基于锁相技术的调频通信系统设计课程设计毕业设计.docx
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基于锁相技术的调频通信系统设计课程设计毕业设计
基于锁相技术的调制解调器电路设计
1、总体设计方案
众所周知，利用无线电通信系统可以将信息从一个地方传送到另一个地方。
一个通信系统的基本组成结构如图1所示，它主要有调制器、发射机、传输媒介、接收机及解调器组成。
各功能模块功能说明请参阅有关书籍或手册。
信息
信息
调制器
解调器
接收机
传输媒介
发射机
图1通信系统组成结构框图
1．1设计任务
本次实验的主要任务是设计一个基于锁相技术的频率调制器和解调器。
其原理方框图如图2（a）和图2（b）所示。
调制信号
低通滤波器LPF
压控
振荡器
环路
滤波器
鉴相器
分频
放大
晶体振荡器
图2（a）锁相环频率调制器原理方框图
环路
滤波器
鉴相器
分频
选频
放大器
带通滤
波器
解调输出
调频波输入VO
放大
压控振荡
器器
图2（b）锁相环频率解调器原理方框图
图2（a）为锁相环构成的锁相调频电路系统框图。
它主要由晶体振荡器、分频器、鉴相器、环路滤波器、放大器、压控振荡器组成。
锁相调频电路能够得到中心频率稳定度很高的调频信号。
实现锁相调频的条件是，调制信号的频谱要处于低通滤波器通带外，并且调制指数不能太大。
这样，调制信号不能通过环路低通滤波器，因而在环路内不能形成交流负反馈，调制频率对环路无影响。
锁相环只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带内）起作用，使其中心频率锁定在晶振频率上。
锁相调频克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。
这种锁相环路叫载波跟踪型PLL。
图2（b）所示为锁相环构成的锁相鉴频电路系统框图。
它主要由带通滤波器、选频放大器、分频器、鉴相器、环路滤波器、放大器、压控振荡器组成。
当输入为调频波时如果将环路滤波器的带宽设计的足够宽，保证鉴相器的输出电压顺利通过，则VCO就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出是一个具有相同调制规律的调频波。
这时，环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。
称为调制跟踪型锁相环。
1.2设计基本要求
1）掌握基于锁相技术的频率调制器和解调器的工作原理，组成结构。
2）采用贴片元件设计一个基于锁相技术的频率调制器和解调器。
3）给定频率调制器和解调器电路原理图以及相应的印制线路板图。
根据给定的工作频率等设计技术指标对锁相环路中压控振荡、选频放大、带通滤波器、限幅放大器元件参数进行分析与计算。
根据调制信号的频率等设计技术指标对环路低通滤波器的元件参数进行分析与计算。
3）频率调制器和解调器能实现直联通信。
4）记录环路各模块输入输出波形图，已调波频谱分析图等。
1.3设计技术指标
1.3.1调制技术指标
1）：
输出幅度:
几百mv---2v
2）载波频率：
30.0MHz～60.0MHz
3）频偏：
△f≥10KHz
4）电源电压：
7.5—12V（经稳压后实际加到电路中的Vcc为5V电压）
5）负载：
50
6）调制信号：
可以传1KHz音频信号也可以传数字信号即M3序列信号
1.3.2解调技术指标
1）灵敏度（12dB信纳比）：
≤45dBuV
2）失真度：
≤10％
3）信噪比（S/N）：
越高越好
4）接收机带宽：
≤300KHz
5）本振频率：
根据调制器的工作频率自定
6）电源工作电压：
7.5—12V（经稳压后实际加到电路中的Vcc为5V电压）
1.3.3扩展部分（从以下任选一项）
根据调频通信特点和原理，通信扩展部分在调制信号上做文章。
以下列举一些常见的针对调制信号的例子。
1）话音通信：
根据本系统特点，可实现单工话音通信。
2）数字遥控：
发射端采用简单的数字键盘实现对指定接收设备的遥控，包括简单或加密的等。
3）无线数字串行接口（可实现PC到PC之间的数字通信）。
注：
扩展部分可以利用科创3A提供的小系统板实现。
能验证传输的是什么数字信号或字符信号。
本实验不提供涉及扩展部分的器材或元器件。
能完成扩展部分最高可加分。
2．调制器各部分原理电路分析与设计原则
2.1．压控振荡器的分析与设计
本次实验，频率调制器和解调器中采用相同的压控振荡电路。
我们以调制器中的
压控振荡电路为例，对其工作原理进行分。
压控振荡电路如图4—1所示。
图4--1压控振荡电路
图4--2压控振荡器的交流通路
图4—2所示为压控振荡器的交流通路；其振荡类型为改进型电容三端式振荡器，具
频率稳定度高，输出波形平稳等优点。
采用两个变容二极管背对背串联的好处在于减小加在每个变容二极管上的高频电压，以利提高频率稳定度。
图中L2C6并联谐振回路的角频率为ω=1/（√L2C6），谐振在基频上即ω≈ωo，回路相移为0，呈纯阻，两端电压最大。
对高次谐波频率具有很强的抑制能力。
若忽略L2C6并联谐振回路对振荡回路的影响，则压控振荡器振荡频率主要由L1、C7、C2、C5、C3、C1、C4参数决定，其中C4为可变电容，C1C3为变容二极管静态工作点处的电容，则压控振荡器的中心频率为
fo=1/（2Π√[（C3+C1+C4）+C2//C5//C7]*L）
反馈系数F≈C5/C2
图4—1所示为压控振荡器路中，R2,R7,R10组成直流偏置电路，
主要为振荡器提供合适的偏置，保证放大器开机就能满足起振
振条件，使AF>1，A为放大器在小信号时的增益，F为反馈系数。
反馈系数一般按（1/2~1/8）取。
F≈C5/C2
在图4—1所示为压控振荡器路中，R1，R11，R18为变容二极管
CR1提供2.5V的直流偏压。
变容二极管CR2上的控制电压来自于环
路滤波器的输出电压，反映了压控振荡器瞬时频率的变化规律。
2.2放大电路
图4—4所示为非谐振高频放大器，主要作用是对压控振荡器产生的正弦波调制信号进行放大，以推动后级的分频电路。
要求输出电压幅度足够大，至少大于3.5V以上。
图中R13,R14,R15组成直流偏置电路，主要为放大器提供合适的偏置，保证放大器工作在放大状态。
图4--4放大电路
2.3分频电路
图4—5所示为除2分频器。
主要作用是将放大后的
正弦波调制信号进行除2分频，得到整形后的方波信号，
送到鉴相电路的时钟输入CLK端口，即TP9端。
并与来自晶体参考频率的振荡信号进行相位比较。
图4--5
2.4参考频率振荡电路
图4—6所示为高稳定性的晶体振荡电路。
主要作用是产生一个与经过二分频的压控振荡器频率相等的参考频率。
并将此信号送到鉴相器与经过二分频的压控振荡器的信号进行相位比较。
图4--6晶体振荡电路
2.5鉴相电路
图4-7所示为鉴相电路，主要由两个具有复位功能的D触发器作状态寄存器构成。
设D触发器为上升沿触发，且经过二分频的压控振荡器的信号和晶振振荡器的参考频率信号分别作为两个D触发器的CP。
触发器的数据端D接高电平，输出取自Q5和Q9。
复位后的初始状态Q5Q9=00，当CP信号，（即参考晶振频率信号fR）上升沿来到时，Q9=1，Q5保持为0，直到经过二分频的VCO信号fV的上升沿到来，Q9变为1，此时两个D触发器的输出变为Q5Q9=11，通过D6D3R32组成的电路，使两个D触发器复位，回到初始状态Q5Q9=00。
由此可看出，只有一个短暂的时间（二极管和触发器的时延）使两个D触发器同时置1，因此电路不可能在Q5Q9=11状态停留，另一方面Q5Q9有一段时间同时为高，但是它们的平均值仍然正确反映了输入频率与相位的差值。
图4-7所示鉴相电路的功能是取出两输入信的相位差，通过低通滤波器将相位差转变为控制VCO的平均电压。
fR
fV
Q9
Q5
t
图4-7（a）fR>fV
图4-7（b）鉴相电路
注：
解调器采用了相同的鉴相电路，其工作原理，分析设计方法完全一样。
2.6环路滤波器
环路滤波器（LF）是低通滤波器，它是由电阻、电容可能还有
放大器组成的线性电路。
它的输入是鉴相器的输出电压，它滤除
鉴相器输出中的高频成分和噪声，取出平均分量去控制压控振荡器的频率。
图4-8为采用差分放大器将Q1Q2两路鉴相信号变换为平均电压输出的原理电路。
图4-8用差分放大器转换Q1Q2
图4-9为本次实验中采用的滤波电路。
主要功能是将鉴相器
输出脉冲Q5Q9的宽度转换为平均电压输出，这里采用的方法
主要是将D触发器Q5Q9输出的脉冲先经过低通滤器，这里Q5输出
的脉冲经过R20C36低通滤器，另一路Q9输出的脉冲经过
R21C37低通滤器后，再进行差值比较放大。
环路滤波器输出的
平均电压反映了D触发器Q5Q9两路输出相位信息。
若两路信号同频同相，则环路滤波器输出一稳定的直流电压。
图4-9环路滤波电路
必须注意：
调制器与解调器采用的环路滤波电路完全相同，
但调制器的环路带非常窄仅小于20HZ（如图4-9所示），
而解调器的环路带宽要比语音信号的带宽，即大于20KHZ。
2.7LPF低通滤波电路分析与设计
图4-2（a）为低通滤波网络，其归一化后低通滤波网络的传输函数可写为
（VS/2VO）=√1+Ω2n
或为
（VS/2VO）2=1+Ω2n
式中n为任意正整数。
按此式画出的曲线如图图4-1所示。
具有最平特性曲线。
α
αα
αp
0Ω
图4-1归一化后的低通滤波衰减特性界限图
给定滤波网络和衰减特性界限图如图4-2所示。
图4-2（a）中VS为滤波网络的输入电压，
αp为容许的通带最大衰减（若为3db），
αα指容许的最低衰减值（若为40db），RS为信号源内阻，
RL为其负载电阻，ωc指通带边缘角频率，ωS指阻带边缘角频率。
滤波网络
RS
VS~~RLVO
（a）滤波网络
α（db）
αα
αp
0dbωcωsω
（b）衰减特性界限图
图4-2滤波网络和衰减特性界限图
本次实验采用低通滤波电路如图4-9所示,其阻带衰减约40db.设RS=RL=50Ω。
图4-9具有最平传输特性的6阶低通滤波电路
表4-9具有最平传输特性低通滤波器n阶丌-T型网络参数的取值
n
C1
L2
C3
L4
C5
L6
C7
L8
C9
L10
2
1.414
1.414
3
1.000
2.000
1.000
4
0.7654
1.848
1.848
0.7654
5
0.618
1.618
2.000
1.618
0.618
6
0.5176
1.414
1.932
1.932
1.414
0.5176
7
0.445
1.247
1.802
2.000
1.802
1.247
0.445
8
0.3902
1.111
1.663
1.962
1.962
1.663
1.111
0.3902
9
0.3473
1.000
1.532
1.879
2.000
1.879
1.532
1.000
0.34730
10
0.3129
0.9080
1.414
1.782
1.975
1.975
1.782
1.414
0.9080
0.3129
n
L1
C2
L3
C4
L5
C
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