调频信号接收系统.docx

调频信号接收系统.docx

《调频信号接收系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《调频信号接收系统.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

调频信号接收系统

河北大学工商学院

本科生毕业论文（设计）

题目：

调频接收系统设计

学部信息科学与工程学部

学科门类工科

专业电子科学与技术

学号

姓名

指导教师

2013年5月16日

调频接收系统设计

摘　　要

无线调频发射、接收系统在实际生活中有非常广泛的应用，如调频广播，作为最早出现的模拟信号无线调频通信，目前仍然被广泛使用。

因此，了解无线调频系统电路原理、设计方法以及性能测试显得非常重要。

本设计结合已有的调频发射系统各项参数要求，设计了调频接收系统的各部分功能电路，测试了电路功能并绘制了电路原理图和印制电路板图。

本次设计得到的调频接收系统，能够接收特定频率范围内的调频信号，通过变频、解调等过程后将电信号转换成声音信号，最终实现信息的无线传输。

调频接收系统包括：

高频小信号放大、下变频、中频放大、限幅、FM解调、音频功放等部分。

关键词：

调频；本振；混频；选频；鉴频

Frequencymodulationreceiversystemdesign

ABSTRACT

WirelessFMtransmitterandreceiversystemsinreallifehasaverywiderangeofapplications,suchasFMradio,astheearliestanalogsignalwirelessFMcommunication,isstillwidelyused.Therefore，it’sveryimportanttolearnFMsystemcircuittheory,design,andperformancetesting.ThisdesigncombinedwiththeexistingrequirementsofthesystemparametersFMtransmitter,designspartsofthesystemfunctionalcircuitofFMreceiver,teststhecircuitfunctionan,drawsthecircuitschematicandPCBdiagram.FMreceivingsystemobtainedbythisdesigncanreceiveaspecificfrequencyrangeoftheFMsignal,convertstheelectricalsignalintoasoundsignalbyconversion,demodulationandotherprocesses.，finallyrealizesthewirelesstransmissionofinformation.ReceivingsystemincludesFrequencysmallsignalamplification,frequencydownconversion,IFamplifier,limiter,FMdemodulation,audioamplifierandotherparts.

Keywords:

Frequencymodulation;Localoscillator;Mixer;Frequencyselection；Frequencydiscriminator

目　　录

　　1　引言1

　　2　调频接收系统2

　　2.1　调频接收系统原理及组成2

　　2.2　调频相关概念及技术指标2

　　3　调频接收系统单元电路设计及测试4

　　3.1　单调谐小信号放大电路4

　　3.1.1　工作原理及质量指标4

　　3.1.2　高频小信号放大电路设计6

　　3.2　模拟乘法器混频电路设计7

　　3.2.1　模拟乘法器混频的工作原理7

　　3.2.2　MC1496工作原理8

　　3.2.3　MC1496静态工作点设置9

　　3.2.4　模拟乘法器混频电路设计9

　　3.3　集成选频放大电路10

　　3.3.1　中频放大的作用10

　　3.3.2　MC1350放大器11

　　3.3.3　集成选频放大器的原理12

　　3.4　正交鉴频电路设计12

　　3.4.1　鉴频原理12

　　3.4.2　鉴频电路设计14

　　4　印制电路板图设计15

　　4.1　Protel99SE简介15

　　4.2　Protel99SE制作印制电路板具体设计步骤15

　　4.2.1　设计电路原理图15

　　4.2.2　设计印制电路板图16

　　5　实验结论18

　　参考文献19

　　致谢20

１　　引言

随着人们生活水平的不断提高和电子通信技术的飞速发展，特别是近年来人们生活水平的提高，人们相互之间交往所利用的通信手段也越来越多，并且不断追求生活方式的多样化和个性化；无线通信技术的快速发展给人们工作和生活注入了新的色彩，带来了无限的乐趣。

调频接收是最早的语音接收方式，例如，广播电台就是它的一种形式，这种传统的通信方式在今天依然有着广泛的应用，并且也向着多样化、个性化和微型化的方向发展；随着社会的发展和人们的需求它的作用也在发生着变化，广播收音机虽然现在已经不是人们获取信息的一种主要手段，但是它在很多方面依然发挥着主要的作用，它已经是我们生活的一部分，在我们小集体范围内如：

出租车的无线对讲机、我们所使用的收音机，由于其使用方便、价格低廉、技术成熟、可进行一对多的无线广播等诸多优点，所以将依然会发挥重要作用。

本篇文章主要了解无线调频接收系统的工作原理，各部分电路设计方法及印制电路板绘制，并最终得到一个调频接收系统。

无线调频接收系统是一种信号质量比较好的信号接收系统，可以进行立体声接收。

在调频接收系统的设计过程中，应将其分为高频放大[1]、下变频、中频放大、限幅、FM解调、音频功放等部分。

本设计通过查阅资料，学习高频电子线路理论，对高频电子电路实验箱进行分析测试，设计了各功能电路。

设计使用的测试仪器包括：

万用表、双踪示波器、函数信号发生器、频率计等。

使用Protel99se完成电路原理图及印制电路板图的绘制。

2　　调频接收系统

2.1　调频接收系统原理及组成

无线电信号的接收过程正好和发射过程相反,在接收处,先用接收天线接收到已调电磁波信号,然后从已调电磁波中检测出原始信号。

最后再用扬声器（喇叭）实现电-声转换，将检波取出的音频电流转变成声音。

但是接收天线所收到的电磁波很微弱,为了提高接收系统的灵敏度，需要在检波之前加一级至几级高频小信号放大器，然后再进行混频等处理。

一般的调频接收系统由高频放大器、混频器、本机振荡、中频放大器、鉴频器、低频功放等组成，电路框图如图2-1所示。

图2-1　　调频接收系统方框图

2.2　调频相关概念及技术指标

1、相关概念

①调频（FM）：

载波振幅不变，载波的顺时频率则按照信号的变化规律变化。

②本振频率（LocalOscillator）：

就是LC振荡器，它产生的高频电磁波与所接收的高频信号混合而产生一个差频。

③混频：

混频是指利用非线性元件，例如二极管，把两个不同频率的电信号进行混合，通过选频回路得到第三个频率的信号的过程。

完成这样过程的装置，叫做混频器。

④选频放大器[2]（Frequency-selectiveAmplifier）：

对某一段频率或单一频率的信号具有突出的放大作用，而对其他频率的信号具有较强抑制作用的放大器。

⑤鉴频：

从调频波中再现调制信号的过程。

先将等幅调频波进行频率变换为振幅变化的振荡波，再作振幅检波，得到调制信号。

2、调频接收系统的主要技术指标

①工作频率范围[3]：

接收系统可以接收到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围。

接收系统的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。

②灵敏度：

接收系统接收微弱信号的能力称为灵敏度。

一般用输入信号电压的大小来表示。

接收的输入信号越小，灵敏度越高。

③选择性：

接收系统从各种信号和干扰中选出所需信号（抑制不需要的信号）的能力称为选择性。

单位用dB（分贝）表示，dB数越高，选择性越好。

④频率特性：

接收系统的频率响应范围称为频率特性或通频带。

⑤输出功率：

负载输出的最大不失真功率称为输出功率。

3　　调频接收系统单元电路设计及测试

调频发射系统中调频载波的中心频率为4.5MHz，上变频为12.5MHz，进行功率放大后送天线发射，因此无线调频接收系统由中心频率为12.5MHz的高频小信号放大电路、下变频电路、中频放大、限幅、FM解调、音频功放等部分。

下面详细介绍各电路的功能及设计方法。

3.1　单调谐小信号放大电路

小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。

该电路一般由晶体管Q1、选频回路T1两部分组成。

它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大倍数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1来表示）等。

3.1.1　工作原理及质量指标

高频小信号放大器的各项性能指标及测量方法如下：

1、谐振频率

放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率[4]，对于图3-2所示电路（也是以下各项指标所对应电路），f0的表达式为

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；

CΣ为调谐回路的总电容，CΣ的表达式为

式中，Coe为晶体管的输出电容；Cte为晶体管的输入电容；P1为初级线圈抽头系数；P2为次级线圈抽头系数。

谐振频率f0的测量方法是：

用扫频仪作为测量仪器，测出电路的幅频特性曲线，使电压谐振曲线的峰值点对应的频率为谐振频率点f0。

2、电压放大倍数

放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数Avo称为调谐放大器的电压放大倍数。

Avo的表达式为：

式中，g∑为谐振回路谐振时的总电导。

要注意的是yfe本身也是一个复数，所以谐振时输出电压Vo与输入电压Vi相位差不是180o而是为180o+∮fe。

Avo的测量方法是：

在谐振回路已处于谐振状态时，用高频电压表测量电路的输出信号Vo及输入信号Vi的大小，则电压放大倍数Av0由下式计算：

　或

3、通频带

由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数Av下降到谐振电压放大倍数Av0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为

BW＝

式中，QL为谐振回路的有载品质因数。

分析表明，放大器的谐振电压放大倍数Av0与通频带BW的关系为

上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容C∑为定值时，谐振电压放大倍数Avo与通频带BW的乘积为一常数。

这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。

图3-1　　谐振曲线

通频带BW的测量方法：

是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。

测量方法可以是扫频法，也可以是逐点法。

逐点法的测量步骤是：

先调谐放大器的谐振回路使其谐振，记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数Av0然后改变高频信号发生器的频率（保持其输出电压Vs不变），并测出对应的电压放大倍数Av0。

由于回路失谐后电压放大倍数下降，所以放大器的谐振曲线如图3-1所示。

可得：

通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。

要想得到一定宽度的通频宽。

同时又能提高放大器的电压增益，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减小调谐回路的总电容量C∑。

如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号，则可减小通频带，尽量提高放大器的增益。

4、选择性──矩形系数

调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图3-1所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1Av0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707Av0时对应的频率偏移之比，即

＝

上式表明，矩形系数Kv0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。

一般单级调谐放大器的选择性较差（矩形系数Kv0.1远大于1），为提高放大器的选择性，通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。

可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数Kv0.1。

3.1.2　高频小信号放大电路设计

本系统中天线接收信号的频率fs等于12.5MHz，为高频小信号放大电路的中心频率。

电路中选用39pf的电容C1和中频变压器[5]T601（俗称中周）构成谐振电路，调节中周的磁芯位置可微调谐振电路中心频率。

型号为3DG130D的低压中功率中、高频三极管耐压达75V，最大输出电流500mA，截止频率250MHz，可以满足放大需求。

高频小信号放大单元电路如图3-2所示。

图3-2　　单调谐小信号放大电路

该电路中基极偏置电阻W3、R22、R4和射极电阻R5决定晶体管的静态工作点。

可变电阻W3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而改变放大器的增益。

3.2　模拟乘法器混频电路设计

3.2.1　模拟乘法器混频的工作原理

模拟乘法器的主要作用是实现频率变换。

变频可以把高频信号经过频率变换，变为一个固定中频。

在无线通信系统中，常常需要将信号自某一频率变成另一个频率。

这种频率变换通常是将已调高频信号的载波频率从高频变为中频，同时必须保持其调制规律不变。

这样不仅能满足各种无线电设备的需要，而且有利于提高设备的性能。

对信号进行变频，是将信号的各分量移至新的频域，各分量的频率间隔和相对幅度保持不变。

进行这种频率变换时，新频率等于信号原来的频率与某一参考频率之和或差。

在无线通信系统中，该参考频率通常称为本机振荡频率。

本机振荡频率可以是由单独的信号源供给，也可以由频率变换电路内部产生。

当本机振荡由单独信号源供给时，这样的频率变换电路称为混频器。

为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压Vs和本振电压VL外，不可避免地还存在干扰和噪声。

它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出极产生干涉，影响输入信号的接收。

混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。

本振用于产生一个等幅的高频信号VL，并与输入信号VS经混频器后所产生的差频信号经带通滤波器滤出。

模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的有源非线性器件［６］。

在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与调解的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。

因为模拟相乘器的输出频率包含有两个输入频率之差或和，故模拟相乘器加滤波器，滤波器除不需要的分量，取和频或者差频二者之一，即构成混频器。

采用模拟乘法器实现上述功能比采用二极管和三极管等分立器件要简单得多，而且性能优越，目前在无线通信、广播电视等方面应用较多。

本设计采用集成模拟相乘器MC1496实现混频功能。

图3-3　　相乘混频方框图

图3-4　　混频前后频谱图

图3-3为相乘混频器的方框图。

设滤波器滤除和频，则输出差频信号。

图3-4为信号经混频前后的频谱图。

3.2.2　MC1496工作原理

根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器MC1496［7］是四象限的乘法器。

其内部结构如图3-5所示，图中晶体管VT1～VT4组成双差分放大器，VT5、VT6组成单差分放大器，用以激励VT1～VT4；VT7、VT8、VD及相应的电阻等组成多路电流源电路、VT7、VT8分别给VT5、VT6、提供I0/2的恒流电流；R为外接电阻，可用以调节I0/2的大小。

另外，由VT5、VT6两管的发射级引出接线端2和3，外接电阻Ry，利用Ry的负反馈作用可以扩大输入电压u2的动态范围。

RC为外接负载电阻。

图3-5　　MC1496内部电路及引脚

双差分对模拟乘法器MC1496的差值输出电流为：

MC1496广泛用于调幅及解调、混频等电路中，但应用时VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6晶体管的基极均需外加偏置电压（即在8与10端、1与4端间加电流电压），方能正常工作。

通常把8、10端称为X端Y端，输入参考电压v1；4、1端称为Y输入端，输入信号电压v2。

3.2.3　MC1496静态工作点设置

MC1496可以采用单电源供电，也可以采用双电源供电，此处采用单电源供电。

器件的静态工作点由外接元件确定。

ａ、静态偏置电压的确定

静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集—基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。

根据MC1496的特性参数，对于图3-5所示的内部电路，应用时，静态偏置电压（输入电压为0时）应满足下列关系，即

ｂ、静态偏置电流的确定

一般情况下，晶体管的基极电流很小，对于图3-5，三对差分放大器的基极电流I8、I10和I4可以忽略不记，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源I0的值确定。

当器件为单电源工作时，引脚14接地，5脚通过电阻R5接正电源（+UCC的典型值为+12V），由于I0是I5的镜像电流，所以改变电阻R5可以调节I5的大小，即

PD=2I5（V6-V14）+I5（V5-V14）

根据MC1496的性能参数，器件的静态电流应小于4mA，一般Io=I5=1mA。

3.2.4　模拟乘法器混频电路设计

MC1496可以采用单电源供电，也可采用双电源供电。

本电路中采用＋12V，－8V供电。

R12（820Ω）、R13（820Ω）组成平衡电路，F2为4.5MHz陶瓷滤波器。

图3-6为基于的MC1496的模拟乘法器混频电路。

图3-6　　MC1496构成的混频电路

其中，J8端接收到的12.5MHz调频信号，应在J7端输入8MHz本振信号，经混频后经过4.5MHz陶瓷滤波器滤波取差频，实现下变频得到4.5MHz的调频信号输出。

3.3　集成选频放大电路

3.3.1　中频放大的作用

如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。

因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收系统的选择性指标很高。

中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。

此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成接收。

中放的作用有两个主要作用：

（1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的y参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。

调频接收系统检波前的总增益主要取决于中放。

（2）抑制邻近干扰。

对中放的主要要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。

对于高放，因工作频率fo高，通频带B=fo/QL宽，故高放回路的Q值越高越好，这时不必顾虑B太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。

3.3.2　MC1350放大器

Motorola公司的生产的MC1350［８］是在宽频率范围内带有自动增益控制（AGC）功能的中频放大器，广泛用于收音机和电视机的放大电路中。

图3-7为MC1350单片集成放大器的内部电路图。

输入级为共射-共基差分对，Q1和Q2组成共射差分对，Q3和Q6组成共基差分对。

除了Q3和Q6的射极等效输入阻抗为Q1、Q2的集电极负载外，还有Q4、Q5的射极输入阻抗分别与Q3、Q6的射极输入阻抗并联，起着分流的作用。

各个等效微变输入阻抗分别与该器件的偏流成反比。

增益控制电压（直流电压）控制Q4、Q5的基极，以改变Q4、Q5分别和Q3、Q6的工作点电流的相对大小，当增益控制电压增大时，Q4、Q5的工作点电流增大，射极等效输入阻抗下降，分流作用增大，放大器的增益减小。

集中选频中频放大器中的集中滤波器是经过专门的设计、生产、调试的，它具有近似理想矩形特性的谐振曲线，是分级选频的级联调谐放大器难以达到的，甚至可以说整个接收系统的选择性都可以由集中滤波器来完成。

由于集中选频放大器的选择性好，对干扰信号的衰减很大，如果把它放在中放级的前端，就有利于减少以后各级放大时由于干扰信号引起的交调、互调等非线性失真。

如果能正确地选择和使用高频集成放大器和集中滤波器这两个部件可以大大地简化了高频放大器的设计与调整，缩短线路和设备的设计时间。

图3-7　　MC1350内部电路图

3.3.3集成选频放大器的原理

集成选频放大器的原理如图3-8。

图3-8　　集成选频放大器电路

J2为电路的输入端，J3为电路输出端。

F1为中心频率4.5MHz的陶瓷滤波器，TL084是四输入运算放大器，与MC1350构成带AGC的集成选频放大器，U1B为直流放大器，用于提高控制灵敏度。

拨位开关S1的接通或断开选择是否使用AGC功能。

3.4　正交鉴频电路设计

3.4.1　鉴频原理

鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器。

鉴频原理是：

先将调频波经过一个线性移相网络变换成调频调相波，然后再与原调频波一起加到一个相位检波器进行鉴频。

因此，实现鉴频的核心部件是相位检波器。

相位检波又分为叠加型相位检波和乘积型相位检波，利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波，其基本原理是：

在乘法器的一个输入端输入调频波vs（t），设其表达式为：

式中，mf为调频系数，mf=Δω/Ω或mf=Δf/f，其中Δω为调制信号产生的频偏。

另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波vs（t），设其表达式为

式中，第一项为高频分量，可以被滤波器滤掉。

第二项是所需要的频率分量，只要线性移相网络的相频特性φ（ω）在调频波的频率变化范围内是线性的，当丨φ（ω）丨≤0.4rad时，sinφ（ω）≈φ（ω）。

因此鉴频器的输出电压v0（t）的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位鉴频。

所以相位鉴频器的线性鉴频范围受到移相网络相频特性的线性范围的限制。

鉴频特性

相位鉴频器的输出电压vo与调频波瞬时频率f的关系称为鉴频特性，其特性曲线（或称S曲线）如图3-9所示。

鉴频器的主要性能指标是鉴频灵敏度Sd和线性鉴频范围2Δfmax。

Sd定义为鉴频器输入高频波单位的变化量，通常用鉴频特性曲线vo-f在中心频率f0处的斜率来表示，即Sd=Vo/Δf,2Δfmax定义为鉴频器不失真解调频波时所允许的最大频率线性变化范围，2Δfmax可在鉴频特性曲线上求出。

图中fo为回路的谐振频率，与调频波的中心频率相等。

Q为回路品质因数。

Δf为瞬时频率偏移。

相移φ与频偏Δf的特性曲线如图3-10所示。

由图可见：

在ｆ＝fo即Δf＝0时相位等于0.5π，在Δf范围内，相位随频偏呈线性变化，从而实现线性移相，MC1496的作用是将调频波与调频调相波相乘，其输出经RC滤波网络输出。

图3-9　　相位鉴频特性图3-10　　移相网络的相频特性

分析表明，该网络的传输函数的相频特性φ（ω）的表达式为

当

时，上式可近似表示为

3.4.2　鉴频电路设计

本设计采用正交鉴频（乘积型鉴频器），鉴频器的任务是从调频信号中检出调制信号。

用MC1496构成的乘积型相位鉴频器实验电路如图3-11所示。

其中C13与并联谐振回路L1C18共同组成线性移相网络，将调频波