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语音信号的调制解调的最优方案






调制解调在通信系统中具有重要地位。设计基于调制解调的基本原理,通 过相关电路的设计和比较,选择实现语音信号的调制解调的最优方案。 设计过程中,首先分析了调制解调的相关理论原理及其在现代通信领域中 的重要性,通过对数字和模拟两种不同调制解调方案进行分析和比较,确定了 模拟调制解调的方案;由于在模拟通信系统中调频法优于调幅、调相等调制方 式,而且直接调频法具有灵敏度好,调制电路简单,倍频次数少的优点,选择 直接调频和相干解调实现语音信号调制解调过程,并设计了几种具体电路,通过 并对各自性能和相关指标的分析、比较,选择了适合系统的最优调制解调电路。 关键词:语音信号,频率调制,相干解调

I

Abstract
Modulation and demodulation have important position in communication system. The design is on the basis of the basic principle of modulation and demodulation ,by the design and comparison of relevant circuit, to realize the optimum scheme of modulation and demodulation of the signal of the pronunciation. In the process of design, the text have analyzed the relevant theories principle of modulation and demodulation and importance in the modern communication field firstly, through the two different kinds analysis and comparison about modulation and demodulation scheme to digit and analogy, it confirms the scheme of modulation and demodulation of simulation; Because the law of frequency modulation is superior to amplitude and phase modulation. However the direct frequency modulation law is sensitive to be fine, modulation circuit is simple, the number of times frequency is few, The direct frequency modulation and relevant demodulation chosen to realize the signal of the pronunciation and modulation the demodulation course and design several kinds of concrete circuit, through the comparison and analysis to each function and relevant index, the text have chosen a optimum modulation and demodulation circuit for the system. Keywords: The signal of the pronunciation, frequency modulation, relevant demodulation

II






要 .......................................................... I

Abstract ......................................................... II 1 绪言 ........................................................... 1 1.1 课题背景 ..................................................... 1 1.2 课题设计的目的和意义 ......................................... 2 1.3 课题研究的发展概况 ........................................... 2 2 课题设计方案的研究 ............................................. 4 2.1 课题设计的方案分析 ........................................... 4 2.1.1 方案一---模拟调制解调系统 .................................. 4 2.1.2 方案二---数字调制解调系统 .................................. 5 2.2 课题设计的方案确定 ........................................... 7 3 课题设计过程 ................................................... 8 3.1 语音信号的调制 ............................................... 8 3.1.1 调频调制的理论知识 ......................................... 8 3.1.2 频率调制的设计过程 ....................................... 11 3.2 语音信号的相干解调 ......................................... 17 3.2.1 调频信号解调的理论知识 ................................... 17 3.2.2 调频信号解调的设计过程 ................................... 23 4 总结与展望 ................................................... 28 致谢 ........................................................... 29 参考文献 ....................................................... 30

III

1 绪言
基于语音信号的调制解调在通信系统中的研究背景、现状以及发展方向,利 用模拟调制解调方式实现该系统。

1.1 课题背景
随着生产力的发展和科学技术的进步, 各学科领域相互渗透已成为新技术发 展的必然趋势。人们正处在信息技术蓬勃发展的阶段,以微电子、通信和计算机 为代表的信息产业的发展引起了社会经济乃至人们生活方式的深刻变化。 现代通 信技术的发展日新月异,而且正在迅速地向各个领域渗透,人们对于通信的要求 也就越来越高,从传递和交换的信息来说,当今社会的信息包含语音、音乐、文 字、符号、图像和数据等;从传输信息的速度来说,要求传输速度越来越高,距 离也越来越远。特别是通信技术与计算机技术的结合,正在以前所未有的速度促 进通信网、计算机网和综合业务网的发展。通信的任务是传递和交换信息。人类 社会是建立在信息交流基础上的,通信是推动人类社会文明、进步与发展的巨大 动力。作为有实用意义的通信为电磁学理论的形成和发展,以及以后的光纤通信 与计算机通信,开辟了卫星通信的新领域,通信速度加剧,内容更加丰富,大规 模集成电路的发展不仅使通信设备更小型化,而且寿命长,可靠性好,带动了个 人移动通信和宇宙通信的广泛发展,由于人们对通信的需求越来越大,人们开始 对通信实践中遇到的问题展开了深刻的理论研究。先后出现了“过滤和预测理 论”“香农信息论”“纠错码理论”“信息统计特性理论”“信号与噪声理论” 、 、 、 、 、 “调制解调理论”“信号检测理论”等等,这些理论的出现对现在的通信技术向 、 更高的水平发展有十分重要的作用。 当处于比较复杂的地形时,发送端的语音信号无法直接正确传到接收端,这 时就需要中继器来充当媒介,中继器的主要任务是把发送端传来的信号,在条件 恶劣的地形下,以有线信号方式传输,当经过复杂地形后,再以无线信号的形式 发给电台。或者相反,由接收端发给发送端,实现全双工通信。在发送和接收信 号的过程中,调制解调是非常重要的部分。在第一代集群通信系统是一个先进而 完善的、基于多信道共用的频分广域移动通信系统。系统采用标准的数字信令, 实现中央交换控制、 按需动态分配话务信道的工作方式。 其独特的指挥调度功能, 使其成为防汛应急通信的最佳选择。随着数字化的发展,第二代集群通信系统-数字集群通信系统应运而生。它完全区别于第一代模拟集群通信系统,真正实现 了数字化,即系统的各个环节都是数字处理的。除数字信令外,其中最重要的是 话音编码技术、调制解调技术等。这些新技术的应用实现了更高的频谱利用率、



更好的话音效果和快速有效的通讯目的。在无线电通信、广播、电视、雷达、导 航和遥控遥测系统中,都是利用天线将无线电波向空间辐射的方式传送信息,在 实现发射与接收的过程中,调制与解调也是不可缺少的重要环节。可见调制解调 技术在通信系统中的重要性。

1.2 课题设计的目的和意义
课题设计的目的:基于调制解调的基本原理,通过搭建基本电路实现语音信 号的调制解调系统。 课题设计的意义:在语音处理、图像处理、通信、电视、雷达、声纳、地球 物理学、生物医学信号处理、音乐、无线电通信、广播、导航和遥控遥测系统中, 调制解调都是不可缺少的重要部分。

1.3 课题研究的发展概况
采用先进复杂的调制体制,目前对通信系统的调制方式研究主要有两种,即 扩频调制技术和窄带调制技术。扩频调制特点有:信号质量好,扩频码分多址为 频率再利用和多址访问提供了有效的综合解决能力,网络带宽效率是窄带的 2-4 倍。但也有明显的缺点:在给定频率带宽条件下,限制了用户峰值传输速率;存 在动态功率控制、码同步等问题,目前关于扩频调制的研究正着眼于这些方面。 窄带调制目前基本上仍采用传统的 QPSK、MSK 及其改进型以适应高速率的要求。 为了进一步降低成本和功耗, 最近又提出许多功率和带宽相对高效的新的调制体 制,但是如上面所述,它们的实现复杂度都很高。 在实际的通信和广播中我们需要传输电视节目及音乐节目和数据信息等等。 我们需要传输的这些信息内容不能直接通过天线传输出去,原因是多方面的,主 要有两方面:一是语言和图像信号的频率低传输的距离有限,发射天线的尺寸太 大。例如 f=1KHz 的信号用λ /4 的天线发射,λ (波长)=光速/f=30Km,λ /4= 7.5 Km,显然天线尺寸太庞大了;二是大家都把自己需要的声音和图像信号发射 到天空中去会形成严重的互相干扰而无法正常地传输。因此要采用调制的方式, 例如中央电视台有 12 套节目,北京电视台有 8 台节目。每一套节目选择一个载 波频率进行调制,也就是选择每个节目信号的运载工具。信号的运载工具被称为 载波,载波也是一种无线电信号,它具有传输距离远的特性。不同的节目选择不 同频率的载波,这样在接收端希望接收哪套节目,就调谐相应的载波频率即可。 收到载波后,再从载波上将运载的节目解调出来就可以收听或收看了[1]。 广播电台要将声音信号传输到千家万户,必须对声音信号进行调制。然后进 行功率放大, 最后从天线上发射到天空中。 调制是将声音信号调制到载频 (载波) 上,这就是说声音信号的传输要选择一个运载工具,即载波。载波信号的特点是 频率比较高,并且传输的距离远。当载波被发射到空中以后,人们用收音机将载


波接收下来然后从载波中将声音信息提取出来,送到扬声器中即可将声音还原
[1]

。 由以上可以看出调制解调技术在通信系统中的迅速发展及其广泛应用, 所以

研究语音信号的调制解调, 对以后更加深入的了解和应用调制解调技术具有一定 的指导意义。



2 课题设计方案的研究
2.1 课题设计的方案分析
2.1.1 方案一---模拟调制解调系统 此方案的原理框图如下 2.1 所示。图中,信源即原始电信号的来源,它的作 用是将原始消息转换为相应的电信号。 这样的电信号通常称为消息信号或基带信 号[2]。基带信号通过调制器进行处理、变换为调制信号以便在信道中传输,调制 信号通过解调器还原为相应的电信号,收信者将电信号转换为可接收的原始信 号。

图 2.1 模拟调制解调系统原理框图

(1) 语音信号调制过程的原理框图如下图 2.2 所示。

语音 音频放大 调制器 射频放大

天线

载波震荡器

图 2.2 调制过程原理框图

它主要由四部分构成,即音频放大、载波振荡、调制和功率输出。其工作过 程如下:首先通过一种转换装置(如话筒)将信息转换成相应的电信号,再经过 音频放大器后送至调制器, 与此同时由高频振荡器产生的正弦载波信号也送至调 制器。调制器利用音频信号对高频载波信号进行调制,使之成为已调波,然后进 一步放大到具有足够的功率,再利用天线以电磁波的形式发射出去。


(2) 调制信号解调过程的原理框图如下图 2.3 所示。

天线 高频电路 中放 鉴频器 低放

输出

图 2.3 解调过程原理框图

它主要由四部分构成,即高频、中放、检波和功率放大。其工作过程如下: 高频电路将天线所接收到的高频信号进行中频放大,然后送入鉴频器。鉴频器的 作用就是从已调制的信号中去掉高频载波取出调制信号(即音频信号) 。该信号 经不失真的放大后送入一个电声转换装置,它把电信号转换成声音信号发送出 去。 常用的调制方式有幅度调制、频率调制和相位调制等方式。载波实际上就是 一个频率很高的正弦波,它有三个电参量,即振幅、频率和初相。用调制信号去 控制其中任何一个参量,均可实现调制。所以调制主要可分为调幅、调频和调相 等三种方式。而对于不同形式的已调波,有不同的解调方法,因此相应的也有振 幅检波、频率检波和相位检波等三种方式[3]。 在实际中, 我们将采用调频制的电视伴音和普通调幅收音机的收听效果进行 比较,发现电视伴音和调频广播的声音纯净,优美动听。这是因为调频广播所传 送的信号频带宽,信噪比、抗干扰能力强。一般干扰都是使已调波的振幅发生变 化,所以在调幅收音机的检波器中干扰与被传送的信号一起被检出;在调频系统 中,可由接收机的限幅器把干扰信号切除,而不丢失被传送的内容。另外,调频 波是等幅波,所以发射机功率利用率也较高[4]。 在调制信号幅度一定的条件下, 调频信号的频带宽度基本上由最大频偏所决 定,所需系统的带宽也随之确定,而与调制信号频率无关。但对调相信号来说, 则需最高调制信号频率来设计系统,这样对较低的调制信号频率,系统的带宽就 没有充分利用[5]。 鉴于调频的这些优点,联系系统设计的思想,选择了调频法对语音信号进行 调制。为了从调频波中检出原调制信号,采用了鉴频器(频率检波器) ,即先将 等幅的调频波变换成振幅随频率变化的调幅波, 使其幅度变化的规律和频率变化 的规律相同;再利用振幅检波器除去载波,检出所需的语音信号。 2.1.2 方案二---数字调制解调系统 此方案的原理框图如下 2.4 所示。图中,信源即原始电信号的来源,它的作 用是将原始消息转换为相应的电信号。 这样的电信号通常称为消息信号或基带信


号。在发送端,发送设备对基带信号进行各种处理和变换,以使它适合在信道中 传输。发送设备由信源编码、信道编码和调制三个部分组成。其中信源编码是对 模拟信号进行编码,得到相应的数字信号;而信道编码是对数字信号进行再次编 码,使之具有自动检错和纠错的能力。数字信号对载波进行调制形成数字调制信 号。信道即在发送设备和接收设备之间用于传输信号的媒质。在接收端,接收设 备由解调器、信道译码和信源解码三个部分组成。接收设备的功能与发送设备的 相反,其作用是对接收的信号进行必要的处理和变换,以便恢复出相应的基带信 号。收信者的作用是将恢复出来的原始电信号转换成相应的信息[2]。

图 2.4 数字调制解调系统原理框图

利用数字调制解调实现此系统主要包括语音信号采集、 语音压缩和调制解调 传输三个过程。 (1) 语音信号采集 语音信号采集主要处理以下工作:预滤波,采样和 A/D 变换。在此系统中所 使用的数字信号编解码器就是能够把输入的模拟信号转化成数字信号, 或反过来 把数字信号转化成模拟信号。 预滤波的目的: 抑制输入信号各频率预分量中频率超出ω m/2 的所有分量 ω (
m 为采样频率) ,以防止混叠干扰。抑制 50Hz 的电源干扰。预滤波器必须是一个

带通滤波器,其上、下截止频率分别是 3400HZ 和 300HZ。先将语音信号经过采 样环节将其数字化。 人的语音频率带决定了我们选择的采样频率。 根据采样定理, 采样频率ω m≥2ω (所采样信号的最大频率) ,所以我们的采样频率ω m 应为 2x3400Hz=6800Hz,约为 7kHz。但是根据 CCITT 的长途通信协议的标准,目前各 国一般采用的声音采样频率为 8kHz;所以,为了将来系统与其他通信设备交流 的方便,最终采样频率确定为 8000Hz。 语音信号经过预滤波和采样后,由 A/D 变换器变换为二进制字码。A/D 变换 器分为线性和非线性两类。目前采用的线性 A/D 变换器绝大部分采用线性变换。 在语音信号中,样本幅度值本身并非均匀分布,出现小信号样值的概率比出现大 信号样值的概率要大得多。况且人耳对语音信号感知也是呈对数性规律的,因此


可以让量化区间在小信号时取得较小,而在大信号时取得较大,就可以既提高了 信噪比,又保证了足够大的动态范围,使大信号时不会出现过载现象。 (2) 语音数字信号压缩 语音的数字化有不同的方式, 而不同的处理角度和方法就形成了不同的语音 编码技术。 (3) 数字语音信号传输 该系统的另一个重要的组成部分是载波通信系统, 也就是模拟信道的数字信 号的传输环节。 为了使在传输的过程中尽量避免偶然性误码的累积影响和脉冲干 扰引起的群误码,在目前信道媒介材料基本确定的情况下,选择合适和经济的数 字信号传输方案尤为重要。 数字信号的传输方式主要有两种,一种是基带传输,一种是调制(载波)传 输。在某些有线信道中,特别是在传输距离不太远,影响因素不太多的情况下, 数字基带信号可以直接传输。在大多数实际信道中,由于信道都是带通型的,与 一般的传输介质相适应,一般都不能直接传送数字基带信号,所以必须先用数字 基带信号对载波波形的某些参量进行调制,使这些参量随基带信号的变化而变 化,形成数字调制信号后再进行传输,即所谓的数字信号的调制传输[2]。因为数 字信号的调制是用载波信号的某些离散状态来表示所表达的信号, 在接收端也只 要对载波信号的离散调制参量进行检测。因此,数字调制信号又称为键控信号。 在二进制情况下,数字调制主要有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相位键控 (PSK)等三种方式。其中,频移键控目前得到了最广泛的应用。相位调制由于占 用频带少、抗噪声性能好、抗衰落能力强等特点,是很有发展潜力的一种调制方 式。GMSK(高斯滤波最小频移键控)在中低速传输时,有着和 PSK 相近的抗衰落性 能和更高的抗干扰特性具有调制速度更快,实现更方便,系统构成简单,集成度 高等优点, 而且目前在移动通信和图像传输以及语音的低误码率传输中得到最广 泛的使用。

2.2 课题设计的方案确定
鉴于模拟调制解调在无线电广播、无线话筒、发射机、接收机等方面的实用价 值,及其调频信号具有频带宽、信噪比高、抗干扰能力强、在接收端的功率利用 率高的优点,选择了调频调制解调的方案。



3 课题设计过程
在通信系统中,信源输出的是由原始信息直接变换成的电信号即消息信号, 这种信号一般具有从零频开始的较宽的频带,而且在频谱的低端分布较大的能量, 一般称为基带信号,这种信号不宜直接在信道中传输,为了信息可以在信道中准 确和高效传输,就必须对频率较高的载波进行调制,才能使信号的频谱搬移到适 合信道的频率范围内进行传输.在通信系统的接收端对已调信号进行解调,恢复 出原来的消息信号[2]。由于高频已调信号易于辐射,同时为了便于同时传输多路 不同的基带信号,所以要将信号调制到高频载波上再送入信道。为了从调频波中 检出原调制信号,通过使用鉴频器对调频信号进行解调。以便实现调频调制解调 系统。 设计的语音信号调制与解调系统,主要由两部分电路组成,语音信号的调制 部分和解调部分,下面将分别讲述所设计的系统。

3.1 语音信号的调制
3.1.1 调频调制的理论知识 由于 AM 本身具有过大的噪声灵敏度等内在不足, 所以人们提出了 FM 机制。 因为噪声一般都是由信号中附加的幅度变化产生的, 所以需要在调频接收机加一 个限幅器来滤出这些噪声[1]。 调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一个作为载体的信号(称为 载波信号) ,让后者的某一特征参数按前者变化。用来改变载波信号的某一参数 (如幅值、 频率、 相位) 的信号称为调制信号。 调制是给测量信号赋予一定特征, 这个特征由作为载体的信号提供;常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体, 这个载体称为载波信号。经过调制的载波信号称为已调信号。 调频是通过改变载波的频率使之与基带信号幅度的变化相同从而实现调制 过程。当经过调频的载波到达接收机时,由原始基带信号产生的频率变化被表示 成幅度的变化。然后基带信号被放大并送入适当的变换器中。调频中基带信号的 幅度会改变 RF 载波的频率,而不像调幅会改变载波的幅度[4]。 调频载波的实际频率偏移量由基带信号幅度的增加和减少来决定。 频偏是指 在调制过程中载波偏移中心频率的量。然而,若不经过任何基带信号的调制,载 波的频率将停在发射机预置的中心频率上。 中心频率是有主控振荡器产生的频率 经过倍频而得到的[4]。因此,当进行基带调制时,载波的频率会忽大忽小:当基 带信号的幅度是正值时,载波的频率变大;而基带信号的幅度是负值时,载波的 频率将小于它的中心频率。 调频电路的种类很多,无论采用哪种调频电路,都应满足以下要求:


具有线性的调频特性,即已调波的瞬时频率应与调制信号幅度成比例地变 化; 具有较高的调制灵敏度,即单位调制电压的变化所产生的频率偏移要大; 最大频偏与调制信号频率无关,在调制过程中保持不变; 未调制的载波频率应具有一定的频率稳定度; 寄生调幅应尽可能小。 产生调频信号通常有两种方法,一种为直接调频法,又称参数变值法,即用 调制信号直接控制载频振荡电路的振荡频率; 另一种为倍频法, 又称间接调频法, 即先对调制信号积分,然后用积分后的调制信号对载波进行调相,最终得到调频 信号,也就是由调相到调频[2]。 (1)直接调频法 由电路的知识可知,振荡器的频率由电抗元件的参数决定。如果用调制信号 直接改变电抗元件的参数,可以使输出信号的瞬时频率随调制信号线性变化。这 种调制信号的方法称为直接调频法,其原理图如图 3.1 所示。

f(t)

电压/电感

载波发生器

SFM(t)

图 3.1 直接调频法原理图

在实际应用中,常采用压控振荡器(VCO)作为产生调频信号的调制器,压 控振荡器的输出频率在一定范围内正比于所加的控制电压。根据载波频率的不 同,压控振荡器使用的电抗元件不同。较低频率时可以采用变容二极管、电抗管 或集成电路作压控振荡器。在微波频段可采用反射式速调管作压控振荡器。直接 调频法的优点是容易实现,且可以得到很大的频偏。但这种方法产生的载频会产 生漂移,因此还需要附加的稳频电路。 (2)倍频法 倍频法指的是先产生窄带调频信号, 然后用倍频和混频的方法变换为宽带调 频信号。由于产生窄带调频信号比较容易,所以它经常用于间接产生宽带调频信 号。窄带调频信号可以看成正交分量与同相分量的合成,即
S NBFM (t ) ? A cos ? c t ? [ AK FM ? f (t )dt ] sin ? c t (3.1)

由上式可知,采用图 3.2 所示的方框图可以实现窄带调频。



图 3.2 窄带调频调制原理图

窄带调频信号的调频指数一般都很小,为了实现宽带调频,要采取倍频法提 高调频指数。如图 3.3 所示。

图 3.3 倍频法原理图

其中倍频器的作用是使输出信号的频率为输入信号频率的某一给定倍数。 倍 频器可以用非线形器件实现,然后用带通滤波器滤出不需要的频率分量。 对不同的信道,根据经济技术等因素,可以采用不同的调制方式,以模拟信号 为调制信号,对连续的正余弦载波进行调制,也就是载波的参数随着调制信号的 作用而改变,这种调制方式为模拟调制,根据载波参数的不同,分为幅度调制和角 度调制,设调制信号为 f(t),载波信号为

C(t ) ? A(t ) cos(? c t ? ? 0 ) (3.2)
式中,A 为载波的幅度,ω c 为载波的角频率,θ 0 为载波的初相位,载波经模拟 信号调制后的数学表达式为

S (t ) ? A(t ) cos[?c t ? ? (t ) ? ? 0 ] (3.3)
式中,A(t)为载波瞬时幅度,ψ (t)为载波的相位偏移,如果ψ (t)为常数,
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A(t)随着 f(t)成比例变化,则称为幅度调制,简称调幅; 如果 A(t)为常数, ψ (t) 或ψ (t)的导数随 f(t)成比例变化, 则称为角度调制,前者称为相位调制,后者称 为频率调制。 在调频系统中,由于通过限幅消除了调幅噪声,有了较好的抗干扰性;由于 预加重电路加强了发射机的高频分量和去加重电路衰减了接收机端被过分加重 了的频率分量;调频的截获效应,使那些与有用信号的频率接近或相同的任何干 扰信号被消除掉。实践证明,在模拟信号调制系统中,当系统带宽相同时,调频 系统接收机输出端的信噪比明显优于调相系统接收机输出端的信噪比。所以,目 前在模拟通信系统中广泛采用调频制。 3.1.2 频率调制的设计过程 设计中语音信号的调制过程采用频率调制, 产生调频信号的方法通常有以下 两种: (1) 直接用调制信号使自激震荡器的震荡频率变化;(2) 由石英晶体震荡器的 输出调相信号,然后用它来获得等效调频波。前者即为直接调频法,后者即为间 接调频法。直接调频法的调制灵敏度较好,调制电路简单,倍频次数少。而间接 调频法使用石英晶体震荡器,所以其频率稳定性好,但为了失真小而需要较大的 倍频次数。设计中采用了直接调频法。其频率调制的过程如图 3.4 所示。

语音信号采集

音频放大

频率调制器

射频放大

发送

载波震荡器

图 3.4 频率调制过程方框图

频率调制过程由六部分电路组成:语音信号采集,音频放大,频率调制器, 载波震荡器(本机震荡) ,射频放大,最后经天线发送调频波。语音信号采集电 路,采用话筒接收外界的语音信号,此电路也可以用天线接收。用这种方式接收 到的语音信号一般很微弱,需要一级语音放大电路将信号放大,这种信号属于基 带信号不便在信道传输,因此必须将所得信号进行频率调制,载波震荡器的作用 是产生载波频率,和基带信号一起产生调制信号,调制信号经射频放大后,最后 用天线发射出去。 以下是利用基本电路设计的几种语音信号调制方式,对比它们的特点,选定 一组最优方案。
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图 3.5 调制电路(一)

图 3.5 是语音信号的调制电路(一) ,本电路中通过话筒接收外来语音信号, 信号经过耦合电容 C1 送到发射三极管的基极,而三极管 V、C4、C2 和电感 L1 构 成电容三点式振荡电路,基极的信号加载到本振频率上完成调制过程。电路中的 关键元件是发射三极管,电路中除了发射三极管以外,线圈 L1 和电容 C3 的参数 选择较重要,若选择不当会不起振或工作频率超出本身的范围。图 3.5 介绍的调 制电路具有电路简单,输出功率大,制作容易的特点,但是不便接高频电缆将射 频信号传送至室外的发射天线,由于多普勒效应,人在天线附近移动时,频漂现 象很严重,使本来收音正常的接收机声音失真或无声。若将本发射机作无线话筒 使用,手捏天线时,频漂现象的严重程度就可想而知了。

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图 3.6 调制电路(二)

图 3.6 为语音信号的调制电路(二) 。本电路分为振荡、倍频、功率放大三 级。电路中 V1、C2~C6、R2、R3 及 L1 组成电容三点式振荡器,其振荡频率主要 由 C3、C4 和 L1 的参数决定,其振荡频率为 44~54MHz,该信号从 L1 的中心抽头 外输出,再经过 C7 耦合至 V2 放大,由 C8 和 L2 选出 44~54MHz 的二倍频信号, 即 88~108MHz,此信号由 C9 耦合至 V3 进行功率放大,V3 由 3 只 3DG12 三极管并 联组成,可扩大输出功率。该电路正常工作时,电流约 80~100mA。组成 V3 的三 只 3DG12 可加上适当的散热片,以防发射机过热。

图 3.7 调制电路(三)

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图 3.7 为语音信号的调制电路 (三) 本电路分为振荡部分和信号放大部分。 。 L1、C2~C5、V1 等组成与黑白电视机高频头本振电路类似的改进型电容三点式 振荡器,频率稳定性好,长时间工作不跑频,实践证明,一般情况下,采用该 改进型的电容三点式振荡器完全能满足要求。用普通收音机接收仍很正常,无 跑频现象。 振荡器的频率主要由 L1 和 C2 决定, 通过微调 L1, 可以覆盖 88~108MHz 范围。音频信号经 R6、C11 耦合至 V1 的基极,V1 的 e、b 极间电容随音频电压 的变化而引起振荡频率的变化,实现频率调制。通过调整 L1 匝间间距微调振荡 频率,再微调 L2、L3 的匝间间距以谐振于振荡频率,获得最大输出功率。该电 路可用作一种实用的 50m 调频型无线耳机发射部分电路。

图 3.8 调制电路(四)

图 3.8 为语音信号的调制电路(四) 。本电路中 J、VD1、L1、C3~C5、V1 组 成晶体振荡电路。由于石英晶体 J 的频率稳定性好,受温度影响也较小,所以广 泛用于无绳电话及 AV 调制器中。V1 是 29~36MHz 晶体振荡三极管,发射极输出 含有丰富的谐波成分,经 V2 放大后,在集电极由 C7、L2 构成谐振于 88~108MHz 的网络选出 3 倍频信号(即 87~108MHz 的信号最强) ,再经 V3 放大,L3、C9 选 频后得到较理想的调频频段信号。频率调制的过程是这样的,音频电压的变化引 起 VD1 极间电容的变化,由于 VD1 与晶体 J 串联,晶体的振荡频率也发生微小的 变化,经三倍频后,频偏是 29~36MHz 晶体频偏的 3 倍。实际应用时,为获得合 适的调制度,可选取择调制频偏较大的石英晶体或陶瓷振子,也可以采用电路稍 复杂的 6~12 倍频电路。若输入的音频信号较弱,可加上一级电压放大电路。 几种语音信号的调制电路性能的比较:由于语音信号调制电路(一)图 3.5 采用电容三点式振荡器,天线参数稍微变动时,都将发生跑频现象,再则,由于 是单管自激振荡发射,工作电流较大,当工作数秒钟至数分钟后,三极管的温度 升高引起极间电容发生变化,也会带来振荡频率的改变(一般情况下是振荡频率 降低) 。用作调频广播或远距离遥控报警时工作可靠性较差,但元件少,成本低,
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调试容易。语音信号调制电路(二)图 3.6 采用振荡、倍频、功率放大三级电路, 级间相对独立,频率的稳定度优于单管自激振荡发射的 1.5km 发射机,但开机数 分钟后,仍有很大的频偏,这主要是由于 V3 的工作电流较大,温度升高,引起 极间电容发生变化, 此变化通过 C9 引起 C8 与 L2 组成的谐振网络参数发生变化, 加之 V2 温度升高后也引起 C8 与 L2 组成的谐振网络参数发生变化,此变化通过 C7 传递给 C3、C4、L1、C5、C6、V1 等组成的主振级,最终使振荡频率也发生变 化(一般情况下也是振荡频率降低),实验时可加强三极管的散热,减小级间耦 合,可将 C9、C7 的容量减小,同时选择受温度影响较小的晶体管、电阻、电容 等,但频漂仍较严重,图 3.7 所示的语音信号调制电路(三) ,由于采用了改进 型电容三点式振荡器,较图 3.5、图 3.6 所示的发射机的频率稳定,在电视无线 耳机等保真度要求不是很高的场合很适宜。图 3.8 所示的语音信号调制电路 (四) ,由于采用了石英晶体,所以频率稳定性很好,但应用于调频广播和无线 耳机时,调制的频偏较 LC 振荡器小得多,在用收音机收听时,音量较小,声音 不圆润,一般更适合频偏较小的无绳电话及对讲机等电路中。 通过以上分析比较可以得出,在一般语音信号的频率调制电路中,采用图 3.8 所示的语音信号调制电路已经足够满足要求。 为了得到更好的语音质量,设计了如下的双声道语音信号调制电路如图 3.9。

图 3.9 双声道语音信号调制电路

本电路的核心器件为立体声专用芯片 BA1404。很多调频立体声模块均将 BA1404 和外围元件封装在一个塑料或金属外壳内制成,只露出电源输入、音频 输入、射频输出引线。
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电路工作原理:来自音源的立体声音频信号经 R1、R2、R5、C1、C3、C5(R4、 R3、R6、C2、C4、C6)组成的网络耦合到 BA1404。经 IC 内部左(右)声道放大, 再进行平衡调制,调制后的复合信号从 IC 的第{14}脚输出,后与第{13}脚上的 导频信号通过 R9、C15、R10、C16、C17 构成的网络进行混频,混频后的复合信 号进入 IC 的{12}脚,对 IC 的{8}、{9}、{10}脚,C20~C22 及 L3 组成的电容三 点式振荡器进行调频,IC 的{10}脚上已调制的射频信号经内部放大后从第{7}脚 输出,经 C18、L2 选频后送至天线 TX1。要实现调频立体声,BA1404 的{5}、{6} 脚需外接 38KHz 晶体,但业余制作时的确很难购得 38KHz 的专用晶体,所以在无 该晶体的情况下,可以参考虚线内的电路,用分立元件制作一个 38KHz 振荡器, 该 38KHz 信号经过 R8、C10 送入IC第{5}脚。制作时,L1 可用收音机中频变压 器 TTF-2-1、TTF-2-2 或 TTF-2-9 等,同时注意引脚的连接不要搞错,{3} 脚接地,{2}脚接V1的发射极,{1}脚为反馈和输出脚。通过调整其磁芯可以获 得频率较稳定、幅度足够高的 38KHz 信号。特别值得注意的是,C8 宜选 0.033uf 的涤纶电容,不宜选择瓷片电容,因为瓷片电容的稳定性较差,容易出现振荡频 率不稳,调频立体声工作不正常的现象。 由于 BA1404 的高频振荡是电容三点式振荡器,所以频率的稳定性较差,于 是本电路不用原来的高频振荡器, 改用外接频率较稳的改进型电容三点式振荡器 的方法,可满足业余调频广播和调频无线耳机的要求。如 ZN-2001 型调频立体声 无线耳机的发射部分就采用了改进后的电容三点式振荡电路。 立体声复合信号经 V2 电压放大后,通过 C26、R14 直接加在 V3 基极实现频率调制。其特点是根据 用户需要,可以用螺丝刀在机壳外调整 L4 的电感量,使其能在 88-108MHz 范围 内自由调节,避开当地调频广播电台的频率。该机另一特点是:电路板上已留有 1-5W 功率扩展部分,如校园广播时就可将该部分的元件装上,调试后即可投入 使用。但值得注意的是,若该无线耳机在增加功率后,仍然采用机上的鞭状天线 发射,则强烈的射频信号将产生自身干扰,造成声音失真、有交流声或无声,所 以一定要通过 50Ω 专用的通信电缆将射频信号在室外发射。在装调功率扩展部 分时,可以用如图 5 所示的射频检测器调整各级谐振状态。将射频检测器的输入 端(1KΩ 电阻的一端)先接在前级放大三极管的集电极,调整集电极上的电感线 圈,使射频检测器输出端的电压最高,然后按同样的方法逐级向后级调整,再检 测天线端,最后统调各级电感线圈,使输出电压最高,即告完成。与红外无线耳 机相比,调频立体声无线耳机的主机(发射机)与接收机之间可以隔着墙壁正常 使用,而红外线耳机则不能。另外,普通红外线耳机无立体声功能,所以调频立 体声无线耳机更适用,欣赏音乐时,更悦耳动听。

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3.2 语音信号的相干解调
3.2.1 调频信号解调的理论知识 解调就是在将测量信号调制,并将它和噪声分离,放大等处理后,还要从已 经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号的过程。 其目的是得到一个幅度随 输入信号频率成比例变化的输出信号。 相干解调适用于线性调制,因此对调频信号只限于窄带调频的情况。相干解 调的关键是必须在接收端产生与调制载波同频同相的本地载波, 否则会对解调的 结果产生不同程度的影响[2]。解调器的框图如图 3.10 所示。其中带通滤波器用 来限制信道所引入的噪声,但能使调频信号顺利通过。

图 3.10 窄带调频信号的相干解调

窄带调频信号可以分解为同相分量和正交分量之和,设其表达式为
S NBFM (t ) ? A cos ? c t ? A[ K FM ? f (t )dt ] sin ? c t (3.4)

相乘器的相干载波

c(t ) ? ? sin ? c t (3.5)
相乘器的输出为
S p (t ) ? ?{ A cos? c t ? A[ K FM ? f (t )dt] sin ? c t} sin ? c t ?? AK FM A sin 2? c t ? [ 2 2

?

f (t )dt](1 ? cos 2? c t )

(3.6)

由低通滤波器取出其低频分量

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S d (t ) ?

AK FM 2

? f (t )d (t )

(3.7)

再由微分器,得输出信号为
S o (t ) ? AK FM f (t ) (3.8) 2

由此可见,相干解调可以恢复原调制信号,这种方法同幅度调制的相干解调 一样,需要本地载波与发送载波完全同步,否则将使解调信号失真。 语音信号的调制为窄带调制,窄带调频可以由乘法器来实现,因此一定可以 用相干解调的方法来恢复原调制信号。图 3.11 所示为窄带调频信号相干解调的 原理图。其中带通滤波器的作用是用于通过调频信号和抑制噪声,带宽为已调信 号频谱的两倍。低通滤波器的带宽为调制信号的带宽,其作用是滤除由乘法器产 生的不必要成分,取出原调制信号。

图 3.11 窄带调频相干解调原理

图 3.12、3.13、3.14 所示分别为调制信号波形图、已调信号的频谱图、解 调后的信号波形图。

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图 3.12 调制信号波形图

图 3.13 窄带调频信号的频谱图

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图 3.14 相干解调后还原的调制信号波形图

另一种流行的集成电路方式的 FM 解调器就是所谓的积分鉴频器或积分检波 器。如图 3.15 所示。

图 3.15 积分鉴频器的简单电路

这 类 FM 解调器在很多单片 FM 收音机和接收机芯片中使用。在构建 SystemView 仿真系统前,先简单地分析一下积分鉴频器的工作原理。 图 3.14 中,输入的调频信号被连接到乘法器的一个输入端,经过一个耦合电容与一个 LC 并联谐振回路组成的移相电路产生正交信号作为乘法器的另一个输入。所有 相移由耦合电容产生的相移及谐振回路产生的附加相移两部分组成。由于 LC 谐 振在载波频率 fc 上,因此,谐振电路产生的相移是时变信号,此时信号的变化 与输入信号的频率偏移成正比。 由上分析可知,如果输入的 FM 信号表示为

xc (t ) ? Ac cos[? c t ? ?(t )] (3.9)

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则通过上述电路产生的正交信号是

(3.10) 其中的常数 K1 和 K2 由电路调整参数确定。则乘法器的输出为

(3.11) 上式中的两个频率分量中的和项可以用乘法器后的低通滤波器滤除, 因此输 出项可化简为

(3.12) 通过选取适当的参数 K2,使正弦函数的自变量<<1,进一步近似为

(3.13) 通常意义上讲,类似上述的积分鉴频器只能用基于电路的工具仿真,但事实 上并非如此。上述电容器及谐振回路的相移可以用两种方法仿真实现。可用一个 希尔伯特(Hilbert)变换滤波器组成, 由于希尔伯特(Hilbert)变换滤波器会引起 整个频率通带内的信号产生 90°相移。这一特性可通过对希尔伯特(Hilbert)变 换滤波器的波特图分析得到。另一种方法是通过一个简单的延时电路产生,延迟 电路产生相当于载波频率四分之一周期的延迟。 由于在载波中心频率上有我们所 希望的 90°相移,因此可把并联 LC 谐振回路看成一个二阶带通滤波器(一阶低 通原形) 。这个带通滤波器的带宽被用于设置谐振回路的 Q 值以控制参数 K2。 由上述分析可得 SystemView 仿真设计。其中包含了上述两种移相电路,两 种电路的仿真结果十分相似, 设系统采样率为 1600Hz,信息频率为 10Hz,载波 频率为 400Hz。调频信号的产生采用系统函数库中内置的 FM 调制器图符,并设 调制增益为 10Hz/V。调制器输出的频谱如图 3.16 所示。

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图 3.16 FM 调制信号的频谱图

如果将采样频率设置为载波频率的 4 倍,四分之一周期(约 625μ s)的延 迟正好获得完全的 90°相移。对线性系统设计窗口中得到的 LC 谐振电路的仿真 模型求波特图可得如图 3.17 所示的相位和频率幅度特性。可观察到在 400Hz 的 载波频率处相位与频偏成线性关系。

图 3.17 移相电路的波特图

图 3.18 是解调后的输出波形。

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图 3.18 解调信号的输出波形图

将延迟线移相的输入输出断开,用希尔伯特变换滤波器移相电路代替,重新 运行仿真系统,可得到相同的结果。 能用作鉴频器的电路类型很多,如相位鉴频器、比例鉴频器等。值得一提的 是,在近代通信系统中,利用性能优良而且易于集成的锁相环解调器对 FM 信号 进行解调,在窄带 FM 通信中也是常用的方法。 3.2.2 调频信号解调的设计过程 以上讲述了调频语音信号解调的相关理论,设计中调频信号的解调分为以下 几个过程。 从天线进入的高频信号,经输入电路和放大电路,通过变频器将高频信 号变成中频信号,经过多级中频放大,然后检波出音频信号,最后送到低放电路。 输入回路.高放和变频三部分合在一起,总称高频电路,也称高频头,从高频头 输出的调频信号经鉴频器,最后经低频放大,输出语音信号,完成信号的调制解 调过程。其调频信号解调部分方框图见图 3.19。
高频电路(高频头)

输出 输 回 入 路 高 放 混 频 中 放 鉴频 低放

变 频

本振

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图 3.19 调频信号解调过程方框图

下面简要介绍一下各部分电路的功能: 变频器电路: 变频器的作用是将天线接收到的高频信号(经调制的载波信号) 变成中频信号,而载波上的音频调制波不变,这个过程称为变频。变频器是由震 荡器和混频器组合而成的。震荡器又称本机震荡,它产生一个等幅的高频震荡电 压,震荡频率为 fr。将震荡信号 fr 与天线接收到的高频信号 fc 同时送入一个非线 性器件进行混合,输出端便会产生许多新的频率组合信号,其中有两个频率之和 信号,或两个频率之差信号。系统利用两个频率之差来得到中频信号,使本振频 率高于接收来的信号频率一个中频 fIF,则 fIF=fr-fc。然后在变频器负载上接一个 fIF 中频谐振回路,进行选频放大,送入中频放大器,这就完成了变频的作用。进 行混频的非线性器件一般都用三极管,利用三极管 b-e 结的非线性特性进行选 频。由于三极管本身有放大的作用,故其既有放大的作用又有选频作用,而三极 管变频的缺点是动态范围较窄,当输入信号大于 26-60mA 时便产生阻塞现象,因 而会产生干扰。同时在频率很高的情况下三极管变频噪声变大。 中频放大器:中频放大器整个系统的灵敏度、选择性以及限幅性能,对削除 幅度干扰,提高信噪比,调幅抑制和调谐的精确性。一般调频中放电路大都采用 LC 谐振回路。普通 LC 单谐振或双谐振中频回路的 Q 值较低,回路的矩形系数总 是较大,因此往往不能兼顾通带和选择性。调频输出的信噪比一般比调幅的好得 多, 其音频调制频率可高到 15KHZ,与此良好的音频频率响应对于中频放大器的 带宽要求与调幅就不大一样,通常要求中放带宽 B=2FM(mf+1)。 鉴频器:鉴频器即调频检波器,也叫频率检波器或解调器。 它的作用是从调频 检波器中检出音频调制信号。调频信号的性质和调幅波的不同,调幅信号可以通 过一只二极管,将半周的波形切去,便可以得到音频信号,调频波则只有载波频率 的变化,没有幅度的变化,鉴频器的作用是将调频波变化为调频调幅波,解调出音 频信号.鉴频器的种类很多,例如斜率鉴频器,相位鉴频器,比例鉴频器等. 在设计中用到了斜率鉴频器,故对其作一下简要介绍,斜率鉴频器又称回路 鉴频器,它是通过回路对调频波的中心频率适当失谐而得到鉴频作用的, 斜率鉴 频器通常有两种:单失谐回路斜率鉴频器和双失谐回路斜率鉴频器. 单失谐回路斜率鉴频器电路如图 3.20

24

图 3.20 斜率鉴频器电路

u (a) f f0 f0 f (b)
图 3.21 鉴频器波形变换原理图
1

u

t

0 (c)

t

图 3.20 中左边为调频调幅变换器,而右边为调幅检波器。调频调幅检波器 是一个以单回路为负载的共发射极调谐放大器, 但震荡回路的谐振频率高于或低 于信号中心频率。所谓“单失谐”回路就由此而得名。这种电路将调频波变换为 调频-调幅波的原理可由图 3.21 说明。在图 3.21 中,图(a)为鉴频器谐振回路的 谐振曲线,它的谐振频率 f01 高于调频信号中心频率 f0,即调频信号中心频率 f0 在谐振频率 f01 左边的倾斜部位。 图(b)示出信号频率围绕 f0 按正弦规律变化的波 形。图(c)的波形表示相应的信号频率变化时,回路输出电压幅度也随之改变。 设计的语音信号调制系统没有那样复杂,下面将阐述所设计的两种调频信号 解调电路。

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图 3.22 调频信号解调电路(一)

调频信号解调电路(一)如图 3.22 所示。调频信号从天线 ANT 接收到的信 号经三极管 V、电感线圈 L1、电容器 C1、C2 及高频阻流线圈 L2 等组成的超再生 检波电路进行检波。检波后的音频信号,经电容器 C8 耦合到低频放大器的输入 端,经放大后由电容器 Cll 耦合推动扬声器 BL 发声。三极管 V 和电感线圈 L1、 电容器 C1、C2 等组成电容三点式振荡电路,产生频率约为 100MHz 的载频信号。 集成功放电路 LM386 和电容器 C8、C9、C10、Cll 等组成低频放大电路。 设计了另一种语音信号解调电路(二)如下图 3.23 所示。该电路利用超再 生调频接收原理,因采用了高增益微型集成电路,故电路简单新颖。接收效果达 到一般调频接收机的水平,同时克服了超再生接收机选择性差、噪声大等缺点, 又保持了灵敏度高、耗电少、线路简单和成本低等优点。

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图 3.23 调频信号解调电路(二)

电路由超再生调频接收、调频-调幅变换部分、调幅检波及低放电路组成。 调频波的超再生接收,实际上就是将调频波转换成调幅波,同时对调幅波进行包 络检波以得到低频信号。 图中的三极管 VT1 及外围元件组成典型的超再生调频接 收电路,并将调频波信号转换成调幅波信号以及进行包络检波输出音频信号。如 果直接将从 R3 端取出包络检波后的音频信号进行放大, 得到的音频噪声比较大, 但使接收机的选择性变差。 因此, 这里采用从 VT1 的发射极通过串联回路中的高频扼流圈上感应到的调 幅信号再进行高频放大、检波输出音频信号的方法,以克服上述不足。当 VT1 工 作时,在高频扼流圈上会形成一个被调频节目调制的调幅信号。这个信号通过互 感器 T1 耦合到调幅专用接收微型 IC1 7642 上进行调幅波的解调。 这块集成电路包含了一级高阻输入、三级高频放大及检波输出的全过程,而 且增益大于 70dB。检波输出的音频信号由电容 C9 耦合到三极管 VT2 进行低频放 大,通过耳机插座 CZ 输出到负载(耳机)收听广播节目。高频扼流圈 T2 作用是 防止高频信号与电池及其他部分形成回路而被衰减,但对音频信号却无阻碍作 用。 电容 C6 为小型瓷介微调电容,应用时要求把动片接在图中的 A 端,目的是 减小调台时人体感应对调谐回路的影响。先通过调节 R1 把 VT1 的集电极电流调 为 0.3mA~0.5mA,调节电阻 R7 使 VT2 的集电极电流约为 2mA。此时用耳机便可 收听到“丝丝”流水响声(电噪声) ,通过调节 C6 的电容量来收听调频台的广播 节目。微调 L1 匝距和 T1 的磁帽,使音质音量最好。 通过对以上两种调频信号解调电路的分析比较可以得出,在本设计中,利用 图 3.23 所示的调频信号解调电路能够满足系统要求。
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4 总结与展望
本设计主要完成了如下工作: (1)分析了调制解调的基本原理及其在现代通信领域中的重要性,通过对 多种调制解调方案进行分析和比较,调制过程选择了直接调频法,解调过程选择 了高频电路;具体实现语音信号调制解调的过程时,我采取对多种基本电路进行 分析、计算和比较,找出优缺点,选择最佳方案。 (2)从解决语音信号调制解调的基本问题入手,讨论了调制解调原理在无 线电通信、广播、电视、雷达、导航和遥控遥测系统中的广泛应用。 (3)通过对语音信号调制解调系统的深入研究,使我掌握了调制解调的基 本原理以及利用基本电路实现该系统的方法。对调制解调原理在无线电通信、广 播、 电视、 雷达、 导航和遥控遥测系统中广泛的发展和应用具有一定的指导意义。 (4) 通过本次毕业设计,使我学会了怎样查阅资料和利用工具书;由于学 有所限,因此,当在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时,就要去有针对性 地查找资料,然后加以吸收利用,以提高自己的应用能力,而且还能增长自己见 识,补充最新的专业知识。让我对以前学过的理论知识起到了回顾、消化和巩固 作用。丛中培养了我严肃认真、实事求是的科学态度,吃苦耐劳的精神以及相对 应的工程意识,体现了同学之间的友谊互助精神。 本课题的研究虽然取得了一定的收获, 但在很多方面还有待于进一步的改进 和完善。

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致谢
在毕业设计完成之际,我的心情无法平静,我首先要向我的指导老师表示最 真挚的谢意,他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样;他循 循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪;从开始进入课题到论文的顺 利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚 挚的谢意。 路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。我愿在未来的学习和工作过程中,以更 加丰厚的成果来答谢曾经关心、 帮助和支持过我的所有领导、 老师、 同学和朋友。 在毕业设计写作期间, 锻炼了我克服困难的意志、 磨练了我坚持不懈的耐心、 加强了与同学之间的学识交流、同时增强了同窗友谊、更重要的是学到了许多新 的知识。 由于本人学识有限,加之时间仓促,文中不免有错误和待改进之处,真诚欢 迎各位师长,同学提出宝贵意见。

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