微功率电报收发信机设计文献综述.doc

石河子大学信息科学与技术学院

毕业设计(论文)文献综述

课题名称：
微功率收发信机设计
学生姓名：
李远波
学 号：
2009082350
学 院：
信息科学与技术学院
专业年级：
电子信息工程2009级
指导教师：
刘恩博
职 称：
副教授
完成日期：
二○一三年六月八日

12

文献综述
前言
本毕业设计的题目是《微功率电报收发信机设计》。无线电依然是信息传送的重要手段，通过毕业设计熟悉无线电收发装置的设计过程。
通信是人类社会生活的重要组成部分，很久以来，人们曾寻求以各种方式来实现信号的传输。早在公元前七百余年，我们的祖先就以烽火台的烟火传递敌人入侵的警报，随后，人们又利用各种传送信息的方法，但距离、速度、可靠性方面仍然没有得到明显的改善。随着科学技术的发展，要求传达的信息内容相继复杂，信号的形式也不断增多。
无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其中的一个有限频带，上限频率在300GHz（吉赫兹），下限频率较不统一。在各种射频规范，常见的有3KHz-300GHz（ITU－国际电信联盟规定），9KHz-300GHz，10KHz-300GHz。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。
正是在这种情况下，我在毕业设计中，我以业余无线电爱好者推崇的收发报机套件为基础，通过研究电路图和动手焊接并组装成一个简易的收发报机，掌握了它的原理之后我开始搜集文献资料，进行自己的改进。
本毕业设计文献的收集主要有两个方面的目的，一是借鉴；二是改进。首先我们要了解别人在该领域上是从那些方面入手进行研究的，他们所研究的内容的科学性、价值以及效益，借鉴他们的研究方法，学习一些理论知识，取其精华，弃其糟粕；其次，我们要对他们所研究的内容进行分析，发现其不足，然后想方设法加以改进，使我的设计更有价值。主要收集了单片机应用技术，高频电子线路，模拟电子技术，无线通信原理等方面的资料。文献类型大多为业余爱好者的经验资料，已出版的无线电手册，期刊文章和图书馆图书资料，也有部分来自网络上的最新研究动态等资料。我将前人的理论和研究成果进行综合分析，从实际出发，以设计出具有实用性和创新性的微功率收发信机。
正文
1.无线电的发展历程与技术背景
1.1无线电的发展历程
无线电的发展史，在很大程度上就是人们对各波段进行研究、运用的历史。无线电经历了从电子管到晶体管，再到集成电路，从短波到超短波，再到微波，从模拟方式到数字方式，从固定使用到移动使用等各个发展阶段，无线电技术已成为现代信息社会的重要支柱。
1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。
1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。
1886年至1888年间海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz）首先通过试验验证了麦克斯韦的理论。他证明了无线电辐射具有波的所有特性，并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达，通常称为波动方程。
1895年马克尼发明了无线电，开创了无线电波的实际应用价值。无线电波的频率范围从3000Hz到3000GHz。
1898年，马可尼在英格兰切尔姆斯福德的霍尔街开办了世界上首家无线电工厂。第一次用于正常通信也是在1898年英格兰海岸用无线电报报告派救生艇营救海上遇难者。1901年12月12日马克尼使无线电信号跨越了大西洋。
1906年圣诞前夜，雷吉纳德·菲森登（Reginald Fessenden）在美国麻萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播。
随着科学技术的进步和发展,各学科领域相互渗透和覆盖已成为新技术发展的必然趋势。无线电技术也进入了一个崭新的时代,无线电技术的概念、内容和应用也有了拓展。它越来越广泛地渗透到其他技术领域中，在现代无线电导航、移动通信、卫星广播、近代防空雷达、遥测、遥感、太空探测等技术领域都有新的发展和应用。无线电技术主要应用在通信方面,利用电磁波来传送电码,声音,图象等任务。伴随着它的发展，加上电子器件（晶体管、激光器件、大规模集成电路）的出现，无线电技术的应用范围已不局限与通常意义上的通信了，而被扩展为各种性质的信息传送。现在无线电电子学已经广泛应用在科学技术的各个领域。正是这个原因，人们常常将无线电和电子学结合起来称为无线电电子学。 无线电技术的一个重要任务就是进行无线电通信，它不用导线就能将各种电信号由发射端传送到接收端，以达到传送信息的目的。因此，必须预先将要传送的消息变成为相应变化的电压或电流信号。这种电信号也称为原始信号。
1.2无线电的技术背景
无线通信经历从电子管到半导体再到集成电路，从第一代模拟通信到第二代数字通信再到第三代多媒体通信，从短波通信、长波通信到卫星通信、微波通信，从地面通信到航空航天通信，从点对点到点对多，无线通信正以飞快的速度向前发展。在无线收发信系统技术发展的30多年历史中，模拟技术应用已经非常成熟，关键器件已很可靠，早在20年前，国外就有人将数字技术引入无线收发行业，数字无线收发信系统不仅能实现模拟无线收发信系统的基本业务，如单呼、组呼等功能，还具有调度台核查呼叫、区域选择、接入优先、优先呼叫、迟后进入、预占优先呼叫、侦听、动态重组、监听等补充业务。也就是说，数字集群无线收发信系统可提供更丰富的业务种类、更好的业务质量、更好的保密特性、更好的连接性和更高的频谱效率。无线收发信系统主要包括家庭无线服务(FRS)，HAM radios 无线收发信系统，个人移动无线无线收发信系统以及陆基移动无线(LMR)无线收发信系统。目前，各厂家已经很努力地想办法提高产品通讯质量，降低干扰，开发多功能产品，如：防水、防震功能，集成收音机和GPS功能等等。从国内外研究局势看出，无线收发机已从单一的通话功能，变成了能和手机媲美的产品，而人们追求个性化的影子已在无线收发机上演。
随着社会的发展，人们对通信的需求也日益迫切，对通信的要求也越来越高。理想的目标是能在任何时候、在任何地方、与任何人都能够及时沟通和联系、交流信息。显然，没有无线通信，这种愿望是无法实现的。而在手机非常普及的今天，对讲机没有被取代，是因为对讲机不受网络限制，在网络未覆盖到的地方，无线收发机可以让使用者轻松沟通。无线收发机提供一对一，一对多的通话方式，也就说，操作简单，令沟通更自由，尤其是紧急调度和集体协作工作的情况下，这些特点是非常重要的，而且通话成本也低。
无线通信系统的基本原理图如下：

图1-1
无线通信的类型很多，可以按传输手段、频率范围、用途等分类。各种不同的通信其设备的组成，设备的复杂程度都有很大不同，但是基本组成不变，如图1-1所示。
在发射机种有高频振荡器产生的高频信号称为载波，载波本身并不携带要发射的信息，用携有信息的基带信号去控制高频载波的某个参数，使该参数按照基带信号的规律而变化。从而使载波携带信息，该过程叫做调制。
基带信号也称为调制信号，由原始信号变换的低频信号。未调制的高频振荡信号称为载波信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波，三角波，锯齿波等，但都是周期性信号。载波信号的频率称之为载频（射频）。经过调制后的高频振荡信号称为已调波信号。正弦载波有三个参数：振幅，频率，相位。若受控的参数是振幅，则这种调制称为振幅调制（AM），即调幅，相应的已调波信号称为调幅波信号；如果受控的参数是高频振荡的频率或相位，则这种调制称为频率调制或相位调制，简称调频或调相，统称调角。另外如果调制信号为模拟信号，称为模拟调制；如为数字信号，称为数字调制。
把从天线接收到的高频信号经检波（解调）还原成音频信号，送到耳机变成音波。 在接收天线后，有一个选择性电路，它的作用是把所需的信号（电台）挑选出来，并把不要的信号“滤掉”，以免产生干扰。选择性电路的输出是选出某个电台的高频调幅信号，利用它直接推动耳机（电声器）是不行的，还必须把它恢复成原来的音频信号，这种还原电路称为解调，把解调的音频信号送到耳机，就可以收到广播。上面所讲的称为直接检波机，但从接收天线得到的高频天线电信号一般非常微弱，直接把它送到检波器不太合适，最好在选择电路和检波器之间插入一个高频放大器，把高频信号放大。即使已经增加高频放大器，检波输出的功率通常也只有几毫瓦，用耳机听还可以，但要用扬声器就嫌太小，因此在检波输出后增加音频放大器来推动扬声器。
把从天线接收到的高频信号放大几百甚至几万倍，一般要有几级的高频放大，每一级电路都有一个谐振回路，当被接收的频率改变时，谐振电路都要重新调整，而且每次调整后的选择性和通带很难保证完全一样，为了克服这些缺点，现在的收音机几乎都采用超外差式电路。 超外差的特点是：被选择的高频信号的载波频率，变为较低的固定不变的中频(465KHz)，再利用中频放大器放大，满足检波的要求，然后才进行检波。在超外差接收机中，为了产生变频作用，还要有一个外加的正弦信号，这个信号通常叫外差信号，产生外差信号的电路，习惯叫本地振荡。在收音机本振频率和被接收信号的频率相差一个中频，因此在混频器之前的选择电路，和本振采用统一调谐线，如用同轴的双联电容器(PVC)进行调谐，使之差保持固定的中频数值。由于中频固定，且频率比高频已调信号低，中放的增益可以做得较大，工作也比较稳定，通频带特性也可做得比较理想，这样可以使检波器获得足够大的信号，从而使整机输出音质较好的音频信号。
2.本设计所用技术介绍
2.1 CW知识
在无线电通信中，等幅电报通信（continuous wave）简称CW方式。它一般使用莫尔斯电码发送信息。它通过电键控制发信机产生短信号"."（点）和长信号"--"（划），并利用其不同组合表示不同的字符，从而组成单词和句子。CW所需设备最为简单、占用频带很窄而发射效率较高，在同等条件下通信距离更远。在今天，国际摩尔斯电码依然被使用着，虽然这几乎完全成为了业余无线电爱好者的专利。直到2003年，国际电信联盟(ITU)管理着世界各地的摩尔斯电码熟练者取得业余无线电执照的工作。在一些国家，业余无线电的一些波段仍然只为发送摩尔斯电码信号而预留。因为摩尔斯只依靠一个平稳的不变调的无线电信号，所以它的无线电通讯设备比起其它方式的更简单，并且它能在高噪声、低信号的环境中使用。同时，它只需要很窄的带宽，并且还可以帮助两个母语不同、在话务通讯时会遇到巨大困难的操作者之间进行沟通。它也是QRP中最常使用的方式。
CW收发信台框图如下：

图1-2
2.2 单片机系统和AD9850信号发生器
2.2.1 单片机最小系统
AT89S52是52系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89S52是一个低电压，高性能CMOS的8位单片机，片内含8k字节可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。　　
AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
单片机最小系统是单片机外界电路最小的系统，由晶振电路（XTAL1，XTAL2），EA接高电平表示选择片内ROM，此处不需要复位，故RST端通过一个电容接在高电平上。其余四个端口P0，P1，P2，P3可以接外部电路实现功能。如下图所示。

图1-3

2.2.2 AD9850信号发生模块
AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。
AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC 输出模拟量。
相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相应地正弦查询表。每经过一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波频率fout=M*fc/2的N次方（fc为外部参考时钟频率）。
AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。DAC 满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节，典型值3.9千欧。将DAC的输出经低通滤波后接到AD9850内部的高速比较器上即可直接输出方波。在125MHz的时钟下,32位频率控制字可使AD9850输出频率分辨率最低达0.0291Hz。
图1-4

2.3 高频功率放大电路
共发射极放大器用于中等电压增益时、输入阻抗为几千欧或者再高一些的场合（输入阻抗是指为放大器提供信号至放大电路的阻抗）。共发射极放大器的输出与输入是反相的（我们称为180度相移）。输入信号正半周时，较多的电流流入晶体管的基级，使得更多的电流从集电极流到发射极。这就引起RC两端有较大的压降，因此集电极电压也下降，输入信号负半周时，情况相反，电路如下图所示。

图1-5

为了让放大电路既能够放大正半周信号也能够放大负半周信号，集电极电流（Ic）不能为零，这样电流才能增加，也能减少。放大器即使无信号时也有连续输出电流，这就是A类放大器。控制这种连续电流的方法叫做偏流。分压电流中的电阻R1、R2使少量偏流流入基级，这就让集电极一直都有电流流过。这时放大器是运行在“工作区”。集电极的连续电流等于基级偏流电流乘以晶体管的直流电流增益β，利用欧姆定律求出Rc和Re两端的电压，晶体管的集电极，发射机电压（Vce）也由偏流决定。集电极连续电流Ic和Vce构成的点叫做电路的Q点。在这里，Q指“静态”。当加上输入信号时，输出电压和电流就以Q点为中心变化。
当集电极电流随输入信号变化时，集电极电阻 Rc两端产生电路的输出电压。在输入信号一定的情况下，较大的Rc意味着较大的电压变化，电压增益（Av）较高。Rc的作用是设定晶体管的Q点，使集电极电压有宽的摆幅，但工作时不会达到供电电压（Vcc）或者低到“地”。Re与Rc一道构成了集电极电流路径，如果Re的阻值相对Rc大一些，会减少电压增益。实际上，电压增益大约是Rc与Re的比值。
3.开发必要性
无线收发信系统设计中包含有通信的原理和技术，不仅是信息工程高级专业技术人员所必需掌握的，也是从事相关产业的普通技术人员、管理人员和营销人员应当了解的，并把它应用于信息产业中。 无线收发信系统的实现具有单向性，完成的是信息的单方面传输，这是研究半双工和全双工通信的基础。一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务，对以后增加图片传输、多媒体音乐、无线上网和电子商务的套餐具有重要的意义。
本系统针对以往收信机发信问题，对一般收发信机做了进一步改进，增加单片机控制，提高灵敏度。
总结
本次设计的无线收发系统是以功放电路和混频电路、本地震荡电路、音频放大电路等组成，设计目标是使用单片机控制AD9850信号发生器输出正弦波信号频率在7.023MHz左右可调节。无线收发信系统的电路形式较多,从收发功能上可分为单工式和双工式。单工式无线收发机，具有造价低，体积小，耗电低等优点，考虑到综合因数，因此本设计采用单工形式。基于实际需求和应用于实际是本系统研究和制作的目的、宗旨。
每一个系统总是在不断发展中完善的。同样，我们在对前人所走出的路进行批判性学习和吸收的时候，必须清醒的认识到他们所作出的贡献，以及其研究成果对我们进行创新具有的启示作用。并以此对其进行改进和完善。
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