基于Multisim的调幅电路的仿真

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。

本次综合课设于2011年6月20日着手准备。我团队四人：曹翔、李婷婷、赖志娟、刘少楠分工合作，利用两天时间完成对设计题目的认识与了解，用三天时间完成了本次设计的仿真、调试。

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

运行仿真电路可得到输出波形(见图3)。此时调幅指数MaUMEC=0.5，运

行仿真开关,双击示波器图标，可以得到示波器仿真输出波形和输入调制信号波形(见图3)，从图中输出波形可以看出，高频载波信号的振幅随着调制信号的振幅规律变化，即已调信号的振幅在um上下按输入调制信号规律变化。

图3.2.2普通调幅（AM）电路的输入波形（上）和调制信号波形（下）

从图3.2.1可得到如下结论：调幅电路组成模型中的相乘器对u(t)和uc(t)实现相乘运算得结果，反映在波形上是将u(t)不失真地转移到载波信号振幅上。

若将图3.2.1中调制信号电压的幅值改为2V，则调指数MaUMEC=1，这

时电路输出的曲线的包络恰好为调幅曲线，其仿真结果见仿真示波器屏幕，如图3.2.3所示：

图3.2.3 调幅电路恰好调幅(M=1)时的调制信号（上）及其输出波形（下）

若将图2中调制信号电压的幅值改为12V，则调指数MaUMEC=3, Ma>1,

这时电路输出的曲为过量调幅曲线，仿真结果如图3.2.4所示[4]：

图3.2.4调制电路过调失真(Ma>1)时的输出波形

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。目前应用最广的是二极管包络检波器。

解调调幅波时，二级管总是在输入信号的每个周期的峰值附近到导通，因此输出电压与输入信号包络相同。二极管电流的平均分量Iav流过电阻R形成检波输出，而高频分量被电容C滤掉。图3.3.1即为调制波形和解调输出波形。

图3.3.1检波器输出波形（上）与输入调幅波（下）的关系（不失真）

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

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。

图3.3.3 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，要选择合适的电路参数[7]。

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)。

图4.2.1 DSB乘法器调制解调电路

运行仿真开关,双击示波器图标，可以得到抑制载波双边带调幅仿真输出波形如图4.2.2所示：

图4.2.2 用乘法器组成的抑制载波双边带(DSB)输入波形及调制波形

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. 利用仿真软件Multisim 10对SSB电路仿真分析

5.1 DSB信号的数学表达式

单边带（SSB）信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中，直接将一个边带抵消而成的。单频调制时，uDSB(t)kuuc SSB信号的表达式为 取上边带：uSSB(t)Ucos(C)t 取下边带：uSSB(t)Ucos(C)t

UUUC

从上式看，单频时的SSB信号仍是等幅波，但它与原载波电压是不同的。SSB信号的振幅和调制信号的幅度成正比，它的频率随着调制信号频率的不同而不同，因此它含有消息特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同，在单频调制时，它们的包络都是一个常数。 5.2 产生SSB信号的方法移相法：

f(t) F() 0－c0c平 衡调制器Af(t)cos ct cosct－/2－/2sinct＋∑－＋uSSB－上边带＋下边带

移相法是利用移项网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在相加过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号，图1为SSB调制信号的原理框图，图中，两个调制器相同，但输入信号不同。调制器B的输入信号是移项90度的载频和调制信号；调制信号的输入没有相移。两个分量相加时为下边带信号，两个分量相减时为上边带信号。

5.2抑制载波的单边带调幅（SSB）信号的波形

在Multisim仿真电路窗口中创建如下图5.2.1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f(t)cos(ct)；由模拟积分器和乘法器(K=0.1)组成相移90.度

ˆ(t)sin(t)。两者通过模拟加法器相加后，模拟出单边带调幅（SSB）信号。 fc

图5.2.1 SSB乘法器调制解调电路

运行仿真开关,双击示波器图标，可以得到抑制载波双边带调幅仿真输出波形如图5.2.2所示：

图5.2.2 用乘法器组成的抑制载波双边带(DSB)输入波形及调制波形

5.3 抑制载波的单边带调幅（SSB）信号的解调

SSB的解调方法和DPB完全相同。

图5.3.1 同步检波器输入的双边带信号（上）及其输出信号（下）

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，我们对调制和解调有了更进一步的认识，尤其是在系统设计方面，尽管是非常基础的AM调制与解调的传输，也是经过若干设备协同工作，才能保证信号有效传输，而小到仅仅是一个参数，都有可能导致整个仿真过程无法正常运行。

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。

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）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，对AM,DSB,SSB有了新的认识。

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