基于Multisim的调频通信系统仿真

基于Multisim的调频通信系统仿真
LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 题目基于Multisim的调频通信系统仿真
学生姓名姬晓义
学号 09250113
专业班级通信工程一班
指导教师何继爱王璐
学院计算机与通信学院
答辩日期 7>2013年6月13日
基于Multisim的调频通信系统仿真
Simulation of frequency modulation communication system based on Multisim
姬晓义（Ji Xiaoyi）
09250113
摘要
调频通信系统设计中系统的介绍了发射系统和接收系统设计方案，特别是发射系统和接收系统的基本功能，频率选择，功放等，最后定性、定量分析这些电路性能。

这些电路包括了发射系统和接收系统中的变容二极管直接调频电路、射极跟随器、放大器、高频小信号放大器、本振电路、混频电路、功放电路、鉴频器、低频放大器等。

利用Multisim仿真软件将各个电路进行仿真，最后，把各个电路进行级联，并进行修改，修改之后，逐级进行调试仿真，得出最终仿真结果图。

设计的基本目的是：通过理论和实践学习，使我们了解各个电路工作处于高频时的工作原理，特性参数及微变等效电路等，掌握高频单元电路的线路组成、基本工作原理、分析方法、技术要求及典型集成电路的实际应用，并且具备一定的理论水平和足够的实践技能，为进一步学习通讯技术的专业知识和职业技能打下基础。

关键词：调频；发射系统；接收系统；Multisim 仿真；电路分析
Abstract
Design of FM communication system introduced the system of emission and receiving system design scheme, Especially the basic function of emission and receiving system, frequency selection , Power amplifier ,The circuit performance analysis and qualitative, quantitative. The circuit includes a emission system and receiving system in Varactor diode direct FM,emitter follower, amplifier, High frequency small signal amplifier, The oscillator circuit , mixer circuit, The power amplifier circuit,
frequency detector and low-frequency amplifier . Each circuit is simulated with Multisim simulation software, Finally, all the circuits are cascaded, And modify, After the modification, Step debugging simulation, The final simulation results figure.
The basic design of this finish school are: Through the combination of theory and practice, so we know when each circuit at high working principle, characteristics and micro-dependent equivalent circuit parameters, frequency control circuit of the line unit composition, the basic working principle methods, technical requirements, and some typical IC, and have a certain theoretical level and enough of the practical skills, communication technologies for the further study of expertise and professional skills basis.
Key words :frequency modulation;emission system ;receiving system ;multisim smulation;circuit analysi
目录
第1章绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 1
1.3 设计内容 2
第2章基本原理 4
2.1 引言 4
2.2 开发平台简介 5
2.3 基本理论 6
第3章调频发射系统电路仿真14
3.1 振荡级14
3.2 变容二极管调频15
3.3 缓冲级18
3.4 功率输出级19
3.5 调频发射系统整机电路图级联 20 第4章调频接收系统电路仿真22
4.1 高频放大电路 22
4.2 本振电路23
4.3 混频器24
4.4 中频放大电路 25
4.5 鉴频电路26
4.6 低频放大电路 27
4.7 调频接收系统整机电路图级联 28 总结31
参考文献32
附录33
1 发射整机电路图 33
2 接收整机电路图 34
3 外文翻译35
致谢53
第1章绪论
1.1 研究背景
中文名称：调频，英文名称：frequency modulation；FM 定义：瞬时频率偏移按照给定调制信号瞬时值函数改变的角度调制。

该函数通常是线性的。

应用学科：通信科技（一级学科）；通信原理与基本技术（二级学科）。

调频调制（FM），就是高频载波的频率不是一个常数，是随调制信号而在一定范围内变化的调制方式，其幅值则是一个常数。

与其对应的，调幅就是载频的频率是不变的，其幅值随调制信号而变。

一般干扰信号总是叠加在信号上，改变其幅值。

所以调频波虽然受到干扰后幅度上也会有变化，但在接收端可以用限幅器将信号幅度上的变化削去，所以调频波的抗干扰性极好，用收音机接收调频广播，基本上听不到杂音。

使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。

已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定；但已调波的振幅保持不变。

调频波的波形就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。

载波的瞬时频率按调制信号的变化而变，但振幅不变的调制方式。

载波经调频后成为调频波。

用调频波传送信号可避免幅度干扰的影响而提高通信质量。

1.2 研究现状
频率调制（FM）：Edwin H. Armstrong是无线广播技术的发展先驱之一，他在1918和1933年分别发明了超外差无线接收机和调频技术[1] ，这两项概念和他在1912年发展的再生电路技术已成为现代无线电子的基础。

美国的调频电台广播频率为88-108MHz ，频道带宽200kHz。

调频收音机在1940年问世时仅支持单声道。

立体声则到1960年才出现，内容包括MPX多路信号以及立体/单声道混
合 stereo-mono blending 与软静音 soft mute 等噪声消除技术。

电子音乐合成技术是最有效的合成技术之一，它最早由美国斯坦福大学约翰卓宁（John Chowning）博士提出。

20世纪60年代，卓宁在斯坦福大学开始尝度使用不同类型的颤音，他发现当调制信号的频率增加并超过某个点的时候，颤音效果就在调制过的声音里消失了，取而代之的是一个新的更复杂的声音。

今天看来，卓宁当时只是在完成无线电广播发射中最常用的调频技术（也就是FM广播）。

但卓宁的偶然发现，却使这种传统的调频技术在声音合成方面有了新的用武之地。

当卓宁领悟了FM调制的基本原理后，他立即开始着手研究FM理论合成技术，并在1966年成为使用FM技术制作音乐的第一人。

频率调制广泛应用在通信、调频立体声广播和电视中。

我们习惯上用FM来指一般的调频广播（76-108MHz，在我国为87-108MHz、日本为76-90MHz），事实上FM是一种调制方式，即使在短波范围内的27-30MHz之间，做为业余电台、太空、人造卫星通讯应用的波段，也有采用调频（FM）方式的。

FM radio即调频收音机，FM调频收音机作为MP3的一项附加功能，从实用角度来说，现在的MP3这方面做得并不很出色，应该说还不如普通的收音机，在接收范围、精度等方面还都有差距，只能说是一个有益的补充。

当然，你注重这个功能的话，也有做得不错的产品。

而在具体机型上，针对FM，不同产品还有细分，是否可以保存选定的频道、可以保存多少个频道、立体声和普通声道可以自己设定还是由机器来设定。

国内外研究现状：
调频（frequency modulation）技术自20世纪30年代诞生以来，经历半个多世纪的发展，拥有广大的收听人群和相当成熟的市场。

目前，尽管国内外出现
了各种数字音频广播标准，但是正如FM调频广播花费近60年时间才完全渗入AM调幅广播市场，模拟音频广播也必将还有很长的生命期。

尤其是对国内市场，FM调频广播仍然是我国主要的音频广播标准。

作为标准的模拟无线广播技术，FM调频广播一直以来并没有太大的技术进展。

早期的收音机制造商们多采用分立元器件设计FM调频接收器的各个模块，最后调试。

由于设计调试过程异常繁琐，现代FM调谐芯片的设计大多采用了双用了双极工艺实现。

FM最前沿的用途主要是军事上的电子对抗，情报部门的干扰和反干扰等，列如，FM/cw焦平面无扫描激光成像雷达是一种小型化、全固态、高帧频、高精度的三维成像激光雷达,在商业和军事上均具有重要实用价值,因此该激光雷达已经成为国内外研究热点之一。

国外已经取得了一系列的研究进展,而国内还处于初始研究阶段
1.3 设计内容
设计主要是利用Multisim仿真软件仿真调频通信系统的各个模块仿真图，在完成各个模块仿真的基础上接着完成整个大模块通信系统的仿真图，整个过程工作量比较大，而且要有比较强的专业知识。

首先，要求对通信电子线路的各个电路模块比较熟悉，不同的信号一般采用不同的调制方式。

其次，一般情况下，高频载波为单一频率的正弦波，对应的调制为正弦调制。

最后，高频电子线路能够实现的功能和单元电路很多，实现每一种功能的电路形式更是千差万别，但它们都是基于非线性器件实现的，大多也是从基本电路的基础上发展而来的，如何将各个单元模块组装起来并调出信号就成为关键。

设计中主要有发射系统和接收系统两大系统，要求对两大系统中各个小电路模块选择必须适合，才能够容易仿真出结果。

其次是要求非常熟悉Multisim软件如何操作，特别是对仿真电器件
的选择，频率如何调制，如何能够调制出理想的仿真图，好好研究各知识块的原理，多查阅课外资料，多向老师和同学请教，争取独立完成这次设计。

第2章基本原理
2.1 引言
高频电路是通信系统，特别是无线通信系统的基础，是无线通信设备的重要组成部分。

无线通信系统（或称无线电通信）的类型很多，可以根据传输方法、频率范围、用途等分类。

不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度虽然有较大的差别，但他们的组成基本不变，图2.1是典型的无线通信系统的基本组成方框图。

图2.1无线通信系统的基本组成
图中虚线以上部分为发送设备（发信机），虚线以下部分为接收设备（收信机），天线及天线开关为收发共用设备。

信道为自由空间。

话筒和扬声器属于通信的终端设备，分别为信源和信宿。

上下两个音频放大器分别为放大话筒输出信号和推动扬声器工作而设置的，属低频器件，以及话筒，扬声器，天线开关，本设计不讨论。

上面的音频放大器输出的信号控制高频载波振荡器的某个（些）参数，从而实现调制。

下面的解调器就是针对上面发射端的调制而进行的检波（调制的逆过程）。

已调制信号的频率若不够高，可根据需要进行倍频或上混（变）频。

经天线辐射出去。

接收机一般采用超外差的形式，在通过高频选频放大（初步的选择放大并抑制其它无用信号）后进行下混（变）频，取出中频后在进行中频放大（主选择放大，具有较大的放大增益和较强的滤波能力）和其他处理，然后进行解调。

超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。

当信号频率改变时，只要相应地改变本地振荡信号频率即
可。

发送设备主要完成调制、上变频、功率放大和滤波能力，其结构大同小异。

根据调制和上变频是否合二为一，发送设备结构分为直接变换结构和两次变换结构两种形式，在每中调制方式中也都可以采用单通道调制和双通道正交调制方式。

在发送设备中，一般存在两种变换：第一种变换是将信源产生的原始信息变换成电信号，而这一信号的频谱通常靠近零频附近，属于低频信号，称为基带（Baseband）信号；第二中变换称为调制（Modulating），是将基带信号变换成适合在信道中传输的信号形式（一般为射频或高频的带通信号）。

调制后的信号称为已调信号（Modulated Signal），相应的没有进行调制之前的基带信号也可称为调制信号（Modulated Signal）。

调制时还需要一个高频振荡信号，称为载波（Carrier），它可由高频振荡器（Oscillator）或频率合成器（Frequency Synthesizer）产生。

载波通常为单一频率的正弦信号或脉冲信号。

接收设备的任务主要是有选择的放大空中微弱的电磁信号（同时应尽可能的保证信息的质量），并恢复有用信息。

接收设备的结构通常采用超外差（Super Heterodyne）形式，图2.1中接收机即为一次变频超外差结构。

随着设备小型化和系统化，接收设备的结构出现了许多新的形势，在接收设备中有相应的两种反变换。

将接收到的已调信号变换为基带信号的过程称为解调（Demodulating），把实现解调的部件称为解调器（Demodulator）。

解调时一般也需要一个本地的高频振荡信号，称为恢复载波（或插入载波。

有时将收发设备中的调制器和解调器合称为调制解调器（Modem）[2]。

设计的基本目标是：通过理论和实践教学，使我们了调频通信系统的工作原理，特性参数及微变等效电路，掌握通信系统的单元电路线路的组成、基本原理、
分析方法、技术要求及一些典型集成电路的实际应用，并且具备一定的理论水平和足够的实践技能，利用Multisim仿真软件完成整机电路设计及仿真，为进一步学习通讯技术的专业知识和职业技能打下了基础。

2.2 开发平台简介
随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机，产品智能化日益完善，电路集成度越来越高，产品的更新周期却越来越短。

Multisim 是Interactive Image Technologies公司200年推出的Multisim 最新版本。

可以设计测试各种电子电路包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。

可以被仿真的电路中的元器件设置各种故障如开路、短路和不同程度的漏电等从而观察不同故障情况
它有丰富的元件库为用户提供元器件模型的扩充和技术虚拟测试仪器仪表种类齐全其操作方法与实际仪器十分相似具有较为详细的电路分析功能可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种分析方法基本上能满足一般电路的分析设计要求提供了多种输入输出接口Multisim2000 可以与国内外流行的印刷电路设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的接口也能通过Windows 电路图送文字处理系统中进行编辑同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。

Multisim 11.0提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方。

Multisim 11.0具有以下特点
1 Multisim 11.0是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件其
元器件库提供数千种电路元器件供选用同时也可以新建或扩充元器件库且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到。

2 Multisim 虚拟测试仪器仪表种类齐全有一般实验用的通用仪器如万用表信号发生器双通道示波器、直流电源还有实验室少有或没有的仪器如波特图示仪字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等
3 Multisim 11.0 具有较详细的电路分析功能可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等以帮助设计人员分析电路的性能。

Multisim.0 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。

在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。

（1）载波频率在4MHz左右，
（2）最大频偏为±75kHz，
（3）天线的最大阻抗为75，
（4）输出功率大于或等于200mW，
（5）中心频率稳定度大于，
（6）电路板面尽量小，整机体积尽可能小。

设计目的
（1）巩固和充分运用理论课本上学习到的知识，
（2）提高设计能力，将理论知识和实践动手能力相结合，
（3）为以后从事电子线路设计、研发电子产品工作打下良好的基础。

发射系统设计方案采用传统的,缓冲级,功放输出级三及电路组成。

这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及最高的工作频率。

能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率
根据方案设计要求，电路设计分为三部分来实现
1. 频率振荡级
由于中心频率是固定的，可考虑采用频率稳定度较高的克拉泼振荡电路。

2. 缓冲级
因为功放级输出信号较大，工作状态的变化会影响振荡器的稳定性，或波形失真或输出电压减小。

为避免相互影响，通常在中间添加缓冲隔离级。

将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。

3. 功放输出级
为了获得较大的功率增益和较高的集电极效率，该级可采用丙类功率放大器，输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波。

总体方案框图
图2.2 方案框图
基本原理
通常小功率发射机采用直接调频方式。

其中高频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，且频率受到外加音频信号电压变；缓
冲级主要是对调频振荡信号进行，提供末级所需的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，避免级功放的工作状态变化而影响振荡级的频率稳定度；功放级的是确保高效率输出足够大的高频功率，
单元电路作用:
1. 调频振荡器
低频小信号部分是将调制信号不失真的微小放大，在直接调频发射系统中，调频振荡器的电路形式主要有晶体振荡器直接调频，电抗管调频、变容二极管调频。

晶体振荡器直接调频电路的优点是提高了振荡器中心频率的稳定性；电抗管调频电路与变容二极管调频电路相比，要复杂一些。

考虑到本设计任务要求中心频率的稳定性高，用克拉泼振荡器就可达到[5]；另外，由于调频发射机的频率受到外加调制信号电压调变，因此，回路中的电抗要能够跟调制信号的改变而改变，应用一可变电抗器件，它的电容量或电感量受调制信号控制，将它接入振荡回路中，就能实现调频。

而最简便、最常用的方法就是利用变容二极管的特性直接产生调频波，因要求的频偏不大，故采用变容二极管部分接入振荡回路的直接调频方式。

我们选择了变容二极管调频电路。

2. 缓冲隔离级
缓冲级通常采用射极跟随器电路。

在电路的最初设计阶段，并没有添加缓冲器，但是经过思考之后，觉得有必要在调频电路和高频放大电路中间加一个缓冲器以减少两级信号之间的相互干扰，增强电路的抗干扰能力。

3. 高频功率放大器
晶体管的工作状态有截止、导通和饱和三种状态。

在晶体管不具备工作条件时，它处截止状态，内阻很大，各极电流几乎为0。

当晶体管的发射结加合适的
正向偏置电压、集电结加反向偏置电压时，晶体管导通，其内阻变小，各电极均有工作电流产生（IE IB+IC）。

适当增大其发射结的正向偏置电压使基极电流IB 增大，集电极电流IC和发射极电流IE也会随之增大。

当晶体管发射结的正向偏置电压增大一定值（硅管等于或略高于0.7V，锗管等于或略高于0.3V，晶体管将从导通放大状态进入饱和状态，此时集电极电流IC将处于较大的状态，且不受基极电流IB控制。

晶体管的导通内阻很小，集电极与发射极之间的电压低于发射结电压，集电结也由反偏状态变为正偏状态。

接收系统：
通信电子电路在生活中的应用十分广泛，设备也有很广泛的应用。

在窄带调频通信设备中，为了获得良好的频道选择功能，使其具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真小、噪声小等优点大都采用混频超外差接收方案。

调频接收机的各单元电路：高频放大、混频、中频放大、鉴频及功放级。

1. 工作频率范围
接收系统可以就收到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率，在整个接受的波段范围内要满足主要的性能指标，工作频率必须和发射机的频率相对应。

因为调频广播接收机的频率范围为88-108MHZ，这是因为调频广播发射机的频率一般为88-108MHZ，中频频率：465KHZ。

2. 灵敏度
接收机接收微弱信号的能力称为灵敏度，一般用输入电压的大小来表示，接受的信号越小，灵敏度就越高。

一般生活中调频接收机的灵敏度为5-30uV。

3. 选择性
接收机从各种干扰信号中选出所需要的信号，或衰减不要的信号的能力称为
选择性，单位用dB（分贝）表示，dB数越高选择性越好。

调频接收机中的中频抗干扰大于50dB。

4. 通频带
接收机的频率响应范围称为频率特性或通频带。

调频接收机的通频带一般为200KHZ。

5. 输出功率
接收机的负载输出最大不失真（或非线性失真系数为给定值时）功率称为不失真功率。

输出功率应该≥100mW。

接收机电路的基本内容应该包括：
（1）高频小信号放大电路
（2）混频电路
（3）振荡器电路
（4）鉴频电路
整个电路由六部分组成，分别为输入回路、高频放大、混频、本振、中放、鉴频、低频放大。

其基本框图如下：
图2.3接收机基本原理
高频小信号放大电路
高频小信号谐振放大器的作用就是放大各种无线电设备中的高频小信号。

高频小信号谐振放大电路主要用于接收机的高频放大器和中频放大器中，作用就是放大各种无线电设备中的高频小信号。

高频小信号调谐放大器的电路是由高频功率管做放大器件，并联谐振回路作为负载。

混频电路
混频又称变频，是一种频谱的线性迁移过程，它是使信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程具有这种功能的电路称为变频器。

在高质量的通信设备中或工作频率较高时，常常使用二极管平衡混频器或二极管环形混频器。

其优点是噪声低、电路简单、组合分量少。

环形混频器的输出是平衡混频器输出的两倍，且减少了电流频谱中的组合分量，这样就会减少混频器中所特有的组合频率干扰。

与其它（晶体管和场效应管）混频器比较，二极管环形混频器虽然没有变频增益[9]，但由于具有动态范围大，线性好及使用频率高等优点，因此本次设计选用二极管环形混频器。

本振电路
电容三点式振荡器输出波形较好、振荡频率高、频率稳定性好，电路如图2.4所示。

图2.4电容三点式振荡器
由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。

其工作过程是振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉冲信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。

虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。

当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF 1，振荡幅度就不再增大了。

于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于。