现代通信电路课程设计-模拟通信系统的设计与实现.doc

现代通信电路课程设计现代通信电路（课程设计） 院系名称：电子信息学院班 级：通信学 号：*学生姓名：*指导老师：*日 期： 2015年 月 日 目录一、设计题目1二、设计内容12.1am广播通信系统12.2 fm广播通信系统22.3 半双工调频无线对讲机32.4论证：3三 、实现方法33.1 载频信号产生模块43.1.1论证：53.2 调制器63.2.1 论证83.3解调器83.3.1论证：93.4混频器103.4.1论证：123.5 高频谐振电压放大器123.5.1论证：153.6 高频功率放大器153.6.1论证：17四 设计平台184.1硬件平台184.2 软件平台18五、电路调试195.1 am发射机调试195.2 am接收机调试205.3 调幅通信系统联调205.4调制信号幅度小的问题255.5解调信号不稳定的问题255.6连接后的实际电路26六、电路仿真276.1 lc振荡器：276.2 振幅调制器：296.3 振幅信号的解调：31七、心得体会32八、附录338.1 gp4实验板模块分布图334一、设计题目模拟通信系统的设计与实现二、设计内容设计并实现一个模拟通信系统，系统总体框图如图1所示。具体方案可以采用am、fm或者无线对讲系统。2.1am广播通信系统 图2a 中波调幅发射机 图2b 超外差中波调幅收音机2.2 fm广播通信系统 图3 fm接收机2.3 半双工调频无线对讲机图4半双工调频无线对讲机2.4论证：am(调幅)是用音频信号去调制高频载波的振荡幅度!形成由音频信号包络振幅的调幅载波!fm(调频)是用音频信号去调制高频载波的振荡频率!形成随音频信号而在一定宽带内变频的调频载波!经过小组内讨论我们选择了am广播系统三 、实现方法3.1 载频信号产生模块实现方法1：lc振荡器可以用西勒电路，也可用克拉泼电路图5 正弦波振荡电路将开关s1的1拨下2拨上， s2全部断开，由晶体管n1和c3、c10、c11、c4、cc1、l1构成电容反馈三点式振荡器的改进型振荡器西勒振荡器，电容cci可用来改变振荡频率。振荡器的频率约为4.5mhz （计算振荡频率可调范围）振荡器输出通过耦合电容c5（10p）加到由n2组成的射极跟随器的输入端，因c5容量很小，再加上射随器的输入阻抗很高，可以减小负载对振荡器的影响。射随器输出信号经n3调谐放大，再经变压器耦合从p1输出。 图6 正弦波振荡电路本正弦波振荡器包含工作频率为10mhz左右的电容反馈lc三端振荡器和一个10mhz的晶体振荡器，其电路图如图6所示。由拨码开关s2决定是lc振荡器还是晶体振荡器（1拨向on为lc振荡器，4拨向on为晶体振荡器）。图6中电位器vr2调节静态工作点。拨码开关s4改变反馈电容的大小。s3改变负载电阻的大小。vr1调节变容二极管的静态偏置。实现方法2：压控振荡器压控振荡器通过电压控制振荡器输出频率，一般是用电压控制变容二极管来实现，它可以产生很高的振荡频率。二是用集成电路实现，如e1648等，工作频率一般受限。3.1.1论证：lc振荡器：lc震荡可用的频率范围宽，电路简单灵活，成本低，容易做到正弦波输出和可调频率输出。压控振荡器：频率稳定度好、控制灵敏度高、调频范围宽、频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等由于实验器材的缘故，我们选择了图6所示的lc振荡器3.2 调制器实现方法1：模拟相乘器图7 模拟相乘器实现的am调制器用1496集成电路构成的调幅器电路图如图7所示，图中vr8用来调节引出脚、之间的平衡。器件采用双电源供电方式（12v，9v），电阻r29、r30、r31、r32、r52为器件提供静态偏置电压，保证器件内部的各个晶体管工作在放大状态图8 模拟相乘器实现的am调制器用mc1496集成电路构成的另一种调幅器电路图如图8所示。图中w1用来调节引出脚1、4之间的平衡，器件采用双电源方式供电（12v，8v），所以5脚偏置电阻r15接地。电阻r1、r2、r4、r5、r6为器件提供静态偏置电压，保证器件内部的各个晶体管工作在放大状态。载波信号加在v1v4的输入端，即引脚8、10之间；载波信号vc经高频耦合电容c1从10脚输入，c2为高频旁路电容，使8脚交流接地。调制信号加在差动放大器v5、v6的输入端，即引脚1、4之间，调制信号v经低频偶合电容e1从1脚输入。2、3脚外接1k电阻，以扩大调制信号动态范围。当电阻增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减小。已调制信号取自双差动放大器的两集电极（即引出脚6、12之间）输出。实现方法2：分立元件如二极管电路等，只要能实现频谱线性搬移，均可用于调制am，3.2.1 论证：采用分立元件时它们产生的无用频率分量较多，因此不常用。而采用模拟相乘器实现两信号（调制信号与载频）的相乘，从而产生差频与和频，从而实现频谱的线性搬移，它产生无用频率分量少，是am波实现的最好方法。3.3解调器实现方法1：同步检波器图11 同步检波电路图实验电路如图11所示，采用mc1496集成电路构成解调器，载波信号从p7经相位调节网络w3、c13、u3a加在8、10脚之间，调幅信号vam 从p8经c14加在1、4脚之间，相乘后信号由12脚输出，经低通滤波器、同相放大器输出。实现方法2：二极管峰值包络检波器由于模拟相乘器解调电路比较复杂，而am调幅波包络反应了调制信号的变化规律，因此可用二极管峰值包络检波，且电路较简单，无需载波信号。因此本设计用二极管峰值包络检波器。图12 二极管峰值包络检波器3.3.1论证：同步检波：也称相干检波（coherent）和零拍检波（homodyne），适用于所有线性幅度调制（包括普通am调幅波）。是用一个与载波同频同相的本振信号与已调信号相乘来实现信号解调的过程，同步检波适用范围广，am波，dsb,ssb信号均可适用，并且检波效率高，检波线性好，乘法器输出电压中，不存在载波分量wc,工作稳定等优点，但解调电路相对较复杂。二极管包络检波：原理简单，电路简单，易于操作，本次试验我们选择了二极管包络检波3.4混频器方案一：二极管双平衡混频器二极管双平衡混频器的电路图示见图18。图中vs为输入信号电压，vl 为本机振荡电压。在负载rl上产生差频和合频，还夹杂有一些其它频率的无用产物，再接上一个滤波器（图中未画出）。二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高，可达微波波段，由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。图18中的变压器一般为传输线变压器。图18 二极管双平衡混频器模块电路如图19所示，这里使用的是二极管双平衡混频模块ade-1。在图19中，本振信号vl由p3输入，射频信号vs由p1输入， 它们都通过ade-1中的变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，tp8为中频输出口，是不平衡输出。图19 二极管双平衡混频器方案二：相乘混频器mc1496可以采用单电源供电，也可采用双电源供电。本实验电路中采用12v，8v供电。r12（820）、r13（820）组成平衡电路，f1为4.5mhz陶瓷滤波器。本实验中输入信号频率为4.2mhz(由三号板晶体振荡输出)，本振频率8.7mhz。为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压vs和本振电压vl外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。图20 相乘混频器3.4.1论证：二极管双平衡混频器具有噪声低、电路简单、组合分量少的优点但是相对于集成芯片构成的混频器来说，其抗干扰能力还是mc1496较好，于是我们选择了集成芯片mc1496组成的相乘混频器3.5 高频谐振电压放大器方案一：单调谐小信号放大器小信号谐振放大器是接收机的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线形放大。本电路由晶体管n1和选频回路t1组成，不仅对高频小信号放大，而且还有选频作用。电路中单调谐小信号放大的谐振频率为fs=10.7mhz，如图21所示。方案二：双调谐放大器为了克服单调谐回路放大器的选择性差、通频带与增益之间矛盾较大的缺点，可采用双调谐回路放大器。双调谐回路放大器具有频带宽、选择性好的优点，并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾，从而在通信接收设备中广泛应用。原理电路如图22所示。 图21单调谐小信号放大器图22双调谐放大器本实验中涉及到的集成选频放大器是带agc（自动增益控制）功能的选频放大器，放大ic用的是motorola公司的mc1350。方案三：集成选频放大器图23 集成选频放大器电路原理图图23为mc1350单片集成放大器的电原理图。这个电路是双端输入、双端输出的全差动式电路，其主要用于中频和视频放大3.5.1论证：1单频谐振小信号放大器主要用于高频小信号或微弱信号的放大。不仅对高频小信号有放大作用而且还有选频作用。但是选择性差、通频带与增益之间矛盾较大。2 双调谐回路放大器具有频带宽、选择好的优点并且能够较好的解决通频带与增益之间的矛盾3 集成选频放大器主要用于高频小信号或微弱信号的放大这次试验由于实验器材的缘故，我们选择了实验箱上的高频写真小信号放大器3.6 高频功率放大器方案一：丙类功率放大器丙类功率放大器通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。单元模块电路如图24所示。 图24 高频功率放大电路该实验电路由两级功率放大器组成。其中vt1（3dg12）、xq1与c15组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中r2、r12、r13、vr4组成静态偏置电阻，调节vr4可改变放大器的增益。xq2与ct2、c6组成的负载回路与vt3（3dg12）组成丙类功率放大器。甲类功放的输出信号作为丙放的输入信号（由短路块j5连通）。vr6为射极反馈电阻，调节vr6可改变丙放增益。与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻，改变s5拨码开关的位置可改变并联电阻值，即改变回路q值。当短路块j5置于开路位置时则丙放无输入信号，此时丙放功率管vt3截止，只有当甲放输出信号大于丙放管vt3 be间的负偏压值时，vt3才导通工作。图中s1为功放电源开关，拨向右端（+12v），s5为负载电阻转换开关，方案二：线性宽带功率放大器现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器，它不需要调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。但为了只输出所需的工作频率，发射机末级（有时还包括末前级）还要采用调谐放大器。图25 线性宽带功率放大模块电路如图25所示。该电路由两级宽带、高频功率放大电路组成，两级功放都工作在甲类状态，其中n1、l1组成甲类功率放大器, 工作在线性放大状态， r1、r8、r9组成静态偏置电阻。r3为本级交流负反馈电阻，展宽频带，改善非线性失真，t1,t2两个传输线变压器级联作为第一级功放的输出匹配网络，总阻抗比为16：1，使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配,后级电路分析同前级。3.6.1论证：线性功放：线性功放多存在于电子对抗、卫星通和雷达等领域中。高频功放：高频功放就放大而言，电路中的功率管是在截止、放大和饱和等区域中工作的；根据工坊电流导通角可以分为甲乙丙类不同类型的放大器，丙类功放是位于无线发射机末端的重要部件，效率可达90%，因此它经常被用作末级功放，以使发射信号获得较大的输出功率和较高的效率。由于平常学习较多的接触丙类功放而且实验器材有限，这次我们选择了丙类功放。四 设计平台4.1硬件平台(1) lte-gp-03a高频电子线路系统(2)高频实验箱（gp-4）（3）通信电路综合实验箱（zh5006）zh5006实验箱中提供了很多标准化模块：可变加法器、可变减法器、可变相乘器、乘法器、低通滤波器、epld模块、80c3模块，da模块等。本次设计可以选用用压控振荡器模块，乘法器模块，滤波器模块，和两片通用模块： 一个通用模块用作rc振荡器，另一个用作二极管检波器。4.2 软件平台本设计采用multisim软件进行正弦振荡器、调制电路、检波电路等部分电路的绘制及仿真，并给出仿真波形。五、电路调试该调幅实验系统组成原理框图如附图2（a）（b）所示，图（a）为调幅发射机组成模块，图（b）为接收机组成模块。各模块位置参见布局分布图。发射部分由低频信号发生器、载波振荡、幅度调制、前置放大、功率放大器五部分电路组成，若将短路块j4、j5、j10、j11、j17连通，j15连通tf则组成调幅发射机。接收机由高频小信号放大器、晶体管混频器、平衡混频器、二次混频、中放、包络检波器、16.455mhz本振振荡电路、低放等八部分组成。将短路块j33、j34连通，j29连通j.h.in，j42连通j.b.in，开关s9拨向右端，组成晶体管混频调幅接收机，若将短路块j48、j49连通，j33、j34断开，j29连通p.h.in其他同上，则组成平衡混频调幅接收机。5.1 am发射机调试1将振荡模块中拨码开关s2中“4”置于“on”即为晶振。将振荡模块中拨码开关s4中“3”置于“on”，“s3”全部开路。用示波器观察j6输出10mhz载波信号，调整电位器vr5，使其输出幅度为0.3v左右。2低频调制信号采用信号发生器，使输出1khz正弦信号vpp=0.91v。3将示波器接在j23处可观察到普通调幅波。4将前置放大模块中j15连通到tf下横线处，用示波器在j26处可观察到放大后的调幅波。改变vr10可改变前置放大单元的增益。5调整前置放大模块vr10使j26输出不失真的am波，将功率放大模块中j4连通，使j8（jf.out）输出不失真的am信号。6将j5，j10连通到下横线处，开关拨向右端（+12v）处，示波器在j13（bf.out）可观察到放大后的调幅波,改变电位器vr6可改变丙放的放大量。5.2 am接收机调试1将10mhz的调幅信号加入晶体管混频输入端。2将晶体管混频模块中j33，j34均连通到下横线处，示波器在输出端j36（j.h.out）端可观察到混频后6.455mhz的am波。3调整中周cp3及vr13使j36处输出电压最大4连通中放模块中j40到下横线处，在中放输出端j55处可观察到放大后的am波5调谐中周cp6使j55输出1vpp左右的am信号6振幅解调处j46连通，开关s13拨向左端，s14、s15、s16拨向右端，在j52处可观察到解调后的低频信号。s15拨向左端可观察到惰性失真，s15、s16，同时拨向左端可观察到底部失真。s14拨向左端可观察到不加高频滤波的现象。5.3 调幅通信系统联调1. 按实验（一）am发射机实验将平衡调幅器输出（振幅调制模块j23）调到0.1v左右。波形如下图所示:分析：调制信号与载波信号通过振幅调制器之后，产生如上图所示的调幅波，根据图可以看出输出波形失真度较小，基本上符合要求。2. 调幅波经过前置放大后的波形如下：分析:该图为前置放大后的波形，由图可以看出，波形略微有些失真，但整体上还算符合要求。经过多次调试，波形依然无太大的改进，与同学认真研究过之后，发现原因可能是器件或者干扰的问题，但总的来说问题不大，不会影响后面的实验，最终确定此图上的波形作为前置放大后的波形。3. 前置模块中j15断开，将j23处的am信号用短路线连到晶体管混频处的j32处（j33断开，j34连通），j36处可观察到混频后的am波。波形如下图所示:分析：在这一步中，我们着实遇到了难题，因为混频之后的波形总是调不出来。和同学交流后，又认真的从头开始把波形再调一遍，确定前面的波形无误后，再次混频，但结果还不尽如人意。在听取老师的意见后，通过调节调幅波的调制度和幅度，在混频输出端逐渐看到了正确的波形，多次调试后，确定了些混频的波形。4. 振幅解调处j46连通，开关s13拨向左端，s14、s15、s16拨向右端，在j52处可观察到解调后的低频信号。s15拨向左端可观到惰性失真，s15，s16，同时拨向右端可观察到底部失真。s14拨向左端可观察不加高频滤波的现象。解调后的低频信号波形图如图下图所示:分析：经过前面的努力，终于来到了最后一步，在认真检查了前面的波形输出之后，确定没问题了，便开始了振幅解调的实现，在这个过程中我们采用二极管峰值包络检波器电路来解调调幅波，当输入端加上调幅波以后，输出端波形如图所示，失真较小，满足设计的要求。5. 前置放大后的增益计算：放大前电压：340mv，放大后电压：1560mv增益：av=20log(1560/340)=13.2db5.4调制信号幅度小的问题在调制信号的过程中，把频率为1khz、幅度为500mv调制信号加入到fm调制器中，从输出端观察调制波形