中波电台发射与接收系统设计.doc

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《通信电子线路》课程设计

中波电台发射与接收系统设计

一.问题要求

中波电台发射系统设计

设计目的是要求掌握最基本的小功率调幅发射系统的设计与安装调试。

技术指标：

载波频率535-1605KHz，载波频率稳定度不低于10-3，输出负载51Ω，总的输出功率50mW，调幅指数30％~80％。

调制频率500Hz~10kHz。

本设计可提供的器件如下，参数请查询芯片数据手册。

所提供的芯片仅供参考，可以选择其他替代芯片。

高频小功率晶体管3DG6

高频小功率晶体管3DG12

集成模拟乘法器XCC，MC1496

高频磁环NXO-100

运算放大器μA74l

集成振荡电路E16483

中波电台接收系统设计

本课题的设计目的是要求掌握最基本的超外差接收机的设计与调试。

任务：

AM调幅接收系统设计主要技术指标：

载波频率535-1605KHz，中频频率465KHz，输出功率0.25W，负载电阻8Ω，灵敏度1mV。

本设计可提供的器件如下，参数请查询芯片数据手册。

所提供的芯片仅供参考，可以选择其他替代芯片。

晶体三极管3DG6

晶体二极管2AP9

集成模拟乘法器xCC，MCl496

中周10A型

单片调幅接收集成电路TA7641BP

必做任务（针对每个系统）：

1.针对每个系统给出系统设计的详细功能框图。

2.按照任务技术指标和要求及系统功能框图，给出详细的参数计算及方案论证、器件选择的计算过程。

3.给出详细的电路原理图，标出电路模块的输入输出，给出详细的数学模型和计算过程。

4.对整个电路进行ADS、Multisim等计算机软件仿真，给出功能节点及系统的输入输出仿真波形及分析。

二、问题分析

调制和解调是通信系统的重要组成部分，没有调制和解调，就无法实现信号的远距离通信。

所谓调制，就是将我们要传输的低频信号“装载”在高频振荡信号上，使之能更有效地进行远距离传输。

所要传输的低频信号是指原始电信号，如声音信号、图像信号等，称为调制信号，用uΩ（t）表示；高频振荡信号是用来携带低频信号的,称为载波，用uc（t）表示；载波通常采用高频正弦波，受调后的信号称为已调波，用u（t）表示。

具体地说,调制就是用调制信号控制载波的某个参数,并使其与调制信号的变化规律成线性关系。

因此,对模拟信号具有三种调制方式：

调幅、调频和调相。

为了提高信号的频率，以便更有效地将信号从天线辐射出去。

由天线理论可知，只有当辐射天线的尺寸与辐射的信号波长相比拟时，才能进行有效的辐射。

而我们需要传送的原始信号，如声音等，通常频率较低（波长较长），所以需要通过调制，提高其频率，以便于天线辐射。

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为了实现信道复用。

如果多个同频率范围的信号同时在一个信道中传输必然会相互干扰，若将它们分别调制在不同的载波频率上，且使它们不发生频谱重叠，就可以在一个信道中同时传输多个信号了，这种方式称为信号的频分复用。

1、振幅调制的分类：

振幅调制可分为普通调幅（AM），双边带调幅（DSB），单边带调幅（SSB）与残留边带调幅（VSB）几种不同方式。

2、普通调幅信号的波形及表达式：

由图可见，已调幅波振幅变化的包络形状与调制信号的变化规律相同，而其包络内的高频振荡频率仍与载波频率相同，表明已调幅波实际上是一个高频信号。

可见，调幅过程只是改变载波的振幅，使载波振幅与调制信号成线性关系，即使Ucm变为Ucm+KaUΩmcosΩt，据此，可以写出已调幅波表达式为：

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Ma称为调幅系数，Umax表示调幅波包络的最大值，Umin表示调幅波包络的最小值。

Ma表明载波振幅受调制控制的程度，一般要求0≤Ma≤1，以便调幅波的包络能正确地表现出调制信号的变化。

Ma>1的情况称为过调制。

当为单音频调制时，在已调波中包含三个频率成分：

ωc、ωc+Ω和ωc-Ω。

ωc+Ω称为上边频，ωc-Ω称为下边频。

由此而得到调幅波的频谱如下图所示。

若调制信号的最高频率为fh，则已调信号的带宽为B=2fh。

3、AM调幅的功率：

已知AM信号的表达式为

则载波功率为

上、下边频功率

总平均功率

4、普通调幅信号的产生和解调方法

普通调幅是通过将载波信号与调制信号直接耦合或相加之后，通过非线性器件，利用非线性器件在频谱上的线性搬移作用，产生新的频率分量，再经过带通滤波器滤除不需要的频率分量，从而产生调幅信号。

解调方法包括包络检波和同步检波。

包络检波利用普通调幅信号的包络反映调制信号波形变化这一特点，将包络提取出来，从而恢复原来的调制信号。

同步检波必须采用一个与发射端载波同频率同相的信号，这个信号称为同步信号。

5、工作原理及框图

AM调幅发射机原理及框图：

主振器

缓冲器

高频放大器

振幅调制器

高频功率放大器

低频放大器

前置放大器

声电变换器

其中主振器提供频率稳定的载波信号，缓冲器为主振器提供合适负载，并是主振器与下级高平放大器隔离，减小后级对主振器的反馈的影响。

由于主振器输出信号的电压幅度一般较小，所以使用高频放大器将信号放大，使信号幅度满足振幅调制器的要求。

振幅调制器完成将调制信号与载波信号混频的功能，并通过带通滤波器将不需要的频率分量滤除，之后将已调信号送入高频功率放大器，放大信号功率。

超外差式接收机的工作原理及框图：

混频器

中频放大器混频器

检波器

低频电压放大器

低频功率放大器

本地振荡器

天线接收到高频已调信号，通过带通滤波器滤波后进入混频器，在混频器内与本地振荡器输出的高频信号相乘，产生中频和高频两部分信号分量，再通过一个低通滤波器滤除高频分量，完成了将已调信号在频谱上线性搬移到中频的过程。

中频为一固定值，因此，降低了后级中频放大器的设计难度。

检波器将已搬移到中频的已调信号的包络检出，经低频电压放大器放大电压，低频功率放大器放大功率后，加载到负载上。

三、系统电路设计与仿真

3.1中波发射系统

1、AM调幅发射机

整体电路：

（1）本地振荡器（即整体电路中的HB1）

西勒电路分析：

首先大概确定三极管的静态工作点，三极管选取的是高频三极管BFG235，经过适当地分压，使其工作在线性放大区。

其中是隔直反馈电容，对高频相当于短路。

共同组成谐振回路。

防止高频交流对直流电源产生影响。

L、C选择应满足振荡频率的要求，假设振荡频率为1MHZ，不妨取L=0.7mH，则由可得C=0.036nF。

不妨设C1=3nF，C2=2nF，C4=30nF，则由可得可变电容C5=0.47pF。

为了以后调节的方便，将、换为可变电容，并将其灵敏度改为。

（2）射极跟随器

图中Vcc为直流电压输入端，gnd为接地端，IN为信号输入端，OUT为信号输出端。

本电路是一种自举式的跟随器，从而避免了偏置电路降低了输入阻抗的缺陷。

又因为采用Q1和Q2组成复合管电路，对于较低频率时β=β1β2，因为输入阻抗Ri=Rbe+（1+β）Reo，所以使总的输入阻抗大大提高。

（3）高频小信号放大器

图示为高频小信号放大器，各端口功能与射极跟随器中一致。

图中R3、R4为偏置电阻，为三极管提供合适的静态工作点，使三极管工作在线型区，避免输出信号产生非线性失真。

三极管负载为选频网络，选频网络的谐振频率设置为载波频率。

由于三极管输出电阻较小，为减小对选频网络的影响，采用部分接入的方式。

根据相关理论，可计算出此高频小信号放大器的放大倍数为（假定放大器负载为1KΩ左右）：

经过缓冲器和高频放大器后产生的载波如下仿真图所示：

可见产生了频率为991KHZ,峰峰值1.15V的载波。

（4）低频小信号放大器

由于传统话筒直接输出电压在5mV以下，不能直接用来调幅，因此需要将其进行放大然后送入乘法器进行调幅。

因为声音信号属于低频信号，所以可以使用集成运放进行放大而不会失真。

从乘法器出来的AM波功率太小，不符合要求，因此要对其进行功率放大。

功率放大电路采用多级甲乙类放大。

甲乙类放大不易失真，并且调谐比容易，而且功率比较大。

产生调制信号需要声电变换器，前置放大器，低频放大器共同组成。

三部分连接完成后可产生满足要求的调制频率为1KHZ,峰峰值为999mV的调制信号，仿真如下图所示：

（5）乘法器

为方便电路的搭建，本电路采用了理想乘法器。

（6）高频功率放大器

根据图中所示电路参数，可计算通角为：

功率放大器工作在甲乙类状态。

理想效率大于50%，小于78.5%。

由于功率放大器工作在甲乙类状态，因此三极管集电极输出波形失真，因此接一选频网络恢复波形。

由于并联谐振回路的输入电源必须为电流源，否则达不到选频效果，因此，为使三极管的输出等效为一电流源，需要在集电极串接一小电阻。

在实际电路中，由于三极管自身有输出电阻，因此并不需要额外串接电阻。

（7）AM调幅波联合仿真

连接各部分后如上图所示

仿真结果见下图：

其中为输入，分别接调制信号和载波信号，为调幅信号输出端。

经过上述乘法器后得到的信号为：

。

为载波信号幅度，为载波信号频率，为调制信号频率，其值在到1KHz之间。

设计指标要求调制指数在，设调制信号电压值为，其调制指数为。

仿真结果验证：

调制指数：

由仿真结果，其波峰值A为12.87V，波谷值B为2.96为，则其调制指数为

输出电阻：

电流表示数为：

则输出电阻为：

R=U/I=50Ω

输出功率：

由瓦特计显示=50mW

由图可见产生了频率为992KHZ的AM调幅波，

频率稳定度=（1000-992）/992=0.8%>0.1%,

.满足设计要求。

2、超外差式接收机

原理框图：

2.1混频器

本振信号

带通滤波器

本机振荡

模拟相乘器

射频信号输入

中频信号输出

混频电路的基本框图

带通滤波器选用RLC串联谐振电路，如图4所示。

图1：

RLC串联谐振电路

RLC串联谐振电路的转移电压比为：

当时，达最大值，当高于或低于时将下降，因而串联谐振电路可以作为带通滤波器使用。

又根据通频带的定义可得：

。

谐振频率，选取通频带为，从而确定参数，，。

图中Uc端输入接收机的产生的高频振荡信号，Us端输入接收到的AM调幅信号，

乘法电路将两信号相乘，由于接收机的振荡器的振荡频率比AM信号的载波频率高465KHz，因此，在频谱上，接收到的AM信号被从原载波频率两侧，搬移到465KHz的中频两侧和2.7MHz两侧，完成对频谱的线性搬移。

仿真波形如下图所示：

节点探针如图所示：

可见经过混频器以后选出了频率为465KHZ的调幅波。

2.1中频放大器

采用单二极管放大电路，三极管为共射接法。

三极管基极的静态电压为：

三极管工作在线型区。

2.3包络检波器

仿真波形如下：

经过包络检波后波形与调制信号基本一致。

根据图示参数，可计算出二极管的通角为：

则电压传输系数为：

输入电阻：

频率失真分析：

惰性失真分析（假定ma=0.6）：

满足不会出现惰性失真的条件。

负峰切割失真分析（假定ma=0.6）：

由于下级为跟随器，所以负载电阻远大于R，所以：

2.4低频电压放大器

2.5低频功率放大器

接收机全图：

3.联合仿真

解调波形仿真得：

接收机解调波形

接收机联合仿真前段输出载波频率1MHz，输出功率为1.057W>0.25W,中频频率465KHz，调制指数0.65，调制信号频率1KHz。

从仿真结果看出波形完整，无明显失真，

4.总结

本次设计的AM调幅发射机、超外差式接收机都只能发生或接收载波为1185KHz

的普通调幅信号，即仅能发生、接收一个电台，且与实际电路设计相差甚远。

通过这次课程设计，我学会了许多书本上没有的知识，认识到了自己在学习中存在的不足，在以后的学习中，要加强理论与实践的结合。