调频接受系统设计 精品.doc

一、前言 人们的日常生活中，广泛使用无线广播来传达声音信息，无线广播信息的接收者收音机，早已走入千家万户，也因此成为了无线通信技术飞速发展的起点。无线广播的调频广播信号稳定，抗干扰能力强，在声音清晰，与拨盘调谐的收音机相比，数字调谐收音机具有选台准确，可灵活地实现自动调谐选台、存台及频率指示等优点；并且采用模拟元件制作的相关设备由于工作频率较高，电路布局布线和元件参数成为其性能的关键制约因素，一旦设计成型，便难以调整更改。若将模拟部分采用数字元件来实现，则可借助软件的优势，弥补缺点。因此是本地无线广播的首选。本文介绍了一种调频无线接收机的设计方法。系统采用Mutisim作为软件无线电的核心处理器。通过课程设计，使我们加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索设计方案论证比较，以及设计参数计算等能力环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与仿真，加深对基本原理的了解，增强我们的实践能力。设计目的：1）掌握调频接收机整机电路的设计方法。2）学会如何将高频单元电路组合起来实现满足工程实际需要的整机电路。3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。二、设计指标 2.1 工作频率范围接收机可以接受到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围或波段覆盖。接收机的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。如调频广播收音机的频率范围为88108MH，是因为调频广播收音机的工作范围也为88108MHz。 2.2 灵敏度接收机接收微弱信号的能力称为灵敏度，通常用输入信号电压的大小来表示，接收的输入信号越小，灵敏度越高。调频广播收音机的灵敏度一般为（230）uV。 2.3 选择性接收机从各种信号和干扰中选出所需信号（或衰减不需要的信号）的能力称为选择性，单位用dB（分贝）表示，dB数越高，选择性越好。一般调幅收音机频偏10kHz的选择性应大于20dB，调频收音机的中频干扰比应大于50dB。 2.4频率特性接收机的频率响应范围称为频率特性或通频带。调频机的通频带一般为200kHz。 2.5 输出功率接收机的负载上获得的最大不失真（或非线性失真系数为给定值时）功率称为输出功率。三、系统总述接收天线本机振荡 输入回路 高频放大 混频 中频放大 鉴频器低频功放 图1 整体原理框图如上图所示 一般调频接收机的组成框图如图一所示。其工作原理是：天线接受到的高频信号，经输入调谐回路选频为f1，再经高频放大级放大进入混频级。本机振荡器输出的另一高频 f2亦进入混频级，则混频级的输出为含有f1、f2、（f1+f2）、（f2-f1）等频率分量的信号。混频级的输出接调频回路选出中频信号（f2-f1），再经中频放大器放大，获得足够高增益，然后鉴频器解调出低频调制信号，由低频功放级放大。由于天线接收到的高频信号经过混频成为固定的中频，再加以放大，因此接收机的灵敏度较高，选择性较好，性能也比较稳定。调制信号（低频信号）去控制载波信号的幅度而实现的调制称为调幅；同样，若用调制信号去控制载波的频率或相位而实现的调制分别称为调频或调相。由于调频或调相两种调制都改变了载波的瞬时相位，通称角度调制。在模拟调制中，调频具有较为优越的性能，因此，调频技术广泛应用于立体声广播、电视伴音、无线麦克风、微波传输及卫星通信。同样，完整的调频通信系统也由发射机与接收机两部分组成，与调幅通信系统比较，除了调制与解调的原理方法不同外，其他部分如超外差变频接收技术、中频放大电路等基本相同。因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标，一般有以下几方面的要求：1线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制信号成线性关系。2 具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。3. 最大频率偏移与调制信号频率无关。4. 未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。5. 无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。1改变振荡回路的元件参数实现调频在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。2控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子发射极上的发射极电压。因此，只需将调制信号加至发射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。四、单元电路设计与仿真4.1 二极管双平衡混频电路及仿真混频电路又称变频电路，不仅是超外差式接收机的组成部分。而且随着第三代移动通信技术的发展成熟以及蓝牙技术的日益普及，全球众多相关公司和研究部门都投入了相当多的人力、物力资源来研究无限通信技术混频器就是无线通信中相当重要的部分之一，已广泛应用于手机、卫星通信、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统。混频器对电子系统的性能、尺寸、重量和成本有着决定性的影响，发展小型化、高性能的混频器有相当重要的实际意义。混频就是对某信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定的频率上，而保持原信号的调制规律不变。混频是一种频谱搬移电路，混频前后，信号的频谱结构并不发生变化。当两个不同频率的正弦电压，同时作用在一个非线性元件上时，就会在它的输出电流中，产生许多组合频率分量，选用合适的滤波器选出所需的频率分量，此时就完成了混频。二极管环形混频器各端口具有良好的隔离性，而且有工作频带宽、噪声系数低、混频失真小、动态范围大等优点。其主要缺点是没有混频增益，端口之间隔离度较低，且随着工作频率的提高而下降。图2 二极管双平衡混频器图3 二极管双平衡混频电路仿真图3 二极管双平衡混频器仿真4.2 高频谐振放大器电路高频放大器与低频放大器的主要区别是二者的工作频率范围和所需通过的频带宽度都有所近谐振频率的信号有较大的增益。对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。对于高频小信号放大器来说，由于信号小，可以认为它工作在晶体管的线性范围内。它的主要质量指标有增益、通频带、选择性。高频功率放大器的目的：放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。高频功率信号放大器使用中需要解决的问题：高效率输出 高功率输出谐振功率放大器与小信号谐振放大器：相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。高频功率放大器的主要功用是放大高频信号, 并且以高效输出大功率为目的, 它主要应用于各种无线电发射机中。 图 4 晶体管高频功率放大器的原理线路 图4 是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路, 除电源和偏置电路外, 它是由晶体管、 谐振回路和输入回路三部分组成的。高频功放的外部特性： 高频功放是工作于非线性状态的放大器, 同时也可以看成是一高频功率发生器；1高频功放的负载特性 负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率变化的特性。 2高频功放的振幅特性 高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ub时, 放大器电流、 电压、 功率及 效率的变化特性。 图5 高频谐振放大器电路图6 高频谐振放大器电路仿真4.3 中频谐振放大器电路中放的作用有两个主要作用：（1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的y参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。差外差接收机检波前的总增益主要取决于中放。（2）抑制邻近干扰。 对中放的主要要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。对于高放，因工作频率f0高，通频带B= f0/QL= 宽， 故高放回路的Q值越高越好，这时不必顾虑B太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波。中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路，由于并联谐振回路对诣振频率的信号阻抗很大，对非谐振频率的信号阻抗较小。所以中频信号在中频变压器的初级线圈上产生很大的压降，并且耦合到下一级放大，对非谐振频率信号压降很小，几乎被短路，从而完成选频作用，提高了接收机的选择性。图7 中频放大电路原理图 图8 中频放大电路电路仿真波形图4.4 双失谐回路斜率鉴频器 图9示出了双失谐回路斜率鉴频器的原理电路图，主要分为两部分：调频调幅变换器、包络检波器。调频调幅变换器是一个双谐振回路（由LC组成），但这里谐振回路的调谐与一般调谐放大器不同，回路的谐振频率不是调在输入信号的中心频率上，而是高于或低于信号的中心频率，即f0fc或f0fc。利用谐振回路对不同频率呈现不同的阻抗，从而有不同的电压输出特性。将等幅的调频波转换为幅度随频率变化的调幅调频波。包络检波用二极管峰值包络检波器将调幅调频波解调出其包络部分，即恢复调制信号。图9 双失谐回路斜率鉴频器合成鉴频特性曲线形状除了与两回路的幅频特性曲线形状有关外，主要取决于f01、f02的配置。若配置恰当，两回路幅频特性曲线中的弯曲部分就可相互补偿，合成一条线性范围较大的鉴频特性曲线。否则，配置过大时，合成的鉴频特性曲线就会在fc附近出现弯曲；过小时，合成的鉴频特性曲线线性范围就不能有效扩展。图10 双失谐回路斜率鉴频器仿真4.5 低频功率放大器电路低频功率放大器是一种能量转换电路，在输入信号的作用下，电路把直流电源的能量，通过前置放大级，功率放大级，转换成随输入信号变化的输出功率送给负载。整个电路主要由阻抗匹配电路、前置弱信号放大电路、功率放大电路组成。阻抗匹配电路，即电压跟随器，完成输入信号与放大电路之间的阻抗匹配；前置放大电路主要是对输入信号进行电压放大；功率放大电路完成对电压、电流的放大，为负载提供能量，增加带负载的能力。设计的电路结构简洁、实用，充分利用到了集成功放的优良性能。由于低频功率放大器运行中的信号幅度，如电压、电流都很大，其突出的问题是要解决非线性失真和各种瞬态失真。因为，功率放大器的主要任务是在不失真的前提下放大信号的功率。 常见的音频功率放大器电路可以分为甲类，乙类和甲乙类三种。另外为了完全消除甲乙类和乙类功率放大器产生的交越失真，又出现了超甲类放大器和直流放大器等等。可供选择的方案有很多。根据设计题目要求，功率放大可由分立元件组成，也可以由集成电路完成。当然如果电路选择的好，参数恰当，元件性能优越，制作调试得好，则由分立元件组成的功放的性能还有可能高过集成功率放大器 图11 低频功率放大器低频功率放大器作为音响等电子设备的后即放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。前面已经说过功率放大电路可由分立元件组成也可以由集成功放组成。分立元件组成的功率放大电路，如果电路选择得好，参数选择恰当，元件性能优良，设计和调试的好，则性能也很优良。在分立元件组成功率放大电路中由三极管、二极管、电阻、电容等器件组成的核心电路，提供了自由调整的余地。但分立元件组成的功率放大电路只要其中一个环节出现问题，则性能会低于一般集成功率放大电路。而且为了不致过载、过流、过热等损坏元件，需要加以复杂的保护电路。集成功率放大电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。以下介绍采用集成芯片构成的的功率放大器五、整机电路设计图六、设计总结 通过这次对调频接收机的设计与制作，让我了解了设计电路的过程，也让我了解了关于调频接收机的原理