调频发射机的设计与实现.docx
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调频发射机的设计与实现
南京理工大学
毕业设计说明书（论文）
作者:
学号：
教学点:
专业:
题目:
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2015年5月
南京理工大学
毕业设计（论文）评语
学生姓名：
班级、学号：
题目：
调频发射机的设计与实现
综合成绩：
指导者评语：
该生很好地完成了毕业设计任务书规定的工作，采用STC89C51作为控制器，使用ROHM公司生产的数字锁相调频芯片BH1415F作为核心部件，设计并实现了半数字调频发射机。
通过单片机预置数据存储电台，并控制BH1415F，利用BH1415F内部的数字锁相环电路使频率锁定。
由于显示采用了五位数码管显示，用键盘输入所需频率，操作非常方便直观。
并通过实物调试验证了设计方案的有效性。
毕业设计说明书、开题报告等文本内容写作规范，图纸表达基本符合工程图纸要求，整体来说符合毕业设计相关要求。
鉴于以上情况和该生毕业设计过程中良好表现，成绩评定为95分，允许提交答辩。
指导者（签字）：
年月日
毕业设计（论文）评语
评阅者评语：
以STC89C51作为控制器,以数字锁相调频芯片BH1415F作为核心部件所设计的半数字调频发射机设计原理掌握透彻、智能化设计方案合理、模块电路设计准确、智能化效果明显，论文说明书、开题报告等文本内容写作规范，电路图设计和硬件电路设计符合电子工程相关要求，整体来说符合毕业设计相关要求。
评阅者（签字）：
年月日
答辩委员会（小组）评语：
答辩委员会（小组）负责人（签字）：
年月日
毕业设计说明书（论文）中文摘要
调频发射机是一种常用的通信工具。
调频发射机的主要功能就是将音频信号和高频载波调制为调频波,然后对所产生的高频信号进行功率放大,并通过天线把信号发射出去。
调频发射机的种类很多，模拟调频发射机、半数字化调频发射机，以及数字调频发射机。
模拟调频发射机采用模拟高频调频电路实现，缺点稳定性差。
数字调频发射机运用了软件无线电技术来实现音频信号到射频信号全数字化的调频广播发射机，调频调制过程DSP控制DDS（直接数字频率合成器）来完成，实现了调制过程的数字化。
半数字调频发射机主要是指采用数字锁相环技术，实现数字频率控制，频率稳定性高。
本次毕业设计主要是设计半数字调频发射机。
采用STC89C51作为控制器，使用ROHM公司生产的数字锁相调频芯片BH1415F作为核心部件，实现数控调频。
通过单片机预置数据存储电台，并控制BH1415F，利用BH1415F内部的数字锁相环电路使频率锁定。
由于显示采用了五位数码管显示，用键盘输入所需频率，操作非常方便直观。
本毕业设计了可在80.0MHZ至108.0MHZ范围内任意设置发射频率的数控调频发射器，可预置11个频道，另外还具有立体声/立体声控制功能。
比传统调频发射机应用更灵活可靠，可广泛应用于学校无线广播、无线演讲、电视导播、汽车无线台等。
关键字单片机BH1415F调频发射机频率控制
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleThedesignandrealizationofFMtransmitter
Abstract
TheFMtransmitterisacommunicationtool.Themainfunctionofthetransmitteristomodulatetheaudiosignalandthehighfrequencycarrierforfrequencymodulationwave,amplifyfrequencymodulationwavebypoweramplificationandsendthesignalbyantenna.TherearethreekindsoftheFMtransmitter.OnekindisanalogFMtransmitter.Thesecondisthesemi-digitalFMtransmitter.ThethirdisdigitalFMtransmitter.DigitalFMtransmitterisdevicethatchangedigitalaudiosignalintoFMsignalbyusingsoftware.AnalogFMtransmittertakesanalogtechnology.Ithasdisadvantagesofpoorstability.DigitalFMtransmitterprocessesaudiosignalandcodebytechnologyofDSP（digitalsignalprocessor）andDDS（directdigitalfrequencysynthesizer）.Soitcompletetoprocessthedigitalmodulation.Semi-digitalFMtransmittertakesdigital-controlphaselockedlooptechnology.
IdesignedtheSemi-digitalFMtransmitter.AcontrolleroftheFMtransmitterisSTC89C51.ThecoreFMcomponentoftheFMtransmitterisdigitalPLLFMchipBH1415FproducedbytheROHMcompany.ThroughusingBH1415FMCUpresetdata,thePLLwilllockthetransmitterfrequency.SothefrequencyoftheFMtransmitterisverystable.TheFMtransmitterhasfivedigitaltubestodisplay,andhaskeyboardtoinputtherequiredfrequency.TheoperationoftheFMtransmitterisveryconvenient.
TransmittingfrequencyofmostofthecollegecampusFMradiotransmitterisfixed.Stabilityofsingleispoor.Inthedesign,thefrequencyofFMtransmitterisfrom80MHZto108.0MHZ.TheFMradiotransmittercanbepreset11channels.BycomparingwithtraditionalFM,theFMtransmitterismoreflexibleandreliable.TheFMtransmittercanbewidelyappliedtotheschoolradiobroadcast,televisiondirectoratthescene,carradio,wirelessspeechetc.
Keywords：
MCUBH1415FFMtransmitterChannelcontrol
目次
1绪论
发射机是无线通信系统中核心的设备。
发射机按照调制方式可以分为调幅发射机、调频发射机以及调相发射机，按照信号处理方式来分可以分为模拟发射机、半数字发射机、数字发射机[1]。
相比而言，调频发射机应用最为广泛，是广播通信的主要方式，也可以应用于保安、生产现场、野外工程等领域的小范围移动通信，如对讲机等。
因为调频广播使用高频频段进行信号传输，能够有效地抵抗干扰，带宽信号还原性高。
另外由于它不需要通过地面中转交换站，容易实现。
实现信息的无线传输，就会用到发射机。
发射机的主要功能是对低频信号进行高频调制，并将调制信号功率放大供天线发射出去。
发射机的调制方式主要可分为调幅、调频、调相和脉冲（数字）调制[19]。
调频发射机的基本原理是将音频信号和高频载波调制为调频波，音频信号的幅度大小控制高频载波频率的变化，然后对高频调制信号进行放大、激励，经过功率放大，最后通过天线将信号发送出去。
高频信号的产生目前主要采用频率合成（DDS技术），锁相环技术（PLL技术）。
对于早期模拟调频发射机也有缺点主要是发射效率低。
常用的调频发射机一般包括信号输入电路（话筒以及放大电路），调频电路、稳频电路，功放电路以及天线。
相比调幅电路，调频电路简单容易实现。
调频发射机主要用于调频电台、对讲机、车载电台、以及短距离便携式无线信号传输场合。
随着自动化智能技术的发展，调频发射机领域也会逐步实现自动化、智能化。
目前调频发射机的主要技术进步在于：
锁相环频率合成器采用了变容二极管直接调频、全固态化程度不断提高、控制﹑监测系统智能化、SCA及RDS功能的扩展、单频同步网的采用及扩展。
相信在不远的将来，在智能化社会、物联网时代，调频发射机领域仍然会蓬勃发展[1]。
调频广播未来发展方向是全数字调频技术，其主要优点是：
（1）节省频谱和功率，
（2）声音质量高，（3）其设备小型便携化，（4）结构简单而且功能强大。
数字调频发射机采用全过程的数字化处理，调频广播的音质可达到接近CD的水平[1]。
另外由于无线传输的信号来源和性质不同，可以是音频，也可能是传感器的信号。
这些应用场合的调频发射机要求低成本、小型化以及频率稳定且具有灵活性，这些要求在数控锁相的调频发射机能够得到很好体现。
这也是我们这次设计的主要的方向。
2调频发射机的技术原理及要求
2.1调频发射机的工作原理和技术特点
调频发射机的基本功能就是完成低频信号（如语音信号、传感器信号）对高频载波信号的频率调制，也就是载波信号的频率随低频信号的幅度大小而变化，而后将调频信号进行功率放大，最后通过天线发射出去。
调频发射机需要提供一个稳定的高频振荡电路作为载波，可以采用变容二极管完成低频信号对高频载波的频率调制。
调频发射机的功率放大电路一般会采用丙类谐振功率放大电路，因为其效率较高以及具有选频的作用等优点。
在小功率的应用场合有时也会采用甲类或乙类功放电路。
调频发射机包括三个部分：
低频放大电路、高频电路以及电源电路。
高频振荡电路的作用是产生频率稳定的载波。
为了提高频率稳定性，主振电路往往采用石英晶体振荡器，但是晶体振荡电路频率很难调整变化。
所以在高频振荡电路中既要保证频率的稳定性，又要对频率有比较大的调整范围，所以就出现了锁相环技术（PLL）。
这个技术广泛应用于调频发射机、收音机以及CD机上。
另外在全数字调频发射机中，还可以采用频率合成技术来产生高频振荡信号。
锁相环技术（PLL）的主要工作原理是用相位比较器比较输入信号的频率与本地信号的频率的相位，产生一个与相位差成正比的电压，由这个电压来控制一个压控振荡器，压控振荡器输出就是本地振荡信号，与相位比较器形成闭环控制回路。
随着集成电路的发展，目前大部分的应用场合都采用集成数字锁相环电路。
集成数字锁相环电路的特点：
电路简单、频率稳定性高、频率调整方便，可以采用数字输入控制频率。
2.2调频发射机的分类
目前所有的调频发射机大体可以按照信号处理的方式分为以下三种：
1、模拟调频发射机：
输入为模拟音频信号，采用模拟高频振荡电路产生载波信号，也可以采用VCO（压控振荡器）+PLL（锁相环）产生调频载频信号，调制的过程也是采用对VCO的变容二极管进行直接调频的模拟调制方式。
这种电路就是典型的模拟调频发射机[1]。
2、数字调频发射机：
从音频到射频的全过程的数字化的调频广播发射机，它运用了软件无线电技术来实现调频广播发射机。
它接收经过数字音频信号处理的音频信号，其调频调制过程也是由DSP芯片控制DDS芯片（直接数字频率合成器）来完成，实现了调制过程的数字化。
再将离散的数字调频波经D/A芯片转变成常规调频信号来供射频放大器放大到指定功率[1]。
这是调频技术的发展趋势。
3、半数字化调频发射机：
第一种是音源进行数字化处理，可以接收经过DSP处理的数字音频信号。
立体声复合信号经D/A转换器转换为模拟立体声复合信号、再由该信号对高频振荡信号进行调频调制[1]。
第二种是频率产生的数字化控制，即目前很常用的集成数字锁相环电路。
2.3半数字调频发射机的技术优势
本次设计选择采用数字锁相环技术的半数字调频发射机，它与传统的模拟调频发射机以及全数字发射机相比具有一些优势：
1、成本低：
采用集成芯片，外围元器件少，集成度高，设计制造成本低。
2、可靠性高：
由于采用集成电路作为主要元件，相比模拟发射机而言，提高了发射机的可靠性。
3、频率稳定性高：
因为采用数字锁相环技术，大大提高了频率稳定性，基本与晶体振荡电路的频率稳定性一致。
4、控制方式灵活：
由于是单片机或DSP来控制芯片来控制发射频率，所以在调频发射机硬件不变的情况下，设计者可以根据自行所需来编写程序，通过程序来实现不同的功能，可以制作出各式各样的发射机。
5、容易实现其他功能：
由于有单片机控制电路，可以灵活增加显示以及通信功能，实现显示监控以及远程监控维修等功能。
本设计是采用ROHM公司生产的BH1415数字锁相环调频集成电路芯片，可以灵活设定发射器发射频率。
2.4设计方案
2.4.1调频发射模块设计方案的选择
数字调频发射芯片其核心采用的都是数字锁相环技术，生产数字调频发射芯片的厂家主要有日本的ROHM、美国的MAXIM公司和MOTOROLA公司。
市面上常见的芯片有以下几种，以及其功能特点见表2-1。
芯片型号
Vcc
（v）
分离度
（dB）
Vrx
（dBμV）
Frx
（MHz）
Iq
（mA）
生产公司
功能与特点
NJM2035
1-3
大于25
-
-
3
NJM
1、两路音频输入；
2、8KH晶振，产生导频信号；
3、调制成立体声合成信号；
4、采用低电压低功耗设计。
Max2606
3-5
88-108
MAXIM
1.电位器调整频率
BA1404
1-3
45
（115）600mV
大于76-108
3
ROHM
1、同NJM2035；
2、FM调制、射频放大电路集成在一个芯片上。
MC2833
2.8-9
小于60
2
Motorola
1.无锁相环
BH1415
4-6
40
99
70-120
20
ROHM
1、集成预加重电路；
2、集成限幅电路；
3集成低通滤波电路；
4、7.6MHz晶振产生19KHz导频信号；
5、采用调频发射电路与PLL锁频一体化，调频频率稳定；
6、MCU数据控制频率设定。
BH1417
（1416）
4-6
40
99
87.7-88.9
106.7-107.9
20
ROHM
1．同BH1415F；
2.采用四位拨码开关进行频率设定，可设定14个频点。
BH1418
2.7-4
40
99
70-120
18.5
ROHM
1.同BH1415F。
表2-1常用调频发射芯片及功能特点[5]
第一种方案采用BA1404调频发射芯片。
据查阅资料所知，BA1404是一款非常经典的立体声调频发射专用芯片。
在以往，大部分的调频电路是由分立元件构成，但是这大大加重了制造过程中的难度，然而BA1404是将FM调制和射频放大电路集成在一个芯片上，节约了制造时间也减小了调频发射机的体积。
并且如图2-1所示，BA1404主要是由前置放大电路、立体声复合电路、调频调制电路和射频放大电路组成。
立体声前置级放大分别为左右声道的音频放大器。
BA1404芯片对于一般的调频发射已经够了,但是不足的是它没有锁相环电路（PLL）,在工作时，很容易发生发射频率跑偏，频率稳定性不高[22]。
图2-1为BA1404典型调频发射电路。
图2-1BA1404调频发射电路
第二种方案可以采用MAX2606调频发射芯片。
MAX2606是美国Maxim生产的一款立体声调频发射芯片，它的中心频率由电感决定，390ｎH电感，中心频率在100MHz。
并用电位器RP调节发射输出频率，发射频率在88至108MHz之间调整[23]。
图2-2为MAX2606典型调频发射电路。
左右声道输入端连接到功放机的左右声道输出端，左右声道音频信号通过电阻叠加，从管脚1输入MAX2606的内部振荡电路，经过调制后的射频信号从管脚6输出到发射天线，发射天线可以用拉杆天线，也可以直接用一段75cm的电线。
MAX2606的供电电源为3至5V的稳压单电源。
因为同样没有锁相环电路，缺点是噪声大，有频漂。
图2-2MAX2606调频发射电路
第三种方案可以采用BH1417调频发射芯片。
由日本ROHM公司生产的BH1417F数字锁相立体声调制芯片，这种芯片失真度仅为0.5%，声道分离度则高达40dB，RF输出电平为99dB，并且具有完全消除交流声的功能，是其他公司的芯片所不具备的[5]。
BH1415芯片采用数字锁相环技术，频率输出稳定，该芯片内部含有立体声复合调制功能和调频信号发射电路功能。
重要的是BH1415F还内置有限幅电路、预加重补偿电路、低通滤波电路等，因此具有良好的音质。
这是一款非常优秀的调频发射芯片，其缺点是频率控制是采用数位开关手动实现，不能用单片机来自动控制。
第四种方案可以采用BH1415F调频发射芯片。
由日本ROHM公司生产的BH1415F数字锁相立体声调制芯片，是与BH1417同样卓越的调频发射芯片，而且功能更强大。
BH1415F芯片也同样采用数字锁相环技术，频率输出稳定。
和BH1417相比，其最主要的优点是频率调整是采用数字输入控制，可以有单片机来完成[7]。
综合上面的各种调频发射芯片的对比，本次设计采用第四种设计方案，以BH1415F调频发射芯片为核心的调频发射电路。
2.4.2MCU控制电路设计方案的选择
由于设计采用BH415F作为调频发射芯片，这样就需要考虑要用哪一种MCU芯片来实现频率的控制。
MCU芯片的芯片种类很多，有单片机、ARM、DSP芯片，单片机也有很多种。
初步比较MCU芯片，DSP、ARM、以及AT89C52、AT89S51、STC89C51的各自特点。
DSP芯片功能强，运算速度快，价格贵。
ARM端口多，功能强，也是价格贵。
AT89C52主要是价格低廉，结构简单，而且资料丰富；AT89S51主要是低功耗，高性能，可在线编程（ISP）；STC89C51则是出厂时会将ISP引导码的程序固化在芯片内，这样就可以很容易地在线下载烧录用户程序。
AT89C52的RAM和ROM空间较小，只有8位控制核，因此运算能力弱，要完成一些扩展功能，需要接入大量外围电路器件；AT89S51和STC89C51均可采用ISP下载，区别是AT89S51的ISP是模拟ISP。
因此本设计选择STC89C51作为控制器。
这样做可以降低成本，提升性能，一些以51为核心的原有程序可以直接使用，无需改动硬件。
2.5技术功能实现要求
本次设计采用STC89C51单片机作为控制器，高频电路采用BH1415F锁相环调频立体声发射集成电路。
通过按键电路对STC89C51控制，实现立体声/单声道切换、即实现调整发射频率，以及频率数据的存储，和电台预设。
单片机将频率控制数据字节传送到BH1415F，BH1415F频率合成相应载波频率，进行调频调制，发射调频输入信号。
1、系统核心是音频传输集成芯片BH1415F，它可以将立体声音频信号或者单声道信号进行频率调制，然后通过天线发射出去，配合调频收音机就可以实现调频波的传送；
2、本次发射机的功放电路电源是12V-2A的直流非稳压信号；BH1415F采用5V稳压电源；单片机也采用5V稳压电源；
3、BH1415F集成电路中，采用了提高信噪比的预加重电路、控制输入信号频率的低通滤波电路、防止信号过调的限幅电路、产生复合信号的导频调制电路和调频发射的锁相环电路组成了集成电路；
4、发射机具有断电，频率数据存储功能；
5、发射机可以预设存储11个调台的频率数据；
6、通电后，当处于正常工作状态时，通过控制面板上的调整键来调整发射机的发射频率。
2.6调频发射机的主要技术参数指标
按照上述的方案选择，本设计基本上能满足设计任务所要求的技术指标，具体技术指标如表2-2。
技术指标
参数
技术指标
参数
发射频率
80Mhz-108Mhz
工作电压
12V
工作电流
＜2.0A
发射功率
0.5W
预加重延时
50us
低通频率
15Khz
分离度
40dB
失真度
0.1%
调制度
15%
输入电平
-13dBV
调制方式
调频（FM）
最大频偏
土75KHz
输出阻抗
50欧
频率步进
0.1MH
表2-2主要技术参数指标
3调频发射机的硬件实现
3.1调频发射机的硬件系统总体框图
本设计对调频发射机的硬件系统做了以下的总体设计。
如图3-1，硬件系统可分为单片机控制电路、调频电路模块、数码管的显示电路、按键电路、输入接口和放大电路、以及高频功率放大发射电路。
按照第二章的方案分析选择，调频电路采用BH1415F芯片，有PLL回路，频率稳定，可数字控制频率值；MCU电路采用STC89C51单片机，单片输出频率控制数据至BH1415控制端，实现发射频率控制。
输入电路根据不同的输入信号的类型，采用不同的接口和放大电路。
另外还有电源电路，以及可以增加一些LED指示。
图3-1硬件系统总体设计框图
3.2STC89C51RC的技术特点与功能
STC89C51RC是一种51单片机，台湾宏晶公司生产的。
是一款ISP在系统可编程芯片，最高的工作时钟频率可以达到80MHz，片内有8KB的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51单片机指令系统以及80C51的引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，可以配合PC端的控制程序就可以直接将用户的程序代码下载到单片机内部[3]。
3.2.1STC89C51的主要技术特点
（1）工作电压为：
高电压3.4V～5.4V；低电压2.0V～3.5V；
（2）精简指令集结构是8051CPU；
（3）典型工作频率范围：
0～35MHz，但是实际工作频率最高可以达到48MHz；
（4）用户应用程序空间2K/4K/6K/8K/10K/12K字节；
（5）通用的I/O口复位后为：
准双向口/弱上拉；当仅为输入/高阻时，开漏极每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过0.05A；
（6）采用ISP（在系统可编程）或者是IAP（在线应用可编程），无需使用专门的编程器；并且可以直接下载用户的程序；
（7）具有EEPROM功能和看门狗功能；
（8）具有2个16位定时计数器；
（9）时钟源：
有外部的晶振作为时钟，也有内部R/C振荡
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