调频收发信机 2 2.docx

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调频收发信机22

江苏城市职业学院

毕业设计（论文）

（2013届）

设计（论文）题目

调频收发信机

办学点（系）

江苏城市职业学院南通办学点

专业

电气自动化

班级

10电气

学号

100503350109

学生姓名

张镇

起讫日期

2012.10.13~2013.3.20

地点

江苏城市职业学院南通办学点

指导教师

张鹰职称副教授

二零一三年三月二十日

调频收发信机

摘要

本文主要介绍的是一种调频收发信机，该收发器主要由正弦波振荡器、调频电路、混频器、高频谐振功率放大器、高频小信号谐振放大器、鉴频器、低频放大等电路组成。

其中混频和鉴频电路中使用了MC1596集成电路。

该机成本低、性能好、体积小、重量轻，与同类产品相比具有较高性价比，因此，在低功率业余无线电通信领域中，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

本文我们对其各个模块进行Multisim2001仿真及其性能分析。

关键词：

Multisim2001仿真；MC1596；无线电通信；调频收发信机；

绪论

随着经济的发展，人类生活水平不断的提高，人们对自己生活有了更高的要求。

经济的发展促使科技的不断提高，随着计算机技术、通信技术、音像技术的综合发展，人们预言：

未来的社会是信息的社会。

当前最热门的话题就是信息技术。

其实，信息技术概括起来包括两类技术：

信息处理和信息传输。

信息传输是人类社会活动的重要内容。

信息是一个抽象的概念，信息具有多种形式:

语言、文字、符号、音乐、图形、图像和数据。

通信的主要任务是传递信息，即将经过处理的信息从一个地方传递到另一个地方。

对信息传输的要求主要是提高可靠性和有效性。

从古代的烽火到近代的旗语，都是人们寻求快速远距离通信的手段。

电报、电话的发明为迅速准确地传递信息提供了新手段。

今天，除电报、电话之外，还包括传真、电视和各式各样的数据信息传输系统。

随着电子科学的不断发展与进步，到目前为止，实现信息传输的通信系统已有利用电缆线传输信息的有线系统、利用电磁波在空间传输信息的无线通信系统以及利用光导纤维传输信息的光纤通信系统。

传递信息既可以通过有线信道，也可以通过无线信道，信号的无线传输是无线电技术的主要应用。

一般调制电路有三种调制方式：

调频、调幅和调相。

调频优点：

⒈抗干扰性强

⒉功率管利用率高

⒊信号传输保真度高

调频缺点：

⒈只能工作在超短波以上波段

⒉电路结构复杂

集成电路谐振放大器体积小、工作稳定可靠、调整方便，其有通用集成电路放大器和专用集成电路放大器，也可和其它功能电路集成在一起。

Multisim是以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

它提供了一个非常大的元件数据库，并提供了原理图输入接口、全部的数模Spise仿真功能、VHDL/Verilog设计接口与仿真功能、FPGA/CPLD综合、RF设计能力和后处理功能。

下面电路将使用Multisim仿真技术来完成对各个电路的测试和性能分析。

1发信单元的设计

1.1发信部分方框图

接收机所接收的信号是由无线电发送到自由空间或电缆上的。

发射机的功能就是发送符合要求的无线电信号，一台完整的发射机至少要包括三部分：

基带信号处理电路,调制电路和高频功率放大电路。

图1发信方框图

如图所示，振荡器产生等幅的高频正弦信号，经过倍频器后，即成为载波频率信号；然后，载波频率信号被基带信号调制，产生高频已调信号，最后再经功率放大器放大，获得足够的发射功率，作为射频信号发送到空间。

载波频率在适合无线信道传播的频率范围。

由于要传输的信息种类多样，其对应的基带信号特性各异，这些基带信号往往并不适合信道的直接传输。

无线发射机的功能是将基带信号调制成高频信号再放大到具有足够的功率发送到自由空间或同轴电缆上。

实现调制、放大功率都是比较容易做到的，但是实际应用系统对发射机发送的信号有许多的技术指标要求，要全面达到这些指标要求就不容易了，本文用调频无线通信发射机。

1.2发信部分单元电路

1.2.1正弦波振荡器

振荡器是在没有激励信号的情况下，能自动的将直流电源能量转换为周期性交流信号输出的电子电路。

正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需交流电能的电路，正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。

一般对振荡电路的性能要求有以下几点：

（1）保证振荡器接通电源后能够从无到有建立起具有某一固定频率的正弦波输出。

（2）振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡。

（3）当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏。

下面介绍一种改进型电容三点式振荡电路，如图所示为克拉泼电路及交流通路：

（a）克拉泼电路的实用用电路（b）高频等效电路

图2克拉泼电路及交流通路

该电路的特点是在电感支路中串接一个容量较小的电容C3。

在满足C3〈〈C1、C3〈〈C2时，回路总电容C总主要取决C3。

在接C3后不稳定电容对振荡频率的影响减小，而且C3越小，极间电容影响就越小，频率的稳定性就越高。

因为C3远远小于C1或C2，所以三电容串联后的等效电容C约等于C3，

得公式：

振荡角频率：

该振荡电路的振荡频率为：

要注意是，减小C3来提高回路的稳定性是以牺牲环路增益为代价的，如果C3取值过小，振荡器就不满足振幅条件而停振。

反馈型振荡器的原理框图如图3所示。

由图可见,反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路,放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作负载,是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。

图3反馈型振荡器的原理框图

正弦波反馈振荡器的电路通常由有源器件，选频回路，反馈网络组成，下面介绍正弦波振荡器，电路如图所示:

图4正弦波振荡器

上图为三点式振荡电路，R1,R2和R3为分压偏置电阻，C3,C4为旁路电容。

1.2正弦波振荡器的仿真

一、放置所需元件（包括电源）：

（1）开始模拟电路之前，必须先将电路图画出来。

按工具栏上的图标你可以直接在PartName处键入元件名称，确定元件后，按[Place]即可将元件拖放到电路图上，按一下鼠标左键，就可以将元件放在图面上，按右键则结束。

要改变元件的方向，可点选该元件点击鼠标右键进行设置。

要改变元件的参数（或称Attributes）,可双击该元件，打开元件属性对话框。

（2）设置图中正弦波振荡器激励信号的参数：

AC:

交流值，现设定为100mV。

U1:

初始电压，设定为0V。

U2：

峰值电压，设定为1V。

TD:

出现第一个脉冲延迟时间，设定为2ns。

TR:

上升时间，设定为2ns。

TF:

下降时间，设定为2ns。

PW:

脉冲宽度，设定为2us。

PER:

周期，设定为0。

其余元件键入需要的电阻值即可，然后按[SaveAttr],再按[OK]完成。

二、连接导线：

三、设定要执行的模拟内容：

执行[Analysis/Setup]菜单命令，ACSweep:

交流信号分析，设置启始频率为20kHz,终止频率为500kHz。

Transient:

瞬态分析，设定绘图的时间增量为1000ns。

MonteCarlo：

蒙托卡诺分析；

四、点击工具栏中Analysis内的simulate,出现PspiceAD对话框，选择Transient:

瞬态分析，在Trace中选择AddTrace或单击图标。

在TraceExpression中键入所需的字符串或直接用鼠标点击。

五、启动Multisim进行仿真并观察Transient:

瞬态分析的输出波形。

在电路中选用相应的虚拟仪器后，将需要观测的电路点与虚拟仪器面板上的观测口相连。

双击虚拟仪器就会出现仪器面板，面板提供观测窗口和参数设定按钮，设置参数这时会出现正弦波振荡器的输出曲线：

图5正弦波振荡器输出波形

六、启动Multisim进行仿真并观察ACSweep:

交流信号分析的输出波形，将需要观测的电路点与虚拟仪器面板上的观测口相连。

双击虚拟仪器就会出现仪器面板，面板提供观测窗口和参数设定按钮，窗口出现正弦波振荡器的幅频特性曲线：

图6正弦波振荡器幅频特性曲线

我们还可以在Plot里设置它的起始频率为20kHz和终止频率为500kHz，意思是选取这一频段的波形。

七、作蒙托卡诺（MonteCarlo）分析：

设定MC运行次数为50次，分析类型AC；设定输出变量为U（A）;在求值方式中，选每个波形与标称运行值的最大差值；在输出形式上选择，只给出前n次运行的输出数据（设n=3）。

仿真波形如下：

图7蒙托卡诺（MonteCarlo）分析输出波形

1.2.3调频电路

1.变容二极管

PN结具有电容效应所以为利用PN结的电容，PN结应工作在反向偏置状态。

PN结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。

结电容Cj与反偏电压的关系：

为反向偏置电压

UD：

PN结势垒电位差

γ：

结电容变化指数，通常γ=1/2—1/3，经特殊工艺制成的超突变结电容γ=1—5，可以看出Cj与之间是非线性关系，即变容二极管属于非线性电容，这种非线性电容基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容。

2．变容二极管调频电路

图8变容二极管调频电路

这是一个直接调频电路，用调制信号直接控制主振荡回路元件的参数L或C，使主振荡频率受到控制，并按调制信号的规律变化。

直接调频电路简单，频偏较大。

图中，C8为高频偶合电容，D1为变容二极管。

1.2.4调频电路的仿真

用Multisim仿真技术对电路进行交流分析和瞬态分析，步骤如下：

（1）必须先将电路图画出来，连线，执行菜单命令。

（2）点击工具栏中Analysis内的simulate,出现PspiceAD对话框，选择Transient:

瞬态分析，在Trace中选择AddTrace或单击图标。

在TraceExpression中键入所需的字符串或直接用鼠标点击。

（3）启动Multisim进行仿真并观察Transient:

瞬态分析的输出波形。

在Probe窗口选择Trace\Add,打开AddTrace对话框。

在下面的TraceExpression栏处输入“V（u1）”，选“OK”，退出窗口。

双击虚拟元器件会出现调频电路的输出曲线窗口：

图9输出电压波形

（4）启动Multisim进行仿真并观察ACSweep:

交流信号分析的输出波形。

在ACSweep中选Octave，设置EndFreq为1000KHz。

在Probe窗口选择Trace\Add,打开AddTrace对话框。

在下面的TraceExpression栏处输入“V2（L1）”。

选“OK”，退出窗口。

图10调频电路的幅频特性曲线

1．2．5混频电路

混频电路是一种典型的频率变频电路，它将某一个频率的输入信号变换成另一个频率的输出信号，而保持原有的调制规律。

混频电路是超外差式接收机的重要组成部分。

混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络，它还具有变频作用。

混频器有两个输入信号即高频调制波和本地振荡信号，uL和uc隔离性好，牵引小。

一个中频输出信号

，如图所示：

uc（fc）uI（fI）

uL（fL）

图11混频器的输入输出

混频器中的输入已调信号uc和本振电压uL分别为

uc=UccosΩtcosωct

uL=ULcosωLt

其工作频率分别为fc和fL输出信号为uI,称为中频信号,其频率是fc和fL的差频或和频,称为中频fI,fI=fL±fc（同时也可采用谐波的差频或和频）。

图12混频器输入输出信号的分析

两个输入信号与输出信号之间的关系：

输入信号uc

的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同。

在混频器中，由于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信号,为了抑制不需要的干扰，要求中频输出回路具有良好的选择性，矩形系数趋近于1。

本文所用的混频电路是用MC1596构成，下面介绍MC1596内部结构图：

图13MC1596内部结构

例外MC1596集成电路是常用的廉价且性能较好的乘法器。

MC1596的内部电路由八个三极管，三个电阻，以及一个二极管组成，其中六个同时组成双差分对管模拟乘法器，例外两个作为电流源。

在以下所用的电路中鉴频器和混频器就使用了该集成电路。

用MC1596实现混频比分立元件混频电路有以下优点：

输出信号频率中组合分量少，寄生干扰小；对本振电压幅度没有严格要求，不会因

小而失真严重；具有高的混频增益。

图14是由MC1596组成的混频电路，它是利用非线性器件实现两个信号相乘，中心频率为9MHz的中频信号经带通滤波器取出。

这两个信号的乘积为

1.2.6高频谐振功率放大器

功率放大器的功能是给负载提供足够大的信号功率，并能高效率地实现能量的转换。

功率放大器与电压放大器从能量转换的角度来看，是完全一致的，它们都是在三极管的控制作用下，按输入信号的变化规律将直流电源的电压、电流和功率转换成相应变化的交流电压、电流和功率传给负载。

功率放大器是对经过电压放大后的大信号放大，要求它在允许的失真度条件下为负载提供足够大的功率和尽可能高的效率。

高频谐振功率放大器输出功率大、效率高，工作在高频段、调谐回路作负载。

高频放大器的主要功能是将放大器的谐振频率对准某一电台的载频，以便从多台信号中选取其中一个电台的信号，同时加以适当放大。

由于高频放大器应具备良好的选频功能，因而，这类放大器的负载一般为LC调谐回路。

它一般由晶体管、输入输出调谐回路、直流电源，还有旁路电容组成。

电路如图所示：

图17高频谐振功率放大器

根据导通角的不同，晶体管工作状态可分为：

A（甲）类：

导通角为

；

AB（甲乙）类：

导通角为

；

B（乙）类：

导通角为

；

C（丙）类：

导通角为

。

此电路工作在丙类状态，集电极与基极之间的电压较小，集电极耗散功率小，效率高。

输出回路中用LC谐振电路作选频网络。

这时，谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压。

由于晶体管工作在丙类状态，晶体管的集电极电流ic是一个周期性的余弦脉冲。

当输出回路的选频网络谐振于基波频率时，输出回路只对集电极电流中的基波分量呈现很大的谐振电阻，而对其他各次谐波分量呈现很小的电抗并可看成短路。

这时余弦脉冲形状的集电极电流ic流经选频网络时，只有基波电流才产生电压降，因而输出电压仍近似为余弦波形，且与输入电压ub同频，反相。

高频谐振功率放大器的输出功率Po=UcmIc1m/2=I2c1mRP/2

谐振功率放大器的三种工作状态：

（1）欠压状态：

Po、C均低，Pc较大，ic为尖顶余弦脉冲。

（2）临界状态：

Po最大，C较高，ic为尖顶余弦脉冲——最佳状态。

（3）过压状态：

弱过压时C最高，但Po逐步减小，ic为有凹陷的余弦脉冲。

Ucm随Re变化不大，即Ucm较为稳定。

1.2.7高频谐振功率放大器的仿真

1.用Multisim仿真技术对电路进行交流分析和瞬态分析，步骤同上：

（1）对信号源U1进行设置：

AC:

交流值，现设为350mV。

UOFF：

直流基准电压，设定为0V。

UAMPL：

峰值电压，设定为200~350mV。

FREO：

信号频率，设定为1.6MHz。

TD：

出现第一个脉冲延迟时间，设定为0ms。

DF：

阻尼系数，设定为0，单位为秒的倒数。

PHAS：

相位，设定为0。

（2）对变压器T1进行设置。

COUPLING：

互感，设定为0.99。

L1_VALVE=0.01m。

L2_VALVE=0.5m为两线圈的电感量。

注意图中ABC是各点的编号。

2.启动Multisim进行仿真并观察Transient:

瞬态分析的输出波形。

当U1为200mV时，V（C）的瞬态分析：

图21谐振功率放大器负载上的电压波形

2收信单元的设计

2.1收信部分方框图

在无线通信中，发射与接受的信号应当适合于空间传输。

接收设备的作用就是接收传送过来的信号，并进行处理，以恢复发送端的基带信号。

由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真，故设置收信部分方框图，如图24所示：

图24收信部分方框图

接收设备的第一极是高频放大器。

由于通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。

中频信号经中频放大器放大，送到解调器，恢复原基带信号，再经低频放大器放大后输出。

2.2收信部分单元电路

2.2.1高频小信号谐振放大器

高频小信号谐振放大器工作频率高，中心频率在几百kHz~几百MHz之间,具有选频特性，一般负载采用谐振回路,晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。

他稳定性指放大器的工作点，晶体管参数，电路元件参数变化时，放大器的稳定程度。

希望放大器本身产生的噪声越小越好，要求噪声系数接近1。

在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频调谐功率放大器，这是发射设备的重要组成部分。

集成电路谐振放大器体积小、工作稳定可靠、调整方便，其有通用集成电路放大器和专用集成电路放大器，也可和其它功能电路集成在一起。

他的特点可以分为以下四点:

（1）工作频率高，相对频带窄。

（2）采用选频网络作为负载回路。

（3）放大器一般工作在C（丙）类工作状态，属于非线性电路。

（4）不能用线性模型电路分析。

下面是谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处，相同之处：

它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。

不同之处：

为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。

图25谐振功率放大器波形图与小信号谐振功率放大器波形图

小信号谐振功率放大器电路如图所示：

图26高频小信号谐振放大器

谐振频率：

由于X=0,即，

=0

或

电压增益：

功率增益

谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，具有放大、滤波和选频的作用。

非谐振由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。

2.2.2高频小信号谐振放大器仿真波形

1.对信号源U1的参数设置

AC：

交流值，现设定为30mV。

UOFF：

直流基准电压，设定为0V。

UAMPL:

幅度电压,设定为30mV。

FREO:

信号频率,设定为10MHz。

TD:

出现第一个波形的延迟时间，设定为0ms。

DF:

阻尼系数,设定为0,单位为秒的倒数。

PHAS:

相位,设定为0。

其他元件编号和参数按图中设置。

2.启动Multisim进行仿真，并观察Transient:

瞬态分析的电流波形。

在Probe窗口选择Trace\Add,打开AddTrace对话框。

在下面的TraceExpression栏处输入“V（L1:

1,L1:

2）”,选“OK”，退出窗口。

高频小信号谐振放大器的时间增量为100ns,起始时间为4us,终止时间为6us,

L1两端的瞬态分析图，如图所示:

图27高频小信号谐振放大器输出端的波形

在Probe窗口选择Trace\Add,打开AddTrace对话框。

在下面的TraceExpression栏处输入“U（U1:

+）”选“OK”，退出窗口。

高频小信号谐振放大器的时间增量为100ns,起始时间为4us,终止时间为6us,高频小信号谐振放大器输入端的瞬态分析:

图28高频小信号谐振放大器输入端的波形

3.启动Multisim进行仿真，并观察ACSweep:

交流信号分析。

在Probe窗口选择Trace\Add,打开AddTrace对话框。

在下面的TraceExpression栏处输入“V（L1:

1,L1:

2）”,选“OK”，退出窗口。

高频小信号谐振放大器起始频率为1.0MHz,终止频率为100MHz,它的交流分析如图所示：

图29高频小信号谐振放大器的幅频特性曲线

图30接收的混频电路

2.2.3鉴频器

乘积型鉴相器在电路结构上与同步检波器是相同的，即只要输入调相信号

与

的载波正交，同步检波器就变成了乘积型鉴相器。

鉴相器可实现PM信号的解调，但也广泛用于解调FM信号，以及锁相技术及频率合成技术中。

如在以后介绍的相移鉴频器和正交鉴频器都有具体应用。

鉴相器是用来比较两个同频输入电压

和

的相位，而输出电压

是两个输入电压相位差的函数，

如图所示：

图33鉴相器的输入输出框图

即

当线性鉴相的情况下，输出电压与两个输入电压的瞬时相位差成正比。

即

鉴相器的实现方法：

乘积型鉴相器和叠加型鉴相器。

乘积型相位鉴频器就是在频率-相位变换网络的后面增加乘积型相位检波电路。

如图所示是利用MC1596集成模拟乘法器构成的乘积型相位鉴频器电路。

图中Q1为射极输出器，L1、R、C2、C8组成频率-相位变换网络，该网络用于中心频率为7~9MHz、最大频偏250kHz的调频波解调.。

利用三角函数的积化和差公式：

2.2.4低频放大

低频放大器的功能是将检波器输出的音频信号进行放大，是之具有足够大的功率以推动扬声器发音。

在超外差收音机中低频放大器又可称为音频放大器。

低功率通信是业余无线电台活动的主要内容,低功率业余无线电台是众多业余无线电爱好者急需的通信设备.尽管市场上也有相应的无线电台出售,但多为进口设备,价格昂贵,数量也较少.因此,低功率无线电台国产化具有特别的现实意义.

本文采用的是OTL互补对称功率放大器。

OTL是采用单电源及大电容量电容器与负载和前级耦合，而不用变压器耦合的互补对称电路。

OTL电路通常由两个对称的异型管构成，因此又称互补对称电路。

电路如图所示：

图37低频放大电路

功率放大电路的输出功率即负载RL上获得的功率，用Po表示。

Po等于RL两端交流电压有效值和流过RL的交流电流有效值的乘积。

用Uom,Iom分别表示交输出电压和交流输出电流的幅值。

输出功率Po：

Po=UomIom/2=U2om/2RL

上式表明当负载RL一定时，功率放大电路输出功率的大小与输出信号电压幅值的平方成正比。

由于功放电路是射极输出器，输出电压可近似认为与输入相等，即Uom≈Uim,因此，乙类功放电路，输入电压愈大，功放电路的输出功率也愈大，即负载获得的功率越大。

2.2.5低频放大仿真波形

启动Multisim进行仿真，并观察Transient:

瞬态分析的电流波形。

在Probe窗口选择Trace\Add,打开AddTrace对话框。

在下面的TraceExpression栏处输入“V（OUT2）”,原理图中VAMPL设置为0.1V，选“OK”，退出窗口，对输出端电压进行瞬态分析如图所示：

图38低频放大器输出端电压波形

启动Multisim进行仿真并观察ACSweep:

交流信号分析的输出波形，在Probe窗口选择Trace\Add,打开AddTrace对话框。

在下面的TraceE