有線通信中包絡(luò)檢波器設(shè)計書

1 有線通信中包絡(luò)檢波器設(shè)計書 1 緒論 無線通信的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，首先，遠(yuǎn)古時期的手段是用烽火和旗語。其次，到近代出現(xiàn)了有線通信，其中著名的發(fā)明就是 1837 年 明 得 電報和 1876 年 明的電話。電話的發(fā)明加速了通信領(lǐng)域的發(fā)展，為無線通信的出現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。無線通信的出現(xiàn)加快了現(xiàn)代通信領(lǐng)域的飛速發(fā)展。 無線通信 (利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)。 在移動中實現(xiàn)的無線通信又通稱為移動通信，人們把二者合稱為無線移動通信。無線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。微波是一種無線電波，它傳送的距離一般只有幾十千米。但微波的頻帶很寬，通信容量很大。微波通信每隔幾十千米要建一個微波中繼站。衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動體之間建立微波通信聯(lián)系。 無線通信系統(tǒng)可以分為：信源、調(diào)制、高頻功放、天線、高頻小放、混頻和解調(diào)。其中解調(diào)就是從高頻已調(diào)信號的過程，又稱為檢波。對于振幅調(diào)制信號，解調(diào)就是從它的幅度變化上提取調(diào)制信號的過程。解調(diào)是調(diào)制的 逆過程，實質(zhì)上是將高頻信號搬移到低頻段，這種搬移正好與調(diào)制的搬移過程相反。振幅解調(diào)方法可以分為包絡(luò)檢波和同步檢波。包絡(luò)檢波是指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比的檢波方法。由于 號的包絡(luò)與調(diào)制信號呈線性關(guān)系，因此包絡(luò)檢波只適用于 。 包絡(luò)檢波是從調(diào)幅波包絡(luò)中提取調(diào)制信號的過程：先對調(diào)幅波進(jìn)行整流，得到波包絡(luò)變化的脈動電流，再以低通濾波器濾除去高頻分量，便得到調(diào)制信號。包絡(luò)檢波電路有很多種，無源的有二極管檢波，有源的有三極管、運放等；還有單向檢波、橋式檢波、同步檢波等等。最簡單的，也是用得最多的就 是二極管和三極管。 此次設(shè)計就是利用二極管和低通濾波器實現(xiàn) 絡(luò)檢波，得到不失真的調(diào)制信號。 2 2 包絡(luò)檢波 器設(shè)計 原理 理框圖 包絡(luò)檢波主要用于普通調(diào)幅 (號的解調(diào)，主要由二極管和低通濾波器組成原理框圖如 圖 1： 圖 1 包絡(luò)檢波器原理框圖 因 由非線性器件后輸出電流中含有能線性反映輸入信號包絡(luò)變化規(guī)律的音頻信號分量（即反映調(diào)制信號變化規(guī)律）。所以包絡(luò)檢波僅適用于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制波的解調(diào) 。此電路不需要加同步信號，電路顯得較簡單。 調(diào)幅波的波形及頻譜如 圖 2： 圖 2 調(diào)幅波的波形及頻譜 包絡(luò)檢波后的調(diào)制信號波形與頻譜如圖 3： 圖 3 調(diào)制信號的波形及頻譜 調(diào)幅波頻譜 c+ c 包絡(luò)檢波輸出 t 輸出信號頻譜 t 非線性器件 低通濾波 調(diào)幅波 3 0Z 理電路 包絡(luò)檢波電路的組成：輸入回路、二極管 通濾波器，如圖 4所示： 圖 4 包絡(luò)檢波電路 在圖 4 中， 整流作用， C 起高頻濾波作用， R 作為檢 波器的低頻負(fù)載在其兩端輸出已恢復(fù)的調(diào)制信號。 通濾波電路有兩個作用： (1)對低頻調(diào)制信號 u來說，電容 C 的容抗相當(dāng)大，電容 C 相當(dāng)于開路，電阻 R 就作為檢波器的負(fù)載，其兩端產(chǎn)生輸出低頻解調(diào)電壓 (2)對高頻載波信號容 C 的容抗特別小，電容 C 相當(dāng)于短路，起到對高頻電流的旁路作用，即濾除高頻信號。 理想情況下， 通濾波網(wǎng)絡(luò)所呈現(xiàn)的阻抗為 : （ 1）作原理分析 原理電路如圖 5，當(dāng)輸入信號 么載波正半周時二極管導(dǎo)通，輸入高頻電壓通過二極管對電容 C 充電，充電時間常數(shù)為為電很快，電容上電壓建立的很快 ,輸出電壓 。 作用在二極管 端上的電壓為 D i ou u u。所以二極管的導(dǎo)通與否取決于 當(dāng) 0D i ou u u ，二極管導(dǎo)通； 當(dāng) 0D i ou u u ，二極管截止。 著 t u t ，即 0D i ou u t u t 時，二極管 止。 C 把導(dǎo)通期間儲存的電荷通過 R 放電。因放電時常數(shù) 大，放電較緩慢。 4 圖 5 二極管對電容 C 充電 原理 圖 6 電容 C 放電原理 檢波器的有用輸出電壓： o D Cu t u t U（ 2） 檢波器的實際輸出電壓為： o c D C cu t u u t U u （ 3） 當(dāng)電路元件選擇正確時，高頻紋波電壓小，可以忽略。 輸出電壓為： o D Cu t u t U包含了直流及低頻調(diào)制分量。 其輸出電壓波形如圖 8： 圖 7 包絡(luò)檢波原理圖 圖 8 包絡(luò)檢波器輸出電壓 5 值包絡(luò)檢波器的輸出電路 圖 9 檢波電路 檢波電路如圖 9 所示。電容流分量，輸出信號為解調(diào)恢復(fù)后的原調(diào)制信號 u，一般常作為接收機(jī)的檢波電路。 壓傳輸系數(shù) 檢波器傳輸系數(shù)波效率 ， 是用來描述檢波器對輸入已調(diào)信號的解調(diào)能力或效率的一個物理量 ， 是指檢波電路的輸出電壓和輸入高頻電壓振幅之比。 當(dāng)檢波電路的輸入信號為高頻等幅波 ： 即 c o si i m cu t U t時 ， 當(dāng)輸入高頻調(diào)幅波 1 c o s c o si i m a cu t U m t t 時 分量的振幅輸入高頻調(diào)幅波包絡(luò)變化的振幅a （ 4） 若設(shè)輸入信號 c o s)c o s1(i （ 5） 輸出信號為 )c o ( （ 6） 則加在二極管兩端的電壓 i（） 如果 下圖 所示的折線表示二極管的伏安特征曲線 (注意在大信號輸入情況下是允許的 )，則有： )(c o s)c o )()(d 當(dāng) 0c t時 0)(d c o sc o sc o sc o sc o s)c o ( 可見 )( 直流分量： U （ 7） 低頻 調(diào)制分量： （ 8） 圖 10 包絡(luò)檢波圖 6 圖 11 二極管特性曲線 所以有 c o s c o sm a i i m a i mU m UK m U m U ， 電流通角 (二極管導(dǎo)通角度 )。 波器的惰性失真 一般為了提高檢波效率和濾波效果 (C 越大 ， 高頻波紋越小 )，總希望選取較大的 R， C 值，但如果取值過大，使 R， C 的放電 時間常數(shù)所對應(yīng)的放電速度小于輸入信號 (絡(luò)下降速度時，會造成輸出波形不隨輸入信號包絡(luò)而變化，從而產(chǎn)生失真，這種失真是由于電容放電惰性引起的，故稱為惰性失真。 圖 12 包絡(luò)檢波惰性失真波形 原因 ： 由于負(fù)載電阻 R 與負(fù)載電容 C 的時間常數(shù) 大所引起的。這時電容 C 上的電荷不能很快地隨調(diào)幅波包絡(luò)變化 ， 從而產(chǎn)生失真（電容 C 兩端電壓通過 R 放電的速度太慢） 。 輸入 號包絡(luò)的變化率 電的速率 改進(jìn)措施：為避免產(chǎn)生惰性失真 ,必須在任何一個高頻周期內(nèi) ,使電容 C 通過 R 放電的速度大于或等于包絡(luò)下降速度。 避免 產(chǎn)生惰性失真的條件：在任何時刻，電容 C 上電壓的變化率應(yīng)大于或 7 等于包絡(luò)信號的變化率：t )(（ 9） 即得出不失真條件： 21 （ 10） 波器的底部切割失真 原因：一般為了取出低頻調(diào)制信號，檢波 器與后級低頻放大器的連接如圖13 所示 ： 圖 13 包絡(luò)檢波應(yīng)用型電路 圖 14 底部切割失真波形圖 如圖 14 所示 底部切割失真越容易產(chǎn)生；另外 ， 調(diào)幅波包絡(luò)的振幅a 調(diào)幅波包絡(luò)的負(fù)峰值 1im 小 ， 底部切割失真也越易產(chǎn)生。 改進(jìn)的措施 ： 要防止這種失真，必須要求調(diào)幅波包絡(luò)的負(fù)峰值 1im 于直流電壓即 （ 11） 避免底部切割失真的條件為： 式中 R 為直流負(fù)載電阻。 1 m a m R 8 3 包絡(luò)檢波 器 電路設(shè)計 根據(jù)包絡(luò)檢波原理設(shè)計出包絡(luò)檢波電路，電路圖 如圖 15 所示 ： 圖 15 包絡(luò)檢波設(shè)計電路 號，載波幅度為 3V，頻率為 10制信號的頻率為1調(diào)制幅度為 60%。 檢波二極管，用于整流。 電容 阻 阻 成低通濾波器。 C 起高頻濾波作用， R 作為檢波器的低頻負(fù)載在其兩端輸出已恢復(fù)的調(diào)制信號。對低頻調(diào)制信號 u來說，電容 C 的容抗相當(dāng)大，電容 C 相當(dāng)于開路，電阻 R 就作為檢波器的負(fù)載，其兩端產(chǎn)生輸出低頻解調(diào)電壓。對高頻載波信號容 C 的容抗特別小，電容 C 相當(dāng)于短路，起到對高頻電流的旁 路作用，即濾除高頻信號。 電容 隔直作用，直流分量出信號為解調(diào)恢復(fù)后的原調(diào)制信號 u。 在已知調(diào)制系數(shù) m 下滿 足 避免惰性失真條件 和滿足避免底部切割失真條件 下選擇合適的參數(shù)使包絡(luò)檢波器產(chǎn)生不失真的波形。 幅信號在經(jīng)過選用合適的二極管、低通濾波器電容 C 和電阻 R 的參數(shù)后在 R 兩端輸出調(diào)制信號，完成包絡(luò)檢波。 根據(jù)仿真 電路運行電路觀察不失真的輸出與輸入的波形如圖 17 所示： 2R R R R R R 9 圖 16 包絡(luò)檢波 器 輸入輸出波形 從圖 16 可以讀出輸入信號的頻率為 300f ，包絡(luò)的最大值為包絡(luò)的最小值為輸出波形的頻率為 1f ，。 4 調(diào)試 M 發(fā)射機(jī)實驗 （ 1）將振蕩模塊中撥 碼開關(guān) “ 4”置于“ 為晶振。將振蕩模塊中撥碼開光 “ 3”置于“ “ 部開路。用示波器觀察 出10波信號，調(diào)整電位器 其輸出幅度為 右。 （ 2）低頻調(diào)制模塊中開關(guān) 向左端，短路塊 通到下橫線處，將示波器連接到振幅調(diào)制模塊中就 （ 調(diào)整低頻調(diào)制模塊中 輸出 1弦信號 V 。 （ 3）將示波器接在 可觀察到普通調(diào)幅波。 （ 4）將 前置放大模塊中 通到 橫線處，用示波器在 可觀察到放大后的調(diào)幅波。改變 改變前置放大單元的增益。 （ 5）調(diào)整前置放大模塊 出 1右的不失真 ，將功率放大模塊中 通，調(diào)節(jié) 出 6右不失真的放大信號。 10 （ 6）將 通到下橫線處，開關(guān) 向右端（ +12V）處，示波器在 觀察到放大后的調(diào)幅波，改變電位器 改變丙放的放大量。 M 接收機(jī)實驗 （ 1）在小信號放大器模塊 （ N）處加入 10于 50調(diào)幅信號，調(diào)幅度小于 30%。 （ 2）將晶體管混頻模塊中 連通到下橫線處，示波器在輸出端可觀察到混頻后 。 （ 3）調(diào)整中周 輸出電壓最大。 （ 4）將 通到 橫線處，開關(guān) 向右端，調(diào)整 二次混頻輸出 出 55失真的調(diào)幅波。 （ 5）連通中放模塊中 下橫線處，在中放輸出端 可觀察到放大后的 ，如圖 18 所示。 圖 17 輸入 形 11 （ 6）調(diào)諧中周 出 3V 左右的 號。 （ 7）振幅解調(diào)處與包絡(luò)檢波器的信號輸入端接入電路，將信號輸出端接入示波器，則可以觀察到放大后的低頻信號，解調(diào)后的低頻信號如圖 19 所示。 圖 18 解調(diào)后輸出波形 12 參考文獻(xiàn) 1 曾興文，劉乃安，陳健 M等教育出版社， 2007 2 張肅文等 M(第四版 )等教育出版社， 2004 3 路而紅等 M民郵電出版社， 2006 4 華成英，童詩白 M(第四版 )等教育出版社， 2006 5 清華大學(xué)通信教研組 M民郵電出版社， 1979 6 楊欣，王玉鳳 M華大學(xué)出版社， 2009 7 謝嘉奎 M(第二版 )等教育出版社， 1984 8 武秀玲，沈偉慈 M安電子科技大學(xué)出版社， 1995 13 致 謝 這次的設(shè)計，給我的印象很深。剛拿到課程設(shè)計的題目時侯感覺這次課程設(shè)計的內(nèi)容不太難，但是當(dāng)開始進(jìn)行設(shè)計的時候感覺電路原理比較簡單，但是參數(shù)的選擇比較難。后來在查了一些資料和計算后對各個參數(shù)的選擇有了大致的了解，然后經(jīng)過多次的的修改終于設(shè)計出比較滿意的作品。 通過本次課程設(shè)計，對本課題有了一定的了解。但是，在對該課題有一定的了解的前提下，也發(fā)現(xiàn)了很多問題。認(rèn)識到理論與實踐之間的差距，聯(lián)系實際的應(yīng)用去理解只是比一大堆理論來的直接與清晰明了。在設(shè)計中難免會遇到很多學(xué)習(xí)中不會注意到的問題，比如說在調(diào)制中在取元件的某些值后輸出是失真的波形，在設(shè)計并沒有想過會存在那樣多的問題，當(dāng)著手 時才發(fā)現(xiàn)要完成一個信號的調(diào)制與解調(diào)，在元件、電路和取值都要有一部分的要求。做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識。認(rèn)識來源于實踐，實踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個課程設(shè)計對我們的作用是非常大的，同時通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實 踐結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。此次課程設(shè)計學(xué)到了許多可能學(xué)不到的東西，比如多利思考解決問題的能力，出現(xiàn)差錯的隨機(jī)應(yīng)變，和與人合作共同提高，我們都受益匪淺，今后的制作應(yīng)該更加輕松，自己都能扛得起并高質(zhì)量的完成項目。 最后感謝李欣老師的耐心指導(dǎo)， 這次的課程設(shè)計是在 李欣 老師的悉心指導(dǎo)