程的数学表达式

双边带调幅波的电压u(t)可表示为：

u(t)KUcMcoswct

UMcostUMu(t)coswct

本机载波电压为：

uc(t)UcMcoswct

解调波的表达式：

up(t)Kuc(t)u(t)

=KUcMcoswctUMcost

=KUcMUMcos(wc)tcos(wc)t2 （5） 4.2 DSB信号的波形

在Multisim仿真电路窗口中创建如下图4.2.1所示的电路，其中由高频载波信号uc(t) (V1)、低频调制信号u(t) (V2)及乘法器(K=1)A1组成抑制载波双边带调幅电路；由模拟乘法器A1输出电压u(t)、本机载波信号uc(t)(V3)和乘法器(K=1)A2组成抑制载波双边带解调电路,其目的是从抑制载波双边带调幅波中检出调制信号u(t)。

4.3 DSB信号的解调

usus(t)振幅调制波的(t) uo(to)u(t) 解调电路 图4.3.1 振幅检波电路的作用 如图4.3.1所示，为输入振幅调制信号电压，为反映调制信号变化的输出电压。在频域上，这种作用就是将振幅调制信号频谱不失真地搬回到零频率附近。因此振幅检波电路也是一种频谱搬移电路，可以用相乘器实现这种作用，如图4.3.2所示：

AMxyus(t) x y u 低通滤波器 uo(t) ur(t) 图4.3.2 振幅解调电路的组成模型

图中电路由相乘器和低通滤波器组成。由图可见，将us(t)先与一个等幅余弦电压

ur(t)相乘，要求这个电压与输入载波信号同频同相，即ur(t)=Vrmcoswct，称为同

步信号，相乘结果是us(t)频谱被搬移到wc的两边，一边搬到2wc上，构成载波角频率为2wc的双边带调制信号，它是无用的寄生分量；另一边搬到零频率上，这样，us(t)的一边带就必将被搬到负频率轴上，负频率是不存在的，实际上，这些负频率分量应叠加到相应的正频率分量上，构成实际的频谱，因此它比搬移到2wc上的任一边带频谱在数值上加倍。而后用低通滤波器滤除无用的寄生分量，取出所需的解调电压。必须指出，同步信号ur(t)必须与输入信号保持严格同步（同频、同相）是实现上述电路模型的关键，故将这种检波电路称为同步检波电路。否则检波性能就会下降。

当恢复载波与发射载波同频同相时，输出将无失真的将调制信号恢复处出来。如图4.3.3：

图4.3.3同步检波器输入的双边带信号（上）及其输出信号（下）

若恢复载波与发射载频有一定的频差，将会引起振幅失真和频率失真 若只有一定的相差，但频率相同，则会引起一个振幅衰减因子，使振幅减小。

5、同步检波本地载波的同频同相研究

5.1同步检波原理

相乘型同步检波组成与解调原理是用相乘器mc1596构成同步检波实用电路，本实验采用单电源供电

图5.1.1为电路图

模拟相乘器作同步检波时，不需要载波调零电路。因为在其输出电流中，除了解调所需要的低频分量外，其余所有分量都属于高频范围，因而很容易在输出端给予滤除。

由载波恢复电路产生的载波信号通常加到MC1596的x输入端。其电平大小只要能保证查分对管很好地处于工作状态即可。通常在100~500mV之间。根据待解调的单边带或双边带已调信号送到MC1596的y输入端，其电平应保持在线性工作的限度内。该电路输入已调波电平高达100mV是，仍可获得很好的线性和无失真的输出。

载波恢复电路的任务是提供与载波同频同相的参考信号vr，它是实现各种同步检波的关键所在。

载波恢复电路可根据待解调的调幅信号中是否含有载波分量而采用不同的实现方法：对普通调幅信号，或者发送导频的双边带信号或单边带信号，可以采用窄带滤波器将载波信号提取出来；对于不含载波分量的双边带信号，采用非线性变换的方法恢复载波分量；对于不含导频分量的单边带信号，可采用发、收两端的载波都有频率稳定度很高的晶体振荡器产生。

5.2MC1596芯片介绍

MC1596是美国Motorola公司生产的单片集成模拟相乘器，即吉尔伯特相乘器。MC1596的最高工作频率为300MHz，被转换的信号频率可达80MHz，它具有良好的载波抑制能力，应用广泛。

图5.2.1 MC1596内部电路图

图中晶体管Q1～Q4组成双差分放大器，Q5、Q6组成单差分放大器，用以激励Q1～Q4；Q7、Q8、D2及相应的电阻等组成多路电流源电路、Q7、Q8分别给Q5、Q6提供恒流电流，R为外接电阻，可用以调节电流的大小。另外，由Q5、Q6两管的发射级引出接线端2和3，外接电阻Ry，利用Ry的负反馈作用可以扩大输入电压Uy的动态范围。

MC1596的主要技术参数如下： 载波馈通 140V（

fc10MHz,Vcm300mV 方波输入）

载波抑制 65dB（f500MHz,60mV 输入） 50dB（f10MHz,60mV 输入） 互导带宽 300MHz（RL50,60mV 输入） 信道通道输入阻抗 200k，2pF 信号通道共模输入范围 5V

输入偏流 12A

输入失调电流 0.7A 输出阻抗 40k、2pF 正电源电流 2mA 负电源电流 5.3 Multisim仿真电路

在熟悉了电路的原理后，应用Multisim软件进行仿真实现。首先按照图2.2-1完成电路图的搭建，得到下图。

3mA

图5.3.1 单电源供电同步检波电路仿真图

图中，载波输入端接入函数信号发生器XFG1，用以产生与调制信号载波同频同相的参考信号；已调信号输入端可以输入调制好的DSB信号、SSB信号和AM信号，此处接入安捷伦函数发生器XFG2，用来产生AM信号；在解调信号输出端接入双踪示波器，A通道接解调信号，B通道接安捷伦函数发生器，可以对比AM信号的包络波形与同步检波后得到的解调波形。 5.4参数设置

1. 函数信号发生器的参数设置

设置参考信号 频率

fc10KHz

振幅Vpp100mVp

在示波器上可得到参考信号的波形，如下图所示。

图5.4.1 参考信号参数设置

图5.4.2 参考信号波形

2.安捷伦函数发生器的参数设置

安捷伦函数发生器能直接产生AM波， 设置载波 频率

fc10KHz

振幅Vpp100mVp 设置调制信号 频率

fm100Hz

振幅Vmpp50mVp

在示波器上可得到AM信号的波形，如下图所示。

图5.4.3载波参数设置

图5.4.4调制信号参

图5.4.5 AM信号的波形

5.5仿真结果

在设置好所应用仪器的参数后，点击运行，可以在双踪示波器上清晰地观察到输出波形。

图5.5.1 同步检波电路输入波形和输出波形

如上如所示波形，黄色的波形为输入波形即原波形，红色的为解调出来的信号。根据图形对比，在不计失真的情况下，同步检波器的输出波形与输入的源信号波形相同。而单参考信号的参数设置与已调波载波的参数不一致时，会得到严重失真的波形。

6、结束语

模拟调制系统是电子信息工程通信方向最主要的模块之一，通过在课堂上对理论知识的学习，我们了解到模拟调制系统的基本方式以及其原理。然而，如何将理论在实践中得到验证和应用，是我们学习当中的一个问题。而通过本次课程设计，我们在强大的Multisim平台上对数字信号的调制解调进行了一次仿真，有效的完善了学习过程中实践不足的问题，同时进一步巩固了原先的基础知识。

通过这次的课程设计，我对整个通信电子电路的学习有了一个新的认识，真的感觉到为我之后的考试做足了准备，通过实验我懂得了很多之前仅仅通过理论学习所不能消化的知识，这真的是一件神奇的事情，在一个星期之前，我还对通信电子电路调制解调那块的知识半知半解，但是现在，我觉得心里已经有了清楚的棋盘，遇到某些方面的知识已经可以通过我现在做的实验得到解释。真的很感谢叶老师给我们的这次机会。

另一方面，我们通过本次的课程设计，着实领教了Multisim强大的功能和实力。通过在Multisim环境下对系统进行模块化设计与仿真，使我们获得两方面具体经验，第一是Multisim中各个功能模块的使用方法，第二是图形化和结构化的系统设计方法。这些经验虽然并不高深，但是对于刚入门的初学者来说，对以后步入专业领域进行设计或研发无疑具有重大的意义。值得一说的是之前我一直用的EWB做的仿真，因为之前模电课我们一直用的EWB，这次

转型multism真的对我来说是一个挑战，我一点都不懂，只能请教同学，让他们能教我一点关于这个软件的知识，但是他们都很忙，我也不太好意思打扰他们，所以我就一个人慢慢摸索，终于做出了令我本人感到满意的实验，所以这次我还是十分开心的。

近年来，我国移动通信业务迅猛发展，己深入到社会生活的各个方面。面对移动用户群的持续增长和新业务的层出不穷，移动通信体系要及时适应甚至超前于市场需求的步伐。而作为移动通信的核心技术之一的调制解调技术是实现高速高效的通信系统的重要保证。在学习模拟通信系统理论基础后，我们又在此基础上通过利用Multisim仿真真正的看到AM,DSB,SSB,调制解调中一些具体直观的过程，更加了解了调幅（AM），双边带（DSB）,单边带（SSB），包络检波，同步检波在实际应用中是如何实现的以及某些参数对电路性能的影响，

这次的课程设计使我收益颇丰，不光对通信电子电路这门课有了新的认识，更让我对通信电路这个专业更有兴趣。

参考文献

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