调频信号发射机与接收机的设计.docx

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调频信号发射机与接收机的设计

调频信号发射机与接收机的设计

中文摘  要

调频信号发射机是一种将音频、视频信号转化为一定频率的电磁信号发射出去的装置，而调频接收机是一种将一定频率的电磁信号转化为音频、视频信号并接收的装置，它们配套组合成一种简单且应用十分广泛的通讯工具。

我们身边常见的调频对讲机就是最典型的例子，调频对讲机上既有发射机又有接收机，通过调节两个对讲机的频率一致，就能完成彼此之间的信息传输。

调频信号发射机是基于BA1404芯片设计的，实现发射100MHz的调频信号；调频信号接收机是基于CXA1238M芯片设计的，实现接受88～108MHz的调频信号。

关键字：

调频信号发射机；BA1404；调频信号接收机；CXA1238M；调频

Thedesignof FMsignal transmitterandreceiver

ABSTRACT

FMtransmitterisakindofaudioandvideosignalconversionforacertainfrequencyelectromagneticsignalistransmittedoutofthedevice,andFMreceiverisacertainfrequencyelectromagneticsignalsintoaudioandvideosignalsandreceivingdevice,theyassembledintoasimpleandwidelyusedmeansofcommunication.ThemosttypicalexampleistheUSaroundacommonFMradio,FMradioonbothtransmitterandreceiver,byadjustingthetworadiofrequenciesareconsistent,willbeabletocompletetransferofinformationbetweeneachother.

FMtransmitterisdesignedbasedonthechipBA1404,transmit100MHzfrequencymodulatiosignal;FMsignalreceiverisdesignedbasedonthechipCXA1238M,acceptedthe88~108MHzfrequencymodulationsignal.

KEYWORD:

FMsignaltransmitter;BA1404;FMsignalreceiver;CXA1238M;FM

第一章前言

1.1课题研究的意义

人类是通过语言来进行信息交换的。

在远古时期乃至现在，我认为人类进行通信最简单的工具就是空气，在一定距离内，人们直接通过语言来进行信息的交换。

因为声音通过空气的传输距离是有限的，所以随着距离的增加，人们不可能再通过空气来传输信息，这时候就需要新的通信工具了。

在古代，人们通过飞鸽传书、烽火、鸣钟鼓等方式来传递信息。

随着科学技术的发展，各种先进的通讯工具相继问世，如电脑、手机、移动电视等，这些是通过金属导体和电磁波来传递信息的。

在一些偏远的山区、原始森林，就没有用于通信的电磁波，这时候调频对讲机就能满足这些地方的无线通信需求。

调频对讲机上不仅有发射机还有接收机，将两个对讲机调在同一频率点上，就能完成彼此之间的信息传输。

调频信号发射机与接收机在我们现实生活中的应用十分广泛。

一台发射机、一部电视机和一台接收机就可以组成电视无线耳机，避免在夜间收看节目时影响别人；一台发射机、一台汽车（接收机）和一个MP3就可以组成汽车MP3播放器，它可以把MP3上的音乐通过汽车播放出来；一个发射器，一台电脑和一个接收器可以由无线家庭音响系统，你可以在家里放一个接收器能听到电脑上的音乐，没有约束，无论在家里的任何地方都可以听到音乐。

除了在私人空间的使用，调频信号发射机与接收机还可以应用于工业生产、商业运营、医疗监护、军事天文等各个领域。

可以说，该课题具有一定的研究意义和价值。

1.2设计目标

调频信号发射机的设计需要使用信号输入、音频放大、立体声编码、调制、调频波发射等电路，从而实现调频信号发射，并可用接收机接收。

发射机的发射距离大于10米，发射频率100MHZ左右。

调频信号接收机的设计要求能接收88～108MHz的调频信号。

第二章无线电发射与接收

调频信号发射机与接收机之间是以无线电的方式传送信息的。

发射机发出语音、视频等信号，由接收机将接收到的由发射机发出的信号经处理后转换为人们可以识别的相应的信号，其中无线电作为信息传输的载体，在中间起到了至关重要的作用。

2.1无线电发射

2.1.1无线电波

无线电波是一种电磁波，而电磁波是一种人既看不见也摸不着、传播不需要通过任何载体的一种特殊电波，其传播速度和光速基本相同。

目前我们使用的所有的无线通信工具都是通过电磁波来传递信息的，应用范围广。

电磁波的频率范围非常宽，不同频率范围的电磁波用途不同，可以分为红外线、紫外线、X射线、可见光和无线电波等[]。

其中无线电的频率范围在几兆赫兹到几十万兆赫兹之间。

电磁波的波长（

）、波速（C）与频率（

）之间的对应关系如下：

[]

（1）

由于

，代入上式可得：

（2）

2.1.2无线电波的划分

无线电波的波长在几百微米到几万微米之间，根据传播的特征和产生、放大等技术的差异，人们通常将无线电波划分为不同的波段或频段。

表1列出了无线电波的划分及其主要应用场合。

表1无线电波的划分及其主要应用场合[]

通过上表我们可以看出，无线电波可以应用于不同的领域，30kHz到300MHz之间频率的无线电波主要用于民用和商业用途，其他频段的无线电波主要应用于军事和天文。

2.1.3无线电发射基本原理

人体发出的语音信号频率约为20～20000Hz，通过话筒或麦克风（声电传感器）将语音信号转化为与其频率相同的音频电信号，经过发射机的进一步处理，再通过电磁波发射到更远的地方。

2.2无线电接收

无线电接收的基本原理是，天线感应出许多调频信号，通过谐振电路选出一定频率的已调信号，再通过接收机的进一步处理将无线电信号转化为音频信号，再经放大后推动扬声器将声音播放出来。

2.3无线电发射与接收工作原理

无线电发射与接收工作原理可用如下图1方框图来表示。

图1无线电发射与接收工作原理方框图

第三章调频信号发射机的设计

3.1系统设计

调频信号发射机是指将语音、视频等信号以无线电波的形式发送出去的一种最简单的通信设备，其应用十分广泛，可以应用于民生、商业、军事和天文等各个领域。

调频信号发射机可以分为数字调频信号发射机和模拟调频信号发射机，本次毕业设计的为模拟调频信号发射机。

3.1.1设计方案

本次调频信号发射机设计要求能发射100MHz左右的高频信号，因此我选择集成芯片BA1404作为核心元器件，它能够使发射频率在85～108MHz内连续可调，满足设计要求。

通过改变双联可调电容CV的值来改变发射频率，从而可以覆盖接收机的接收频率。

其主要电路包括BA1404内部电路、BA1404基本电路、LC谐振回路和高频功率放大电路等。

工作原理为语音信号通过麦克风或音频传输线到BA1404芯片中，完成音频信号的放大、解码和调制，已调制的调频信号经高频功率放大器放大后从天线上发射出去。

3.1.2系统框图

调频发射机系统框图如图2所示，从框图上可以直观的看出音频信号从输入到发射的整个过程。

其中音频放大、编码、产生19KHz导频信号和调制的过程是在集成芯片BA1404中完成的。

图2调频发射机系统框图

由音频输入口输入的音频信号经可变电阻控制音量后输入集成芯片BA1404中进行音频放大，BA1404中的38KHz晶体振荡器用于产生立体声编码所需的38KHz振荡信号，该信号经二分一分频后生成19KHz的导频信号[]，音频信号经立体声编码后与19kHz的导频信号一起混合叠加为立体声复合信号。

集成芯片内部的高频振荡器产生高频载波，将立体声复合信号与高频载波以调频的方式进行调制，已调制的调频信号经集成芯片的射频功率放大器放大后输出，输出的调频信号经高频功率放大器放大后经天线向空中发射。

3.1.3系统组成

3.1.3.1系统主要元器件介绍

本系统使用集成芯片BA1404作为核心元器件，其他主要元器件在系统中起到了辅助作用，帮助调节发射机发射频率、输出功率等参数，下面就着重介绍这些元器件的工作原理以及功能。

1.集成芯片BA1404

BA1404是一款高度集成的调频发射集成芯片，其内部有音频放大电路、立体声编码、调制、38kHz晶体振荡器、FM调制、射频放大器等电路，该芯片的工作电压为1～3V[]。

下图3为BA1404芯片的结构框图。

图3BA1404集成芯片的结构框图

从上图可以看出集成芯片BA1404具有18个引脚，每一个引脚都有其各自的功能和作用，在设计整个电路原理图时将所有引脚正确接入电路中就可以完整实现该芯片的功能。

下表2列出了集成芯片BA1404所有引脚功能。

表2BA1404集成芯片引脚功能

2.双联可调电容

双联可调电容一般应用于调频发射机和接收机，通过调节双联可调电容的电容值改变本机振荡频率和高频振荡频率，从而可以控制调频发射机的发射频率和接收机的接收频率。

在改变调谐回路的振荡频率时，必须同时调整谐振回路的谐振频率，在本次设计中，上述两个回路是采用一只20～140pF调节范围的双联可调电容进行调节的。

3.高频功放管9018

9018是NPN型高频硅三极管，在调频发射机和接收机中得到普遍使用，在低端无线话筒中也有使用，但是由于它的抗干扰能力差，噪声大，不应用于高端话筒。

在本次设计中，将其应用到高频功率放大电路中，其作用是放大调频信号的发射功率。

3.1.3.2系统组成电路

1.BA1404集成芯片内部电路

BA1404集成芯片内部电路功能为音频信号经麦克风或音频传输线输入BA1404的1和18引脚，在音频放大器的作用下放大信号，38kHz晶体振荡器用于产生立体声编码所需的38kHz振荡信号，该信号经二分一分频后产生19kHz的导频信号从13脚输出，放大后的音频信号经立体声编码后由集成芯片的第14引脚输出与19kHz的导频信号一起在调制器的作用下混合叠加为立体声复合信号，并送入12引脚[]。

集成芯片内部的高频振荡器产生高频载波，将立体声复合信号与高频载波以调频的方式进行调制，已调制的调频信号经集成芯片的射频功率放大器放大后由7引脚输出[]。

2.BA1404集成芯片基本电路

BA1404集成芯片的主要作用是对音频信号进行处理，其中包括音频信号放大、编码、调制等过程。

为了实现这些功能，该芯片还需要外围基本电路的支持。

下图3为BA1404集成芯片外围基本电路。

图4BA1404基本电路

3.LC谐振回路

LC谐振回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路,它具有谐振特性和频率选择作用，因此在高频电子线路中得到广泛应用[]。

在本次设计的系统电路原理图中使用了两个LC并联谐振回路。

一个是与7引脚所连，用于控制高频振荡器的频率，另一个与10引脚所连，用于控制射频输出功率。

4.高频功率放大电路

高频功率放大电路的作用是放大从集成芯片第7引脚输出的射频信号的发射功率，当发射功率足够大时，就可以将调频信号从天线上发射出去[]。

下图5为高频功率放大电路。

图5高频功率放大电路

3.2系统电路原理图及工作原理

3.2.1系统电路原理图

图6系统电路原理图

3.2.2工作原理

在本次设计中，给整个系统供电的电压为3V，LED灯除了作为电源指示灯外还起到了稳压作用，为BA1404集成芯片提供1.5V电压，在实际试验中提供了1.61V电压，满足BA1404集成芯片的工作电压。

音频信号由音频输入口P输入系统电路中，分左右两声道经L2和L3滤波，这里电感起到了滤低波的作用。

滤波后的音频信号由双联电位器TW控制音量后，通过电容和电阻的并联回路进一步滤低波。

经过前置电路的滤波，音频信号中的高频部分分左右两声道分别进入BA1404集成芯片的1和18引脚，在音频放大器的作用下放大信号，38kHz晶体振荡器用于产生立体声编码所需的38kHz振荡信号，该信号经二分一分频后产生19kHz的导频信号从13引脚输出，放大后的音频信号经立体声编码后由集成的第14引脚输出与19kHz的导频信号在调制器的作用下混合叠加为立体声复合信号，然后将立体声复合信号送入12引脚。

集成芯片内部高频振荡器产生高频载波，将立体声复合信号与高频载波以调频的方式进行调制，已调制的调频信号经集成芯片内部的射频功率放大器放大后由7引脚输出。

其中高频振荡的频率由10引脚所接的LC并联谐振回路决定，通过调节双联可调电容CV可更改本机的发射频率，本次设计为85～108MHz内连续可调。

双联可调电容一联用于更改发射频率，另一联用于控制7引脚的LC谐振回路与本振变化保持同步以获得最大的射频发射功率。

高频功率放大电路将7引脚输出的射频信号作进一步功率放大使调频发射机的发射距离更远，放大后的射频信号由C23耦合到麦克风，利用麦克分做发射天线将调频信号向空中发射。

3.3系统安装和调试

3.3.1PCB板图设计

按照系统电路原理图设计PCB板图，我在这里使用的是AltiumDesignerSummer软件，该软件不仅可以画系统电路原理图还可以绘制PCB板图。

在绘制PCB板图时应注意元器件正负极标示正确，排版整齐，线路清晰。

图7为调频信号发射机PCB板图。

图7调频发射机PCB板图

使用PCB板制作调频发射机具有以下几个优点：

PCB板操作简单，元器件标示容易，线路清晰不容易出错；PCB板焊接电路简单，只要保证元器件焊接正确就不会出现错误；调频发射机发射的是高频信号，对抗干扰性要求高，PCB板分级屏蔽信号，抗干扰能力强，在外界环境理想的情况下能发射稳定频率的高频信号，能够满足设计要求。

3.3.2系统安装

PCB板图设计完成后由工厂加工制成成品板，我只需要将元器件正确焊在PCB板上即可。

在焊接时应注意以下几点：

注意安全，将电烙铁固定在人不容易触碰的地方；焊接时注意LED、电容的方向；在焊接BA1404集成芯片时，加一个18P的底座，避免直接将集成芯片焊接在PCB板上，因为直接焊接时集成芯片可能会因为温度高而烧坏；在焊接四方形双联可调电容CV时速度要快，每焊一个脚都要对其吹气并旋转动片，使其尽快冷却，避免里面的塑料隔片融化而损坏。

3.3.3系统调试

3.3.3.1调试过程中出现的问题

1.LED电源指示灯不亮

LED电源指示灯不亮，说明PCB板电路存在问题，可能出现短路或断路。

仔细对比系统电路原理图和PCB板图后发现电源和电容C1之间的100欧电阻没连接，这是在PCB板设计过程中出现的错误，我在PCB板后面加上这个100欧电阻后LED电源指示灯亮。

2.接收不到调频发射机发射的信号

出现这个问题后我的第一个反应就是发射频率不准确，没有和收音机上的100MHz频率对上。

我用示波器测量发射信号时，发现将示波器探头放在天线上时能模糊听见调频发射机发射的语音信号。

然后我就在天线和地线之间连上一个电阻，经过反复试验，当把50欧电阻接在它们之间时听到的语音信号最清晰。

因为电感和电阻并联后接地时可以起到滤波的作用。

3.接收到的语音信号不清晰

出现这个问题后，我仔细分析系统电路原理图，发现与7引脚所连的LC谐振回路控制调频发射机的射频输出功率，通过调节该LC谐振回路中电感的匝距能够使接收到的语音信号变得清晰。

因为改变电感的匝距能够改变电感量，从而改变射频信号的输出功率。

3.3.3.2主要参数测量

用手机收音机能准确接收调频发射机发射的信号，证明系统调试成功完成，调频发射机制作成功。

用万用表和示波器对此次设计的调频信号发射机各参数进行验证。

各参数验证结果如下所示：

1.BA1404集成芯片工作电压

用万用表测量BA1404集成芯片的实际工作电压，将万用表的红表笔接在集成芯片的15引脚，黑表笔接地，万用表上显示数字1.61，即BA1404集成芯片的实际工作电压为1.61V。

2.38kHz晶体振荡器产生的振荡信号

38kHz晶体振荡器产生的振荡信号经集成芯片5引脚输出，用示波器测5引脚的波形如图8所示。

图838kHz振荡信号

3.导频信号

19kHz的导频信号从集成芯片的13引脚输出，用示波器测13引脚的波形如图9所示。

图9导频信号

4.调频信号

调频信号通过天线向空中发射，所以用示波器探头测天线信号的频率。

因为本次设计要求发射机发射100MHz的高频信号，通过调节双联可调电容CV使示波器上显示100MHz频率，如图10所示。

图10调频信号

第四章调频信号接收机的设计

4.1系统设计

调频信号接收机是一种将无线电信号转化为音频信号输出的装置，它和调频信号发射机一起组成一对最简单实用的通信工具，例如我们身边使用十分广泛的调频对讲机。

调频信号接收机的应用十分广泛，在二十世纪五六十年代，它极大地丰富了人们的业余生活，人们还可以通过它了解外界信息。

就是在今天，它也没有因为高科技通信设备的问世而被人们遗忘，仍然被广泛应用于民生、商业、军事和天文等各个领域。

4.1.1设计方案

本次调频信号接收机的设计要求能连续接收88～108MHz的调频信号，因此我选择集成芯片CXA1238M集成芯片作为本次设计的核心元器件。

通过调节双联可调电容CV的值来改变FM高频放大调谐回路的振荡频率，从而选定接收信号的频率。

整个系统电路原理图主要由高频放大电路、CXA1238M基本电路、CXA1238M内部电路和低频放大电路组成。

其工作原理为天线感应信号经高频放大电路放大后，在集成芯片CXA1238M中完成立体声解调、解码，解码后的左右声道信号经低频率放大电路放大后由耳机播放出来。

4.1.2系统框图

调频接收机的系统框图如图11所示，从系统框图上可以直观的看出从天线感应信号到耳机播放的整个过程。

其中差频频、本机振荡、中频放大、鉴频、解调、解码是在集成芯片CXA1238M中完成的。

图11调频接收机系统框图

从天线上感应的调频信号是很微弱的，这就需要高频放大电路将信号放大再输入CXA1238M中。

在FM前置放大电路中差频后输出固定的10.7MHz的中频信号，差频后产生的FM中频信号经10.7MHz陶瓷滤波器滤波后进入中频放大电路和鉴频电路。

在集成芯片内部完成立体声复合信号的解调、解码，然后输出左、右声道信号。

在低频功率放大器的作用下放大音频信号功率由耳机播放出来。

4.1.3系统组成

4.1.3.1集成芯片CXA1238M

集成芯片CXA1238M是一个高度集成的芯片，集调幅、调频立体声解调于一体的多功能芯片，由日本索尼公司设计生产。

它的结构简单，大大地方便了设计和工艺制造。

并且它的外围电路简单，所使用的元器件很少，节约了设计成本。

CXA1238M耗电小，工作电压范围广，在2～10V内均能正常工作，本次设计所使用的电源电压为3V。

下图12为CXA1238M芯片的结构框图。

图12CXA1238M集成芯片结构框图

从上图可以看出集成芯片CXA1238M具有30个引脚，每一个引脚都有其各自的功能和作用，在设计整个电路原理图时将所有引脚正确接入电路中就可以完整实现该芯片的功能。

下表3列出了集成芯片CXA1238M所有引脚以及功能。

表3CXA1238M集成芯片引脚功能

4.1.3.2高频放大电路

调频信号接收机从天线上感应的调频信号是很微弱的，只有微伏级大小，要想将发射机发射的调频信号还原出来，就需要将这个信号放大，这就需要用高频放大电路来完成[]。

下图13就是本次设计中的高频放大电路。

图13高频放大电路

4.1.3.3CXA1238M基本电路

CXA1238M集成芯片的主要作用是对高频信号进行处理，直至解码出左、右声道信号。

为了实现这些功能，CXA1238M集成芯片还需要外围基本电路的支持。

下图14为CXA1238M集成芯片外围基本电路。

图14CXA1238M基本电路

其中20引脚外接FM高频放大调谐回路，作用是通过调节双联可调电容来改变调谐回路自身的振荡频率，当振荡频率与某个调频发射机的射频频率相同时，即可选中该频率的无线信号，从而选择调频接收机的接收频率。

22引脚外接FM本机振荡调谐回路，调谐回路产生的本机振荡频率与从天线接收的信号进行差频，输出固定的10.7MHz的中频信号。

2引脚和3引脚之间的外接电容C16作为低通滤波器。

13引脚外接10.7MHz的中频陶瓷滤波器，起到滤波的作用，使中频信号稳定的输入。

26引脚外接FM陶瓷鉴频器，其中心频率为10.7MHz[]，其作用是省去了调整中放电路的步骤，使接收机的性能最优。

4.1.3.3CXA1238M内部电路

经高频放大电路放大后的调频信号由18引脚输入，经过芯片内部的FM前置放大电路差频后输出固定的10.7MHz中频信号，并从16引脚输出。

输出的FM中频信号经10.7MHz的中频陶瓷滤波器Y2滤波后，进入13引脚的FM中频放大电路和鉴频电路。

中频放大电路由中频变压器谐振回路和中频陶瓷滤波器组成。

中频放大电路决定了收音电路的灵敏度和选择性，当中频变压器的谐振在10.7MHz频率时，收音电路的性能最好。

而26引脚外接的FM陶瓷鉴频器，其中心频率正好为为10.7MHz，这样就省去了调整中放电路的步骤。

鉴频电路的作用是从中频信号中取出调制信号。

AGC即自动增益控制电路，其作用是保持接收机的输出频率基本不变。

AFC即自动频率控制电路，其作用是维持电子设备的工作频率稳定[]。

在CXA1238M集成芯片中的作用是维持22引脚的FM本机振荡频率稳定。

经鉴频电路检波后的立体声复合信号由集成芯片内部直流放大器放大、滤波后经过9引脚的AGC/AFC产生AFC电压，AFC电压由与10引脚相连的负载R5反馈给23引脚，以达到维持FM本机振荡频率稳定的作用。

在CXA1238M集成芯片结构框图中，由VCO（压控振荡器）、分频器和鉴相器1组成锁相环路。

锁相环的基本原理是利用相位误差去消除频率误差，从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪[]。

在此次设计中，锁相环路的作用是捕获、跟踪导频信号。

其工作原理为压控振荡器产生76kHz频率的振荡信号，该信号经二分一分频后产生38kHz的信号，该信号作为立体声解调开关控制信号。

一次分频后产生的信号再经二分一分频后产生19kHz的信号，并且将其相位移动90度后，与导频信号进行相位比较，它们之间的相位差输出一个误差电压，由1引脚和29引脚之间的低通滤波器滤除高频部分后，用来调节VCO产生的振荡频率和相位，直至捕获、跟踪到导频信号。

鉴相器2的作用是检出单/立体声开关控制信号，即38kHz的振荡信号。

立体声解码器是一个环形检波器，正向波形检波输出左声道信号，负向波形检波输出右声道信号，并且LED指示灯亮。

解码出的左、右声道信号经立体声解码放大后分别由6引脚和5引脚输出。

4.1.3.4低频功率放大电路

从集成芯片CXA1238M中输出的左、右声道信号一般都很小，所以需要在音频输出端加一个低频功率放大电路。

在本次设计中使用TDA7050T集成芯片作为低频功率放大器，实现小信号的大功率输出，从而将音频信号通过耳机播放出来。

下图15为TDA7050T基本电路。