调幅发射系统整机电路设计.docx

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调幅发射系统整机电路设计

一、前言

通信系统中的发送设备是将信息发送者送来的非电量原始信息（信源）如语音、文字和图像等转变成电信号，再把信号处理成适合于信道传输的信号形式送至信道。

信源信号在通信系统中称为基带信号。

基带信号是频谱在零频附近的宽带信号，这种信号一般具有从零频开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量，所以称为基带信号，这种信号不宜直接在信道中传输。

如果将消息信号对频率较高的载波进行调制，就能使信号的频谱搬移到适合信道的频率范围内进行传输。

例如声音基带信号的频率范围是20Hz～20kHz，这样的基带信号是不能在无线信道上传输的。

即使在某些可以传输直流的有限信道上，为了提高信道的通信容量，基带信号的传输方式也很少采用。

一般是用基带信号去改变某个高频正弦电压（载波）的参数，使载波的振幅、频率或相位随基带信号而变化，这一过程称为调制。

在通信系统中，调制有三个主要作用：

1调制的过程就是一个频谱搬移的过程，将原来不适宜传输的基带信号频谱搬移到适宜传输的某一个频段上，然后传输至信道；2调制的另一个重要作用是实现信道复用，即把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输，以提高信道容量；3调制可以提高通信系统抗干扰的能力，例如将信号频率搬移，从而离开某一特定干扰频率。

对不同的信道，根据经济技术等因素，可以采用不同的调制方式。

以模拟信号为调制信号，对连续的正（余）弦载波进行调制，亦即载波的参数随着调制信号的作用而变化，这种调制方式称为模拟调制。

而所谓振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变，这是使高频振荡的振幅载有消息的调制方式。

调幅发射机目前正广泛应用于无线电广播系统中，本次课程设计完成了小信号调幅发射机从设计到仿真调试的完整设计工作。

二、设计指标

完成调幅发射系统各单元电路的设计及仿真，并利用multisim开发软件完成整机电路的调试。

设计任务及主要技术指标和要求如下：

工作频率范围：

调幅制一般适用于中、短波广播通信，其工作频率范围为300kHz~30MHz。

发射功率：

一般是指发射机送到天线上的功率。

只有当天线的长度与发射频率的波长可比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。

调幅系数：

调幅系数ma是调制信号控制载波电压振幅变化的系数，ma的取值范围为0~1，通常以百分数的形式表示，即0%~100%。

非线性失真（包络失真）：

调制器的调制特性不能跟调制电压线性变化而引起已调波的包络失真为调幅发射机的非线性失真，一般要求小于10%。

线性失真：

保持调制电压振幅不变，改变调制频率引起的调幅度特性变化称为线性失真，

噪声电平：

噪声电平是指没有调制信号时，由噪声产生的调制度与信号最大时间的调幅度比，广播发射机的噪声电平要求小于0.1%，一般通信机的噪声电平要求小于1%。

2.1单元电路设计及仿真

1）设计晶体振荡器产生5MHz高频信号

2）设计三极管倍频电路，完成信号的三倍频，产生15MHz的高频信号

3）设计二极管双平衡调制器

4）设计混频电路

5）设计丙类谐振功率放大电路

2.2调幅发射系统整机电路设计

工作频率f=15MHz，发射功率P0=100mW，调幅度ma=90%，整机效率大于40%

2.3高频实验平台整机联调

三、

系统总述

3.1总体设计框图

低频输入低频放大

本振1倍频器高频放大器振幅调制器

放大器

功率带通混

放大器滤波器频

本振2

图3.1总体设计框图

各部分的作用：

本振1：

产生频率为5MHz的载波信号

倍频器：

产生频率为15MHz的载波

高频放大器：

将高频信号放大到调制器所需电压

低频输入：

输入低频信号用于调制

低频放大器：

将低频信号放大到调制器所需电压

幅度调制器：

将低频信号调制到载波上产生调幅信号

混频器和带通滤波器：

将高频信号频率搬移到更高的频率

功率放大器：

对载频信号的功率放大到所需发射功率

3.2总体设计方案

根据设计要求，选用最基本的发射机结构，由主振、倍频、调制、混频及功放五部分构成。

由于晶体稳定性好，Q值很高，频率稳定度也很高。

因此，主振级采用晶体振荡器，满足所需的频率稳定度。

利用丙类功率放大器的原理设计三倍频电路，用于产生所需频率载波。

为了有效抑制载波，选用二极管双平衡调制方式完成调幅过程。

为了有效地发射信号，运用混频器、带通滤波器和丙类功率放大器产生具有所需发射功率的信号。

3.3整机电路工作原理

发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。

调幅发射机的基本工作原理为：

第一本机振荡产生一个固定频率的中频信号，它的输出送至调制器；话音放大电路将低频信号（例如语音信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路，其输出也送至调制器；调制器输出是已经调幅的中频信号，该信号经中频放大后与第二本振信号混频；第二本振是一频率可变的信号源，选第二本振频率fo2是发射载频foc与第一本振fo1之差，混频器输出经带通或低通滤波器滤波，使输出载频foc=fo2+fo1;功率放大器将载频信号的功率放大到所需发射功率，然后经天线输出。

四、单元电路设计与仿真

4.1差分式振荡器

主振器就是高频振荡器，是发射机的核心部件，主要用来产生一个频率稳定的，幅度较大的，波形失真小的高频正弦波信号作为发射载频信号。

高频电子线路所讨论的工作频率是几百千赫到几百兆赫，而课程设计所设计的最高频率受到实验条件的限制，一般选在30兆赫以下。

电路图中Q1和Q2为差分对管，其中Q2管的集电极外接LC谐振回路，谐振在工作频率上，谐振回路上的输出电压直接加载Q1管的基极上形成正反馈。

同时Q2管的集电极又通过LC谐振回路接到Q2管的基极上，这样，Ubb就同时成为两管的基极偏置电压，保证了两管基极直流同电位，同时也使Q2管的基极和集电极相同电位，Q2管工作在临界饱和状态，因此，LC回路两端的振荡电压振幅就不能太大，一般为200mV左右。

图4.1差分振荡器原理图

图4.1差分振荡器仿真效果图

4.2三极管倍频电路

已知丙类放大器集电极电流ic为尖顶余弦脉冲,如果集电极回路不是调谐于基波，而是调谐于n次谐波上（n为正整数），那么输出回路对基波和其他谐波的阻抗很小，近对n次谐波的阻抗达到最大值，且呈电阻性。

于是输出谐振回路仅有ic的n次谐波分量产生的高频电压，而其他频率分量产生的电压均可忽略。

因而，在谐振阻抗Rp上可得到频率为输入信号频率n倍的输出信号功率。

这种将输入信号频率倍增n倍的电路成为倍频器，它广泛应用于无线电发射机等电子设备中。

根据上述原理，可设计丙类功放三倍频电路，其原理图如下：

图4.2.1丙类功放三倍频电路

图4.2.2三倍频电路仿真效果图

图4.2.2为其仿真效果图，经过三倍频电路后，输出波形的频率为输入波形的三倍。

4.3二极管单平衡调制器

一平衡调制器有一对二极管，多个包括有一个平衡—不平衡的转换器的图形线，图形线分别包含有朝前延伸并连接于二极管的线，至少一组容性短截线设置为靠近于线并且彼此间隔λ／８的距离（λ为所用频率的波长），容性短截线可通过连接金属线与图形线连接用于调整隔离。

一种平衡调制器，其特征在于它包含有：

一对二极管；多根图形线，它包括有一平衡－不平衡变换器，所说的图形线包含有分别延伸并连接于所说的二极管的线；至少一组容性短截线设置靠近所说的图形线，且彼此被间隔成λ／８的距离（λ是所用频率的波长），所说的容性短截线是可通过连接金属线与所说的图形线连接，用于隔离调整。

图3.3.1二极管单平衡调制电路

图3.3.1二极管单平衡调制电路仿真波形

4.4混频器

混频器是一种典型的线性时变参数电路，要完成频谱的线性搬移，关键是获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成所需的线性搬移功能。

其中，混频电路输入的是载频为fo1的高频已调波信号us（t）和频率为fo2的本地震荡信号uL（t）,经过非线性器件变频后输出端有两个信号的差频fo1-fo2、和频fo1+fo2及其他频率分量，再经滤波器滤掉不需要的频率分量，取和频foc=fo1+fo2作为已调波信号，从而实现变频作用。

其原理图如图4.4.1所示：

图4.4.1混频器原理图

图4.4.2混频器仿真效果图

4.5丙类谐振功率放大器

功率放大器用于高效率地供给负载足够大的信号功率，其依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。

在同样的直流功率的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。

图4.5.1为丙类谐振功率放大电路原理图。

它的特点是放大器工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形，负载为谐振回路。

谐振回路要确保从电流脉冲中取出基波分量，获得正弦电压，还要实现放大器的阻抗匹配。

电路输出功率为100mW，导通角为70%，后级采用变压器耦合，通过天线将信号发射出去。

图4.5.1丙类放大器原理图

图4.5.2丙类放大器仿真效果图

五、整机电路设计图

晶振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。

产生的主要原因是缓冲级的输入阻抗不够大，使晶振级负载加重。

这可通过减小C3，即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现。

本机振荡级、缓冲级、话语放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅现象。

产生的原因可能是经射级跟随器输出的本振电压v0偏小或者是话音放大级输出的调制电压vΩ过大。

可以调节使v0=100~150mV，并测量调制器输出的波形。

调整话音放大级增益，以满足调幅度ma=90%的技术指标要求。

功率激励级与功率放大级联调时，往往会出现低频调试、高频自激、输出功率小、波形失真大等现象。

产生的原因可能是级间通过电源产生串扰或是甲类功放与丙类功放的阻抗不匹配，级间相互影响。

这可在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦电路，以消除来自电源的串扰，也可以重新调整谐振回路，使回路谐振。

具体电路图见附件1所示。

六、高频实验平台整机联调

图5.1调谐放大器

图5.2中频放大器

图5.3二极管放大器

七、设计总结

经过这段时间的努力，终于完成了这次课程设计，虽然也存在一些瑕疵，但是总的来说还是不错的，基本上符合课程设计要求。

本次设计通过对《通信电子线路》的学习，使用multisim软件设计了一个完整调幅发射系统。

在设计过程中遇到问题，我先思考找出问题所在，然后在去图书馆或上网查资料，或者是请教同学，在这个过程中对以前学的知识有了更深刻的了解，也明白了所学知识的应用范围，收获不少。

在这次课程设计中，我主要完成了晶体振荡器和二极管双平衡调制器的设计。

在设计过程中，我首先通过查阅各种相关资料，产生基本设计思路，通过计算得出元件参数。

然后在multisim软件中进行仿真。

通过不断改进完善，才得到令人满意的结果。

通过这次课程设计，我学会了把书本的知识和实际的电路联系起来，这就是理论结合实际，虽然在设计电路时磕磕碰碰，但用到的知识反映了书中的核心知识点，我想这对我们以后的学习有很大的促进作用。

设计过程中我也提高了对于multisim软件的实验技巧，在下阶段的学习中我一定会更加努力。

八、参考文献

[1]Multisim11电路设计及仿真应用清华大学出版社2012年7月

[2]高频电路原理与分析曾兴雯、刘乃安西安电子科技大学出版社2006年7月

[3]高频电子线路主编：

宋树祥、周冬梅北京大学出版社2007年2月

[4]通信电子线路主编：

侯丽敏清华大学出版社2008年12月

[5]电子线路设计、实验、测试主编：

谢白美华中理工大学出版社

[6]高频电子线路实验平台说明书南京润众科技有限公司

附件一：

整机电路设计图

附件二：

元器件明细表

元件

个数

电阻

32个

晶体振荡器

1个

电容

25个

电感

3个

高频扼流圈

2个

变压器

4个

二极管

6个

NPN三极管

3个

电源

若干

元器件明细表