基于DDS的幅度调制解调演示仪的设计

蒲小年 李智豪 劳健涛 戚慧珊 陈泽业 唐小煜



基于DDS的幅度调制解调演示仪的设计

蒲小年 李智豪 劳健涛 戚慧珊 陈泽业 唐小煜

（华南师范大学物理与电信工程学院）

基于直接数字合成技术，混频器、解调对数放大器等器件，设计一种简易幅度调制解调演示仪。该演示仪主要器件采用集成电路，简化电路规模，有效减少外部干扰。学生可接入示波器对调制、解调波形进行观测，实验现象明显，实验教学效果良好。

调制解调；直接数字合成技术；通信实验；演示仪

0 引言

本文设计一种较为简易的幅度调制解调演示仪，支持幅度调制与双边带幅度调制，并可在包络检波和同步检波两者中切换，使学生更深刻地认识及理解调制解调的原理和过程，并思考调制频率和调制系数对调制解调过程的影响。

1　实验装置的基本原理与设计思路

1.1　调制解调的基本原理

调制就是用基带信号控制载波的某一参数（幅度、相位或频率），使该参数随调制信号一同变化，这样可使基带信号更适合在信道中传输。本实验演示仪中载波的幅度随基带信号的一同变化，也就是幅度调制。幅度调制按调制信号的频率成分可分为标准调幅（AM）、双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）和残留边带调幅（VSB）4种；按电路实现可分为平方律调幅、斩波调幅和模拟乘积调幅3种。本实验演示仪采用模拟乘积调幅法（混频器法）产生AM波和DSB波[1]。

从解调方式上，调幅信号的检波可分为相干解调和非相干解调。相干解调又叫同步解调，电路普遍比较复杂，其优点是不会产生包络检波的门限效应[2]。非相干解调又叫包络检波，是一种基于滤波检波的振动信号处理方法。本实验演示仪同时具备相干解调和非相干解调2种解调方式，分别使用不同的电路实现。

1.2　实验演示仪设计思路

图1 基于DDS的幅度调制解调演示仪系统框架

2 　实验演示仪的组成与制作

2.1　实验演示仪所需元件

基于DDS的幅度调制解调演示仪所需元件有：DDS芯片AD9851、有源上变频混频器AD835、无源下变频混频器ADE-6、低频放大器NE5532、调制放大器OPA847、解调对数放大器AD8307、贴片电容电阻电感、直插可调电阻、SMA端子和±5 V直流稳压电源等。

2.2　实验演示仪系统框架

基于DDS的幅度调制解调演示仪系统框架如图1所示。其中，AD9851的编程控制方法以及TFT-LCD屏幕的控制代码已有成熟解决方案，此处不再赘述[4-6]。

2.3　实验演示仪的组成

2.3.1低频放大与预处理电路

低频放大与预处理电路图如图2所示。

图2 低频放大与预处理电路图

被调低频小信号从输入端进入系统，首先使用NE5532其中一个单元进行低频放大及阻抗变换，另一个单元在选择AM调制时进行直流偏置。其原理是利用运算放大器的加法器电路将被调信号与一路直流信号相加，以产生符合AM调制要求的被调放大信号；若选择DSB调制，输入信号直接进入放大与变换单元，此时输出的被调放大信号不含直流分量。

2.3.2调制与调制放大电路

调制与调制放大电路图如图3所示。

图3 调制与调制放大电路图

调制部分采用模拟乘法器调幅，它是一种低电平调幅电路。实验中通常只需观察波形，对输出的功率没有较大要求，因此在本演示仪中使用模拟乘法器进行混频法调幅。AD835外围电路十分简单，功耗也较低。AD835包含2个输入端和1个输出端，其特性方程式为

混频后的调制放大器类似于收音机的中频放大，其放大倍数可调，便于观测非相干解调时大信号、小信号的不同解调现象以及门限效应。

2.3.3高频载波电路

基于DDS的高频载波产生及处理电路图如图4所示。

图4 基于DDS的高频载波产生及处理电路图

2.3.4相干解调电路

相干解调电路图如图5所示。

图5 相干解调电路图

2.3.5非相干解调电路

非相干解调电路图如图6所示。

图6 非相干解调电路图

非相干解调部分采用解调对数放大器AD8307进行检波，解调对数放大器产生与输入信号振幅的常用对数成正比的输出，这一响应称为“线性dB”。根据官方数据手册，其转移特性方程为

3　实验演示仪的操作与性能分析

3.1　实验演示仪的操作

调制解调演示仪实物图如图7所示。

图7 调制解调演示仪实物图

2）观测AM调制时的相干解调：将输入端低频放大的输出幅值调至中间，多次改变载波幅值和调制放大倍数，观察调制输出的频谱和解调输出的变化；

3）观测DSB调制时的相干解调：将所有AM跳线断开，DSB跳线连通，多次改变载波幅值和调制放大倍数，观察调制输出的频谱并与之和上一步的频谱对比，观察解调输出的变化。

除上述实验外，还可以自行改变参数进行其他调制解调实验。

3.2　实验演示仪的性能分析

3.2.1使用Simulink调制解调模拟

实物测试前，首先进行模拟测试。Simulink是Matlab中的一个多功能工具箱，可以模拟分析常见物理系统，模拟方框图如图8所示。

图8 Simulink模拟方框图

图9 已调信号（左）、解调信号（右）频谱

图10 已调信号（左）、解调信号（右②）、被调信号（右①）波形

3.2.2实物测试

图11 已调信号波形

图12 已调信号频谱

图13 解调信号频谱

可见，实物的调制解调性能略差于模拟所得结果，这是因为软件模拟不能百分之百还原出测试时的所有电磁环境与热量分布情况。另外，现实中的仪器测量和显示存在一定的系统误差，滤波器的滤波特性也不理想，因此会出现上下边带及载波频带的拓宽，频率成分混杂。

3.3　实验演示仪优点与创新点

1）大量使用集成电路芯片，从电路的组成上减少了布线和走线电阻的影响，提高了抗干扰能力；

2）使用DDS芯片作为高频载波源，演示仪可自行产生载波，简化实验硬件条件；

3）非相干解调采用对数放大器进行检波，动态范围极大，提高了门限效应出现的门槛。

4　结语

本实验演示仪构造简单、性能稳定，实验现象明显，有助于调动学生学习物理知识的积极性，激发学生对实验原理的深入思考，加深了学生对调制的理解。外显电路相对精简，适合未深入学习模拟电子技术的学生掌握调制解调的原理和技术，培养学生严谨的实验操作习惯，锻炼学生的创新性思维。可鼓励学生动手尝试制作或改进该装置，例如增加SSB单边带调制信号的调制与解调功能，有利于培养学生的探究精神。

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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，在读本科生，主要研究方向：计算机网络、物联网技术、移动通信技术等。E-mail: 20153100032@m.scnu.edu.cn