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1、本科毕业设计论文中南民族大学毕业论文(设计)学院： 电子信息工程学院 专业： 电子信息工程 年级： 2007 题目: 基于短波调频通信机的锁相环频率合成器设计 学生姓名： 学号：07071178指导教师： 职称: 副教授 2011年5月20日III中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日目 录摘 要IAbstractI第1章 绪 论21.1 研究背景介绍21.2 本
2、文写作目的21.3 本文结构3第2章 系统模型、框图及指标32.1 短波通信机的通信系统模型32.1.1数字通信系统模型32.1.2模拟通信系统模型41.3 短波通信机的通信系统框图51.4 短波通信机的主要技术要求5第3章 信号源的设计63.1频率合成器参数设计63.1.1 参考频率选择63.1.2 截止频率与阻尼系数选择73.1.3 压控灵敏度73.1.4 鉴相增益83.1.5 环路增益与稳态相差83.2 频率合成器硬件电路设计93.2.1 压控振荡器设计93.2.2环路滤波器设计93.2.3语音处理电路设计103.2.4数字码流接口设计113.3 电磁兼容设计123.3.1 系统电源设计
3、125.3.2 布局与布线设计123.4 接口设计143.5 主要指标分析153.5.1 锁定范围153.5.2 寄生调频153.5.3 捕捉时间163.5.4 边带噪声16第4章 天线的设计16第5章 功放的设计185.1电路设计185.1.1 方案及框图185.1.2 硬件设计195.1.3测试及分析215.1.4射频功放实物图及电磁兼容设计225.2 本机的测试结果235.2.1 单独测试结果235.2.2 与信号源部分连接测试结果24第6章 接收机的设计256.1硬件电路设计256.1.1输入调谐及电阻匹配网络266.1.2混频及鉴频解调电路276.1.3中频滤波器286.1.4 并联
4、双调谐回路286.1.5音频功率放大296.1.6 2FSK消抖电路296.2接收机测试结果及分析30第7章 微控制器的实现317.1 码型的选择327.1.1 传输码型选择的原则327.1.2 常用码型的基本原理337.1.3 曼彻斯特码编解码方案及实现367.2 同步377.2.1位同步377.2.2数据帧格式43第8章 测试平台及系统测试46第9章 总结51致 谢52附录54摘 要随着无线通信技术的发展，无线通信产品越来越普及。本课题是对一个工作在短波段的通信系统的研究，该通信机可实现一定距离的无线传播包括：语音传输（模拟）和短消息传输（数字），并且含有40个信道自由选择。其中能锁定的输
5、入信号可以小于1mV，传输码率：2kb/s。在短波通信系统中，射频接收机位于无线通信系统的最前端，其结构和性能直接影响整个通信系统。如何在包含有噪声的信号中解调出基带信号是本系统设计的关键，本系统基于超外差接收原理，采用窄带调频接收芯片MCl3135，中频滤波器尝试使用双调谐回路取代传统的陶瓷滤波器，其优点是保证其选择性的同时扩大系统带宽，可以满足系统数字通信所需的带宽，从而实现语音和数据的双重通信。该设计在对超外差式接收机研究的基础上，突破了以往接收机带宽限制，并应用于短波通信系统中，具有使用价值。该系统硬件主要由信号源、发射机、接收机、收发天线等模块组成。其中，信号源部分采用锁相频率合成的
6、方法实现基带信号的调制，由于接收部分采用超外差的方式解调，信号源同时对其提供一个相应的本振。功放是短波通信系统中一个重要的部分，本系统以HEXFET做功率管取代传统专用的射频功率MOSFET来完成一个短波功率发射机。短波通信是天波传播的，所以采用半波偶极子天线作为发射天线，环天线作为接收天线，并且采用变压器式巴伦和单支节匹配法阻抗变换。接收部分采用超外差的方式实现解调。微控制器的功能包括控制数字和语音通信的切换，人机界面交互，信道搜索，以及对数字信号基于曼彻斯特码的编码与解码、位同步与帧同步、CRC校验等。最后在仿真及分析的基础上，实际制作出实物，对整个系统进行调试，测试数据并进行分析，完成了
7、基本的数据和语音通信，相应的具体指标达到设计要求。关键词： 短波通信，锁相频率合成，HEXFET，巴伦，超外差，双调谐回路IAbstractKeywords: 第1章 绪 论1.1 研究背景介绍 短波通信是利用波长为100m10，频率为MHz30MHz的电磁波进行的无线电通信，主要靠天波传播，可经电离层一次或数次反射，最远可传上万公里，广泛用于语音、电报和数据传输。长期以来，由于短波通信的固有特点，短波无线电通信多年来一直被广泛地用于政府、外交、气象、商业等各个部门，用以传送语言、文字、图像、数据等信息；同时，它也是高空飞行和海上航行的必备通信方式；尤其在军事部门，它始终是军事指挥的重要手段之
8、一。 短波通信技术发展状况 尽管当前新型无线通信系统不断涌现，短波这一最古老和传统的通信方式仍然受到全世界的普遍重视，在卫星通信和移动通信快速发展的今天，短波通信不仅没有被淘汰，还在快速发展。这是因为虽然卫星通信相对短波通信能为用户提供宽得多的频带以及稳定的高质量通信线路，但事实上，它还不能从根本上取代短波无线电通信。另外，并不是所有用户都需要卫星，都能得到卫星提供的通信线路。尤其在军事通信领域，卫星易于被敌方摧毁，这己经成为信息战中的一个严重问题。因此，由于具有不可替代的重要作用，短波通信重新引起了世界各国的高度重视，诸多机构都在不遗余力地进行研究。1短波通过直射波传递，也可以通过天波传播，
9、因而短波是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段；2短波的抗毁能力和自主通信能力极高；3短波能覆盖到超短波覆盖不到的地区，如山区、戈壁、海洋等地区；4与卫星通信相比，短波通信不用支付话费，运行成本低。目前，它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面； 在军事应用、应急求援和业余无线电等领域扮演着重要角色，发挥出巨大作用2。1.2 本文写作目的本文详细讲述了一个工作在29.530.5MHz的短波通信系统的设计，该短波通信系统可进行单工语音通信和短消息通信。语音通信采用模拟调频(FM)方式；数字通信采用2FSK调制方式，使用曼彻斯特码作为其信道传输码型。本文对该短波通信系统的模拟传输
10、和数字传输都做了详细讲述，采用所想频率合成设计信号源，AB类放大器来设计射频功放，采用超外差原理设计接收机，并设计了用于发射和接受的天线。经过实验测试，该系统能够实现了较为良好的语音通信和稳定可靠的数字传输。1.3 本文结构本文首先介绍了该短波通信系统设计的选题背景及研究背景，分析了设计的理论依据，给出系统设计的总体方案，然后分章节对该短波通信系统硬件系统设计与实现方案、电磁兼容等方面进行了详细的论述，最后给出短波通信系统的调试结果，并总结全文的工作。全文组织结构如下：第1章 绪论：短波语音数字通信系统介绍第2章 论述了系统模型、框图及指标第3章 详细介绍了信号源的设计第4章 详细论述了天线的
11、设计第5章 详细论述了功放的设计第6章 详细论述了接收机的设计第7章 详细介绍了微控制器的实现第8章 系统的测试结果及及总的结论；第9章 总结本文的主要工作。第2章 系统模型、框图及指标2.1 短波通信机的通信系统模型2.1.1数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，其一般模型如图1所示3。由图1可见，数字通信涉及的技术问题很多，主要包括信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密和解密等。图1数字通信系统的一般模型本课题的通信系统是简化的数字通信模型，如图2所示。其信道传输码采用曼彻斯特码（编解码及校验由MSP430单片机完成），数字调制采用2FSK调
12、制（调制在锁相环芯片MC145152上完成，解调在接收机芯片MC13135上完成），校验采用CRC校验。图2 本课题的数字通信系统模型该系统实现的重点和难点在于如何解决同步和误码的问题，这会直接影响到通信系统的性能指标。因而选择合适的信道传输码，使用较为简单的方法实现同步，提高系统的信噪比以及降低误码率等是本课题需要解决的问题。2.1.2模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，其一般模型如图3所示。图3模拟通信系统的一般模型本课题模拟调制采用调频方式（调制在锁相环频率合成器上完成，解调在接收机上完成）1.3 短波通信机的通信系统框图本课题研究一个工作在短波波段的通信系统
13、，以实现短距离无线通信为主要目的。系统框如图1、2所示。图4发送端结构框图图5 接收端结构框图模拟信道分为发射机，接收机，频率合成，天线四部分，完成语音信号和数字信号的调制、发射、接受及解调等功能，最终还原出基带信号。对于基带信号，分为数字和语音信号，由于共用一个信道，采用微控制器进行判定分流，若为语音信号则送个语音功率放大器处理，启动音响；若为数字信号，则由单片机进行解码。1.4 短波通信机的主要技术要求本课题是基于一个工作在短波段的通信系统的频率合成器的研究，该通信机可实现一定距离的无线传播。其实现的功能：1) 语音传输（模拟）2) 短消息传输（数字）为此提出的系统设计指标如下表所示，工作
14、方式单工通信频率范围29.5MHz30.5MHz信道带宽50kHz模拟调制FM模拟信号带宽300Hz3400Hz数字调制2FSK信道数20 第3章 信号源的设计3.1频率合成器参数设计3.1.1 参考频率选择 锁相环系统中，参考频率的选择与环路滤波器截止频率的选择有很大关系。若参考频率过低，从整个锁相环呈二阶低通特性来看，为了滤除鉴相纹波，就要降低环路的截止频率，而环路截止频率过低就会使环路捕捉时间过长，整个环路的抗震性能就会降低；会使频道转换时间过长，从而使信道扫描时间过长。所以理论上讲，增大环路的参考频率有利于减小环路的捕捉时间。在本系统中，用于接收机的频率合成器频率范围为29.5MHz3
15、0.5MHz； 用于发射机的频率范围：29.965MHz30.965MHz，送给发射机的调频信号的载波频率与送给接收机的本振信号的频率相差一个中频465KHz。本振信号与载波的频率变化范围刚好为1MHz，又因为系统的信道数为40、信道间隔为25KHz，故参考频率必须是信道间隔25KHz的约数，又因为中频465KHz不是25KHz的倍数，故不能用25KHz作为参考频率，综合以上几个因素，采用5KHz作为系统的参考频率。3.1.2 截止频率与阻尼系数选择 从环路的寄生调频来看，因为环路的参考频率的取值为5KHz，所以鉴相器的输出为5KHz的脉冲波冲，要想减小环路的寄生调频，就必须减小压控振荡器控制
16、电压的波动，而压控振荡器的电压波动和环路的截止频率的设定紧密相关，只有当环路截止频率远小于参考频率，才能把鉴相器的输出脉冲的幅度衰减到整个通信系统可以接受的成度。从环路的捕捉时间来看，环路截止频率越低，环路的捕捉时间就越长，环路的抗震性能就越低，环路的信道切换时间就会越长。环路的捕捉时间： （）其中，为锁相环的固有频差、为阻尼系数、为自然谐振频率。从锁相调频的角度看，短波调频通信机的语音信号的频率范围为300Hz3400Hz，也就是调频通信的基波频率范围为300Hz3400Hz，锁相环在调频通信中工作于载波跟踪状态，其环路截止频率必须远小于语音信号的最低频率300Hz。综合以上各方面因素，最后
17、取环路自然谐振频率为，而对于理想二阶环，环路截止频率与环路自然谐振频率有如下关系： （2）锁相环的阻尼系数与环路滤波器的设置以及整个环路的稳定性有很大关系，阻尼系数越小，环路稳定性越差，阻尼系数越大环路稳定性越好。工程上一般取左右，这里我们的设计中取阻尼系数。此时二阶环的环路截止频率与环路自然谐振频率关系为。3.1.3 压控灵敏度 从环路的寄生调频来看，若环路的压控灵敏度过高，环路滤波器的输出的压控振荡器的控制电压上的噪声对压控振荡器的作用就会很明显，导致环路存在一个不可忽略的寄生调频。从这个角度看，降低压控灵敏度有助于减小系统的寄生调频。从环路增益来看，压控灵敏度越高整个环路增益越大，环路的
18、稳态相差就越小。从这个角度看，增大压控灵敏度有助于增大环路增益，减小稳态相差。实际制作中，选用变容二极管SVC201，该变容二极管的反向电压变化范围为1V9V，其容变化范围为10.17pF37.45pF，电容的覆盖系数为3.68。而短波通信机的工作频率在30MHz频点附近，频率覆盖系数约等于1，故变容二极管的电容的覆盖系数大于通信机的频率覆盖系数。可实现对压控振荡器在系统工作频率范围内的控制。3.1.4 鉴相增益鉴相器的鉴相增益与环路增益有紧密关系，鉴相增益越大环路增益越大。本系统中，环路增益越大，鉴相器输出的脉冲的宽度越窄，越有利于环路对其滤波的效果，从而可以减小寄生调频。因此，应该提高鉴相
19、器的鉴相增益。3.1.5 环路增益与稳态相差压控振荡器的控制电压是鉴相器输出的脉冲经过环路滤波器后所得的平均值，环路滤波器的直流增益一定，故当压控振荡器的控制电压一定的情况下，提高环路增益可以降低鉴相器输出脉冲的宽度，而环路锁定时的稳态相差与鉴相器的输出脉冲宽度呈正比。故提高环路增益可以减小环路的稳态相差。减小系统的稳态相差73.2 频率合成器硬件电路设计3.2.1 压控振荡器设计压控振荡器采用电容三点式振荡电路，其具体电路如下图所示：图8 压控振荡器电路该电路前级采用射级输出电容三点式振荡电路，增大振荡电路的带载能力。电路分两级，第一级为振荡电路，第二级为缓冲电路，第二级的输出一边送到后级运
20、放进行电压电流放大，一边送到可变前置分频器MC12022进行分频。电路中，VCON为与环路滤波器的输出接口，经过10K的隔离电阻作用于变容二极管SVC201，电感的取值为1uH，由于环路工作于30MHz频点附近，故振荡电路中的三极管采用高频三极管9018，三极管参数的幅频特性和相频特性曲线如图 所示。图 三极管参数的幅频特性和相频特性曲线9018的特征频率为1.1GHz，由图可知，9018可很好的工作于30MHz频点附近。3.2.2环路滤波器设计 考虑滤波特性，在RC积分滤波器、RC比例积分滤波器、有源滤波器等诸多滤波器中，首选有源滤波器。有源比例积分滤波器由运算放大器和RC网络组成，电路构成
21、如图7 所示 图12其传输算子为 （5）式中，。当A1、，1时，可近似为 （6）该式可表示为比例环节和理想积分环节之和，故可称次滤波器为理想比例积分滤波器。由于是一相位超前因子，这种滤波器也可以改善环路的稳定性。同样，两个可调参数和也给环路的设计带来灵活性，可将和分开单独设计。 （） （）其中：为环路总分频比，由P、A、N值共同确定 为鉴相器增益系数，：环路阻尼系数，本设计取1:环路自然角频率，本设计取: 压控振荡器增益系数，集成运放采用OP07，该运放输入失调电压极低，功耗小，线性范围大，频率响应好，从而使该滤波器具有较好的滤波特性。3.2.3语音处理电路设计麦克风输入的语音信号处理电路如下
22、：图14 语音处理电路一般来说，语音信号的频率范围为300 Hz3400 Hz，故麦克风输入的语音信号经过第一级运放的放大，后经带通滤波器进行滤波，带通滤波器的两个截止频率取300 Hz和3000 Hz左右，经滤波后再经运放放大后耦合到压控振荡器的电压控制端口。运放采用常用的音频运放NE5532，其带宽增益积为10 MHz，能很好的工作于音频频段。3.2.4数字码流接口设计 数字信号的输入调理电路如下：图15 数字信号的输入调理电路DIN为单片机的数字信号输入，其幅度为3.3V，信号经过一级运放进行幅度调理后，输出DOUT耦合到压控振荡器的电压控制端口，运放同样采用NE5532。3.3 电磁兼
23、容设计3.3.1 系统电源设计系统所用频率合成芯片MC145152-2和双模前置分频器所用的供电电压为+5V，环路滤波器中的运放、语音处理电路及数字码流接口电路所用供电电压为12V，而压控振荡器中三极管9018采用+12V电源供电，压控振荡器后级输出运放采用5V电源供电，故本系统要设计5V和12V的电源。若电源的去耦没做好，就会有50Hz或100Hz的电源纹波，该纹波会带来寄生调频从而影响调频的性能，因此要在电源电路中做好去耦合。另外，在PCB版图中，芯片的电源脚附近要接去耦电容，一般来讲，每个芯片的电源引脚附近都要接较小的0.1uF去耦电容，较近的几个电源引脚可共用较大的10uF的去耦电容。
24、由于系统工作于30MHz，频率很高，所以电源之间的隔离也要做好。图16 12V电源电路 图17 5V电源电路5.3.2 布局与布线设计由于整个锁相环系统工作于30MHz的较高频率，因此系统的PCB中电源与地的布局尤为重要，处理不好会导致各种各样的问题，比如系统不稳定，锁相环输出寄生调频比较严重等。本系统的PCB图如下所示：图18 用于接收机的频率合成器PCB图图19 用于发射机的频率合成器PCB图在本系统PCB设计中，充分考虑了电磁兼容，PCB版图中，严格避免了地线行成环路从而带来的电磁干扰，同时采用单点接地的方法充分对数字地和模拟地进行了隔离，地线和电源线的走线都比较宽，从而减小了走线上电感
25、和电阻带来的影响。另外用于输出缓冲的高速运放OPA843也尽量缩短了其反馈线的长度以避免寄生电容对放大电路产生的影响。输出到发射机和接收机的输出接口都用的SMA屏蔽头以减小外界的干扰并减小输出对前级的辐射，避免运放发生自激振荡。3.4 接口设计频率合成器的输出缓冲电路如下：图？ 频率合成器的输出缓冲电路由于接收机的输入阻抗为50，故在用于接收机的频率合成器的输出级运放的输出端串联了51的电阻以达到阻抗匹配，使功率传输的效率最大。频率合成器与接收机的连线采用30cm的屏蔽线，由于系统工作在30MHz频点附近，故输出信号的波长大约为10m，30cm的屏蔽线与10m相比就非常小了，其中的驻波比就很小
26、，可以忽略由于连线带来的反射。与发射机的连接一样，也采取在输出端串联电阻的方法达到阻抗匹配，同样采取了30cm的屏蔽线作为连线。3.5 主要指标分析3.5.1 锁定范围系统要求用于接收机的频率合成器的输出频率范围：29.5MHz30.5MHz，用于发射机的频率合成器的输出频率范围：29.965MHz30.965MHz，故锁相环必须在29.5MHz30.965MHz的频率从范围内工作于锁定状态，考虑到一定余量，本设计的锁相环锁定范围为29MHz31.5MHz，实测发现锁相环确能在29MHz31.5MHz的频率范围内保持锁定状态。3.5.2 寄生调频实际调试中，发现环路锁定时有一定的鉴相纹波，此鉴
27、相纹波是由在环路锁定时，参考信号相位超前于反馈信号引起的。经过环路滤波器滤波后，其实际波形如下所示：图22 压控振荡器控制电压波形其为5KHz的脉冲波，该鉴相纹波电压会产生寄生调频。要想提高环路对该干扰的抑制能力，必须注意下面几点：(1) 尽量提高参考信号频率、减小环路自然谐振频率；(2) 精心挑选关键性元器件，以减小纹波电压；(3) 在保持、不变的前提下，尽量增大鉴相灵敏度。实际工程中往往是由所选定的电路决定，不易改动，、也不能任意改变，所以普通的二阶环有时难于满足指标要求，必须采取一定的措施。措施之一就是在二阶环中增加一辅助低通滤波器以提高环路对杂波的抑制能力。增加辅助低通滤波器后环路滤波
28、器传递函数可表示为当0.6，=1/5时，附加低通滤波器对原二阶环的稳定余量基本上无影响。当时，附加的低通滤波器对杂波抑制度有改善作用。因 故杂波抑制度的改善量为 实际调试中并没有彻底解决该问题，综合各方面原因考虑，可能是PCB布局不够合理造成的，还有改进的余地。3.5.3 捕捉时间3.5.4 边带噪声第4章 天线的设计4.1.1框图及指标天线部分主要是设计和制作短波通信系统的发射和接收天线，30MHz点频，带宽1MHz，50欧姆端口。半波偶极子天线作为发射天线；环天线作为接收天线。采用了频带较宽且具有阻抗变换功能的变压器式巴伦，以及单支节匹配法阻抗变换；最终在频带内驻波比小于2，通信效果良好。
29、半波偶极子天线的系统框图如下图（图2.1）所示：由图2.1可知，一个完整的偶极子天线由三个部分组成：天线振子、巴伦和匹配。其中巴伦和阻抗匹配不是必需的，但是为了提高天线的发射效率等，它俩是必须考虑的。中心频率MHZ30发射效率大于50%频率范围MHZ29.530.5方向性全向驻波比小于3通信距离大于10km4.1.2 硬件制作4.1.3 测试及分析第5章 功放的设计5.1电路设计功放的主要功能是将信号源送来的调制信号进行功率放大后送至天线，是短波通信系统中一个重要的部分，其设计的优劣决定了短波通信能否有效进行。该部分以HEXFET做功率管取代专用的射频功率MOSFET来完成一个短波功率发射机的
30、设计。功放的指标要求如表22所示工作频率范围输入输出阻抗输出功率（有效值）谐波抑制比29.530.5MHz50欧10W优于20dB表？功放的技术指标5.1.1 方案及框图功放的原理框图如下图所示，前级将频率源送来的高频已调信号放大到合适的幅度以驱动功率级，并且由它的输入匹配电路实现本机与频率源的阻抗匹配。功率级负责将电源提供的的能量转换为负载所需的交流信号能量，使得载波具有足够大的发射功率。在把功率载波信号送至天线发射之前，一般还要先经过低通滤波器，以提高发射的载波信号的频谱纯净度。功率测量是功放的一个附加功能，方便使用者实时获知当前的发射功率。图？原理框图根据设计指标的要求，要达到50%的效
31、率，只能选用甲乙类或者丙类功放。丙类功放的效率比甲乙类功放效率高，但是带宽窄，灵活性差，考虑到系统设计的灵活性，采用甲乙类功放更有利于方便地将高频功放模块应用于不同工作频率的场合，因此本机采用甲乙类功放。本机的功率级即为输出级，功率管工作在甲乙类状态。专用的射频功率MOSFET虽然性能良好满足设计要求，但是价格相当昂贵故使用价格低廉、容易获得的HEXFET替代专用射频功率MOSFET来设计功放部分。5.1.2 硬件设计前级电路原理图如下图6所示，Q1采用的是中功率高频三极管2N3866提供10倍幅度放大，输出功率可达？W。图6功率放大电路采用什么原理达到什么目的，理论输出功率最大可达5.76W
32、，满足输出功率大于1W的指标要求。图？功率级电路 (3) 低通滤波器与功率测量电路图？低通滤波器与功率测量电路原理图输出滤波器按照五阶巴特沃斯低通滤波器设计，截止频率设定为40MHz。5.1.4射频功放实物图及电磁兼容设计高频功率放大电路采用双面板设计，电路板安装在铝制的散热器上，大面积散热器保证MOSFET工作稳定，散热器同时连接地平面，PCB大电流走线做镀锡处理，提高电路承载能力。5.1.3测试及分析利用标准信号源（SUING TFG3150L）输出标准正弦波信号到高频功放前级输入电路，对高频功放进行测试，测试信号电平010dBm，频率29.5MHz30.5MHz，测试结果如下：1 有效输
33、出功率2W2 HEXFET的功率增益约为810dB3 输出射频信号的谐波抑制比约为26dB4 输出功率Po=2W时，整机的效率40%5 由于是线性功放，本机在其他频段也可以工作，其他频段下输出功率与与频率的关系如图？所示图？为功率放大电路输出信号，经观察信号无明显失真，波形输出稳定。输出谐波抑制比不低于32dB。图？工作频率与输出功率关系图在30MHz附近频率与输出功率的关系如图？所示图？30MHz附近的工作频率与输出功率关系图图22 与信号源相连接后射频功放的输出波形5.2.2 与信号源部分连接测试结果用泰克示波器测试用于发射机的频率合成器，测试现场及输出波形如下：图21 用于发射机的频率合
34、成器测试现场及输出波形从输出波形看，信号源输出正弦波同样看不到明显的失真，输出波形很稳定。第6章 接收机的设计6.1接收机模块设计该系统中，接收机的主要作用是以信号源产生的正弦信号作为本振信号，采用超外差的方式将天线接收的调频信号进行正确的解调，并将解调出的语音信号进行功率放大，将解调出来的数字信号传送到单片机进行解码。接收机框图如图2所示。图4 接收机系统框图本设计主要由以下三部分组成：1.窄带接收机芯片MC13135；2.中频滤波器，采用并联双调谐回路设计中频滤波器，中心频率465KHz，带宽50KHz，同时保证有较高的矩形系数；3.音频功率放大、FSK信号消抖及控制电路。从天线接收的是F
35、M调制信号经过阻抗匹配网络送入窄带接收机芯片MC13135进行解调， MC13135集成有调频、中放及解调等模块，中频滤波器及鉴频回路外接，本设计采用并联双调谐解调网络实现滤波。解调信号经缓冲后低通滤波输出，由于数字信号和模拟信号共用同一信道，需要单片机进行检测控制分流，模拟信号送到音频功放驱动音响，还原语音信号，数字信号由滞回比较器消除抖动和毛刺，转换为数字电平后送入单片机解码还原成文字。6.1.1输入调谐及电阻匹配网络输入端采用谐振回路实现选频，同时使用电容阻抗变换，实现输入阻抗匹配，天线输出阻抗为75，变换到MC13135混频输入阻抗4K。电路如图7所示图7 射频输入阻抗匹配和选频网络6
36、.1.2混频及鉴频解调电路采用MC13135芯片内的第二级混频器，中频放大器和解调模块，通过外接中频滤波器及鉴频网络完成调频信号的解调。中频滤波器及输出信号的处理部分在下面具体介绍，混频和解调部分电路图如下所示：图8 混频及解调部分6.1.3中频滤波器系统的指标如接收机的带宽，灵敏度，选择性等都是由中频滤波器保证，故中频滤波器部分是该系统的重点。一般的FM接收机采用中频陶瓷滤波器，陶瓷滤波器有很高的矩形系数，并且同频带内信号几乎无衰减，但是带宽一般只有9KHz，数字信号要求通信系统有较大的带宽，使用陶瓷滤波器将严重限制短波通信系统进行数字信号的传输，不满足题目要求；采用有源滤波器或者无源滤波器
37、不能保证较高的巨型系数和带外衰减，选择性较差。综合考虑后，采用双调谐回路设计中频滤波器。 6.1.4 并联双调谐回路调谐回路采用并联双调谐形式，使用收音机中周做调谐回路，为了消除后级输入电阻会影响滤波特性，所以采用一级运放缓冲隔离，具体参数和电路如下图所示：图11 中频滤波电路6.1.5音频功率放大检波输出的信号经过滤波之后，经音频功放集成电路SPY0030放大驱动扬声器9，SPY0030最大功率放大倍数为20倍，输出最大功率为0.5W。电路如图4所示。图中电位器R6可调节输出功率。图14 音频功率放大6.1.6 2FSK消抖电路调频信号经过解调还原成基带信号，数字和语音信号共用该信道，通过单
38、片机控制信号的分流。数字信号采用2FSK调制方式，解调后的数字信号因混入了噪声，不能直接接入数字电路，需进行滤波消抖处理后才能送入单片机进行解码，处理电路如图？所示。消抖电路采用滞回比较器，因实际测试发现噪声电平在200mV左右，故门限电压取200mV。基准电压通过电位器和一个2K电阻串联分压得到，便于调节。图15 2FSK消抖电路6.2接收机测试结果及分析为了检验接收机性能，对接收机进行自检测试。自检测试时，通信系统信号源给出的调频信号，不经过功率放大电路和天线，使用衰减器衰减后直接连入接收机，测试原理如图16所示。图18 测试原理低频调制信号由信号源给出，对锁相环模块进行调制，载波频率30
39、.465MHz，另一个锁相环频率合成模块产生本振信号，频率30MHz，两路信号送给接收机模块解调。低频调制信号为方波图19 解调输出波形表5 接收波形测试发射单频信号频率/Hz接收机解调输出信号效果500良好，无明显失真，有毛刺1000良好，无明显失真，有毛刺5000良好，有失真，有毛刺第7章 微控制器的实现该系统中，微控制器主要对数字信号进行编码、解码；对信号源部分进行信道转换从而实现信道搜索功能。在整个系统中处于顶层位置。7.1 码型的选择7.1.1 传输码型选择的原则在本课题中，传输码型的选择主要考虑如下原则3：1不含直流，且低频分量尽量少。传输码的功率谱密度中的直流成分在长距离传输情况
40、下会衰减很大，并且信道中常常接入隔直电容和耦合变压器，所以含有直流的码型不适合在该长距离通信信道中传输。传输码的功率谱密度中的低频分量是由码流中的“0”或“1”分布状态来决定的，低频分量小，说明“0”及“1”分布比较均匀，直流电平比较恒定，也就是信号基线浮动小，有利于接收端判决电路的正常工作。2应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提取定时信号。数字通信系统中为了节省有限的频带资源，往往只传送信码，不单独传输时钟。因此在接收端，必须从收到的码流中提取出定时信息，也必须限制线路码流中同符号连续数不能太大，也就是说，应避免长连“0”及长连“1”的出现，提高电平跳变的密度，使定时提取较为简单。3功
41、率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带。与模拟通信相比，数字通信所占系统频带较大。功率谱中仅含有较少的高频分量，有利于其信号能量相对集中，功率谱主瓣变窄，节省传输带宽，提高频带利用率，而且可以减少码间干扰。4不受信息源统计特性的影响，即能适应与信息源的变化。这种与信源的统计特性无关的性质称为对信源具有透明性。5具有内在的检错能力，即码型应具有一定的规律性，以便利用这一规律性进行自动检测。6编译码简单，以降低通信延时和成本。传输码中的一种曼彻斯特编码，常用于局域网传输。曼彻斯特码是一种典型使用自同步法保持位同步的线路码型。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从
42、高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”4。7.1.2 常用码型的基本原理这里，我们考察常用的码型：曼彻斯特码、AMI码、HDB3码，并根据上述码型选择的原则，从中选择合适本课题的要求的传输码型。图5给出了这几种码型的编码波形。图 5 曼彻斯特码、AMI码和HDB3与NRZ码的波形曼彻斯特码又称双相码（PE）3。从上图中可以看出，它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。AMI（Alternative Mark Inversion）码的全称为传号交替反转码。其编码规则是将消息码的“1”（传号）
43、交替地变换为“+1”或“-1”，而将“0”（空号）保持不变。AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。它可以看成单极性波形的变形，即“0”仍对应低电平，而“1”交替对应正负电平。HDB3（ Order High Density Bipolar）全称为三阶高密度双极性码。HDB3码是AMI码的改进码型。HDB3的编码规则是：1.把消息代码变换成AMI码。检查AMI码的连0串情况，当没有4个以上连0串时，则这时的AMI码就是HDB3码；2.当出现4个以上连0串时： 四个连0用取代节000V或B00V代替，当两个相邻“V”码中间有奇数个1时用000V，为偶数个1时用B00V。B的符号交换
44、反转，V的符号破坏交替反转原则，但相邻V码符号相反。或与脉冲波形相同，用V或B表示的目的是为了示意该非“0”码是由原码的“0”变换而来。HDB3译码规则为:当收到的符号序列中出现破坏点V，则断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0，再将所有-1变为+1后便得到原消息代码。图6 曼彻斯特码与NRZ码的功率谱密度曼彻斯特码波形是一种双极性NRZ波形，只有极性相反的两个电平。它在每个码元间隔的中心点都存在电平跳变，所以含有丰富的位定时信息，且没有直流分量，且抗干扰能力强，编码过程也简单。根据上文所述的码型选择原则，可以曼彻斯特码是可以作为信道传输码型的，但其缺点是占用带宽加倍，使频带利用率降低。从图6中可以看出曼彻斯特码功率谱主瓣是编码前NRZ码的两倍。图7 AMI码、HDB3码与NRZ码的功率谱密度从图7所给的功率谱中可看出，AMI码的优点是：没有直流分量，且高、低频成分少，能量集中在频率为1/2的码速处。编解码电路简单，可以利用传号极性交替这一规律观察误码情况。AMI码的缺点是连0码多时，AMI整流后的RZ码连0也多，不利于提取高质量的位同步信号（位同步抖动大）。而HDB3的特点是保留了AMI码的优点，克服了AMI连0多而无法提取同步信号的缺点。根据上