基于仿真的FM调制解调设计①

2020-10-26杜云明蔺幸宇

佳木斯大学学报（自然科学版） 2020年3期

郝楠，杜云明，蔺幸宇，蒋野

(佳木斯大学信息电子技术学院黑龙江佳木斯 154007)

0 引言

锁相技术是一门利用负反馈控制原理实现频率及相位的同步技术，已深入到通信、雷达、原子物理学、流体力学等领域[1]，涉及面非常之广，掌握这一门技术是通信类专业学生就业的最基本条件。目前各个高校都开设了相关课程，由于没有实物器件、即一些实际应用来使学生加深对锁相环的了解和理解，本实验系统通过Proteus软件仿真实现FM信号的调制和利用锁相环器件CD74HC4046A解调，希望通过本次仿真实验使学生理论能联系实际应用并加深理解。

1 FM调制解调原理

1.1 FM调制原理

FM调频信号是用调制信号控制载波的频率变化的一种调制方法[2]。在函数发生器输入端输入调制信号Ui=AΩcosΩt，在函数发生器内部设置载波信号，即可得到FM(已调)信号。

1.2 FM解调原理

将函数发生器产生的FM信号送到鉴相器信号输入端，同时锁相环74HC4046A压控振荡器的输出信号即为本振(载波)信号送到鉴相器比较输入端，两信号相乘实现相干解调，因环路滤波器具有低通特性，滤掉高频信号，所以解调后的输出信号Ui=AΩcosΩt，即为调制信号。

2 FM调制解调实验系统设计

本系统框图设计如图1所示，它包括FM信号的调制和解调电路，调制由函数发生器和调制信号组成，解调电路由锁相环的鉴相器、环路滤波器和VCO压控振荡器组成。

图1 FM信号的调制与解调

2.1 FM信号的调制

FM信号的调制电路如图2所示，在函数发生器FM端输入幅值Umi=1V，频率为fi=4kHz调制信号。利用示波器测得其波形值如图3所示，电压单位是0.5V/div，刻度值是2，调制信号fi的幅值Umi=0.5*2=1V；调制信号频率刻度值是2.5，扫描时间单位是100us/sweept，计算周期T=(2.5*100)=250us，那么调制信号频率fi=1/(2.5*100)us=4kHz。函数发生器内产生的载波信号fc=10MHz，经函数发生器作用，可得FM信号fm，利用示波器测得FM信号的波形如图4所示，电压单位是2V/div，FM信号fm的幅值Ufm=Umo=2.85V*2=5.7V，扫描时间单位是1us/sweept。

图2 FM信号的调制

图3 调制信号波形

图4 FM信号波形

2.2 FM信号的解调

CD74HC4046A芯片内含有一个VCO、二个鉴相器PC1、PC2(或三个鉴相器)，由于本次设计相关要求，选择鉴相器PC1，实验系统电路原理图如图5。参数设定如下。

图5 电路原理图

(1) 双击CD74HC4046A芯片，将Frquency range频率设定为11MHz，将Frquency offset 频率设定为10MHz。

图6 解调后仿真波形

图7 相位余量伯德图

图8 FM等四种信号

(2) 根据CD74HC4046A datasheet设定相关的外部电容和电阻，本实验C1=40pF，R1=11MΩ，R2=22kΩ来使Frquency range和Frquency offset符合相应要求。

(3) 根据低通滤波器设计要求，本实验将截止频率设定为4kHz，R3和C2分别设定为40kΩ和1nF。

(4) 将原始信号FM信号、PC1OUT端、VCOIN端与示波器相连，调节时间旋钮至100us/sweept和示波器中A和B幅度旋钮调至2V/div，C幅度旋钮调至5mV/div，D幅度旋钮调至5mV/div，得解调后波形如图6所示。从上至下分别是调制信号、FM调频信号、解调信号和解调输出端10的信号。

3 相位余量的MATLAB仿真

3.1 相位余量

相位余量(相位裕度)是指开环增益降至0dB时，开环相位与180°的差值。为了确保环路稳定，通常要求相位余量在50°～60°左右[3]。

3.2 MATLAB仿真

本系统设计通过开环传递函数的伯德图来判断闭环系统的稳定性，仿真结果如图7所示。由仿真的相位余量伯德图图7可以看出，开环增益降至0dB时，开环相位与180°的差值为0.906°，理论上环路不稳定。有资料为证，RC环路滤波器组成的锁相环系统通常是不稳定的，但截止频率较大，如1kHz，100Hz时，增益没有出现较大峰值，环路特性稳定，而低于此频率时出现较大峰值，环路特性不稳定，即使环路特性稳定，VCO输出中也会出现比频率较大的寄生成分，不能得到高纯正度的输出信号[4]。在本仿真实验系统中，由于截止频率是4kHz，所以是能满足稳定实现解调的。

实际测量发现，压控振荡器输出是正常的10MHz信号，见图8，仿真波形由上至下分别是FM信号、调制信号、标准的10MHz正弦信号和压控振荡器输出的10MHz信号。若人为的将压控振荡器输出到鉴相器比较输入端的信号去掉，那么测环路滤波器后，即压控振荡器输入端(VCOIN)没有解调信号，也就是说不能实现解调。