金偉正，左齊茹儀，李 佳，曹新莉

短波發(fā)射和接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

金偉正1，左齊茹儀1，李 佳1，曹新莉2

（1. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072；2. 武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430025）

介紹一種具有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制的短波發(fā)射和接收機(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，該機(jī)使用7.023 MHz短波波段，可以在數(shù)百公里內(nèi)進(jìn)行設(shè)備間的通信。采用通信電子線路中的基礎(chǔ)電路進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建，同時(shí)加入移動(dòng)互聯(lián)控制模塊電路。該發(fā)射和接收機(jī)設(shè)計(jì)包括收發(fā)天線、輸入信號(hào)處理模塊、混頻模塊、音頻信號(hào)輸出模塊、控制和Wi-Fi模塊等，很適合于通信電子線路綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可全面地理解和掌握發(fā)射機(jī)及接收機(jī)工作原理及設(shè)計(jì)方法。

通信電子線路；發(fā)射和接收機(jī)；網(wǎng)絡(luò)控制

“通信電子線路”是電子信息、通信類等專業(yè)本科生的主干基礎(chǔ)課程[1-3]，短波發(fā)射和接收機(jī)涵蓋了通信電子線路課程教學(xué)中的所有重點(diǎn)、難點(diǎn)。本文介紹一種具有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制的短波發(fā)射接收機(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例。接收信號(hào)通過(guò)接收天線依次經(jīng)過(guò)輸入信號(hào)處理模塊、混頻模塊、信號(hào)輸出模塊處理后，到耳機(jī)中進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)或通過(guò)Wi-Fi到手機(jī)中進(jìn)行解調(diào)顯示信號(hào)，完成接收功能。手機(jī)產(chǎn)生發(fā)送信號(hào)，通過(guò)Wi-Fi控制發(fā)送信號(hào)模塊產(chǎn)生信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大模塊[4]后由輸出天線發(fā)射出去，完成發(fā)射機(jī)功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以完整掌握短波發(fā)射接收機(jī)的原理及設(shè)計(jì)過(guò)程[5-6]，加深對(duì)通信電子線路知識(shí)的理解。本實(shí)驗(yàn)旨在提升學(xué)生對(duì)本門課程的興趣以及實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)理解互聯(lián)網(wǎng)+的應(yīng)用，為通信電子電路設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

1 原理及電路設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一種使用9~13.8 V的交直流電源供電、具有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制的短波發(fā)射接收機(jī)，使用7.023 MHz短波波段（波長(zhǎng)40 m），可以在數(shù)百公里內(nèi)進(jìn)行設(shè)備間的相互通信。設(shè)備具有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)控制的功能，采用具有智能網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的片上系統(tǒng)（SOC）芯片ESP8266與直接變換（DC）發(fā)送及接收機(jī)相結(jié)合，在性能和實(shí)用性方面有了很大的改善。在功能上，支持Wi-Fi模塊，與手機(jī)APP連接，配置發(fā)送速率、發(fā)送數(shù)據(jù)、顯示發(fā)射和接收的數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行野外教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖1為短波發(fā)射接收機(jī)框圖，分為接收模塊、發(fā)射模塊、手機(jī)Wi-Fi模塊。

圖1 短波發(fā)送接收機(jī)框圖

（1）接收模塊。接收模塊的核心是U2（NE602）芯片，見(jiàn)圖2?；祛l電路內(nèi)部包括一個(gè)平衡混頻器，天線來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)2個(gè)晶體濾波器后，進(jìn)入混頻器，由晶體管Q1（9018）構(gòu)成的振蕩電路（圖3）同時(shí)送出本振信號(hào)。2個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻，直接把SSB/CW信號(hào)混頻為基帶信號(hào)，U2輸出的基帶信號(hào)的差分信號(hào)再送給U3（NE5532）（圖4）芯片做有源低通濾波和基帶信號(hào)放大，完成整個(gè)接收過(guò)程。低頻放大電路直接將射頻信號(hào)混頻變?yōu)榛鶐盘?hào)的接收機(jī)方案，稱為“DC接收機(jī)”。該模塊中還包括靜音模塊，用于在發(fā)射的時(shí)候關(guān)閉接收，同時(shí)Wi-Fi模塊內(nèi)部定時(shí)器構(gòu)成的本地振蕩器產(chǎn)生側(cè)音，輸出給耳機(jī)，使耳機(jī)跟隨拍發(fā)產(chǎn)生“滴滴答答”基帶信號(hào)。

圖2 混頻電路

圖3 本振電路

圖4 低頻放大電路

（2）發(fā)射模塊。發(fā)射部分利用晶體管Q1（圖3）做振蕩電路，然后以Q4（8050）（圖5）做緩沖放大和發(fā)射鍵控，控制收發(fā)電路和信號(hào)的切換，末級(jí)是由Q2（D882）構(gòu)成的丙類放大器[7]，見(jiàn)圖5[8-9]。信號(hào)經(jīng)放大后由1∶4輸出變壓器做匹配，再經(jīng)過(guò)LPF濾波后接天線。圖6為濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，其作用是使天線阻抗與前級(jí)阻抗進(jìn)行匹配。

（3）Wi-Fi模塊。該模塊對(duì)于發(fā)射接收機(jī)來(lái)說(shuō)是可選模塊，如果不使用該模塊就需要短接JP1，則成為一款只支持手動(dòng)的普通電臺(tái)。如果使用該模塊就需要斷開(kāi)JP1，則可以通過(guò)Wi-Fi與手機(jī)APP通信，配置電臺(tái)參數(shù)，支持自動(dòng)發(fā)射，顯示發(fā)射信號(hào)序列時(shí)序。

圖5 振幅調(diào)制及丙類功率放大電路

圖6 濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

圖7為短波發(fā)送和接收機(jī)的電路板。

圖7 短波發(fā)送接收機(jī)的電路板

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：本振和振幅調(diào)制電路、緩沖放大電路、低頻放大電路、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)、混頻電路、功率放大電路、靜音電路及Wi-Fi模塊電路的設(shè)計(jì)、焊接與調(diào)試等；觀察發(fā)射模塊振蕩器和各級(jí)放大器輸出的靜態(tài)信號(hào)，以及在自動(dòng)發(fā)送信號(hào)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)輸出；觀察示波器顯示波形，混頻失真度，分析各級(jí)放大器的增益等部分。由于篇幅限制，本文僅給出部分核心電路的詳細(xì)調(diào)試過(guò)程和重要數(shù)據(jù)的測(cè)試方法。

2.1 本振和振幅調(diào)制電路測(cè)試

本系統(tǒng)的高頻振蕩電路為電容三點(diǎn)式晶體振蕩電路（見(jiàn)圖3），C27分別為BE級(jí)與CE級(jí)之間的回路電容，晶體振蕩器Y1作為回路電感使用，經(jīng)分壓后輸出頻率為7.032 MHz的振蕩信號(hào)為CLK-OSC，二極管D7限制信號(hào)始終為正值，降低功耗。此處的輸出振蕩信號(hào)的分壓系數(shù)很低，振幅很小，是為了在振幅調(diào)制電路中保證此級(jí)輸出的振蕩信號(hào)工作在線性時(shí)變狀態(tài)[8]。

振幅調(diào)制及丙類功率放大電路（圖5），由本振電路產(chǎn)生的載波信號(hào)從Q2基極接入，調(diào)制信號(hào)從Q4基極接入，從Q2集電極輸出已調(diào)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)由變壓器T1、晶體管Q3和變壓器T2構(gòu)成的丙類功率放大電路[10]，放大后的信號(hào)經(jīng)T2的Send端輸出。

在實(shí)驗(yàn)中，先測(cè)試本振電路Q1發(fā)射極的輸出波形，如圖8所示，振蕩信號(hào)頻率為7.032 MHz，幅度為12.8 V。再測(cè)試CLK-OSC端的輸出波形，如圖9所示，此時(shí)輸出信號(hào)幅度變?yōu)?40 mV，這是由于輸出振蕩信號(hào)經(jīng)電阻R5和R27（圖3）分壓的緣故，使輸出幅度降低。

圖8 Q1發(fā)射極的輸出波形

圖9 CLK-OSC端的輸出波形

測(cè)試振幅調(diào)制及丙類功率放大電路時(shí)[9-10]，使電路處于發(fā)送模式，手動(dòng)發(fā)射，測(cè)試Send端的輸出波形，圖10(a)、(b)分別為手動(dòng)模式下不同時(shí)刻所記錄的Send端輸出波形圖。

2.2 混頻器及低頻放大電路測(cè)試

混頻模塊采用含U2（NE602）芯片（圖2）的平衡混頻器，用于將濾波后的天線信號(hào)和Q1構(gòu)成的振蕩電路送出的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出0~3 kHz的基帶信號(hào)。

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)混頻器的Mix端進(jìn)行測(cè)試，得到混頻器INA管腳的輸入信號(hào)見(jiàn)圖11。再對(duì)混頻器的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，該信號(hào)為差分輸出信號(hào)，不易測(cè)量，改為測(cè)量經(jīng)過(guò)低頻放大電路（圖4）后的信號(hào)，即對(duì)Receive端進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖11 混頻器INA端輸入信號(hào)

圖12 低頻放大電路Receive端的輸出信號(hào)

2.3 Wi-Fi模塊測(cè)試

圖13為Wi-Fi模塊電路[11]，是本機(jī)的可選模塊，如果不使用該模塊就需要短接JP1，則成為一款只支持手動(dòng)的普通電臺(tái)。如果使用該模塊就需要斷開(kāi)JP1，則可以通過(guò)Wi-Fi與手機(jī)APP通信，配置電臺(tái)參數(shù)，支持自動(dòng)發(fā)射，顯示發(fā)送信號(hào)序列。

圖13 Wi-Fi模塊電路

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，取下跳線帽JP1，點(diǎn)擊Wi-Fi模塊開(kāi)關(guān)，按下電鍵可以觀察到相應(yīng)LED發(fā)光，說(shuō)明信號(hào)成功發(fā)射，在相應(yīng)的APP上也可觀察到相應(yīng)的發(fā)送信號(hào)以及解碼后的信號(hào)，顯示界面如圖14(a)所示。按下自動(dòng)發(fā)信開(kāi)關(guān)，在未按下電鍵的情況下信號(hào)也在不斷地向外發(fā)射，在相應(yīng)的APP上也能觀察到相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)以及解碼后的信號(hào)，顯示界面如圖14(b)。結(jié)果顯示，Wi-Fi模塊工作正常。注意設(shè)備在接收狀態(tài)下不要開(kāi)啟Wi-Fi。

圖14 信號(hào)接收和解碼顯示界面

2.4 收發(fā)測(cè)試

在上面的測(cè)試中，為防止意外發(fā)射造成設(shè)備燒毀，必須在J1 ANT處接上51W電阻作為假負(fù)載。上電后觀察是否有焊錯(cuò)引起的燒毀冒煙現(xiàn)象，如果有，應(yīng)及時(shí)斷電診斷。上電幾十秒后，用手摸假負(fù)載，如果發(fā)熱說(shuō)明有焊錯(cuò)引起的意外發(fā)射，應(yīng)及時(shí)斷電診斷。連接8W普通耳機(jī)，上電后會(huì)聽(tīng)到“嘩嘩”的底噪聲，說(shuō)明聲音放大部分工作正常。

（1）接收測(cè)試。在工作全部正常的情況下，開(kāi)始測(cè)試接收電路，取下假負(fù)載，上電聽(tīng)底噪聲，再接上天線，聽(tīng)底噪聲，如果兩者聲音有很大區(qū)別（接天線底噪聲大很多），則基本正常。

（2）發(fā)射測(cè)試。接假負(fù)載，在未接Wi-Fi模塊的情況下，JP1插上跳線帽（短路），接入手動(dòng)電鍵，上電，此時(shí)點(diǎn)擊電鍵就會(huì)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)。未發(fā)射狀態(tài)的電流為50 mA，發(fā)射狀態(tài)的電流約為400 mA，發(fā)射一段時(shí)間后假負(fù)載明顯發(fā)熱為正常。注意不可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)射。

天線是短波發(fā)射接收機(jī)的關(guān)鍵，要求使用頻率為7 MHz、阻抗為50W、駐波在1.5以下的天線，實(shí)際用的是水平架設(shè)的GP天線。

在相距20 km的武漢大學(xué)電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心和武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心之間成功進(jìn)行了通信，取得了非常好的效果。表1給了測(cè)試不同信號(hào)的效果。

表1 測(cè)試效果

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了“通信電子線路”教學(xué)的絕大部分內(nèi)容，并加入了互聯(lián)網(wǎng)控制Wi-Fi內(nèi)容，具有很強(qiáng)的綜合性，能較為全面地考察學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的理解以及實(shí)際的動(dòng)手能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將對(duì)“通信電子線路”課程有更深入的了解，并對(duì)書本知識(shí)學(xué)以致用，提高實(shí)踐能力。該整體方案成功地取得了新型實(shí)用專利的授權(quán)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

[1] 張肅文. 高頻電子線路[M]. 5版.北京：高等教育出版社，2009.

[2] 董尚斌，代永紅，金偉正，等. 電子線路II[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3] 金偉正. 高頻電子線路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[4] 金偉正，陶琴，楊光義. 高頻諧振功率放大及倍頻實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016,35(9): 214–218.

[5] 楊光義，金偉正. 高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2018,40(4): 109–112.

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Experiment on design of short-wave transceiver

JIN Weizheng1, ZUO Qiruyi1, LI Jia1, CAO Xinli2

(1. School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. School of Electrical and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430025, China)

This paper introduces an innovative experiment on design of a short-wave transceiver with the mobile network control, which uses 7.023 MHz short-wave band and can communicate between devices within hundreds of kilometers. The basic circuit in the communication electronic circuit is used to design the unit circuit and construct the system, and at the same time, the mobile interconnection control module circuit is added. The design of the transceiver includes the antenna, input signal processing module, mixer module, audio signal output module, control and Wi-Fi module, etc., which is very suitable for the comprehensive experiment teaching of communication electronic circuit. Through the experiment, students can fully understand and master the working principle and design method of transmitter and receiver.

communication electronic circuit; transceiver; network control

TN823;G642.423

A

1002-4956(2019)10-0049-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.012

2019-02-24

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201801244007）

金偉正（1966—），男，湖北武漢，博士，副教授，從事高頻電子線路教學(xué)和軟件無(wú)線電等的科研工作。E-mail: jwz@whu.edu.cn

曹新莉（1977—），女，陜西西安，博士，副教授，從事電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化和信號(hào)處理類的教學(xué)研究。E-mail: 6909753@qq.com