基于DDS的幅度調(diào)制解調(diào)演示儀的設(shè)計(jì)

蒲小年 李智豪 勞健濤 戚慧珊 陳澤業(yè) 唐小煜

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基于DDS的幅度調(diào)制解調(diào)演示儀的設(shè)計(jì)

蒲小年 李智豪 勞健濤 戚慧珊 陳澤業(yè) 唐小煜

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院）

基于直接數(shù)字合成技術(shù)，混頻器、解調(diào)對數(shù)放大器等器件，設(shè)計(jì)一種簡易幅度調(diào)制解調(diào)演示儀。該演示儀主要器件采用集成電路，簡化電路規(guī)模，有效減少外部干擾。學(xué)生可接入示波器對調(diào)制、解調(diào)波形進(jìn)行觀測，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好。

調(diào)制解調(diào)；直接數(shù)字合成技術(shù)；通信實(shí)驗(yàn)；演示儀

0 引言

本文設(shè)計(jì)一種較為簡易的幅度調(diào)制解調(diào)演示儀，支持幅度調(diào)制與雙邊帶幅度調(diào)制，并可在包絡(luò)檢波和同步檢波兩者中切換，使學(xué)生更深刻地認(rèn)識及理解調(diào)制解調(diào)的原理和過程，并思考調(diào)制頻率和調(diào)制系數(shù)對調(diào)制解調(diào)過程的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置的基本原理與設(shè)計(jì)思路

1.1　調(diào)制解調(diào)的基本原理

調(diào)制就是用基帶信號控制載波的某一參數(shù)（幅度、相位或頻率），使該參數(shù)隨調(diào)制信號一同變化，這樣可使基帶信號更適合在信道中傳輸。本實(shí)驗(yàn)演示儀中載波的幅度隨基帶信號的一同變化，也就是幅度調(diào)制。幅度調(diào)制按調(diào)制信號的頻率成分可分為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅（AM）、雙邊帶調(diào)幅（DSB）、單邊帶調(diào)幅（SSB）和殘留邊帶調(diào)幅（VSB）4種；按電路實(shí)現(xiàn)可分為平方律調(diào)幅、斬波調(diào)幅和模擬乘積調(diào)幅3種。本實(shí)驗(yàn)演示儀采用模擬乘積調(diào)幅法（混頻器法）產(chǎn)生AM波和DSB波[1]。

從解調(diào)方式上，調(diào)幅信號的檢波可分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)又叫同步解調(diào)，電路普遍比較復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)是不會產(chǎn)生包絡(luò)檢波的門限效應(yīng)[2]。非相干解調(diào)又叫包絡(luò)檢波，是一種基于濾波檢波的振動信號處理方法。本實(shí)驗(yàn)演示儀同時具備相干解調(diào)和非相干解調(diào)2種解調(diào)方式，分別使用不同的電路實(shí)現(xiàn)。

1.2　實(shí)驗(yàn)演示儀設(shè)計(jì)思路

圖1 基于DDS的幅度調(diào)制解調(diào)演示儀系統(tǒng)框架

2 　實(shí)驗(yàn)演示儀的組成與制作

2.1　實(shí)驗(yàn)演示儀所需元件

基于DDS的幅度調(diào)制解調(diào)演示儀所需元件有：DDS芯片AD9851、有源上變頻混頻器AD835、無源下變頻混頻器ADE-6、低頻放大器NE5532、調(diào)制放大器OPA847、解調(diào)對數(shù)放大器AD8307、貼片電容電阻電感、直插可調(diào)電阻、SMA端子和±5 V直流穩(wěn)壓電源等。

2.2　實(shí)驗(yàn)演示儀系統(tǒng)框架

基于DDS的幅度調(diào)制解調(diào)演示儀系統(tǒng)框架如圖1所示。其中，AD9851的編程控制方法以及TFT-LCD屏幕的控制代碼已有成熟解決方案，此處不再贅述[4-6]。

2.3　實(shí)驗(yàn)演示儀的組成

2.3.1低頻放大與預(yù)處理電路

低頻放大與預(yù)處理電路圖如圖2所示。

圖2 低頻放大與預(yù)處理電路圖

被調(diào)低頻小信號從輸入端進(jìn)入系統(tǒng)，首先使用NE5532其中一個單元進(jìn)行低頻放大及阻抗變換，另一個單元在選擇AM調(diào)制時進(jìn)行直流偏置。其原理是利用運(yùn)算放大器的加法器電路將被調(diào)信號與一路直流信號相加，以產(chǎn)生符合AM調(diào)制要求的被調(diào)放大信號；若選擇DSB調(diào)制，輸入信號直接進(jìn)入放大與變換單元，此時輸出的被調(diào)放大信號不含直流分量。

2.3.2調(diào)制與調(diào)制放大電路

調(diào)制與調(diào)制放大電路圖如圖3所示。

圖3 調(diào)制與調(diào)制放大電路圖

調(diào)制部分采用模擬乘法器調(diào)幅，它是一種低電平調(diào)幅電路。實(shí)驗(yàn)中通常只需觀察波形，對輸出的功率沒有較大要求，因此在本演示儀中使用模擬乘法器進(jìn)行混頻法調(diào)幅。AD835外圍電路十分簡單，功耗也較低。AD835包含2個輸入端和1個輸出端，其特性方程式為

混頻后的調(diào)制放大器類似于收音機(jī)的中頻放大，其放大倍數(shù)可調(diào)，便于觀測非相干解調(diào)時大信號、小信號的不同解調(diào)現(xiàn)象以及門限效應(yīng)。

2.3.3高頻載波電路

基于DDS的高頻載波產(chǎn)生及處理電路圖如圖4所示。

圖4 基于DDS的高頻載波產(chǎn)生及處理電路圖

2.3.4相干解調(diào)電路

相干解調(diào)電路圖如圖5所示。

圖5 相干解調(diào)電路圖

2.3.5非相干解調(diào)電路

非相干解調(diào)電路圖如圖6所示。

圖6 非相干解調(diào)電路圖

非相干解調(diào)部分采用解調(diào)對數(shù)放大器AD8307進(jìn)行檢波，解調(diào)對數(shù)放大器產(chǎn)生與輸入信號振幅的常用對數(shù)成正比的輸出，這一響應(yīng)稱為“線性dB”。根據(jù)官方數(shù)據(jù)手冊，其轉(zhuǎn)移特性方程為

3　實(shí)驗(yàn)演示儀的操作與性能分析

3.1　實(shí)驗(yàn)演示儀的操作

調(diào)制解調(diào)演示儀實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 調(diào)制解調(diào)演示儀實(shí)物圖

2）觀測AM調(diào)制時的相干解調(diào)：將輸入端低頻放大的輸出幅值調(diào)至中間，多次改變載波幅值和調(diào)制放大倍數(shù)，觀察調(diào)制輸出的頻譜和解調(diào)輸出的變化；

3）觀測DSB調(diào)制時的相干解調(diào)：將所有AM跳線斷開，DSB跳線連通，多次改變載波幅值和調(diào)制放大倍數(shù)，觀察調(diào)制輸出的頻譜并與之和上一步的頻譜對比，觀察解調(diào)輸出的變化。

除上述實(shí)驗(yàn)外，還可以自行改變參數(shù)進(jìn)行其他調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)。

3.2　實(shí)驗(yàn)演示儀的性能分析

3.2.1使用Simulink調(diào)制解調(diào)模擬

實(shí)物測試前，首先進(jìn)行模擬測試。Simulink是Matlab中的一個多功能工具箱，可以模擬分析常見物理系統(tǒng)，模擬方框圖如圖8所示。

圖8 Simulink模擬方框圖

圖9 已調(diào)信號（左）、解調(diào)信號（右）頻譜

圖10 已調(diào)信號（左）、解調(diào)信號（右②）、被調(diào)信號（右①）波形

3.2.2實(shí)物測試

圖11 已調(diào)信號波形

圖12 已調(diào)信號頻譜

圖13 解調(diào)信號頻譜

可見，實(shí)物的調(diào)制解調(diào)性能略差于模擬所得結(jié)果，這是因?yàn)檐浖M不能百分之百還原出測試時的所有電磁環(huán)境與熱量分布情況。另外，現(xiàn)實(shí)中的儀器測量和顯示存在一定的系統(tǒng)誤差，濾波器的濾波特性也不理想，因此會出現(xiàn)上下邊帶及載波頻帶的拓寬，頻率成分混雜。

3.3　實(shí)驗(yàn)演示儀優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

1）大量使用集成電路芯片，從電路的組成上減少了布線和走線電阻的影響，提高了抗干擾能力；

2）使用DDS芯片作為高頻載波源，演示儀可自行產(chǎn)生載波，簡化實(shí)驗(yàn)硬件條件；

3）非相干解調(diào)采用對數(shù)放大器進(jìn)行檢波，動態(tài)范圍極大，提高了門限效應(yīng)出現(xiàn)的門檻。

4　結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)演示儀構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，有助于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的積極性，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的深入思考，加深了學(xué)生對調(diào)制的理解。外顯電路相對精簡，適合未深入學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的學(xué)生掌握調(diào)制解調(diào)的原理和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作習(xí)慣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新性思維?？晒膭顚W(xué)生動手嘗試制作或改進(jìn)該裝置，例如增加SSB單邊帶調(diào)制信號的調(diào)制與解調(diào)功能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神。

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Design of Demonstration Instrument for Amplitude Modulation and Demodulation Based on DDS

Pu Xiaonian Li Zhihao Lao Jiantao Qi Huishan Chen Zeye Tang Xiaoyu

(College of Physics and Telecommunications Engineering, South China Normal University)

By using the Direct Digital Synthesizer, Mixer and Logarithmic Amplifier, we designed a simple demonstration device for the amplitude modulation and demodulation demonstration. The device have lower working voltage, lower power consumption, its main component are integrated circuit, which can simplify the circuit and help to prevent the outer interferences.

Modulation and Demodulation; Direct Digital Synthesis Technology; Communication Experiment; Demonstration Instrument

蒲小年，男，1997年生，在讀本科生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)等。E-mail: 20153100032@m.scnu.edu.cn