OrCAD16.3在通信電子線路教學(xué)中的應(yīng)用

◆劉敏 付崇芳

作者：劉敏，南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院通信工程系講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ烹娮泳€路與EDA技術(shù)；付崇芳，南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院通信工程系（330063）。

1 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，通信體制、調(diào)制編碼方式、工作頻段等方面發(fā)生很大變化，對(duì)通信電子線路的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式提出新要求[1]。通信電子線路是電子信息工程、通信工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課，顯著特點(diǎn)是采用非線性分析方法，概念多、電路多、要求的基礎(chǔ)知識(shí)多，傳統(tǒng)教學(xué)方式以理論分析與公式推導(dǎo)為主，學(xué)生反映公式多，難以理解。

Cadence公司的OrCAD是工程師們認(rèn)為功能最強(qiáng)大、應(yīng)用最廣泛的EDA軟件，主要包括Capture CIS、Pspice AD、PCB Editor、PCB Router等組件，可以對(duì)電路進(jìn)行直流分析、交流與噪聲分析、偏置分析、時(shí)域分析等，其分析結(jié)果以波形或圖表直觀反映給用戶[2]。將OrCAD用于通信電子線路教學(xué)中，可以幫助學(xué)生更好地理解并掌握通信電子線路知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率。本文以目前較流行的OrCAD16.3版本對(duì)振幅調(diào)制解調(diào)進(jìn)行建模和仿真分析。

2 振幅調(diào)制解調(diào)基本原理

振幅調(diào)制是通信電子線路課程的重要內(nèi)容，可分為普通調(diào)幅AM，雙邊帶調(diào)幅DSB，單邊帶調(diào)幅SSB，把要傳送的有用信號(hào)加載到載波上發(fā)送出去；振幅解調(diào)是振幅調(diào)制的逆過(guò)程，相對(duì)于把調(diào)幅信頻譜搬回到零載頻的低頻端，可分為AM信號(hào)的包絡(luò)檢波和DSB信號(hào)的乘積解調(diào)——同步檢波[3]。AM、DSB信號(hào)調(diào)制解調(diào)框圖分別如圖1、圖2所示[4-5]。

圖1 AM調(diào)制解調(diào)原理框圖

圖2 DSB調(diào)制解調(diào)原理框圖

由圖1、圖2可以得出，調(diào)制信號(hào)疊加上一個(gè)直流分量，與載波相乘得到AM信號(hào)，通過(guò)包絡(luò)檢波器可還原調(diào)制信號(hào)；DSB信號(hào)相對(duì)AM而言，少了一個(gè)直流分量，由調(diào)制信號(hào)直接與載波相乘得到，再通過(guò)乘法器與低通濾波器還原調(diào)制信號(hào)。由此得出結(jié)論，系統(tǒng)要完成調(diào)制，核心部件是乘法器。

3 振幅調(diào)制解調(diào)的OrCAD建模與仿真

AM調(diào)制解調(diào)建模與仿真

圖3 AM調(diào)制解調(diào)建模

1）AM調(diào)制解調(diào)建模：根據(jù)對(duì)AM調(diào)制解調(diào)原理框圖分析，在OrCAD Capture CIS環(huán)境下，新建工程與原理圖文件。調(diào)用SOURCE庫(kù)中的vsin正弦源V1、V2分別為調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)，ABM庫(kù)中的EMULT兩電壓相乘輸出電壓模塊為乘法器，DIODE庫(kù)中選擇二極管D1N4148，ANALOG庫(kù)中R、C等元件并設(shè)置相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)二極管峰值包絡(luò)檢波電路，其中R3、C3為輸出調(diào)制信號(hào)加入，對(duì)AM調(diào)制解調(diào)建模如圖3所示。

圖4 AM調(diào)制解調(diào)仿真

圖5 惰性失真波形

由圖3可知，V1=2+sin(2π·103t)，即uΩ=sin(2π·103t)，加入直流電壓分量為2 V，V2=uc=sin(2π·465·103t)，兩信號(hào)相乘得到AM信號(hào)，調(diào)幅度m=0.5，調(diào)制信號(hào)頻率F=1 kHz，載波頻率fc=465 kHz：

2）AM調(diào)制解調(diào)仿真：在分析類型中選擇“Time Domain(Transient)”，設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度為4 ms，仿真得到AM調(diào)制解調(diào)波形如圖4（a）所示；在仿真結(jié)果中選擇“Trace/Fourier”，得到AM信號(hào)頻譜如圖4（b）所示。

由圖4中的VA波形可以觀察到，調(diào)制后的AM信號(hào)最大幅值為3 V、最小幅值1 V，AM信號(hào)頻譜可以觀察到，上下兩邊頻譜分別為466 kHz、464 kHz，由此得出AM信號(hào)所占據(jù)頻帶寬度為BS=466-464=2 kHz，即為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍。

3）包絡(luò)檢波器失真分析：包絡(luò)檢波器中R=R1+R2=2.51 kΩ，C=C1+C2=20 nF，由于二極管的單向?qū)ㄐ砸约半娙莸某浞烹娞匦裕哳l信號(hào)被負(fù)載電容C1、C2濾掉，輸出電壓VB隨著VA的包絡(luò)變化，波形如圖4所示。若改變負(fù)載電阻R2的值，當(dāng)R2=51 kΩ時(shí)，會(huì)產(chǎn)生惰性失真，VB波形如圖5所示。

這是由于R增加，電容對(duì)其放電速度變慢，計(jì)算得：

圖6 負(fù)峰切割失真波形

圖7 DSB調(diào)制解調(diào)建模

由于圖4中VB中含有直流分量，要想還原調(diào)制信號(hào)，需要加隔直電容，具體電路如圖3所示方框中C3、R3。當(dāng)取R2=52 kΩ，R3=20 kΩ，二極管峰值包絡(luò)檢波器會(huì)產(chǎn)生負(fù)峰切割失真，VC波形如圖6所示。

DSB調(diào)制解調(diào)建模與仿真

1）DSB調(diào)制解調(diào)建模：根據(jù)對(duì)DSB調(diào)制解調(diào)原理框圖分析，同AM信號(hào)建模類似，調(diào)用SOURCE庫(kù)中的vsin正弦源V1、V2分別為調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)，EMULT為乘法器E1、E2，LOPASS為低通濾波器模塊。設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對(duì)DSB調(diào)制解調(diào)建模如圖7所示。

由圖7可知：

兩信號(hào)相乘得到DSB信號(hào)：

調(diào)制后的DSB信號(hào)再乘以一個(gè)與載波信號(hào)同頻同相的本振信號(hào)V3可恢復(fù)調(diào)制信號(hào)：

uB通過(guò)低通濾波器后高頻分量被濾除，輸出20 kHz的調(diào)制信號(hào)。

2）DSB調(diào)制解調(diào)仿真：在分析類型中選擇“Time Domain(Transient)”，設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度為200 us，仿真DSB信號(hào)調(diào)制解調(diào)波形如圖8（a）所示；在仿真結(jié)果中選擇“Trace/Fourier”，得到DSB信號(hào)頻譜如圖4（b）所示。

由圖8可觀察得到，VA為調(diào)制后DSB波形，過(guò)零點(diǎn)時(shí)波形會(huì)發(fā)生180°跳變，其包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)V1的絕對(duì)值成正比；插入與V2同頻同相的本振信號(hào)V3后，輸出波形VB在V1的前半周期，兩信號(hào)相乘得到正的幅度，后半個(gè)周期由于零點(diǎn)跳變，輸出波形發(fā)生180°翻轉(zhuǎn)；VB在通過(guò)低通濾波器后，輸出頻率為20 kHz的調(diào)制信號(hào)VC。DSB的頻譜為上邊頻485 kHz與下邊頻445 kHz，所占據(jù)頻帶寬度為BS=485-445=40 kHz，即為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍，與AM信號(hào)所占頻帶寬度原理一致。

3）同步檢波器失真分析：若分別改變本振信號(hào)V3的頻率和相位，當(dāng)V3=sin(2π·475·103t)時(shí)，恢復(fù)的調(diào)制信號(hào)VC如圖9（a）所示；當(dāng)V3=sin(2π·465·103t+0.5π)時(shí)，恢復(fù)的調(diào)制信號(hào)VC如圖9（b）所示。恢復(fù)出來(lái)的兩組信號(hào)都發(fā)生振幅失真，驗(yàn)證了同步檢波器要求本振信號(hào)與發(fā)送端載波同頻同相的原理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用OrCAD16.3軟件對(duì)通信電子線路中AM信號(hào)、DSB信號(hào)、包絡(luò)檢波器和同步檢波器進(jìn)行了建模與仿真，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，可以很直觀地看到輸出波形的變化。將OrCAD16.3對(duì)通信電子線路的基本單元（高頻小信號(hào)放大器及高頻功率放大器、正弦波振蕩器、混頻、調(diào)制與解調(diào)、鎖相環(huán)）仿真后，引入南昌航空大學(xué)通信工程專業(yè)2011級(jí)、2012級(jí)理論教學(xué)與課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，學(xué)生反映課堂生動(dòng)，OrCAD16.3的應(yīng)用加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，學(xué)習(xí)主動(dòng)性得到提高。

圖8 DSB調(diào)制解調(diào)仿真

圖9 改變本振信號(hào)頻率相位時(shí)恢復(fù)的調(diào)制信號(hào)

[1]張海濱,宋文濤.無(wú)線通信發(fā)展與“高頻電子線路”課程教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2004(4):23-26.

[2]譚陽(yáng)紅.基于OrCAD16.3的電子電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011:1-2.

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