侯長(zhǎng)波，趙云磊，李浩哲

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

通信電子線路是一門具有工程特點(diǎn)和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，很多高校都開設(shè)了通信電子線路實(shí)驗(yàn)課程；但是由于課程涉及的工作頻率較高和電路非線性的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)的開設(shè)具有一定的難度和局限性，因此，驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)所占比重較大。尤其是系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)，有些大學(xué)使用高頻實(shí)驗(yàn)箱完成，基本屬于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)[1]。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)研究性人才的需求增加，很多高校都在進(jìn)行電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，增設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)既有綜合性又有探索性，主要側(cè)重于對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的綜合應(yīng)用，對(duì)于提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力非常有益。

哈爾濱工程大學(xué)通信電子線路教學(xué)課程組一直致力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[2－3]，經(jīng)過(guò)多年改革實(shí)踐，將通信電子線路實(shí)驗(yàn)課程分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩部分。課程設(shè)計(jì)是在修完16學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之后，在第6學(xué)期開設(shè)。課程設(shè)計(jì)注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試技能，包含調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)幅接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)頻接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目5個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均為16學(xué)時(shí)，根據(jù)難易程度分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，三個(gè)等級(jí)分別賦予1.0、0.9、0.8三個(gè)權(quán)重，學(xué)生可根據(jù)自身情況自由選擇其中的一個(gè)項(xiàng)目。四年的教學(xué)實(shí)踐表明，課程的開設(shè)切實(shí)提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，受到了學(xué)生的一致好評(píng)。課程在2013年和2015年獲評(píng)為 “哈爾濱工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)示范課程”。

“調(diào)頻接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”作為實(shí)驗(yàn)選題中的典型代表，具有極強(qiáng)的綜合性和探索性。本文首先提出了調(diào)頻接收機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容及要求，然后論證了系統(tǒng)方案和電路設(shè)計(jì)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析論述，希望能給其他高校開設(shè)通信電子線路課程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和幫助。

1 實(shí)驗(yàn)要求及技術(shù)指標(biāo)

調(diào)頻接收機(jī)的目的是從調(diào)頻信號(hào)中恢復(fù)基帶信號(hào)。因此，工程上多以工作頻率、靈敏度以及選擇性等指標(biāo)來(lái)衡量接收機(jī)的性能。本文從實(shí)際應(yīng)用和工業(yè)實(shí)踐出發(fā)，結(jié)合理論教學(xué)知識(shí)，綜合學(xué)生基本技能掌握情況提出了關(guān)于調(diào)頻接收機(jī)的基本要求:工作頻率范圍為24～26 MHz；解調(diào)信號(hào)無(wú)明顯失真時(shí)，輸入調(diào)頻信號(hào)幅度小于5 mVPP；抑制鏡頻干擾大于等于40 dB；可接收調(diào)頻信號(hào)最小頻偏優(yōu)于50 kHz；解調(diào)輸出信號(hào)無(wú)明顯失真。

2 方案論證及電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案論證

調(diào)頻接收機(jī)分為直放式和超外差式。直放式接收機(jī)靈敏度較高，輸出功率也較大，適用于固定頻率的接收，如果用于多電臺(tái)接收，其調(diào)諧會(huì)較為復(fù)雜；超外差式接收機(jī)利用混頻器將接收到的高頻信號(hào)降為固定不變的中間頻率，再由固定頻率的中頻放大器進(jìn)行放大，因此很容易滿足系統(tǒng)高靈敏度和高選擇性要求，整機(jī)增益還可以做得很高。因此，本設(shè)計(jì)采用超外差式接收機(jī)。

超外差式調(diào)頻接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)頻接收機(jī)系統(tǒng)框圖

選頻回路采用無(wú)源濾波器中的LC濾波器，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和選頻濾波功能。從天線接收的調(diào)頻信號(hào)噪聲大且功率低，需采用大增益、小噪聲系數(shù)和大線性動(dòng)態(tài)范圍的低噪放大器來(lái)提高接收信號(hào)的信噪比[4－5]。混頻器的功能是將已調(diào)波的載波頻率與本振信號(hào)混合，變換成固定的中頻載波頻率，而保持其調(diào)制規(guī)律不變。中頻濾波放大器的主要功能是為整機(jī)提供足夠的增益并抗臨頻干擾，一般采用多級(jí)放大。鑒頻電路的功能是實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)，共分為雙失諧回路鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器和相移乘法鑒頻器。對(duì)比各類解調(diào)電路[6－7]，一般采用無(wú)須鐵氧體磁環(huán)耦合的相移乘法鑒頻器，這種鑒頻器能夠?qū)崿F(xiàn)線性解調(diào)，性能良好，通常只需要一個(gè)可調(diào)電容，調(diào)整非常方便。采用這種鑒頻器時(shí)，為了抑制寄生調(diào)幅，需要在鑒頻器之前加一級(jí)限幅器。由于解調(diào)后的信號(hào)幅度較小，因此需要音頻功率放大器將信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)喇叭。

綜上所述，由于調(diào)頻接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且已有集混頻器、中頻放大器、限幅器和相移乘法鑒頻器功能于一體的集成芯片，因此采用性能良好的SA639集成芯片完成調(diào)頻接收機(jī)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。SA639集成芯片是一款低電壓高性能的單片F(xiàn)M IF系統(tǒng)，具有高速的RSSI振蕩器，性能穩(wěn)定。

2.2 各部分電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)要求，首先論證系統(tǒng)各部分參數(shù)。在設(shè)計(jì)超外差接收機(jī)時(shí)，由于載波信號(hào)頻率為24～26 MHz，為抑制鏡頻頻率，選頻回路設(shè)計(jì)為中心頻率為25 MHz，通頻帶為4 MHz帶通濾波器。中頻頻率一般選用10.7 MHz或455 kHz，對(duì)于一級(jí)變頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)，一般選用10.7 MHz。本振頻率范圍為13.3～15.3 MHz。

2.2.1 輸入部分

輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)選頻回路，濾除帶外噪聲，提高整機(jī)的鏡像抑制比。采用5階Butterworth濾波器，通過(guò)使用RFsim99仿真軟件，得到選頻回路參數(shù)如圖2所示(圖中元器件精度均為±5%)，仿真S參數(shù)圖如圖3所示。由圖3可得，當(dāng)頻率為20.36 MHz時(shí)，信號(hào)衰減41.24 dB，而鏡頻信號(hào)范圍為2.6～4.6 MHz，因此可滿足本實(shí)驗(yàn)抑制鏡頻干擾大于等于40 dB的指標(biāo)。

圖2 輸入部分調(diào)諧回路

圖3 仿真S參數(shù)圖

低噪放大器采用集成芯片MAX2650實(shí)現(xiàn)。MAX2650是一款高頻低噪放大器，頻率波動(dòng)較小時(shí)，功率增益穩(wěn)定在18.3 dB左右。低噪放大器部分的原理圖如圖4所示。C11為隔直電容，其作用是避免前級(jí)的直流分量對(duì)放大器產(chǎn)生影響。低噪放大部分將信號(hào)固定放大后傳輸給SA639混頻器部分。

圖4 低噪放大部分原理圖

2.2.2 混頻器部分

首先需要設(shè)計(jì)的是混頻器部分的匹配網(wǎng)絡(luò)。考慮到平衡RF匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配難以實(shí)現(xiàn)，單端匹配網(wǎng)絡(luò)不僅電路簡(jiǎn)單，而且不會(huì)犧牲芯片內(nèi)部吉爾伯特單元的三階性能，因此選擇單端匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)題目要求，選擇中心頻率fc=20.36 MHz下將高頻放大器的50 Ω負(fù)載匹配到 SA639的 RF輸入端[8－9]。

首先選取電感值L=0.22 μH，Qp=50(制造商規(guī)定)， 求得電感電抗 Xp=2 πfcL=34.54 Ω， 感性電阻Rp=QpXp=1.73 k Ω，匹配網(wǎng)絡(luò)中有:

令又因?yàn)槿‰娙莸臉?biāo)稱值，得

本振電路采用科爾皮茲振蕩器，根據(jù)公式取 C=47 pF， L=2 μH， 選取 5～30 pF12的可調(diào)電容，則振蕩頻率范圍為13～16 MHz，混頻部分原理圖如圖5所示。

圖5 混頻器部分原理圖

2.2.3 中頻部分

SA639的混頻器的輸出信號(hào)與中頻放大器之間需要加一級(jí)濾波器，可選用LC濾波電路或者陶瓷濾波器來(lái)完成?？紤]到陶瓷濾波器幅頻特性較好、信噪比較高，可以提高接收機(jī)的選擇性，故采用陶瓷濾波器來(lái)完成中頻濾波。但由于陶瓷濾波器通頻帶較窄，造成了系統(tǒng)的帶寬較窄。參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，SA639的引腳23和21之間接100 nF的耦合電容。中頻部分原理圖如圖6所示。

圖6 中頻部分原理圖

2.2.4 解調(diào)器部分

解調(diào)部分整體電路圖如圖7所示。解調(diào)器部分采用相移乘法鑒頻器，由移相器、乘法器和低通濾波器組成。移相器采用諧振回路來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]，單調(diào)諧回路L7、R7、C31、C30、C20組成分壓傳輸移相網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)計(jì)算過(guò)程[11－12]如下:

由輸出幅度表達(dá)式(U為移相前電壓信號(hào)，U為12移相后電壓信號(hào))，輸出相位表達(dá)式 ψ(ω)=根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需保證U1=U2，得 C=6.8 pF， L=4.7 μH，207R7=1.3 k Ω，C31=15 pF， C30=5～30 pF； C21取1 nF，起隔斷直流信號(hào)作用。移相后信號(hào)經(jīng)乘法器相乘后，經(jīng)過(guò)由R5、C22、R6、C23與芯片10腳內(nèi)的運(yùn)算放大器構(gòu)成二階壓控電壓源的低通濾波器，可獲得基帶信號(hào)。

圖7 解調(diào)部分原理圖

2.2.5 輸出部分

SA639的輸出部分連接電路如圖8所示。引腳12的電路連接用于提供2.5 V電壓，選通SA639內(nèi)部數(shù)據(jù)開關(guān)。將引腳11輸出信號(hào)連接至由LM386組成的功率放大電路。

圖8 輸出部分原理圖

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

3.1 系統(tǒng)各部分電路實(shí)測(cè)波形

調(diào)節(jié)本振電路中的可調(diào)電容，使其輸出信號(hào)頻率為15 MHz，將信號(hào)發(fā)生器輸出調(diào)頻波，載波信號(hào)峰峰值設(shè)置為10 mV，頻率25.7 MHz，調(diào)制信號(hào)頻率3 kHz，頻偏100 kHz，接至系統(tǒng)輸入端。

混頻器輸出波形如圖9所示。由于混頻器輸出信號(hào)含有諧波分量，因此信號(hào)波形出現(xiàn)些許失真。

圖9 混頻器輸出波形

圖10為中頻放大器輸出波形，由圖可知輸出信號(hào)波形良好，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖10 中頻放大器輸出波形

圖11為移相電路測(cè)量波形，調(diào)節(jié)可調(diào)電容C30，使SA639芯片14腳和15腳相位差為90.00°。移相電路輸入信號(hào)是由限幅器輸出，經(jīng)過(guò)濾波電路后被濾除了高頻分量，因此為三角波。由圖可知兩路信號(hào)相差90.00°，滿足移相電路設(shè)計(jì)要求。

圖11 正交信號(hào)波形圖

圖12為輸出信號(hào)波形，輸出信號(hào)Vpp=1.94 V，f=3.01 kHz，信號(hào)無(wú)明顯失真。

圖12 輸出信號(hào)波形

3.2 靈敏度的測(cè)量

在3.1節(jié)的條件下，調(diào)節(jié)載波信號(hào)Vpp=2 mV，輸出波形如圖13所示，信號(hào)無(wú)明顯失真。

圖13 載波信號(hào)2 mVpp時(shí)的輸出信號(hào)

3.3 最小頻偏的測(cè)量

在3.1條件下，調(diào)節(jié)頻偏為40 kHz，輸出信號(hào)如圖14所示，無(wú)明顯失真，達(dá)到項(xiàng)目最小頻偏設(shè)計(jì)要求。

圖14 頻偏40 kHz時(shí)的輸出信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文完整地論述了調(diào)頻接收機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程，首先提出了完整的調(diào)頻接收機(jī)項(xiàng)目指標(biāo)，然后分析和論證了調(diào)頻接收機(jī)系統(tǒng)方案，提出采用集成芯片SA639完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，之后論述了SA639的電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，最后實(shí)測(cè)并分析了技術(shù)指標(biāo)，這對(duì)學(xué)生理解調(diào)頻接收機(jī)工作過(guò)程有著極大的幫助，也可為其他高校開設(shè)通信電子線路實(shí)驗(yàn)提供一定借鑒。

[1]周穎琦.通信電子線路綜合實(shí)驗(yàn)箱的開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(5):19－20.

[2]宮芳.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2005(1):18－19.

[3]宮芳，高敬鵬.“高頻電子線路”研究性教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2010(25):106－107.

[4]羅素保，田廣強(qiáng).6.5MHz調(diào)頻接收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng)，2010，2010(8):112－114.

[5]陳名松，潘福東，熊偉成，等.新型調(diào)頻接收機(jī)的電路原理與性能特點(diǎn)[J].電聲技術(shù)，2001(11):42－45.

[6]劉光友.鎖相調(diào)頻與鑒頻實(shí)驗(yàn)的研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2005，3(2):90－91.

[7]李偉，楊鵬，楊懋.DMR終端鎖相調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2009，22(9):20－24.

[8]HAYWARD W，CAMPBELL T，LARKIN B.射頻電路設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)寶典[M].鄒永忠，楊惠生，吳娜達(dá)，譯.北京:人民郵電出版社，2009.

[9]田亞朋，張昌民，仲維偉.阻抗匹配電路原理與應(yīng)用[J].電子科技，2012，25(1):5－7.

[10]杜永泰.乘積型相位鑒頻器的深入分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(3):37－39.

[11]張肅文.高頻電子線路[M].5版.北京:高等教育出版社，2009.

[12]陽(yáng)昌漢.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社，2006.