通信电路课程设计与实验.docx

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1、 课程设计设计题目：通信电路课程设计学生姓名：徐涛学 号：专业班级：光信息科学与技术11-2班指导教师：陈丽娟、杨 蕾、吴 晔、张腾达实验组员：徐涛、丁增平、李飞、潘银飞、王晶晶、韩慧鑫、李瑞 2014年1月2号设计题目小信号调谐放大器电路设计、 基于MATLAB的带通滤波器设计成绩课程设计主要内容 我们组硬件部分做的是小信号调谐放大器电路设计，参数是中周频率465KHz（理想），其他参数自定，设计好模拟电路后，实际搭建后，调出理想波形。 软件部分我们组选择的是题目1-B，设计带通滤波器，我们使用了凯瑟窗和频率采样法，选定方法后，设计程序，调试程序，直到符合理想输出。主要工作：本人负责滤波器m

2、atlab程序设计和分析，解释每条程序。指导老师评语签名： 20 年 月 日建议：从学生的工作状态、工作量、设计论文的创造性、学术性、实用性及书面表达能力等方面给出评价。目 录一、硬件部分41、题目42、小信号调谐放大器的电路的基本要求43、单级单调谐回路谐振放大器原理44、小信号调谐放大器的参数计算与仿真电路5 4.1、主要技术指标预期值5 4.2、小信号放大器参数5 4.3、电容的取值6 4.4、谐振回路参数计算6 4.5、仿真电路图6 4.6、仿真输出结果图7 4.7、仿真输入输出倍数95、 实际设计电路及结果96、 实际结果分析107、 硬件部分过程总结10二、软件部分111、凯瑟窗1

3、1 1.1、原理11 1.2、参数设置12 1.3、MATLAB程序12 1.4、实验图像13 1.5、结果分析142、切比雪夫滤波器15 2.1、原理15 2.2、参数设置16 2.3、MATLAB程序16 2.4、实验图像17 2.5、结果分析17心得体会17参考资料18一、硬件部分一、 题目：小信号调谐放大器的电路设计二、 小信号调谐放大器的电路的基本要求是： 增益要高，即放大倍数要大。 频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强 工作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受外界因素变化的影响。 前后级间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益。同时，各级之间不能产生明

4、显的相互干扰。 三、 单级单调谐回路谐振放大器原理： 高频小信号谐振放大器是由放大电路（由晶体管、场效应管或集成电路组成）与选频电路（主要是LC谐振回路）组成，作用是将微小的高频信号进行线性放大，选出中心频率（输入信号对应）的信号，并滤除不需要的干扰频率信号。采用谐振回路作负载，即对靠近谐振频率附近的信号有较大的增益，对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降，即具有选频放大作用。本电路不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数会影响放大器的输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻R1和R2

5、以及R3决定。 图1-3-1 单级单调谐回路谐振放大器原理图（1）、理论上分析，谐振时电压增益：（2）、放大器的增益可用带宽表示为：其中四、 小信号调谐放大器的参数计算与仿真电路：1、主要技术指标预期值：（1）谐振频率：465KHz（理想 ）（2）谐振电压放大倍数：，即输出是输入的十倍（3）通频带：2、小信号放大器参数：（1）由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82mA之间选取为宜，设计电路中取，设。（2）因为，而 所以：（3）因为：(硅管的发射结电压为0.7V) 所以：（4）因为： 所以：（5）因为： 而而：。考虑调整静态电流的方便，用20K电位器与10K电阻串联。3、

6、电容的取值：耦合电容的值，可在1000pf0.01uf之间选择，旁路电容的取值一般为0.01-1uF。4、谐振回路参数计算1）回路中的总电容C：因为： 给定的理想谐振频率f0=465KHz，则计算得LC的乘积满足电感L=47uH，可计算回路电容C约为2491PF。仿真电路中取2300PF2）回路电容C取C为固定值2300pf,与0-500Pf可调电容并联。3）但由于实际时间等客观因素的限制，电感线圈和电容所构成的LC回路用模拟的中周代替。求电感线圈N2与N1的匝数没有进行深入研究。说明：虽然计算出的确定值但是通过我们下面的仿真，在仿真过程中调整了一些参数使输出波形比较理想所以计算出来的值只是参

7、照值，我们最终得出的图1-4-1 图1-4-1 仿真电路设计图5、仿真输出结果： 图1-4-2 输入、输出电压波形图 图1-4-3 输入电压数值图 图1-4-4 输出电压数值图6、仿真输入输出倍数：放大倍数=6.827V/35.335mV=193.2079因此仿真电路的放大倍数大约为193五、实际设计电路及结果： 图1-5-1 硬件电路连接实物图 图1-5-2 示波器输入输出波形图六、实际结果分析：（1）、由输入输出图可看出：输入电压为17mV，输出电压为220mV，中心频率即谐振频率为：2.513MHZ.（2）、电压增益：Aov=Vi/Vo=220mV/17Mv=12.94 因此实际电压增益

8、约为13倍。（3）通频带：（因为实验仪器的不稳定因此我们用了一个输入10mV计算通频带） 当输入峰峰值为17mV时输出为220mV，改变输入的频率使输出改变，当频率增大或减小时，输出电压减小，当输出峰峰值电压减小到220mV的根号2倍时的电压即155mV对应的频率即为两个上下限频率，f1,f2.实验测得：f1=2,47MHz，f2=2.61MHz，则通频带BW0.7=f2-f1=0.41MHz七、 硬件部分过程总结（1）按照电路图将元件连接好后，输入信号465KHz，在示波器上显示出的波抖动并且形变很大的波形，波形完全不是我们想要的。刚开始我们只是调节中周，但是波形依旧在变形很大，无法显示正确

9、波形，后来我们试图改输入频率，因为开始我们所知道的的频率和实际频率差别很大，所以后来通过该输入频率发现可以输出较好的波形，根据老师的指点，调电位器、信号源频率和中周一起调节，在调节中周和信号源输入频率的后，波形变得符合要求， （2）完成这一课设后，我对高频小信号放大器有了更深刻地理解。高频小信号放大器广泛用于广播,电视,通信,测量仪器等设备中.高频小信号放大器可分为两类:一类是以谐振回路为负载的谐振放大器;另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器.它们的主要功能都是从接收的众多电信号中,选出有用信号并加以放大,同时对无用信号,干扰信号,噪声信号进行抑制,以提高接收信号的质量和抗干扰能力.（3）高

10、频小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路,主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。在本次课设中，我了解了高频小信号放大器的特点： 放大小信号,晶体管工作在线性范围内(甲类放大器) 信号的中心频率一般在几百kHz到几百MHz,频带宽度在几khz到几十MHz,为频带放大器,故必须用选频网络。在测试过程中，我不断利用课堂所学理论知识调整电路，并最终实现设计目的过程使自己从另一个层面更形象地理解了理论，对于理论与实践的关系也有了新的认识。曾经的学习只停留在书本上，但课程设计使我更充分的接触到了实际。二、 软件部分我们设计的是题目1-B，带通滤波器滤除噪声，分别用窗函数和频率采样方法。题目：某系

11、统接收端接收到的信号为y=sin(2*50t)+1.2sin(2*160t)+2cos(2*260t) +1.5sin(2*330t)发现此信号夹杂了一个正弦噪声noise= cos(2*50t) +1.5sin(2*330t) ，请设计一个带通滤波器将此噪声滤除，从而恢复原信号。1、凯瑟窗（1）原理：凯瑟窗函数是一种可调整的窗函数，是最有用且最优的窗函数之一。通过调整控制参数可以达到不同的阻带最小衰减,并提供最小的主瓣宽度，也就是最窄的过渡带。反之，对于给定的指标，凯瑟窗函数可以使滤波器阶数最小。凯瑟窗函数由下式给出： 式中，是调整参数，（）表示零阶第一类修正贝塞尔函数，可以用下式计算： 实

12、际中取前20项就可以满足精度要求。参数控制加窗设计滤波器的阻带最小衰减。凯瑟给出的估算和滤波器阶数N的公式如下： 式中，=是数字滤波器过渡带宽度。应当注意，因为上式为阶数估算，所以必须对设计结果进行检验。（2） 参数设置：根据题目要求，需要滤除频率为0.1和0.66的噪声，通过频率为0.32和0.52。由奈奎斯特抽样定理得，fs=2*330=660(Hz)，这里为了得到更好的抽样效果，选取fs=1000Hz。我设置的阻带和通带截止频率分别为wsl=0.12,wpl=0.3,wph=0.54,wsh=0.64,Rs=60dB,故过渡带宽为DB=wpl-wsl=0.14,其估算的式子为0.112（

13、-8.7）。（3）MATLAB程序：wsl= 0.12*pi; %临界频率采用模拟角频率表示 wsh= 0.64*pi; %临界频率采用模拟角频率表示wpl= 0.3*pi; %临界频率采用模拟角频率表示 wph=0.54*pi; %临界频率采用模拟角频率表示rs=60; %阻带最小衰减DB=wpl-wsl; %过渡带宽B=0.112*(rs-8.7); %计算凯瑟窗控制参数M=ceil(rs-8)/2.285/DB);%计算所需h(n)长度M，ceil(x)取大于等于x的最小整数wc=(wpl+wsl)/2/pi,(wph+wsh)/2/pi;%计算理想带通滤波器通带截止频率（关于归一化）h

14、=fir1(M-1,wc,kaiser(M,B); %调用fir1计算带通FIRDF的h(n)Fs=1000; %抽样频率H,w1=freqz(h,1,M,Fs); %求滤波器幅度响应，设置最大幅度为1plot(w1,abs(H); %画出滤波器幅度响应grid;xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值);title(滤波器幅频响应); %设置图像窗口标题figure(2); %创建图像窗口（2）freqz(h); %画图，滤波器幅度响应(db)和相位响应 %信号的处理%t=0:0.001:1.999; %设置t变量范围，和步长n=2000; %抽样点数Fs=1000; %抽样频率y=c

15、os(2*pi*50*t)+1.2*cos(2*pi*160*t)+2*sin(2*pi*260*t)+1.5*sin(2*pi*330*t);%输入信号y1=fft(y); %输入信号的傅里叶变换y2=fftshift(y1); %调整频谱图f=(0:1999)*Fs/n-Fs/2; %计算频率ffigure(3); %创建图像窗口（3）plot(f,abs(y2)/Fs); %画出输入信号频谱图title(输入信号频谱图); %设置图像窗口标题 %输出的信号&G=fftfilt(h,y); %输入信号y通过滤波器G1=fft(G); %滤波后，输出信号傅里叶变换G2=fftshift(G1

16、); %输出信号傅里叶变换重新排布，使数据与频率对应figure(4); %创建图像窗口（4）plot(f,abs(G2)/Fs); %画出输出信号频谱图title(输出信号频谱图); %设置图像窗口标题(4) 实验图像： 图2-1-1 滤波器幅频响应图图注：通带为150-250hz，过渡带宽大概为90hz，最小阻带截止频率为50hz，最小通带截止频率为150hz。 图2-1-2 滤波器相频响应波形图图注： 主瓣和旁瓣的比值相对较大，频谱泄露应该相对小，过渡带宽相对较宽。 图2-1-3 输入信号频谱图 图2-1-4 输出信号频谱图 图注：输入输出信号频谱差异可以看出滤除了信号两边噪声信号，保留

17、了有用信号，这是一个典型带通滤波器。（5）结果分析：凯瑟窗函数可以同时调整主瓣宽度和旁瓣幅度，过渡带较宽。泄露频谱的产生主要是由窗函数突然截断信号在谱函数中产生旁瓣引起的，提高主瓣的幅值和旁瓣幅度的比值就能减小泄露现象。2切比雪夫函数滤波器（1） 原理切比雪夫滤波器有两种类型。切比雪夫型滤波器的幅频特性在通带为等波纹，在阻带为单调下降。切比雪夫型的幅频特性在阻带为等波纹，在通带为单调下降。我们组用用切比雪夫型最佳一致逼近设计线性相位FIR带通滤波器。（2） 参数设置信号为50hz, 160hz, 260hz和330hz的正统信号叠加组成通带为160,260频谱分辨率与信号实际长度N成正比（3）

18、 MATLAB程序f1=50; f2=160; f3=260; f4=330; t=0:1203;fs=1000;M=512;x1=sin(2*pi*(f1/fs)*t)+sin(2*pi*(f2/fs)*t)+cos(2*pi*(f3/fs)*t)+sin(2*pi*(f4/fs)*t);%原信号函数N=length(x1);figure(1);subplot(211);plot(t,x1);title(原信号);y=fft(x1);f=(0:1/N:1/2-1/N)*fs;subplot(212);plot(f,abs(y(1:N/2);grid;xlabel(hz);title(输入信号

19、频谱);%处理前频谱wc1=2*f2/fs;wc2=2*f3/fs;wc3=2*f4/fs; %归一化角频率，用于下面的f1f1=0 wc1-0.05 wc1 wc2 wc2+0.05 1;A=0 0 1 1 0 0; %设置带通或带阻，1为带通，0为带阻weigh=1 1 1 ; %设置通带和阻带的权重b=remez(60,f1,A,weigh); %传递函数h1=freqz(b,1,M); %幅频特性figure(2)f=(0:1/M:1-1/M)*fs/2;subplot(211);plot(f,abs(h1);grid;title(带通);x2=filter(b,1,x1);S1=ff

20、t(x2);f=(0:1/N:1/2-1/N)*fs;subplot(212);plot(f,abs(S1(1:N/2);grid;xlabel(hz);title(输出信号频谱);%处理后频谱figure(3) %画出相频图freqz(b);（4）实验图像： 图2-2-1 原信号和输入信号频谱图 图注: 输入信号有很明显的4个频谱信号脉冲，有信号，有噪声。 图2-2-2 带通滤波器传递函数和输出信号频谱图图注： 输出信号经过带通滤波器后滤除了噪声部分，该传递函数通带为160-290hz，过渡带宽大概是20-30hz。 图2-2-3 传递函数相频函数图图注：主瓣和旁瓣的比值较小，过渡带宽也较窄

21、，频谱泄露要差一些。（5）结果分析： 切比雪夫滤波器滤波效果不是很好，出现了一些频谱泄露，因为采用IIR逼近的方法来得到线性FIR、滤波效果要差一些，但是过渡带宽较窄，传输效率应该比较高。三、 心得体会：通过这次软件部分的设计，对matlab软件应用有更深层次了解，matlab是一款很强大的软件，里面有强大的函数工具库，程序设计也并非一帆风顺，其中遇到很多困难，像那些函数的运用理解，以及参数的设置和对图像的分析处理。我们大家一起思考、去解决那些问题，每个人都有不同理解、想法。相当于自己又学了很多其他东西，我这次主要是对软件设计方面，我也借鉴了很多其他程序，消化吸收，加入了自己的方法终于完成了。看着我们一起完成这次课程设计，感谢大家的努力，感谢老师的指导，我们才能完成这次设计，我们的确很辛苦，但是我们收获很多。四 、 参考资料：1 数字信号处理原理、实现及应用；高西全，丁玉美，阔永红；电子工业出版社；2008.2高频电子线路实验与课程设计杨翠娥. 哈尔滨工程大学出版社3数字信号处理及其MATLAB实现；赵红怡；化学工业出版社，工业装备与信息工程出版中心；2002