发射接收系统设计与仿真哈工大高频电子线路课程设计.doc

中波发射及接受机设计
通信电子线路课程设计

专业：通信工程
学生姓名：默迪
学号：
班级：通信四班 1105104

一、课程设计目的及规定 - 1 -
1、中波电台发射系统 - 1 -
2、中波电台接受系统设计 - 1 -
二、日程安排 - 1 -
三、元器件参数 - 3 -
1、2N2222 - 3 -
2、1N4148 - 4 -
3、μA741 - 4 -
4、MC1496 - 6 -
5、BAT85 - 7 -
6、TDA2030 - 8 -
7、1N4001 - 9 -
四、相关理论 - 9 -
五、工作原理及框图 - 13 -
六、各功能电路设计及参数计算 - 15 -
1、AM调幅发射机 - 15 -
（1）本地振荡器（即整体电路中的HB1） - 15 -
（2）射极跟随器（即整体电路中的HB2、HB7） - 17 -
（3）高频小信号放大器（即整体电路中的HB3） - 18 -
（4）单二极管开关状态调幅电路（即整体电路中的HB4） - 19 -
（5）音频放大器（即整体电路中的HB5） - 20 -
（6）高频功率放大器（即整体电路中的HB6） - 21 -
2、超外差式接受机 - 22 -
（1）本地振荡器（即整体电路中的HB2） - 22 -
（2）缓冲器（即整体电路中的HB4） - 23 -
（3）混频器（即整体电路中的HB1） - 23 -
（4）带通滤波（即整体电路中的HB3） - 25 -
（5）低频射极跟随器（即整体电路中的HB6、8、11、12） - 25 -
（6）中频放大器（即整体电路的HB7、10） - 26 -
（7）包络检波（即整体电路的HB5） - 26 -
（8）平滑滤波器（即整体电路的HB13) - 28 -
（9）音频功放（即整体电路的HB9） - 29 -
七、电路仿真及分析 - 29 -
1、系统整机各节点和最终输出的波形分析 - 29 -
（1）AM发射机 - 29 -
（2）超外差接受机 - 31 -
2、频率特性分析 - 37 -
（1）AM调幅发射机 - 37 -
（2）超外差式接受机 - 40 -
3、重要功能电路输入输出电阻分析 - 42 -
（1）射极跟随器的输入输出电阻 - 42 -
（2）高频小信号放大器 - 44 -
（3）高频功率放大器 - 44 -
4、指标规定 - 44 -
（1）AM发射机 - 44 -
（2）超外差式接受机 - 45 -
八、结语 - 45 -

中波调幅发射及接受机设计

一、课程设计目的及规定
1、中波电台发射系统
设计目的是规定掌握最基本的小功率调幅发射系统的设计与安装调试。
技术指标：载波频率535-1605KHz，载波频率稳定度不低于10-3，输出负 载51Ω，总的输出功率50mW，调幅指数30％~80％。调制频率500Hz~10kHz。
2、中波电台接受系统设计
本课题的设计目的是规定掌握最基本的超外差接受机的设计与调试。
技术指标：AM调幅接受系统设计重要技术指标：载波频率535-1605KHz，中屡屡率465KHz，输出功率0.25W，负载电阻8Ω，灵敏度1mV。
二、日程安排
10月26~27日（星期六、日）
查找相关资料，查找给定元器件的相关参数、调幅发射机和超外差式接受机的工作原理和实际的电路构成。拟定设计的整体思绪，划分功能电路，选择设计所需的元器件，学习其在电路中的使用。
10月28日~11月1日（星期一至五）
拟定各电路的设计方案，根据各功能电路的原理图及其工作原理，计算相关参数的理论值，初步各功能电路的设计。
11月2~3日（星期六、日）
对各功能电路和整体电路进行软件仿真，调整电路设计和相关参数，使其满足设计规定，最终拟定各个部分和整体的设计。对仿真结果进行初步的分析。
11月4~8日（星期一至五）
分析仿真结果，撰写设计报告。
三、元器件参数
1、2N2222

2、1N4148

符号
额定值
单位
反向电压
VR
75
V
反响峰值电压
VPM
100
V
正向电流
IO
150
mA
周期性前向峰值电流
IFRM
300
mA
导通电压 (IF=10mA)
VF
0.62
V
反向电流(VR=20V)
IR1
25
nA
反向电流(VR=75V)
IR1
5
μA
电容
CT
4
pF

3、μA741
μA741的内部电路：

相关参数：

4、MC1496
MC1496的内部电路：

典型调幅电路：

5、BAT85
极限参数：
电特性：

6、TDA2030
额定参数：
电特性：

7、1N4001

四、相关理论
调制和解调是通信系统的重要组成部分，没有调制和解调，就无法实现信号的远距离通信。所谓调制，就是将我们要传输的低频信号“装载”在高频振荡信号上，使之能更有效地进行远距离传输。

所要传输的低频信号是指原始电信号，如声音信号、图像信号等，称为调制信号，用uΩ(t)表达；高频振荡信号是用来携带低频信号的, 称为载波，用uc (t)表达；载波通常采用高频正弦波，受调后的信号称为已调波，用u (t)表达。

具体地说, 调制就是用调制信号控制载波的某个参数, 并使其与调制信号的变化规律成线性关系。因此, 对模拟信号具有三种调制方式：调幅、调频和调相。

为了提高信号的频率，以便更有效地将信号从天线辐射出去。由天线理论可知，只有当辐射天线的尺寸与辐射的信号波长相比拟时，才干进行有效的辐射。而我们需要传送的原始信号，如声音等，通常频率较低（波长较长），所以需要通过调制，提高其频率，以便于天线辐射。

为了实现信道复用。假如多个同频率范围的信号同时在一个信道中传输必然会互相干扰，若将它们分别调制在不同的载波频率上，且使它们不发生频谱重叠，就可以在一个信道中同时传输多个信号了，这种方式称为信号的频分复用。

1、振幅调制的分类：
振幅调制可分为普通调幅（AM），双边带调幅（DSB），单边带调幅（SSB）与残留边带调幅（VSB）几种不同方式。

2、普通调幅信号的波形及表达式 ：

由图可见，已调幅波振幅变化的包络形状与调制信号的变化规律相同，而其包络内的高频振荡频率仍与载波频率相同，表白已调幅波事实上是一个高频信号。
可见，调幅过程只是改变载波的振幅，使载波振幅与调制信号成线性关系，即使Ucm变为Ucm+KaUΩmcosΩt，据此，可以写出已调幅波表达式为：


Ma称为调幅系数，Umax表达调幅波包络的最大值，Umin表达调幅波包络的最小值。Ma表白载波振幅受调制控制的限度，一般规定0≤Ma≤1，以便调幅波的包络能对的地表现出调制信号的变化。Ma>1的情况称为过调制。

当为单音频调制时，在已调波中包含三个频率成分：ωc、ωc+Ω和ωc-Ω。ωc+Ω称为上边频，ωc-Ω称为下边频。由此而得到调幅波的频谱如下图所示。

若调制信号的最高频率为fh，则已调信号的带宽为B=2fh。
3、 AM调幅的功率：
已知AM信号的表达式为
则载波功率为

上、下边频功率

总平均功率

4、 普通调幅信号的产生和解调方法
普通调幅是通过将载波信号与调制信号直接耦合或相加之后，通过非线性器件，运用非线性器件在频谱上的线性搬移作用，产生新的频率分量，再通过带通滤波器滤除不需要的频率分量，从而产生调幅信号。
解调方法涉及包络检波和同步检波。包络检波运用普通调幅信号的包络反映调制信号波形变化这一特点，将包络提取出来，从而恢复本来的调制信号。同步检波必须采用一个与发射端载波同频率同相的信号，这个信号称为同步信号。

五、工作原理及框图
AM调幅发射机原理及框图：
主 振 器
缓 冲 器
高频放大器
振幅调制器
高频功率放大器
低频放大器
前置放大器
声电变换器

其中主振器提供频率稳定的载波信号，缓冲器为主振器提供合适负载，并是主振器与下级高平放大器隔离，减小后级对主振器的反馈的影响。由于主振器输出信号的电压幅度一般较小，所以使用高频放大器将信号放大，使信号幅度满足振幅调制器的规定。振幅调制器完毕将调制信号与载波信号混频的功能，并通过带通滤波器将不需要的频率分量滤除，之后将已调信号送入高频功率放大器，放大信号功率。
超外差式接受机的工作原理及框图：

混 频 器
中频放大器混 频 器
检 波 器
低频电压放大器
低频功率放大器
本地振荡器

天线接受到高频已调信号，通过带通滤波器滤波后进入混频器，在混频器内与本地振荡器输出的高频信号相乘，产生中频和高频两部分信号分量，再通过一个低通滤波器滤除高频分量，完毕了将已调信号在频谱上线性搬移到中频的过程。中频为一固定值，因此，减少了后级中频放大器的设计难度。检波器将已搬移到中频的已调信号的包络检出，经低频电压放大器放大电压，低频功率放大器放大功率后，加载到负载上。

六、各功能电路设计及参数计算
1、AM调幅发射机
整体电路：

（1）本地振荡器（即整体电路中的HB1）

AM调幅发射机的本地振荡器采用克拉泼振荡电路，VCC为直流输入端，为电路供应12V直流电压，gnd为接地端，三极管通过tiaozheng端外接一可变电阻作为射极电阻，调整射极电阻可帮助振荡器起振。
由芯片手册可知，2N2222三极管的输入电容Cibo=30pF，输出电容Cobo=8pF，则C1’，C2’，CΣ分别为：

振荡频率为：

三极管输入输出电容的变化量对谐振回路的接入系数分别为：

则仅考虑电容变化对频率的影响时，相对频率稳定度为：

（2）射极跟随器（即整体电路中的HB2、HB7）

图中Vcc为直流电压输入端，gnd为接地端，IN为信号输入端，OUT为信号输出端。本电路是一种自举式的跟随器，由于R7的下端电位随上端电位升曾而升高，故称为自举，自举作用使R7两端的交流压降为零。所以对交流来说，R7相称于开路，从而避免了偏置电路减少了输入阻抗的缺陷。又由于采用Q1和Q2组成复合管电路，对于较低频率时β=β1β2，由于输入阻抗Ri=Rbe+(1+β)Reo，所以使总的输入阻抗大大提高。

（3）高频小信号放大器（即整体电路中的HB3）
图示为高频小信号放大器，各端口功能与射极跟随器中一致。图中R3、R4为偏置电阻，为三极管提供合适的静态工作点，使三极管工作在线型区，避免输出信号产生非线性失真。三极管负载为选频网络，选频网络的谐振频率设立为载波频率。由于三极管输出电阻较小，为减小对选频网络的影响，采用部分接入的方式。根据相关理论，可计算出此高频小信号放大器的放大倍数为（假定放大器负载为1KΩ左右）：

（4）单二极管开关状态调幅电路（即整体电路中的HB4）

载波和调制波分别通过T2、T3两个变压器耦合，加载到二极管D1两端。设调制波为u1，载波为u2。由于载波幅度远大于调制波，所以二极管的的通断状态由u2控制。则二极管的开关状态可表达为：

电流可表达为：

由于K（wt）是角频率为w2的周期函数，故可将其展开为傅里叶级数,用K(w2t)表达：

则电流可表达为：

其中除w2+w1、w2-w1、w2之外的频率分量通过二极管后的滤波器滤除。当使用当谐振回路做滤波时，由于希望尽也许的克制除w2+w1、w2-w1、w2之外的频率分量，所以需要增长谐振网络的品质因数，但品质因数的增长将导致通带宽度的减小，对两个边频产生克制。

因此使用双谐振回路，将两个谐振点设立在载波频率两侧，这样既可以获得足够的带宽使边频通过，又可以对其他频率分量产生足够的克制，可以达成较好的滤波效果。
（5）音频放大器（即整体电路中的HB5）

一般，输入的音频信号较小，不能直接作为调制信号进行混频，所以需要用音频放大器对其进行放大。根据集成运放“虚短”、“虚断”的特点，很容易得到：

则此音频放大电路对音频信号的电压放大倍数为30倍。
（6）高频功率放大器（即整体电路中的HB6）

根据图中所示电路参数，可计算通角为：

功率放大器工作在甲乙类状态。抱负效率大于50%，小于78.5%。
由于功率放大器工作在甲乙类状态，因此三极管集电极输出波形失真，因此接一选频网络恢复波形。由于并联谐振回路的输入电源必须为电流源，否则达不到选频效果，因此，为使三极管的输出等效为一电流源，需要在集电极串接一小电阻。在实际电路中，由于三极管自身有输出电阻，因此并不需要额外串接电阻。
2、超外差式接受机
整体电路：

（1）本地振荡器（即整体电路中的HB2）

电路的参数计算与发射机中的振荡器相同，只是振荡频率比发射机的振荡器高465KHz。
（2）缓冲器（即整体电路中的HB4）

与发射机中的缓冲器相同，也是自举式射极跟随器。参数设立只有细微差异，基本原理相同。
（3）混频器（即整体电路中的HB1）

MC1496内部电路

图中Uc端输入接受机的产生的高频振荡信号，Us端输入接受到的AM调幅信号，
乘法电路将两信号相乘，由于接受机的振荡器的振荡频率比AM信号的载波频率高465KHz，因此，在频谱上，接受到的AM信号被从原载波频率两侧，搬移到465KHz的中频两侧和2.7MHz两侧，完毕对频谱的线性搬移。
（4）带通滤波（即整体电路中的HB3）

IN为率波电路的输入端，OUT为输出端。C13和L3组成并联谐振回路，谐振频率在中频附近，形成一个带通滤波器。L6、R21和C17组成串联谐振回路，谐振频率为2.7MHz左右，形成一个带阻滤波器，有效遏制2.7MHz左右的高频分量。
（5）低频射极跟随器（即整体电路中的HB6、8、11、12）

图中U1可用μA741等符合条件的集成运放代替。
（6）中频放大器（即整体电路的HB7、10）

采用单二极管放大电路，三极管为共射接法。三极管基极的静态电压为：

三极管工作在线型区。
（7）包络检波（即整体电路的HB5）

根据图示参数，可计算出二极管的通角为：

则电压传输系数为：

输入电阻：

频率失真分析：

惰性失真分析（假定ma=0.6）：

满足不会出现惰性失真的条件。
负峰切割失真分析（假定ma=0.6）：

由于下级为跟随器，所以负载电阻远大于R，所以：

（8）平滑滤波器（即整体电路的HB13)

IN为输入端，OUT为输出端，C14和L4组成并联谐振回路，谐振频率为：

形成带通滤波器。C15对低频具有较大电抗，对高频电抗很小，可以进一步克制高频分量。

（9）音频功放（即整体电路的HB9）

七、电路仿真及分析
1、系统整机各节点和最终输出的波形分析
（1）AM发射机
整体仿真电路

振荡器的波形为：

混频器的输出波形为：

可见包络并不十分平滑，输出信号中具有少量高频噪声。
高频功放的输出波形：

可见，输出信号明显放大，但包络上仍有毛刺。
（2）超外差接受机
整体仿真电路

本地振荡器连接在系统中时的输出频率为：

输出波形为（即XSC1的波形）：

输出波形频率较为稳定，但幅度有些波动。

缓冲器的输出波形（即XSC2的波形）：

由波形图可见，进过跟随器信号幅度减小，但幅度更加稳定。

混频器的输出波形（即XSC3的波形）：

将时间轴拉开看到的波形：

由波形图即可看出信号中具有高频分量。
带通滤波器的输出波形（即XSC4的波形）：

包络与滤波前基本一致。
将时间轴拉开看到的波形：

输入信号中的高频分量被滤除，输出为标准的调幅信号，频谱只包含载波分量和上下边带。
两级中频放大后的波形（即XSC6的波形）：

输出电压幅度明显放大，但包络产生失真。分析失真因素为：中频放大的后级为二极管包络检波器，当电压大于0时，二极管正向导通，导通电阻较小，中放负载较小，因此输出电压幅度较小，电压小于0时，二极管截止，电阻较大，中放负载较大，因此输出电压幅度较大，所以输出波形上包络幅度小，下包络幅度大。

包络检波器的输出波形（即XSC7的波形）：
可见，输出信号中除恢复出的原音频信号外，尚有少量高频信号，因此，后级接平滑滤波器，滤除高频分量。
平滑滤波器的输出波形（即XSC8的波形）：

滤波效果良好，但波形略有失真。
音频功放的输出波形（即XSC9的波形）：

图中细线表达音频功放的输出波形，粗线为抱负的10KHz、2V的正弦波。对比可见，系统总的输出基本没有失真。

2、频率特性分析
（1）AM调幅发射机
A、 高频小信号放大器
电路如图：

对其进行交流分析，得到频谱特性如下：

可见，高频小信号放大器对载波附近的频率有较好的放大作用，而对其他频段相对为克制作用，因此，不会减少载波的稳定度。
B、单二极管调幅电路
电路如图：

对其进行交流分析，获得其频谱特性如下：

其频谱特性重要取决于二极管后的滤波电路，根据频谱图可以看出，其在载波频率附近具有平顶，可是具有一定带宽的调制信号几乎无失真的通过，而对于其他频率则具有较好的克制作用，可将二极管输出的其他分量滤除。
C、高频功率放大器
电路如图：

对其进行交流分析：

由于高频功率放大器工作在甲乙类状态，三极管输出的电流波形失真，所以需要后接选频网络将波形恢复，为克制其他频率分量，选频网络应具有较大的品质因数，但对于单调谐回路，品质因数增大，通带必然减小，会导致对载波两侧的边带信号的克制，导致ma值的减小。所以，应考虑使用如单二极管调幅电路中的双调谐回路增大通带。
（2）超外差式接受机
A、 混频器后的带通滤波电路
电路图如下：

对其进行交流分析，结果如下：

由于乘法器的线性搬移作用，调幅信号被从1.12MHz附近搬移到465KHz中频附近和2.7MHz附近的高频段。有频谱图可以看出，此带通滤波器在465KHz附近形成足够的通带，可使被向下搬移到465KHz的信号顺利通过，且由于通带具有凹顶，因此对于边带信号，此滤波器对于载波有一定克制作用。此外，频谱在2.7MHz附近形成阻带，可进一步克制不需要的2.7MHz附近的高频分量。由于乘法器输出的信号除在465KHz中频、2.7MHz高频附近外，其他频率分量较少，因此对其他频段的频谱特性规定不严格。
B、包络检波后的平滑滤波器
电路如下：

其频谱特性如下：

可以看出其为低通滤波电路，通过克制465KHz附近的高频分量达成平滑波形的作用。
3、重要功能电路输入输出电阻分析
（1）射极跟随器的输入输出电阻
A、 输入电阻
测试电路如图：

其中电流表的示数为：

则可计算出输入电阻为：

B、输出电阻
测量电路如图：

电流表达数：

则输出电阻为：

用同样方法可测得：
（2）高频小信号放大器
输入电阻：244.69Ω 输出电阻：993.05Ω
（3）高频功率放大器
输入电阻：139.66Ω 输出电阻：3.62Ω
4、指标规定
（1）AM发射机
根据上述分析，可得出结论：载波频率1185KHz，载波频率稳定度约为10-4，当输出负载51Ω，负载上加载的电压平均幅度3V以上，总的输出功率大于50mW，调制频率500Hz~10kHz时，调幅指数约为60%。综上，满足指标规定。
（2）超外差式接受机
根据上述分析，可得出结论：可接受载波频率1185KHz、幅度0.8mV以上的普通调幅信号，中屡屡率为465KHz，可在8Ω负载电阻上产生超过2V的电压信号，输出功率大于0.25W。综上，满足指标规定。
八、结语
本次设计的AM调幅发射机、超外差式接受机都只能发生或接受载波为1185KHz的普通调幅信号，即仅能发生、接受一个电台，且与实际电路设计相差甚远。通过这次课程设计，我学会了许多书本上没有的知识，结识到了自己在学习中存在的局限性，在以后的学习中，要加强理论与实践的结合。