无线通信接收与发射机.doc

F 题：无线通信接收与发射机（本科）

摘要
本设计给出了一个以分立元器件及单功能集成电路组成的接收与发射机。发射机主要由频率调制模块和高频功放模块组成，载波频率稳定度高，调制稳定且高效率；接收机主要由低噪放大、混频、窄带带通滤波、中放、检波和音频放大等模块组成，分别完成了信号的频率调制与解调。发射机与接收机可通过天线进行正常的无线通信。接收机中采用了两级双调谐，镜频抑制比高；磁环为自己亲手绕制，采用比例鉴频器所输出的幅度很大。

关键词：双调谐，比例鉴频器

1 设计任务
设计并制作一个以分立元器件及单功能集成电路组成的接收机与发射机（不允许使用接收机、发射机集成模块以及市售成品改装）。
根据题目的要求本系统主要由点频调频超外差接收机和与之对应的接收机组成。
发射机的技术指标要求为：
载波频率fS为自制接收机的中心频率, 频率稳定度优于10-4, 调制信号频率为50Hz～15kHz, 在调制信号振幅为1V时，最大频偏为75kHz, 发射机负载阻抗为50Ω，输岀功率≤50mW，整机效率≥35%。
接收机的技术指标为：
（1）接收的调频信号为载波频率fS，fS在26～28MHz范围内任选一点 (频率稳定度优于10-4)。调制信号频率为50Hz～15kHz, 最大频偏为75kHz。接收机要求为超外差式, 中频频率为fI=8.5±0.1MHz, 通频带180±10kHz, 矩形系数Kr0.1≤5, 接收灵敏度≤1mV, 镜像频率抑制比≥20dB, 输入阻抗50Ω, 输入端用特性阻抗为50Ω的插座作为信号输入端。
（2）解调器后要有低频电压和功率放大，负载电阻8Ω，在接收机输入信号幅值为1mV条件下, 输岀功率≥100mW, 波形无明显失真。
（3）接收机要求有独立的接收天线(1m拉杆天线) 以便接收由发射机通过天线发射岀的无线电波；(注: 天线与接收机的连接要采用50Ω的高频插座)。

2 方案论证
2.1 发射机模块的方案与选择
方案一：利用变容二极管制作振荡电路，产生调制信号，然后通过缓冲级对调频震荡信号进行放大，以提供末级所提供的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，以避免功放的工作状态变化而直接影响震荡级的频率稳定度，功放级的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。
方案二：采用集成的压控振荡器电路，选用集成芯片MC1648，其工作电压为5V，产生调制信号后，通过甲类高频功率放大器，晶体管工作于线性放大区，产生接近正弦波的输出电压波形，再通过丙类高频功率放大器，提高发射机效率。
下面对两种方案性能进行比较：
方案一结构简单，节省费用，但由于使用分立元件组成，电感量及其他阻容元件的参数计算较复杂，调试过程比较繁琐；
方案二选用MC1648，工作频率可从1.0MHz~150MHz，结合变容二极管，可以实现发挥部分的扩展频率范围要求，另外MC1648内部有放大电路和自动增益控制，可以实现输出频率稳幅，射随器有隔离作用，可以减小负载对振荡器工作状态的影响，该电路外围元器件少，调试方便，放大同一方案。综合来看，选用方案二。

2.2接收机模块的方案比较与选择
方案一：接收机的前端电路为前置低噪声放大器、混频器、本机振荡器和中频放大器组成的超外差式接收,也就是说接收机的前端采用超外差式接收对调幅、调频和调相信号都可以实现接收,只是解调电路要根据接收信号的不同的调制方式而选取不同的解调电路。对于接收

调频信号来说解调电路应为鉴频器。最后通过低频放大，输出音频信号。其中采用三极管9014或9015来进行低噪放大，混频则采用芯片SA602，本振信号使用DDS产生，鉴频使用相位鉴频器，低频放大使用芯片LM386。
方案二：接收信号先进行7阶低通滤波，在接收前端可对镜像频率和干扰杂波进行抑制，然后再通过前置低噪声放大器，放大接收信号功率，以便混频输出，变频器后加双调谐，可进行选频率，中频放大后再通过双调谐，可进一步控制带宽，提高矩形系数，鉴频器输出后接低频电压放大器、低频功率放大器，最后输出音频信号。低噪放大与中放使用集成芯片MAX2650，本振利用36MHz有源晶振产生，混频仍采用方案一中的芯片SA602，鉴频器使用比例鉴频器，低频电压放大器使用LM324，音频功放使用芯片TDA2030。
由于设计任务的要求，方案二可行。

2.3 系统的总体方案
根据系统设计要求和各功能模块的方案选择，本系统的总体设计方案原理图如图二所示。

发射机流程图

接收机流程图

3 分析与计算
3.1 调频发射机
1）压控震荡电路：采用MC1648压控振荡器，外接LC实现振荡，用两个变容二级管进行谐振，调节变容二极管的电压，全范围内可得到振荡频率约为80—110MHz。本实验通过调节，使其振荡频率为27.5MHz。
2）一级放大采用甲类高频功率放大器，二级放大采用丙类高频功放，为了提高发射效率我们进行了阻抗匹配，理想条件下，发射信号可有效传输，功率控制在50mw以下，理想效率可达35%的要求。
3.2 调频接收机
1） 低通滤波器：我们采用7阶契比雪夫低通滤波器的设计，其截止特性较好，通带内虽有震荡，但总体衰减很小，设计结果如下：

起伏量：0.5dB 截止频率：30MHZ 特性阻抗：50

2）低噪放大选取MAX2650集成芯片，调试简单，可低噪、高放大,是前置低噪放大的首选。
3）混频选取SA602集成芯片，调试简单，性能稳定。本振采用36MHZ有源晶振接40MHZ 3阶契比雪夫低通滤波器设计如下：
起伏量：1dB 截止频率：40MHZ 特性阻抗：300

4） 在中放前后我们各加一级“双调谐”，这样可以对混频输出的信号进行选频，双调谐衰减特性较好，为完成设计任务而采用。设计如下：
F=8.5MHZ B=180KHZ

5）比例鉴频器：在实际工作中，调频信号通过传输很难保持是理想的等幅波，通常会产生寄生调幅，这部分应尽可能除去，比例鉴频器则恰好能够抑制寄生调幅，产生较为理想的波形。

6）音频功放：此部分包含低频电压放大与低频功率放大两部分。低频电压放大选用LM324，外围电路非常简单，放大倍数近似为13dB，为后级放大创造了有利条件；低频功率放大选用TDA2030，输出电流大，谐波失真和交越失真小，使得输出功率满足题目要求。
4 测试
4.1 接收机测试
1．信号源输入条件：输入调频波的最大频偏75kHz, 调制信号频率为1kHz,载波频率27.5MHZ, 调频波信号USm=1mV。测试仪器：数字示波器，信号发生器。
①用示波器测试接收机的本振频率fL,测得本振频率为fL=36MHZ。
中频频率fI= fL—fS=8.5MHZ。
②用示波器测低频功率放大器的负载R=8Ω上电压URLm, 测得结果：URLm=1.5V,输出功率P=U2RLm/2RLm,得输出功率为140.63mW。
③调节调频信号USm=0mV, 测负载R=8Ω上电压URL,。测得URL=42mv计算输岀电压信噪比, 。
④测接收机灵敏度
在满足输岀电压信噪比≥4, 输岀功率≥100mW时, 减小输入调频波信号电压USm直到等于100mW对应的USm值, 即为灵敏度,测得输入信号电压USm=0.75mV时输出功率为100mW，即灵敏度为0.75mV。
2．信号源输入条件②：输入调频波的最大频偏75kHz, 调制信号频率为1kHz,载波频率27.5MHZ
⑤测通频带: 改变载波频率, 测量负载R=8Ω上电压URL值, 测电压最大值的0.707倍所对应的±Δf0.7的频率值, 两频率差值为通频带2Δf0.7,实测结果为：2Δf0.7=27.574MHZ-27.412MHZ=162KHZ。
⑥测矩形系数: 与测通频带相同, 测电压最大值的0.1倍所对应的±Δf0.7的频率值, 两频率差值为2Δf0.1, 矩形系数Kr0.1=2Δf0.1/2Δf0.7。实测2Δf0.1=27.915MHZ-27.134MHZ=781KHZ,所以Kr0.1=2Δf0.1/2Δf0.7=4.82
⑦测镜频抑制比: 改变调频信号的载波频率为镜像频率, 其他条件不变, 测量负载R=8Ω上电压URL值,( 此值一定小于正常载波信号输入时的测量值), 增大镜像频率的输入信号幅值, 直到负载R=8Ω上电压URL值与正常载波信号输入时的测量值相等, 测镜像频率改变后的输入信号幅值, 两幅值的比值为镜频抑制比。实测镜频输入信号幅值为12mV,得抑制比为12/0.75=16,约为24dB

4.2 发射机测试
①测发射机载波频率：发射机无发射天线，接50Ω负载电阻，调制信号电压为零时，测负载电阻上电压的频率；测得频率为27.5064MHZ
②测载波频率稳定度：条件与测载波频率相同，1分钟内测5次频率，记下数值。定义5次数值的平均值为,测频率稳定度为

分
五次结果分别为：27.5059MHZ 27.5065MHZ 27.5074MHZ 27.5080MHZ 27.5084MHZ,得载波频率平均值=27.50724MHZ,分=4.36x10
③测最大频偏：在调制信号端加直流电压1V, 测载波频率,则;得=|27.8130-27.5084|=307KHZ
④测输出功率：输入调制信号振幅V,F=1kHz测负载50Ω上输出电压, 计算输岀功率；实测负载电压幅值为1.76V，得输出功率31mW.

5 结论、心得体会
通过参加本次黑龙江省电子设计竞赛（TI杯），我们培养了一定的科技创新素养。我们的队伍在比赛中设计并制作了调频发射机与接收机，完成了系统间的互连及性能指标的测试。为此，我们体会到从设计到制作一件符合要求的作品是多么的不易，任何一个少考虑的因素都会成为失败的原因，分立模块调试成功并不意味着系统级连后就会顺利调制与解调信号，在调试过程中要耐心，细心。
比赛开始前，我们组内成员积极准备，提前确定了选题，并开始分工明确的学习了Altium Designer软件，430单片机编程，硬件的搭建与仿真，这些内容的学习都是比赛所必不可少的。比赛开始后，从得知选题，到确定最后的制作方案，我们经过了很多曲折，从中吸取了不少教训，在设计一个电路时切不可盲目求成，一定要在具有知识基础，对电路有清晰认识时才去设计。
为期十天的比赛使我们学习了很多课本学不到的知识，提高了科创素养，收获了队友间的友谊，学会了坚持。

参考文献
【1】《高频电子线路》 阳昌汉 著 哈尔滨工程大学出版社

【2】《LC滤波器设计与制作》 森 荣二 著 科学出版社

元器件
个数
芯片MC1648
MAX2650
SA602
LM324
TDA2030
1
2
1
1
1
电位器 10k
100k
3
3
三极管
3
电阻 51k
5k
10k
4.7k
51
8
100k
1
4
1
2
5
1
2
电容 10uf
0.1uf
0.01uf
100pf
27pf
20pf
39pf
47pf
15pf
22pf
220nf
22uf
2uf
2000uf

8
23
2
6
4
1
1
4
2
4
1
1
1
1
可调电容30pf
60pf
3
4
电感 4.7uH
10uH
1mH
10mH
470nH
2
1
1
3
2
变容二极管
检波二极管
稳压二极管
2
2
2
36M有源晶振
1
元器件表
7