南华大学黄智伟 备战 高频无线电类赛题分析.docx

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南华大学黄智伟备战高频无线电类赛题分析

南华大学黄智伟备战2013有关“高频无线电类”赛题的一些问题

1.“高频无线电类赛题”每届都有，共有9题

在10届电子设计竞赛中，“高频无线电类赛题”除了1994年外，每届都有：

●简易无线电遥控系统（1995年C题）

●调幅广播收音机（1997年D题）

●短波调频接收机（1999年D题）

●调频收音机（2001年F题）

●电压控制LC振荡器（2003年A题）（该题也可以划在信号源类）

●单工无线呼叫系统（2005年D题）

●无线识别装置（2007年B题本科组）

●无线环境监测模拟装置（2009年D题本科组）

●LC谐振放大器（2011年D题本科组）

1997年～2001年由于是SONY公司赞助的，所以都有收音机的赛题，从2003年起，赛题涉及到的范围就宽多了。

赛题频率范围：

几MHz~40MHz。

注意：

制作“高频无线电类”赛题是不允许采用现成的RF模块的。

2.从历届赛题可以看到：

从最近几届的赛题来看，主攻“高频无线电类”赛题方向的同学除了需要掌握模拟电路、数字电路、单片机电路和电子测量电路的知识外，还需要了解：

●RF（射频）接收电路设计与制作

●RF（射频）发射电路设计与制作

●RF（射频）小信号放大器电路设计与制作

●RF（射频）功率放大器（A~E类）电路设计与制作

●混频器电路设计与制作

●RF（射频）信号检测电路设计与制作

●LC振荡器电路设计与制作

●VCO（压控振荡器）电路设计与制作

●PLL（锁相环）电路设计与制作

●DDS电路设计与制作

●FM调制与解调电路设计与制作

●ASK调制与解调电路设计与制作

●FSK调制与解调电路设计与制作

●电路之间的阻抗匹配设计与制作

●天线阻抗匹配的设计与制作

●电感线圈的设计与制作

●RF电路的PCB设计与制作

3.建议：

“高频无线电类”赛题中所涉及到的的基础课程：

高频电路，通信原理。

一些基础知识在这两门课程中都有介绍。

“高频无线电类”赛题中所涉及到的一些知识点，对有些专业的同学来讲，在专业基础课程中是没有的，需要自己去搞清楚。

这一点很重要。

理论用来指导行动。

没有理论基础，盲人摸象，行动一定会有困难。

另外，“高频无线电类”赛题的实践性要求很强！

！

！

例如：

电感线圈的位置、线圈之间的间距、PCB的导线长短等都会对电路参数带来影响。

站在岸上是学不会游泳的。

制作“高频无线电类”赛题作品，实践经验很重要。

建议从简单的基本的高频无线电类电路做起，如简单的无线电收发电路、PLL-VCO电路等，通过一些作品的制作和训练，找到感觉。

在“无线电”“电子制作”等杂志中有一些作品，可以参考做一下。

在一些电子制作的网站上，有一些无线电制作的小产品，也可以买来自己制作一下。

注意：

目前已出赛题的频率范围在几MHz~40MHz之间。

可以从历届赛题中选择一些来制作。

例如：

●简易无线电遥控系统（1995年C题）

●短波调频接收机（1999年D题）

●电压控制LC振荡器（2003年A题）（该题也可以划在信号源类）

●单工无线呼叫系统（2005年D题）

●无线识别装置（2007年B题本科组）

●LC谐振放大器（2011年D题本科组）

4.一些参考书籍

1.陈邦媛．射频通信电路．北京：

科学出版社，2002

2.顾宝良．通信电子线路．北京：

电子工业出版社，2002

3.于洪珍．通信电子线路．北京：

清华大学出版社，2005

4.刘长军等.射频通信电路设计．北京：

科学出版社，2005

5.谢沅清，邓刚.通信电子电路.北京：

电子工业出版社，2005

6..W.AlanDavis等.射频电路设计.北京：

机械工业出版社，2005年

7.逯贵祯等．射频电路的分析与设计．北京：

北京广播学院出版社，2003

8.胡树豪．实用射频技术．北京：

电子工业出版社，2004

9.黄智伟．通信电子电路．北京：

机械工业出版社，2007

10.黄智伟．射频电路设计．北京：

电子工业出版社，2006

11.周渭等.时频测控技术．西安：

西安电子科技大学出版社，2006

12.何丰．通信电子电路．北京：

人民邮电出版社，2003

13.AndreiGrebennikov.射频与微波功率放大器设计.北京：

电子工业出版社，2006

14.张玉兴.射频模拟电路.北京：

电子工业出版社，2002年

15.ReinholdLudwig．射频电路设计理论与应用．北京：

电子工业出版社，2002

16.BehzadRazavi.射频微电子．北京：

清华大学出版社，2006

17.UlrichL.Rohde．无线应用射频微波电路设计．北京：

电子工业出版社，2004

18.雷振亚.射频/微波电路导论.西安：

西安电子科技大学出版社，2005

19.沈琴，非线性电子线路.北京：

高等教育出版社，2004年

20.杨金法等．非线性电子电路．北京：

电子工业出版社，2003

21.高如云等.通信电子电路．西安：

西安电子科技大学出版社，2003

22.曾兴雯等．高频电子原理分析．西安：

西安电子科技大学出版社，2001

23.徐祎等．通信电子技术．西安：

西安电子科技大学出版社，2003

24.高吉祥，黄智伟等．高频电子线路．北京：

电子工业出版社，2003

25.高吉祥，黄智伟等．高频电子线路学习辅导及习题详解．北京：

电子工业出版社，2005

26.谈文心，邓速国，张相臣．高频电子线路．西安：

西安交通大学出版社，1996

27.胡见堂，谭博文，余德泉．固态高频电路．长沙：

国防科技大学出版社，1999

28.张义芳，冯建华．高频电子线路．哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，1993

29.申功迈，钮文良．高频电子线路．西安：

西安电子科技大学出版社，2001

30.沈慈伟．高频电路．西安：

西安电子科技大学出版社，2000

31.张肃文，陆兆熊．高频电子线路．北京：

高等教育出版社，1993

32.卢万铮．天线理论与技术．西安：

西安电子科技大学出版社，2002

33.黄智伟.射频小信号放大器电路设计[M].西安：

西安电子科技大学出版社2008

34.黄智伟.射频功率放大器电路设计[M].西安：

西安电子科技大学出版社2009

35.黄智伟.混频器电路设计[M].西安：

西安电子科技大学出版社2009

36.黄智伟.调制器与解调器电路设计[M].西安：

西安电子科技大学出版社2009

37.黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计[M].西安：

西安电子科技大学出版社2008.

38.黄智伟.单片无线发射与接收电路设计.西安：

西安电子科技大学出版社2009

39.黄智伟.无线发射与接收电路设计（第2版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社2007

40.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994～1999）[M].北京：

北京理工大学出版社，1997年

41.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001）[M].北京：

北京理工大学出版社，2003年

42.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2003）[M].北京：

北京理工大学出版社，2005年

43.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2005）[M].北京：

北京理工大学出版社，2007年

44.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2007）[M].北京：

北京理工大学出版社，2009

45.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2009）[M].北京：

北京理工大学出版社，2011

46.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2011）[M].北京：

北京理工大学出版社，2012

47.黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2011

48.黄智伟.全国大学生电子设计竞赛制作实训（第2版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2011

49.黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践[M].北京：

电子工业出版社，2009

参考书籍1～39主要与射频电路的原理与设计有关，主要的内容在“高频电路”课程中都有介绍，但不同的老师对同一个问题介绍的角度、深度不同，可以找其中的一部分来看一下。

参考书籍40～46是全国大学生电子设计竞赛组委会编辑的获奖作品的介绍，包括赛题的设计方案、算法、主要电路等内容。

参考书籍47：

在“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛制作实训（第2版）”一书中，介绍了一部分射频小信号放大器、射频功率放大器、VCO（压控振荡器）、PLL-VCO环路、调频发射器、调频接收机等高频电路的制作实例。

“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）”由黄智伟编著，北京航空航天大学出版社2011.1出版

参考书籍48：

在“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）”一书，在详细分析了历届全国大学生电子设计竞赛题目类型与特点基础上，用多个设计实例，系统介绍了高频无线电类作品的设计要求、系统方案、电路设计、主要芯片、程序设计等内容。

“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）”由黄智伟编著，北京航空航天大学出版社2011.1出版

参考书籍49：

在“印制电路板（PCB）设计技术与实践”一书中，着重介绍了印制电路板（PCB）的焊盘、过孔、叠层、走线、接地、去耦合电路、电源电路、时钟电路、模拟电路、高速数字电路、射频电路的PCB设计的基本知识、设计要求、方法和设计实例，以及PCB的散热设计、PCB的可制造性与可测试性设计，PCB的ESD防护设计。

其中第11章介绍了射频电路PCB设计基础，射频接地、隔离、走线等射频电路PCB的设计技巧，射频小信号放大器PCB设计要求与实例，射频功率放大器PCB设计要求与实例，混频器PCB设计要求与实例，以及PCB天线设计例。

“印制电路板（PCB）设计技术与实践”由黄智伟编著，电子工业出版社，2009出版

历届题目可以从“全国大学生电子设计竞赛组织委员会”

赛题知识点分析：

历届赛题

1.简易无线电遥控系统（1995年C题）

2.调幅广播收音机（1997年D题）

3.短波调频接收机（1999年D题）

4.调频收音机（2001年F题）

5.电压控制LC振荡器（2003年A题）（该题也可以划在信号源类）

6.单工无线呼叫系统（2005年D题）

7.无线识别装置（2007年B题本科组）

8.无线环境监测模拟装置（2009年D题本科组）

9.LC谐振放大器（2011年D题本科组）

赛题1：

简易无线电遥控系统（1995年C题）

1.设计任务

设计并制作无线电遥控发射机和接收机。

（1）无线电遥控发射机

（2）无线电遥控接收机

（2）要求

基本要求

（1）工作频率：

fo=6～10MHz中任选一种频率。

（2）调制方式：

AM、FM或FSK……任选一种。

　　（3）输出功率：

不大于20mW（在标准75Ω假负载上）。

　　（4）遥控对象：

8个，被控设备用LED分别代替，LED发光表示工作。

　　（5）接收机距离发射机不小于10m。

发挥部分

（1）8路设备中的一路为电灯，用指令遥控电灯亮度，亮度分为8级并用数码管显示级数。

（2）在一定发射功率下（不大于20mW），尽量增大接收距离。

　　（3）增加信道抗干扰措施。

　　（4）尽量降低电源功耗。

　　注：

不能采用现成的收、发信机整机

2.电路设计

（1）6～10MHz发射与调制电路设计

调频振荡器采用由晶体管9018与电容C2、C3、C4、C5、变容二极管和电感L1组成西勒振荡器电路形式。

振荡信号通过C7耦合到射极跟随器，然后送至功率放大器。

（2）接收与解调电路设计

接收机高频放大器电路采用共射极谐振放大电路形式，以获得一定的电压增益。

接收机的解调器电路采用单片集成窄带FM解调芯片MC3371构成。

（3）键盘控制与编/解码电路设计

键盘控制与编码电路由按键、CC40147和MC145026组成。

解码电路采用MC145027，MC145027是与MC145026配套的解码器芯片。

（4）被控设备

被控设备采用LED代替。

驱动部分LED的工作电流小，可以直接采用74LS138译码输出直接驱动。

小电灯的亮度调节，通过三个能提供不同电流的晶体管射随器相加实现。

数码管采用MC14511驱动。

（5）电源电路设计

发射机采用电池供电。

接收机需要设计一个三端稳压器电路。

3.需要知道的知识点：

●调频振荡器

●射频功率放大器

●共射极谐振放大电路

●单片集成窄带FM解调芯片

●编/解码电路

●LED驱动电路

●三端稳压器电路

4.测试

需要知道如何测试输出功率：

不大于20mW（在标准75Ω假负载上）

赛题2：

电压控制LC振荡器（2003年A题）

（该题也可以划在信号源类）

1.设计任务

设计并制作一个电压控制LC振荡器。

基本要求

（1）振荡器输出为正弦波，波形无明显失真。

（2）输出频率范围：

15MHz～35MHz。

（3）输出频率稳定度：

优于10-3。

（4）输出电压峰-峰值：

Vp-p=1V±0.1V。

（5）实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值，精度优于10％。

（6）可实现输出频率步进，步进间隔为1MHz100kHz。

发挥部分

（1）进一步扩大输出频率范围。

（2）采用锁相环进一步提高输出频率稳定度，输出频率步进间隔为100kHz。

（3）实时测量并显示振荡器的输出频率。

（4）制作一个功率放大器，放大LC振荡器输出的30MHz正弦信号，限定使用E=12V的单直流电源为功率放大器供电，要求在50Ω纯电阻负载上的输出功率≥20mW，尽可能提高功率放大器的效率。

（5）功率放大器负载改为50Ω电阻与20pF电容串联，在此条件下50Ω电阻上的输出功率≥20mW，尽可能提高放大器效率。

（6）其它。

2.电路设计

题目要求设计一个电压控制的LC振荡器，振荡器的输出为正弦波。

本系统设计采用数字频率合成技术，利用锁相环的原理，使输出电压稳定在一固定频率上；采用电压负反馈和自动增益控制（AGC）电路使输出电压幅值稳定在1V±0.1V；控制部分采用MCU来完成；显示部分采用液晶显示模块，显示设定频率、输出频率及输出电压峰-峰值Vp-p。

并且增加了自制音源储存、立体声编码等功能，使系统更加完善。

（1）压控振荡器电路设计

采用压控振荡芯片MC1648和变容二极管MV209，外接一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。

只需要调节变容二极管两端的电压，便可改变MC1648的输出频率。

由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。

（2）频率合成器电路设计

采用数字锁相环频率合成器技术，由晶振、鉴频/鉴相器（FD/PD）、环路滤波器（LPF）、可变分频器（÷N）、和压控振荡器（VCO）组成。

利用锁相环，将VCO的输出频率锁定在所需频率上，可以很好的选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器。

频率合成采用大规模集成PLL芯片MC145152，前置分频器选用芯片MC12022，VCO选用MC1648，环路滤波器采用运放LM358和RC电路组成，即可完成锁相环路的设计。

（3）控制模块电路设计

利用单片机或者FPGA控制集成芯片MC145152的分频系数A和N，以改变输出频率的大小。

注意：

所采用单片机的I/O口，而MC145152就需要19个I/O口，再加上显示部分，I/O口是否资源紧张？

（4）测频模块电路设计

方案一：

采用专用的频率测量芯片，如用INTERSIL公司的ICM7216B，只需少量的元件就能构成高精度的数字频率计，并且该芯片可以直接驱动8个数码管进行动态扫描显示。

但该芯片价格昂贵，并且系统对芯片的资源利用较少。

方案二：

采用FPGA来实现测频功能。

将压控振荡器的输出频率经过另一个前置分频器MC12022进行固定分频后送FPGA进行测量，并实时送入液晶显示器显示出测得的频率。

由于MC12022可对输入正弦波整形，所以不需外加整形电路，这样硬件电路十分简单，只利用软件编程便可实现一系列的功能。

功能集成在FPGA一块芯片上，可靠性高，准确性好，容易实现，并且充分利用了FPGA的资源

（5）峰-峰值检测电路设计

利用二极管和运放LM324构成一个检波电路，来测量电压的峰峰值。

利用该方法准确度高，稳定性好，构成也比较简单，再通过一个AD转换器，便可将数据直接送入FPGA显示。

利用该方法电路测量容易，也比较准确。

（6）稳幅电路的设计方案论证与选择

采用交流电压并联负反馈电路和自动增益控制（AGC）电路一起实现的稳幅电路。

由于VCO芯片MC1648内部有AGC电路，因此在引入了交流电压并联负反馈的基础上，输出电压再经过一个AGC电路，在输入信号电平变化时，用改变增益的办法维持输出信号电平基本不变。

利用该方法可以进一步提高输出电压的稳定性，保证在15～35MHz的频率范围内，输出电压峰-峰值控制在1V±0.1V。

（7）末级功率放大电路设计

采用丙类功率放大电路。

三极管用3DA5109。

调整放大管的导通角θ=70°左右，可以提高功放的效率。

为了防止失真过大，输出端采用并联谐振回路。

当负载为容性时，采用串联谐振回路。

这样可以使输出功率和效率都达到最大值。

（8）显示电路

采用字符型LCD显示。

可以显示英文及数字，利用FPGA来驱动液晶显示模块，设计简单，且界面美观舒适，耗电小。

（9）电源方案的选择

系统需要多个电源，FPGA使用5V稳压电源，振荡器的变容二极管需要1～10V电压，运放，功放等需要12V稳压电源。

采用三端稳压集成7805与7812分别得到5V与12V的稳定电压。

利用该方法方便简单，工作稳定可靠。

3.需要知道的知识点：

●压控振荡器电路

●数字锁相环频率合成器

●单片机或者FPGA

●频率测量技术

●峰-峰值检测电路

●自动增益控制（AGC）电路

●交流并联负反馈电路

●丙类功率放大电路

●液晶显示模块

●三端稳压器电路

4.测试

需要知道如何测试输出功率：

50Ω纯电阻负载上的输出功率≥20mW；负载改为50Ω电阻与20pF电容串联，在此条件下50Ω电阻上的输出功率≥20mW。

赛题3：

单工无线呼叫系统（2005年D题）

1.设计任务

设计并制作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。

基本要求：

（1）设计并制作一个主站，传送一路语音信号，其发射频率在30MHz~40MHz之间自行选择，发射峰值功率不大于20mW（50假负载电阻上测定），射频信号带宽及调制方式自定，主站传送信号的输入采用话筒和线路输入两种方式；

（2）设计并制作一个从站，其接收频率与主站相对应，从站必须采用电池组供电，用耳机收听语音信号；

（3）当传送信号为300Hz~3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，用一个功率衰减20dB左右的衰减器连接主、从站天线端子，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，波形应无明显失真；

（4）主、从站室内通信距离不小于5米，题目中的通信距离是指主、从站两设备（含天线）间的最近距离；

（5）主、从站收发天线采用拉杆天线或导线，长度小于等于1米。

发挥部分：

（1）从站数量扩展至8个（实际制作1个从站），构成一点对多点的单工无线呼叫系统。

要求从站号码可任意改变，主站具有拨号选呼和群呼功能；

（2）增加英文短信的数据传输业务，实现主站英文短信的输入发送和从站英文短信的接收显示功能；

（3）当发射峰值功率不大于20mW时，尽可能地加大主、从站间的通信距离。

（4）其他。

说明：

（1）主站需留出末级功率放大器发射功率的测量端，用于接入50假负载电阻，以测试发射功率；

（2）为测试方便，作品中使用的衰减器（可以自制），应与作品一起封装上交。

2.电路设计

单工无线呼叫系统分发射和接收两大部分。

（1）发射部分电路的设计

①压控振荡器电路（VCO）

压控振荡器电路（VCO）主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149以及LC谐振回路构成，电源采用+5V的电压，振荡器的输出频率稳定在35MHz。

②锁相环电路

压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等因素的影响，往往是不稳定的。

因此需要加入自动相位控制环节，即锁相环来稳定发射频率。

发射频率经反馈，与晶振产生的标准信号做比较，在锁相环的跟踪下，发射频率始终向标准信号逼近，最终被锁定在标准频率上，达到与参考晶振同样的稳定度。

锁相环电路采用MC145152芯片，它是一个集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体的大规模集成电路，分频器的分频系数可由并行输入的数据控制。

③功率放大电路

功率放大电路采用丙类功放。

功放管为2SC1970，采用感性负载，输出幅度较大。

丙类功放的基极电压-VEE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上产生的压降来提供的。

当放大器的输入信号υt为正弦波时，集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。

利用谐振回路L2C2的选频作用获得输出基波电压υc1、电流ic1。

④阻抗变换电路

要使发射机的输出阻抗50Ω与天线匹配，必须设计降阻匹配网络，又因1m长天线呈容性阻抗，必须采用串联谐振，使之天线辐射出去的功率最大。

本设计采用的是L型的LC网络来实现阻抗匹配。

（2）接收部分电路的设计

①接收电路

接收电路以CXA1238为主体，CXA1238是索尼公司推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。

②天线输入网络

天线匹配网络设计，首先必须计算出拉杆天线的等效阻抗和接收机的输入阻抗。

对于L=1m，D=5mm的拉杆天线，利用MATLAB仿真，在f=35MHz时其等效阻抗为Z=R-jX=5.44-j115.1。

拉杆天线阻抗可等效一个纯阻R=5.44Ω和一个容量C=115.1pF的电容串联。

③天线输入选频回路

本设计要求接收部分所接收的频率值为35MHz，输入选频回路采用LC回路。

④本机振荡器谐振回路

本机振荡器电路用于产生本地振荡信号，它始终比接收信号高出10.7MHz，连接至CXA1238的引脚端22和引脚端21。

本设计采用的本振电路的调谐回路和输入选频回路电路一致，原理相同，只是参数不同。

⑤音频功率放大器电路

音频功率放大器采用音频功率放大器芯片LM386。

现在也可以采用D类放大器芯片。

（3）编码/解码电路设计

编码/解码电路采用PT2262/2272。

PT2262/2272是一对带地址、数据编码/解码功能的芯片，PT2262具有地址和数据编码功能，PT2272具有地址和数据解码功能。

数据输出具有“暂存”和“锁存”两种方式，方便用户使用