AM超外差音机SystemView仿真论文 - 图文

AM超外差收音机的Systemview仿真

目 录

绪 论 ........................................................... 2 第一章 AM超外差收音机工作原理 ................................... 3

1.1 AM调制方式 .............................................. 3 1.2 包络检波原理 ............................................. 4 1.3 AM超外差收音机工作原理 .................................. 5 第二章 AM超外差收音机Systemview仿真 ............................ 6

3.1 Systemview简介 .......................................... 6 3.2 AM超外差收音机仿真电路设计 .............................. 7 3.3 仿真调试过程 ............................................. 8 第三章 AM超外差收音机仿真结果及性能分析 ........................ 11 结束语 ......................................................... 15 参考文献 ....................................................... 16 致 谢 ......................................................... 17

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绪 论

随着信息技术的飞速发展，信息产品也在不断地更新换代。本文给介绍AM超外差收音机。超外差式收音机是指输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。如果把收音机收到的广播电台的高频信号，都变换为一个固定的中频载波频率（仅是载波频率发生改变，而其信号包络仍然和原高频信号包络一样），然后再对此固定的中频进行放大，检波，再加上低放级，功放级，就成了超外差式收音机。

超外差式收音机的特点是有频率变换（变频）过程，采用固定调谐的中频放大器。一般包括下面几个部分：变频级、中频放大级、检波级、低频前置放大级、低频功率放大级。其中变频级包括混频器和本机振荡器两个部分。天线接收到的高频调幅信号，经过调谐回路和选择，送入变频级的混频器。本机振荡电路则总是跟踪着接收的信号，产生高一个固定频率的等幅振荡信号，这个信号也送入混频器。送到混频器的两种信号，利用放大器件的非线性特点产生一种新的差频信号。高频调幅信号经过变频级后，只是变换了载波的频率，而调制规律没有改变，仍然是调幅信号。

文中对AM超外差收音机的工作原理，电路设计以及仿真过程进行了分析和验证。并根据仿真结果进行了性能分析，根据实验结果和设计原理的相互印证，证明了AM超外差式收音机的系统是可行的。

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第一章 AM超外差收音机工作原理

1.1 AM调制方式

人们说话时，声带的振动引起周围空气共振，并以340米/秒的速度向四周传播。人类说话的频率范围是300Hz——3400Hz，人能够听到声波在20Hz—20kHz范围内。由于声波在空气中传播时会产生损耗，因此需要通过一些办法来解决信号失真的问题，这种方法就是对中波信号进行调制。

调制的方式有很多种，比如幅度调制（AM）、角度调制，角度调制又可根据调制特性分为调频（FM）和调相（PM）.本章主要对进行幅度调制（AM）方式进行阐述。正弦载波幅度随调制信号而变化的调制，简称调幅（AM），所谓调幅是指是使载波的振幅随着调制信号的变化规律而变化；数字幅度调制也叫作幅度键控（ASK）。调幅的技术和设备比较简单，频谱较窄，但抗干扰性能差，广泛应用于长中短波广播、小型无线电话、电报等电子设备中。

数学表达式如下： 设调制信号为：

UΩ(t)=UΩmcosΩt

UC(t)=Ucmcosωct

AM(t)=Um(1+macosΩt)cosωct

载波信号为： 调幅波的表示为: 1之间。

它保持着高频载波的频率特性，调幅波振幅的包络变化规律与调制信号的变化规律一致。AM调制过程如下：

ma是一个和调制信号幅度Ua成比例的常数，叫作调幅系数，数值应在0～

超外差接收机是利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变

换为某个预先确定的频率的方法。超外差原理最早是由E.H.阿姆斯特朗于1918年提出的。这种方法是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收的需要，在外差原理的基础上发展而来的。外差方法是将输入信号频率变换为音频，而阿姆斯特朗提出的方法是将输入信号变换为超音频，所以称之为超外差。1919年利用超

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外差原理制成超外差接收机。这种接收方式的性能优于高频（直接）放大式接收，所以至今仍广泛应用于远程信号的接收，并且已推广应用到测量技术等方面。

1.2 包络检波原理

包络检波的定义是从调幅波包络中提取调制信号的过程：先对调幅波进行整流，得到波包络变化的脉动电流，再以低通滤波器滤除去高频分量，便得到调制信号。实现包络检波过程的电路为包络检波器。包络检波器根据所用器件不同，可分为二极管包络检波器和三极管包络检波器；根据信号的大小不同，又可分为小信号平方律检波器和大信号检波器。二极管峰值包络检波器的原理电路如图1-2-1所示 ：

图1-2-1 二极管包络检波原理图

检波结果的正确性与电阻R和电容C密切相关，若C增大，就会充电慢，，R一定，放电慢，所以波动小，电压也小。若R增大，则充电快，放电慢，C一定，波动小， 则电压大。它的工作原理可以表示成如下过程，即充电比较放电比较，如图1-2-2所示：

图1-2-1 二极管包络检波过程

为了避免切割失真和必须合理的设置R和C的值。这就是二极管包络检波的工作原理。

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1.3 AM超外差收音机工作原理

由于直放式收音机中高频放大器只能适应较窄频率范围的放大，要想在整个中波频段525kHZ—1605kHZ获得一致放大是很困难的。因此用超外差接收方式来代替高放式收音机。

输入回路高频放大混频器中频放大解调器低频放大本地振荡自动增益控制

图1-3-1 超外差接收机原理

超外差收音机通过天线接收信号，通过输入回路输入到下一级进行高频放大，本地产生一个和载波频率相等的频率进行混频，滤除高频信号，得到中频信号。由于信号有衰减，所以需要进行中频放大，然后将中频信号输入到解调器中解调，解调其实就是滤除高频成分，得一个自动增益控制到原始信号，因为原始信号时声音信号，通过多级传输后产生了衰减，所以要进行低频放大，即可还原原始的声音信号了。电路还增加了一个自动增益控制电路，自动增益控制电路的作用是一种在输入信号变化很大的情况下，是输出信号的幅度在很小的范围内变化的一种自动自动控制电路。这就是超外差式收音机的工作原理。

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第二章 AM超外差收音机Systemview仿真

3.1 Systemview简介

SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。软件抓图

主要作用

利用System View，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。用户在进行系统设计时，只需从System View配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。 工具特点

SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库（Main Library）及专业库(Optional Library)，基本库中包括多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处理（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。

System View能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。 System View的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标——如幅频特

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性（伯特图）、传递函数、根轨迹图等之间的转换。

在系统设计和仿真分析方面，System View还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。

System View还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。提供了与编程语言VC++或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。还具备与硬件设计的接口：与Xilinx公司的软件Core Generator配套，可以将System View系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件；另外，System View还有与DSP芯片设计的接口，可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码。

3.2 AM超外差收音机仿真电路设计

根据AM超外差式收音机的工作原理，进行仿真电路的设计。系统模拟了三个电台，对三个语音信号进行调制，电台一（图符12）的载波频率设置为40khz、电台二（图符9）的载波频率设置为50khz、电台三（图符34）的载波频率设置为30khz。调制后将3路已调信号输入到下一级，进行中频解调，然后通过带通滤波器滤波，得到中频信号。中频放大后，由于传输过程中出现衰减，需要进行中频放大，然后输入到包络检波器中解调，包络检波结果可由示波器41中观察，包络检波后通过一个低通滤波器，最后得到的解调信号可以从示波器33中观察。图3-2-1就是AM超外差收音机的仿真电路图。仿真结果和调试过程将在下一节进行阐述。

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3.3 仿真调试过程

仿真电路设计完成，要验证实验原理，还需要对各个电路器件进行参数设计，在进行仿真才有可能得到需要的结果。下面就电路参数设置作一详细论述。

首先需要的到3路模拟电台信号，所以需要对三路信号进行调制。调制就涉及到载波和调制信号。将第一路调制信号的扫频带宽设置为3khz，调制系数为0.75，调制系数=调制信号幅度/载波信号幅度。设置如图3-3-1所示：

图3-3-1 第一路信号扫频设置

设置载波，载波幅度设置外围1V，频率设置为30khz，如图3-3-2所示:

图3-3-2 第一路信号载波

其它两路信号的调制如图3-1中注释所示。载波频率分别为40khz和50khz。 收音机通过天线接收信号，信号刚进入收音机时，没有进行处理，所以3路信号都存在。接下来就需要对信号进行处理，得到想要的信号。首先进行高频放大，然后通过混频器得到中频信号。即图符14的输出信号，这时正确的话应该能得到3个中频信号。本振参数设置如图3-3-3所示：

图3-3-3 本振信号参数设置

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混频后得到的是中频信号，而且输出中包含了3路输出中频信号所以还需要将我们需要的第一路信号（载频为40khz）的信号筛选出来。筛选中频信号，我们可以使用一个切比雪夫型带通滤波器，因为第一路信号通过混频器后将得到100khz和20khz两个信号，我们只需要将20khz的信号提取出来就可以实现目标。关键在于带通滤波器的设置。切比雪夫型带通滤波器参数设置如图3-3-4所示：

图3-3-4 切比雪夫带通滤波器参数设置

容易知道，带通滤波器输出信号为频率为20khz的中频信号，接下来要做的就是还原中频信号。还原中频信号即使解调。解调我们使用的是中频广播中使用最广泛的包络检波法。包络检波参数设置如图3-3-5所示：

图3-3-5 包络检波参数设置

包络检波输出后，经过低通滤波器，还原得到原始信号。低通滤波器参数设置如图3-3-6所示：

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图3-3-6 低通滤波器参数设置

个器件参数设置完成后，即可进行仿真，仿真前有一个关键点必须注意，一定要正确设置时间参数，本次仿真时间参数设置如图3-3-7所示，抽样点数为8192，抽样频率是200khz，其他参数可根据观察需要进行设置。

图3-3-7 时间参数设置

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第三章 AM超外差收音机仿真结果及性能分析

根据实验原理，设置好参数后就可以进行仿真了，仿真结果如下。首先我们调制指数为1的调制信号，如图3-1所示：

图3-1 调制系数为1的调制信号

从图中可以知道，模拟调制信号是一个标准的正弦波。 调制指数为1的已调信号如图3-2所示：

图3-2 调制系数为1的已调信号

因为调制指数为1，所以根据调幅特性可以知道，包罗刚好经过原点，如果继续增大输入信号的幅度，将会产生过调制现象，从图中可以知道，调制是正确的，符合调制系数为1时的调制。

天线接收的三路已调信号频谱图如图3-3所示

图3-3 天线接收的信号

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天线接收信号后进行混频，混频输出频谱图如图3-4所示：

图4-4 混频输出中频信号的频谱图

根据设计原理，三路输入信号的中心频率分别是30khz、40khz和50khz，本振信号的中心频率是60khz，根据数学运算可以得到30khz、20khz、10khz的下边带信号以及90khz、100khz、110khz的上边带（镜像干扰信号），但由于我们选择观察的范围为200khz，所以，镜像干扰信号只能观察到90khz信号及部分100khz信号。仿真结果验证了混频原理的正确性。

调制信号（上）、已调信号（中）和通过低通滤波器还原得到的信号（下）的对比结果如图35所示，对比实验结果，可知解调结果正确，系统满足我们的需要。

图3-5 调制信号、已调信号和解调信号对比

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改变带通滤波器带宽

仿真环节比较理想，可以进一步设置切比雪夫带通滤波器带宽，将带宽减小到200Hz,如图3-6所示：

图3-6 改变带通滤波器带宽

此时可以得到很干净的20khz信号频谱图，如图3-7所示：

图3-7 200hz带宽下20khz信号频谱

但是由于这个时候通过带通滤波器的信号大大减少了，很多接近20khz的信号也被滤除了，会导致解调后得不到原有的信号，也就是说还原的信号恢复不到原信号，通过解调后输出滤波器可以验证这个猜测，因此设计带通滤波器时，需要注意带宽的设置。如图3-8所示：

图3-8 带宽过小的还原信号

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过调制现象

如果调制信号的电压大于载波电压，就会出现过调制现象，参数设置如图3-9所示：

图3-9 过调制调制信号电压

电路其他参数不变，仿真结果如图3-10，调制信号（上）、已调信号（中）、解调信号（下），观察波形可知，解调信号发生了失真，这是因为：

图3-10 过调制

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结束语

通过这次课程设计，加深了对AM超外差收音机系统的理解，明白了它的设计过程和仿真过程。本次课程设计有以下几个关键节点需要抓住，首先是需要对系统的工作流程有一个清晰的认识；其次是需要掌握SystemView软件的使用；再次是考验了一定的查找问题，解决问题的能力，仿真调试时最能检验这一点。

通过本次试验，学到了很多新的知识。如如何使用SystemView软件，如何设置电路元件的参数。更重要的是学会了通过分析系统性能的方法验证系统设计原理的思路。

通过本此课设使我提高了发现问题并且解决问题的能力，刚开始的时设置切比雪夫滤波最低频率大于抽样频率一半的错误提示，后来通过网络学习，发现和实际修改参数，是这一问题得到了解决。查看波形报告时，发现输出的波形不能够很清晰的反应各个阶段波形的特性，一开始以为得到的结果是错误的，后来通过思考我们需要得到什么样的结果，然后和实际输出的结果比较发现，其实我希望观察的是输出波形的频谱图，而刚开始时输出的是时域波形图，发现问题后通过选择查看波形的类型，选择Power specutrum(dBm in 50ohm)选项得到了需要的输出结果。这个过程提高我了发现问题的能力和解决问题的能力。

这次课程设计是和团队一起完成的，大家齐心协力，一起探讨，不仅能快速的发现问题，还能更快的解决问题，使工作效率大大的提高了。而这这种工作方式已经得到了社会的认可，因此，本次课程设计的意义就显而易见了。

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参考文献

（1）李东生.《SystemView系统设计及仿真入门与应用》 电子工业出版社

（2）杨翠蛾.《高频电子线路实验与课程设计SystemView部分》 哈尔滨工程大学出版社

（3）陈萍.《现代通信实验系统的计算机仿真》 国防工业出版社 （4）董在望.《通信电路原理》 高等教育出版社

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致 谢

在两个礼拜的课程设计过程中，获得了很多帮助，要感谢那些给予我帮助的老师、学长还有同学们。

首先衷心感谢高明华老师，在课程设计前，给我们提供了课程设计所需要的软件及资料。在课程学习期间，高老师以他严谨的教学态度、深厚的学识给了我莫大的帮助，谢谢胡老师悉心指导。

在这里，不得不提到的就是我的室友，在我碰到问题时，给我的提示加快了课程设计完成的速度，另外在于他的讨论中不仅学到了知识，还从他身上学到了一些学习方法，让我获益匪浅，课程设计如期完成和他十分不开的，这次课程设计虽然不是团队课设，但是完成的过程还是让我深深的体会到了团队的重要性。在这里谢谢他的帮助。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mr8g.html