短波寬帶接收機的設計與實現(xiàn)

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1、短波寬帶接收機的設計與實現(xiàn)學 號 2010082406 密 級 哈爾濱工程大學學士學位論文短波寬帶接收機的設計與實現(xiàn)院（系）名稱：信息與通信工程學院專 業(yè) 名 稱：通信工程學 生 姓 名：馬千里指 導 教 師：侯長波 講師哈爾濱工程大學2014年6月 短波寬帶接收機的設計與實現(xiàn) 馬千里 哈爾濱工程大學I學 號2010082412 密 級 短波寬帶接收機的設計與實現(xiàn)The design and implementation of shortwave broadband receiver學生姓名：馬千里所在學院：信息與通信工程學院所在專業(yè)：通信工程指導教師：侯長波職稱：講師所在單位：哈爾濱工程大學

2、論文提交日期：2014年6月17日論文答辯日期：2014年6月21日學位授予單位：哈爾濱工程大學短波寬帶接收機的設計與實現(xiàn)摘 要隨著科學技術的迅猛發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)的要求也越來越高，尤其對通信的安全性和保密性的要求，短波通信是利用波長為100m10m（頻率為3MHz30MHz）的電磁波進行的無線電通信，其獨特的傳播方式再次成為人們研究的焦點。本論文研究了基于短波通信的寬帶接收機。本論文首先分析了一般接收機的結構，在超外差式接收機的基礎上研究并設計了二次混頻模式的短波寬帶接收機，并利用模擬調制解調的原理進行電路的設計，應用DDS技術作為一次本振進行一次混頻，再通過二次混頻將頻率降至中頻，然后利

3、用真有效值檢波器進行解調。通過系統(tǒng)仿真軟件SystemView論證了方案的可行性，確定了系統(tǒng)各個模塊的參數(shù)。使用Cortex-M4控制器控制整個系統(tǒng)，并且實現(xiàn)數(shù)字設置接收信號的中心頻率的功能，通過人機交互平臺使系統(tǒng)的控制更加人性化。最后通過測試表明系統(tǒng)的各項性能達到了預計的目標，整個系統(tǒng)結構合理，工作穩(wěn)定可靠。本文所提出的實現(xiàn)短波寬帶接收機的方法，采用當前通信領域中較為先進的技術，具有一定的理論和實踐意義。關鍵詞：短波、寬帶、超外差、二次混頻VABSTRACTWith the rapid development of science and technology, the requiremen

4、t for the communications system is also more and more high, especially for communication security and confidentiality requirements, short wave communication is the use of wavelength of 100 10m (frequency 3 30MHz) radio electromagnetic wave, its unique mode of transmission has once again become the f

5、ocus of the study. This paper studies the HF Broadband Receiver Based on short wave communication.This paper first analyzes the general structure of receiver, on the basis of superheterodyne receiver and design two mixing model of HF Broadband Receiver, design and circuit simulation using the princi

6、ple of modulation and demodulation, the application of DDS technology as a local oscillator for a mixer, the mixing frequency to two times if, then the RMS detector demodulation. Through the system simulation software SystemView to demonstrate the feasibility of the method, parameters of each module

7、 of the system determined. Using the. Using the CORTEX-M4 controller to control the whole system, and the realization of digital set center frequency signal receiving function, through the human-computer interaction platform to make the system more humanized control. Finally through the test show th

8、at the performance of the system reached the expected target, the whole system is reasonable in structure, stable and reliable work.Methods the HF Broadband Receiver implementation presented in this paper, using advanced technologies in the current communication field, and has a certain theoretical

9、and practical significance.Keywords: Short wave; Broadband; Super heterodyne; The two mixer目 錄第1章 緒論11.1 短波通信的研究背景11.2相關領域國內外研究現(xiàn)狀21.3短波寬帶接收機研究的意義31.4本論文的預期目標及章節(jié)安排3第2章 接收機的系統(tǒng)設計及指標分析52.1 無線接收設備的基本組成與原理52.2接收機方案的選擇62.2.1 天線62.2.2 衰減網絡72.2.3 低噪聲放大72.2.4 濾波器設計原理72.2.5 可變增益放大器的設計原理92.2.6 混頻92.2.7 功率放大102.

10、2.8 有源微分網絡102.3解調112.3.1幅度解調112.3.2頻率解調122.4接收機的指標分析142.4.1噪聲特性142.4.2靈敏度152.5本章小結15第3章 基于SystemView的系統(tǒng)仿真設計173.1通信仿真的概念及意義173.2 SystemView簡介173.3基于SystemView的模擬調制解調183.3.1常規(guī)雙邊帶調幅（AM）183.3.2頻率調制193.3.3 調頻波轉換電路仿真213.3.4混頻電路仿真213.3.5解調電路仿真223.4本章小結24第4章 短波寬帶接收機的硬件設計254.1 接收機射頻前端電路設計254.1.1 衰減網絡254.1.2

11、低噪聲放大器的設計264.1.3 帶通濾波器的電路設計274.1.4 可變增益放大器（VGA）電路設計304.1.5一次本振（DDS）電路設計324.1.6一次混頻電路設計334.1.7 中頻放大電路的設計344.1.8 二次混頻354.2 解調電路設計364.2.1 調頻波轉換電路設計364.2.2解調電路設計374.2.3功率放大電路的設計384.3 本章小結38第5章 短波寬帶接收機的軟件設計405.1 Cortex-M4實現(xiàn)一次混頻DDS的控制415.2 Cortex-M4實現(xiàn)按鍵和液晶的控制425.3 Cortex-M4實現(xiàn)對VGA和PGA的控制425.4 Cortex-M4對其他模

12、塊的控制435.5本章小結45第6章 接收機的系統(tǒng)測試466.1短波寬帶接收機的硬件測試466.1.1低噪聲放大器的指標測試466.1.2可變增益放大器（VGA）指標測試476.1.3一次本振DDS和一次混頻電路測試476.1.4二次混頻電路測試486.1.5 調頻波轉換電路測試486.1.6解調電路測試496.2短波寬帶接收機的軟件測試496.2.1 液晶按鍵的控制顯示496.2.2 CortexTM-M4控制DDS產生正弦波的測試506.3整機測試506.3.1接收機的接收頻率范圍測試506.3.2接收機的選擇性測試506.3.3接收機的靈敏度測試506.4本章小結50結 論52參考文獻5

13、3致謝55附錄A短波寬帶接收機PCB板56附錄B低噪聲放大器電路圖57附錄C帶通濾波器電路圖58附錄D VGA電路圖59附錄E混頻電路圖60附錄F 解調電路圖61附錄G 一次本振DDS電路圖62附錄H 短波寬帶接收機實物圖63第1章 緒論第1章 緒論1.1 短波通信的研究背景眾所周知，短波通信可以說是無線電通信的始祖，在剛剛發(fā)明無線電的時候，短波就成為其主要的傳播方式。當今時代，雖然無線電的使用頻段已經從短波段擴展到超短波、微波甚至更高的頻段，但是短波通信在通信領域中仍然占據(jù)著極為重要的地位。短波通信是利用波長為100m10m（頻率為3MHz30MHz）的電磁波進行無線電通信1。短波通信可以依

14、靠地波傳播，但是其主要傳播途徑是天波。地波傳播只適用于短距離傳播，傳播距離最多只有幾百公里，它的損耗會隨工作頻率的增高而遞增，一般在5MHz以下。1901年，意大利無線電學者馬可尼用無線電通信聯(lián)通了大西洋兩岸的英國與紐芬蘭（距離為3400Km）。之后，無線電短波通信以其低廉的設備、便攜性強、操作簡單和可以靈活使用等優(yōu)點，而迅速發(fā)展為遠距離通信的主要技術2。短波通信發(fā)展的黃金時期是第二次世界大戰(zhàn)到20世紀60年代，在此期間該技術廣泛的應用于軍事、廣播、商業(yè)、氣象等諸多領域，用以傳輸語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息，世界上許多國家還建立了覆蓋本地區(qū)或世界性的專用通信網絡或公用通信網。短波通信被廣泛的使

15、用，基于它三個顯著的特性：（1） 安全性。由于短波通信是依靠電離層的反射進行無線電通信，電離層（除高空短暫的原子彈爆炸和太陽發(fā)生耀斑外）不會被任何方式和力量摧毀，由于短波通信無需中繼站，每個電臺站既可以作為主站又可以作為從站，毀掉其中一部分而不影響全局通信，因此是最安全的通信方式。（2） 覆蓋面積廣。短波通信依靠電離層與地面的反射傳播，因此可以進行全球覆蓋，通信可以到達地球上的任何角落。而其他通信都是直線傳播，在傳播過程中受到地球球面的影響，傳播的距離很短，即使使用了中繼站，依然有很多區(qū)域無法覆。（3） 經濟性。短波通信無需建造復雜的樞紐站和中繼站，造價較低，而且運營成本幾乎為零。20世紀60

16、年代以后，隨著衛(wèi)星通信、網絡通信等新興遠距離通信方式的出現(xiàn)，短波通信的缺點越來越多的顯露出來：帶寬緊張，射頻頻譜資源緊張，存在信道干擾問題，容易被竊取等等。而新型衛(wèi)星通信技術具有信道穩(wěn)定、可靠性高、通信質量好、信道容量大等優(yōu)點，從而取代了許多本來屬于短波通信的重要業(yè)務3。在20世紀60年代至70年代，短波通信的技術研究和業(yè)務發(fā)展陷入低谷。直到電子信息戰(zhàn)爭的應用使得人們發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)爭一旦發(fā)生，各種通信系統(tǒng)都有可能遭到破壞，就連衛(wèi)星也無法避免，而短波通信卻憑借其無需中繼的優(yōu)勢，又一次得到人們的重視和研究。1.2相關領域國內外研究現(xiàn)狀由于短波通信在軍事上所表現(xiàn)出的突出優(yōu)點，20世紀80年代以來，短波通信

17、又一次成為各國研究的重點。隨著短波的組網技術、信道的編碼技術、信道的均衡技術、信道的自適應技術以及自適應調頻等技術的發(fā)展成熟，短波通信所存在的缺陷得以彌補。而微型計算機、微電子技術和移動通信的迅猛發(fā)展，使得人們開始利用微處理器、FPGA和數(shù)字信號處理等數(shù)字技術來提高短波通信的質量和數(shù)據(jù)傳輸速率，自適應與抗干擾能力得到顯著提高，現(xiàn)代短波通信得到巨大的發(fā)展3。許多公司陸續(xù)推出了一系列性能優(yōu)良的設備和系統(tǒng)，比較有名的有：澳大利亞的HF-90H、日本ICOM IC-M710、日本威泰克斯公司VX-1210 YA型便攜式短波電臺、美國的CHESS、美國HARRIS公司的RF-5800系統(tǒng)、柯林斯公司的S

18、ELSCAN系統(tǒng)等4。1） HF-90超小型調頻短波電臺HF-90是由澳大利亞Q-MAC公司所推出的具有智能邊帶調頻技術的產品，它是利用SSB（Single Sideband Signal）調制方式傳送話音信號，將調頻碼隱含于邊帶話音中，隱含的調頻信號近似邊帶噪聲，比目前世界各電臺生產廠所提供的數(shù)字話音更難被識別，破譯和追蹤。HF-90所采的智能調頻技術能夠解決電臺信號阻塞或雜波串擾和多徑效應所造成的不穩(wěn)定問題，是一種具有極強的頻帶適應性的技術，它可以將整個通信網自動調整到干凈的信道區(qū)，使通信背景得到凈化，提高通信質量。2） CHESS系統(tǒng) CHESS系統(tǒng)是由美國Lockheed Sander

19、s公司推出，它是以數(shù)字信號處理技術和高速DSP（Data Signal Processor）芯片為基礎，調頻帶寬2.56MHz，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達19.2kbit/s，CHESS系統(tǒng)最突出的特點是采用了差分跳頻技術。它實質上是一種將頻率調制和編碼相結合的技術，通過對頻率編碼，增加頻率域的冗余度使得跳頻頻率間具有了特定的相關性，接收端利用這種相關性進行頻率序列譯碼，糾正一定比例頻率誤判，起到了以頻帶換取信噪比的作用，以提高其系統(tǒng)的性能4。接收機是短波通信不可或缺的一部分，而如今的接收機已經走出晶體管時代，走向高集成度、高性能的發(fā)展方向，并且逐步向數(shù)字化方向發(fā)展，人們不斷的更新接收機的設備性能，增

20、強其功能，先后出現(xiàn)了多種結構的接收機模型。而超外差式接收機以其獨特的優(yōu)勢成為接收機的主要結構形式，其前射頻前端電路主要包括天線、低噪聲放大器、帶通濾波器、混頻器和中頻放大器等模塊單元。但同時也存在鏡像干擾和中頻干擾等缺陷，于是人們使用二次混頻來解決相關干擾問題。國外對寬帶接收機的研究早在1995便開始了，J.T.Vaughan等對應用于Telsla的核磁儀的射頻前端進行了相關的設計和實現(xiàn)，雖然帶寬只有20MHz，卻給寬帶接收機提供了發(fā)展方向。到2005年，Reja等利用互補金屬氧化物半導體工藝設計出了直流到3500MHz的寬帶接收機5。而近年來，我國在短波寬帶接收機的研究領域也取得了相關的成果

21、。1.3短波寬帶接收機研究的意義短波通信在軍用、民用和教學方面都存在著其獨特的意義，而對接收機的研究又是其不可或缺的一部分。1）軍用意義隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，通信的優(yōu)越性在戰(zhàn)爭中發(fā)揮的作用越來越突出，可以說掌握了信息的交流，就掌握了戰(zhàn)爭的主動權。在戰(zhàn)爭中的各種網絡都有可能受到攻擊，甚至衛(wèi)星也不能避免，而短波通信的抗擊毀能力就得到突出的體現(xiàn)。2）民用意義短波通信的民用意義主要體現(xiàn)在一些偏僻的山區(qū)和網絡通信、衛(wèi)星通信都無法覆蓋的區(qū)域通信中。而在抗震救災中，短波通信的優(yōu)勢就更加突出，比如2008年汶川地震，在震后災區(qū)，通信中斷，信息的發(fā)出主要依靠短波通信，為后面的營救工作提供了重要的信息。3） 教學意

22、義學習短波通信能夠讓學生了解更多的通信手段，使教學內容與時俱進，適應科技發(fā)展。在學習通信及高頻電子線路知識的時候，能讓學生體會到這些知識的具體用途，同時也能加強學生學習的積極性，提高學習興趣。1.4本論文的預期目標及章節(jié)安排本文旨在研究并設計制作一套短波寬帶接收機系統(tǒng)。以接收3MHz30MHz的短波信號作為主要研究目的，研究的時候首先對短波頻段接收機的原理做深入解析，并在此基礎上設計系統(tǒng)方案，包括前端的低噪聲放大器設計，帶通濾波器的選擇特性，VGA電路的增益控制特性，經過兩次混頻后使用真有效值檢波進行信號的解調。文章最后對系統(tǒng)的性能以及各個模塊的指標做詳細的測試。本論文的技術指標如下：1)接收

23、信號頻率范圍：3MHz30MHz；2)解調模式：調幅和調頻可選；3)接收機選擇性：矩形系數(shù)5.0；4)可數(shù)字設置接收信號中心頻率，并可顯示接收信號強度；5)接收機靈敏度：1mV（有效值）；6)解調輸出無明顯失真，并可播放語音信號。文章各章節(jié)安排如下：1、第1章介紹了短波寬帶接收機的研究背景和國內外研究現(xiàn)狀，并給出了本論文的研究內容和章節(jié)安排。2、第2章首先對接收機的基本原理進行分析，然后介紹本論文所研究的短波寬帶接收機的總體設計和相關指標分析。3、第3章是使用SystemView對系統(tǒng)進行仿真，并給出相關仿真結果圖。4、第4章對短波寬帶接收機的硬件設計進行闡述。其中硬件實現(xiàn)包含前端的低噪聲放大

24、，帶通濾波器，VGA電路，兩次混頻和系統(tǒng)的檢波電路。5、第5章對短波寬帶接收機的軟件設計進行闡述。其中包括Cortex-M4控制器對系統(tǒng)信號的通路選擇，人機交互平臺的控制和數(shù)字設置接收機的接收頻率。6、第6章在已經完成的短波寬帶接收機系統(tǒng)基礎上，設計了一套測試方案，通過示波器、信號源等儀器，測試和分析了系統(tǒng)的各項性能指標。23第2章 接收機的系統(tǒng)設計及指標分析第2章 接收機的系統(tǒng)設計及指標分析2.1 無線接收設備的基本組成與原理無線接收設備的基本任務是將通過天空傳來的電磁波接收下來，并從中取出需要的信息信號，下面將講述三種最基本的接收機原理類型6。圖2.1是一個最簡單的接收機原理框圖，它由接收

25、天線、選頻回路、檢波器和輸出變換器四部分組成。接收天線接收從空中傳來的電磁波，通過選頻回路選出所需要的信號并且濾除干擾信號，再利用檢波電路從已調波信號中取出原調制信號，即音頻信號，經過輸出變化器輸出音頻信號。這種接收機電路特點是線路簡單，但是檢波后得到的信號幅度太小，需要用高阻耳機才能進行電聲變換。圖2.1最簡單的接收機原理框圖圖2.2是直接放大式接收機的原理框圖，它是經過簡單接收機的改變得來的，在選頻回路后加入高頻放大器，檢波器后加入低頻電壓放大器和低頻功率放大器。直接式接收機的特點是靈敏度高，輸出功率比較大，尤其適用于固定點頻率的接收，但是在用于接收多個電臺時，其調諧非常復雜，而且高頻小信

26、號放大器的通頻帶不平整，在整個接收頻帶內，放大器對高頻放大的倍數(shù)比低頻放大倍數(shù)小。因此，對不同頻率的電臺其接收的效果不同。為了克服這個缺點，現(xiàn)在的接收機多數(shù)都采用超外差式線路。圖2.2直接放大式接收機原理框圖圖2.3是超外差式接收機它的主要特點是把被接收的已調信號的載波頻率先變?yōu)轭l率較低的（或較高的），且是固定不變的中間頻率（稱為中頻），而其振幅的變化規(guī)律保持不變6。由于變頻后為固定的中頻，頻率比較低，容易獲得較大的放大量，因此可以提高接收機的靈敏度，同時也可以解決不同電臺信號放大不均勻的問題。而“差頻”技術的采用，使得外來信號必須和振蕩信號相差為預定的中頻才能進入電路，而且選頻回路、中頻放大

27、諧振回路又是一個良好的濾波器，其他干擾信號就被抑制了，從而提高了系統(tǒng)的選擇性7。圖2.3超外差式接收機原理框圖2.2接收機方案的選擇本論文所研究的短波寬帶接收機是在超外差式接收機的基礎上進行的改進，采用二次變頻技術，解決了超外差式接收機所存在的鏡頻干擾和中頻干擾問題，并且可以解調調頻波和調幅波。如下圖2.4所示為本接收機的原理框圖，短波信號通過天線進入接收機，由于天線接收到的信號含有噪聲，需要經過帶通濾波器濾除無用的信號，而經過帶通濾波器后的信號強度十分微弱，使用低噪聲放大器可以增強信號的幅度，并且可以抑制噪聲干擾，之后的可變增益放大電路在接收機中可以提高接收機的動態(tài)范圍。第一次混頻利用一次本

28、振DDS與接收到的短波信號進行混頻工作，將接收到的信號變頻到45MHz的固定頻率，再經過帶通濾波器和中頻放大器進入混頻器，進行第二次混頻，將45MHz的信號降到455KHz，最后進行調頻和調幅波的解調工作，解調出音頻信號，通過低頻功率放大器推動輸出。下面將對短波寬帶接收機結構上的重要部分做原理性說明。圖2.4短波寬帶接收機原理框圖2.2.1 天線天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作8。 在本接收機中

29、，天線用以接收大氣中的短波信號，短波信號在大氣中以電磁波的形式傳播，其頻段在3MHz30MHz，而空氣中電磁波的傳播速度為，所以短波信號的波長為： （2-1） （2-2）2.2.2 衰減網絡在天線后加入的衰減網絡為0dB或40dB，由純電阻網絡構成。如果前端接收到的信號強度過大可選擇40dB的衰減網絡，防止接收機被損壞，如果信號強度較小則可以選擇0dB的衰減網絡，使后端能夠準確的檢測到信號。衰減網絡在整個接收機中起保護作用。2.2.3 低噪聲放大低噪聲放大指的是噪聲系數(shù)非常低的放大器，經常用在放大微弱信號的電路中，是接收機的關鍵組成部分，在整個接收機系統(tǒng)的前端設計中占據(jù)重要的地位。大氣中民用無

30、線電電磁波信號強波比較微弱，低噪聲放大器一般位于接收機的前端，緊鄰天線之后，所以低噪聲放大器的特性直接影響著整個接收機接收信號的質量，要求低噪聲放大器具有最小的噪聲系數(shù)、足夠的動態(tài)范圍、輸入端良好的匹配和一定的頻帶選擇特性。由于放大器本身存在噪聲，可能會對信號產生嚴重的干擾，所以引入噪聲系數(shù)來衡量放大器的噪聲水平。噪聲系數(shù)=輸入端信噪比/輸出端信噪比，單位用分貝（dB）來表示，噪聲系數(shù)越低，則電路本身噪聲水平越低9。2.2.4濾波器設計原理濾波器是一種頻率選擇裝置，它對信號進行處理和加工，從中選出某些特定的信號輸出。設低頻段的截止頻率為，高頻段的截止頻率為，頻率為到之間的信號能夠通過，低于和高

31、于的信號衰減的濾波電路稱為帶通濾波器，高于的信號通過，而低于的信號衰減的濾波器稱為高通濾波器，相反低于的信號通過而高于的信號衰減的濾波器稱為低通濾波器10。本文涉及到有源濾波器和無源濾波器，無源濾波器是使用Rsim99進行仿真設計，下面講述有源濾波器和無源濾波器的設計原理，其中有源濾波主要闡述帶通濾波器的設計原理。在分析有源濾波電路時，一般都通過“拉氏變換”，將電壓與電流變換成“象函數(shù)”和，因而電阻的，電容的，電感的，輸出量與輸入量之比稱為傳遞函數(shù)，即 (2-3)圖2.5 壓控電壓源二階帶通濾波電路如圖2.5所示為壓控電壓源二階帶通濾波器電路Ui為同向比例運算電路的輸入，比例系數(shù) (2-4)當

32、，時電路的傳遞函數(shù) (2-5)令中心頻率，電壓放大倍數(shù) (2-6)當時，得出通帶放大倍數(shù) (2-7)令式（2-6）分母模為，即式(2-6)分母虛部的絕對值為1，即 (2-8)解方程，取正根，就可以得到下限截止頻率和上限頻率分別為 (2-9)因此，通頻帶 (2-10)Q值愈大，通帶放大倍數(shù)愈大，頻帶愈窄，選頻特性愈好。調整電路的，能夠改變頻帶寬度。而在高頻領域，由于受到放大器的頻帶限制，應用更多的是無源濾波電路。無源濾波器又稱為LC濾波器，是指利用電容、電感和電阻的組合設計構成的濾波電路，主要是針對信號的諧波進行濾除工作。2.2.5 可變增益放大器的設計原理可變增益放大器是自動增益環(huán)路的核心，其

33、增益近乎線性的隨外加電壓的變化而變化，本論文所設計的可變增益放大器使用TI（德州儀器）公司生產的VCA824，通過核心控制器的DA輸出穩(wěn)定的控制電壓來控制器增益。2.2.6 混頻混頻電路的功能是將已調波的載波頻率變換成固定的中頻載波頻率，而保持其調制規(guī)律不變6。也就是說它是一個線性頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來實現(xiàn)這種搬移。對于調幅波、調頻波或調相波通過混頻電路后仍然是調幅波、調頻波或調相波，只是其載波頻率變化了，其調制規(guī)律是不變的。混頻電路廣泛用于各種電子設備中，在超外差式接收機中，將高頻載頻信號變成固定中頻載頻信號，然后通過中頻放大器進行放大，使整個接收機靈敏度和選擇性大大提高。

34、在頻率合成中常用混頻器完成頻率的加減運算，從而得到各種不同的頻率，這些頻率的穩(wěn)定度可以與主振器的高穩(wěn)定度相同。圖2.6混頻器的組成原理圖2.2.7功率放大在實用電路中，往往要求放大電路的末級（即輸出級）輸出一定的功率，以驅動負載。能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。從能量控制和轉換的角度看，功率放大電路與其他放大電路在本質上沒有根本區(qū)別；只是功放既不是單純的追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源確定的情況下輸出盡可能大的功率11。因此，從功放電路的組成和分析方法，到其元器件的選擇，都與小信號有著明顯的區(qū)別。除了傳統(tǒng)的用分立元件搭建的甲類、乙類、丙類

35、等功率放大器外，集成功率放大器也被廣泛的利用，主要應用在各類高檔、中檔和普及型收音機以及音響設備中。本論文運用了常見的功率放大芯片LM386作為系統(tǒng)解調信號的功率輸出推動。2.2.8 有源微分網絡如圖2.7所示為基本微分運算電路。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的原則，u+=u-=0，為“虛地”，電容兩端電壓uC=uI。因而 （2-11）輸出電壓 （2-12）輸出電壓與輸入電壓的變化率成比例。圖2.7 基本微分運算電路2.3解調解調是調制的逆過程，是從攜帶消息的已調信號中恢復消息的過程。解調可以分為正弦波解調和脈沖波解調，而正弦波解調又可以分為幅度解調、頻率解調和相位解調。本論文所研究的短波寬帶接收機應

36、用的是正弦波解調中的幅度解調和頻率解調。2.3.1幅度解調幅度解調一般是利用振幅檢波器進行解調，它可以從調幅信號中不失真的解調出調制信號。當普通的調幅信號經過檢波電路時，可得到輸出信號電壓為的調制信號。圖2.8分別為等幅波、調幅波和脈沖調制經過檢波器時的輸入輸出波形圖，輸出分別為直流、正弦波和脈沖波。圖2.8檢波器輸入/輸出波形本文所研究的檢波電路是使用集成電路完成，使用ADI（亞德諾半導體技術有限公司）生產的AD8361進行檢波電路設計。2.3.2頻率解調調頻波所攜帶的信息包含在瞬時頻率的變化之中，從調頻波中提取信息的設備稱為解調器，一般也稱鑒頻器。實現(xiàn)調頻信號解調的鑒頻電路可分為三類，第一

37、類是調頻-調幅調頻變換型。這種類型是先通過線性網絡把等幅調頻波變換成振幅與調頻波瞬時頻率成正比的調幅調頻波，然后用振幅檢波器進行振幅檢波。第二類是相移乘法鑒頻型。這種類型是將調頻波經過移相電路變成調相調頻波，其相位的變化正好與調頻波瞬時頻率的變化成線性關系，然后將調相調頻波與原調頻波進行相位比較，通過低通濾波器取出解調信號。因為相位比較器通常用乘法器組成，所以稱為相移乘法鑒頻。第三類是脈沖均值型。這種類型是把調頻信號通過過零比較器變換成重復頻率與調頻信號瞬時頻率相等的單極性等幅脈沖序列，然后通過低通濾波器取出脈沖序列的平均值，恢復出與瞬時頻率變化成正比的信號6。本文采用微分法進行調頻-調幅調頻

38、變換，然后經過真有效值檢波器進行振幅檢波。其中調頻波表達式： (2-13)上式對時間求導得： (2-14)此式表明，經過微分網絡后，調頻波便形成了調幅-調頻波，幅度的變化規(guī)律與調制信號相同，用檢波器和低通濾波器提取信息。由于微分網絡對噪聲和其他干擾引起的幅度變化有影響，故微分網絡之前都要加低通濾波器和限幅放大器。原理框圖如圖2.9所示。理論上，任何一個能對調頻信號求時間導數(shù)的網絡都能把調頻波變換成為調幅-調頻波。但載波變化時，使輸出低頻信號的幅度不穩(wěn)定，且載頻越高，鑒頻靈敏度越低。提高并穩(wěn)定靈敏度的方法之一就是把載頻變成一個固定的低中頻0，使其接近所要測量的最大峰值頻偏值。這就要求在中頻帶通濾

39、波器內平坦度非常好，矩形系數(shù)也要很好。圖2.9 微分法調頻解調原理框圖為了用低通濾波器選出調制信號分量，它的頻譜和以為中心的調幅調頻波的頻譜就不應該有重疊。如圖2.10所示。圖中，是調制信號中的最高頻率，B為調頻波的帶寬，為了使低頻調制信號和一次項的頻譜分開，應滿足： (2-15)或寫成： (2-16)式中：，為調制指數(shù)；，為相對頻寬。D和的關系可用圖2.11曲線表示。 圖2.10調幅調頻波的頻譜 圖2.10 相對頻偏D與調制指數(shù)mF的關系可以看出，越大，相對頻偏也就越大12。2.4接收機的指標分析接收機的技術指標主要包括噪聲特性、靈敏度等。本論文主要考慮這兩個方面的指標分析。2.4.1噪聲特

40、性 人們通常將噪聲分為內部噪聲和外部噪聲兩類，外部噪聲又分為自然界噪聲和人為噪聲。內部噪聲也稱為電路噪聲，主要是指設備內部各種器件、部件產生的熱噪聲、散彈噪聲等。熱噪聲12是指處于一定熱力學狀態(tài)下的導體中所出現(xiàn)的無規(guī)則電漲落，它是導體中自由電子無規(guī)則的熱運動引起的，其大小取決于物體的熱力學狀態(tài)。熱噪聲特性：（1）在頻域中，具有連續(xù)均勻分布的功率頻譜密度，即在極寬的頻率范圍內其功率電平為一個常數(shù)；（2）在時域中，具有振幅和相位的隨機性，其振幅和相位隨時間在做無規(guī)則的變化，這種變化的概率密度服從正態(tài)分布規(guī)律13。導體中熱噪聲是由大量短促脈沖疊加形成的隨機過程，其平均值等于零，所以熱噪聲電壓的瞬時值

41、和平均值都無法計量，但是熱噪聲電壓的均方值卻完全可以確定。數(shù)學關系式： (2-17)式中：k玻爾茲曼常數(shù)，為，單位為; T電阻溫度，單位為K； R電阻值，單位為； B接收機帶寬單位為Hz。上式表明噪聲能量存在與給定帶寬內，與中心頻率無關14。熱噪聲的功率為： (2-18)兩邊求對數(shù)，得到 (2-19)由上式可以計算出，常溫下（T=190K），1Hz帶寬上的熱噪聲功率為，定義其為噪聲基底。理想接收機只放大從天線端接收到的信號和噪聲，但是由于接收機內部也存在各種噪聲，所以在輸出端的噪聲中，還存在除了天線之外的其他噪聲，因此引入了噪聲系數(shù)的概念。噪聲系數(shù)：一個二端網絡規(guī)定輸入端溫度處于290K時，其

42、噪聲系數(shù)是指輸入端的信噪比除以輸出端的信噪比15，即： (2-20)式中： Si網絡輸入端信號功率，單位為W； Ni網絡輸入端噪聲功率，單位為W； So網絡輸出端信號功率，單位為W； No網絡輸出端噪聲功率，單位為W。2.4.2靈敏度 靈敏度是測試被檢測設備在技術指標規(guī)定的信號調制方式和中頻帶寬條件下，音頻輸出端檢測負載上產生額定輸出功率并達到額定信噪比時，天線輸入端所需的最小信號輸入電平。接收機的靈敏度包含三個要素，熱噪聲、系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和系統(tǒng)的信噪比。接收機靈敏度的測量還與接收機所接收的信號調制類型、噪聲系數(shù)、（S+N）/N、中頻帶寬有關，需要在給定的噪聲功率下才能衡量接收機的靈敏度。如下

43、式為接收機靈敏度與各個參數(shù)之間的關系式： (2-22)其中：S接收機靈敏度，dBm； NF接收機噪聲系數(shù)，dB； B檢波前的中頻帶寬，Hz； 為信號檢波所需的（S+N）/N，dB； 調制特性函數(shù)，與信號調制類型有關，dB12。2.5本章小結本章對短波寬帶接收機的總體原理和相關技術指標進行了闡述，并對其解調方式進行了深入的分析。首先從接收機的常見類型入手，介紹了各種類型的接收機，然后對本文研究的接收機進行分模塊原理闡述，比如天線，低噪聲放大，混頻，功率放大以及具體的解調模式，最后對接收機中相關的技術指標進行分析，尤其是對接收機中存在的噪聲和接收機靈敏度的計算方法進行詳盡的描述。第3章 基于Sys

44、temView的系統(tǒng)仿真第3章 基于SystemView的系統(tǒng)仿真設計3.1通信仿真的概念及意義仿真即是在建立一個新的系統(tǒng)或者對原有的通信系統(tǒng)做出相關的改進之前，通過建立這個系統(tǒng)的模型和仿真結果來衡量系統(tǒng)方案的可行性，從中選擇最為合理的參數(shù)和系統(tǒng)配置，然后再應用于這個系統(tǒng)的過程17。仿真也就是系統(tǒng)的模擬過程，在本質上，系統(tǒng)在計算機上的仿真就是根據(jù)系統(tǒng)的物理原理建立相應的數(shù)學描述并進行相關計算數(shù)值求解的過程。隨著通信技術的發(fā)展，通信系統(tǒng)也變得越來越復雜，對于通信的研究也越來越困難，但是強大的計算機輔助分析和設計工具的發(fā)展成為研究通信系統(tǒng)的一種新的途徑。而隨著計算機發(fā)展的成熟，系統(tǒng)仿真的突出地位就

45、越來越突出。系統(tǒng)建模和仿真的作用及意義：1） 利用系統(tǒng)建模和仿真技術，可以對系統(tǒng)的設計細節(jié)進行分層次的評估和模型建立；2） 通過對系統(tǒng)仿真技術和方法的研究，可以有效的將數(shù)學分析模型和實際經驗模型相結合起來；3） 通過對系統(tǒng)方法的研究，可以快速建立一個通信系統(tǒng)的模型，提供一個便捷、高效和精確的評估平臺；4） 采用軟件仿真進行系統(tǒng)合理性的驗證，可以節(jié)約大量的實驗研究成本，仿真后的方案可能會更接近實際結果，也可以節(jié)約研究時間。3.2 SystemView簡介SystemView是美國ELAXNIX公司推出的一款基于Windows環(huán)境下工作的系統(tǒng)仿真分析軟件工具，是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，提供豐富的

46、庫資源，包括各種信號源、加法器、乘法器、接收器和各種函數(shù)運算器等，特別適用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計仿真和方案論證，尤其適用于調制解調器、無線通信等通信系統(tǒng)的仿真。利用SystemView可以直接設計電路模型而無需編寫任何代碼，能對現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計仿真給出具體的時域和頻域分析、頻譜分析。其特點如下：1） 可以仿真大量應用系統(tǒng)，包括現(xiàn)代通信以及DSP的所有領域；2） 具有可視化、動態(tài)仿真系統(tǒng)、圖符表示功能模塊；3） 不需要編寫程序建立系統(tǒng)仿真模型，只關心設計思路；4） 提供基于組織結構圖方式的設計，支持各種子系統(tǒng)；5） 完備的線性系統(tǒng)和濾波器設計；6） 可擴展性強，提供MATLAB、VC+等多種軟件

47、接口18。3.3基于SystemView的模擬調制解調3.3.1常規(guī)雙邊帶調幅（AM）調制是通信系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)。通信系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)遠距離地不失真地傳送信息。所需傳送的信息通過轉換電路變?yōu)殡娦盘?，此電信號是占有一定頻譜寬度的低頻信號，通常稱為基帶信號。直接將基帶信號進行傳輸要實現(xiàn)多路遠距離傳輸比較困難，通常將基帶信號加載到高頻信號上去，用高頻信號作為運載工具。這種將基帶信號加載到高頻信號上的過程稱為調制18。對于常規(guī)雙邊帶調幅，其時域表達式為 （3-1）其中，為外加的直流分量。為調制信號，可以是已知的確定信號，也可以是隨機的信號，但通常認為其數(shù)學期望為0。和為載波信號的頻率和相位，一般設

48、置初始相位為0。由上式可以得到常規(guī)調幅的原理圖如圖3.1所示。圖3.1 常規(guī)調幅原理如圖3.2為基于SystemView進行的常規(guī)雙邊帶幅度調制，為了使調制后的現(xiàn)象更加明顯，選擇100Hz的載波信號，10Hz的調制信號來檢驗電路仿真的功能性。圖3.2中，圖符0為載波，圖符5為調制信號，圖符1、6、7為波形分析器。圖3.2 常規(guī)AM調制的模型其調制前后的波形如圖3.3所示。其中w0為100Hz的載波信號，w1為10Hz的調制信號，w2為調制波形。由圖3.3可以看出根據(jù)調幅原理圖設計的調幅電路可以很好地完成常規(guī)幅度調制。而由圖3.4可以看到調制前后信號頻譜的變換情況，對于常規(guī)雙邊帶調幅來說，調制過

49、程是線性頻譜搬移過程6。圖3.3 常規(guī)AM調制波形圖3.3常規(guī)調幅頻譜圖3.3.2頻率調制高頻振蕩的振幅不變，其瞬時頻率隨調制信號線性變化稱為頻率調制。調頻信號的表達式為： (3-2)如圖3.4是基于SystemView的調頻信號模型。圖3.5為10KHz的調制信號和經過100KHz的載波調制過的調頻波信號。圖3.4 調頻信號模型圖3.5調頻信號波形圖圖 3.6調頻波頻譜圖由圖3.6調頻波的頻譜曲線可以看出，調頻波的頻譜不是調制信號頻譜的簡單搬移，而由載波分量和無數(shù)對邊頻分量所組成的。3.3.3 調頻波轉換電路仿真調頻波經過微分電路后會變?yōu)檎{幅-調頻波，可以使用檢波電路進行解調。如圖3.7是1

50、0KHz的調制信號經過與1MHz的載波信號調制后形成調頻波，在經過微分電路后形成調幅-調頻波的電路模型，其中圖符4為微分器。由圖3.8可以看出此電路模型可以完成調頻波轉換成調幅-調頻波，驗證了調制類型轉化電路的可行性。圖3.7 調頻波轉換模型圖3.8調頻波轉換后的波形圖3.3.4混頻電路仿真混頻電路的原理在第2章已經闡述，在次不在詳細講述，其原理就是應用乘法器使兩個模擬信號相乘，即頻率上產生和頻和差頻，在通過濾波電路濾除不需要的頻率。如圖3.9為混頻電路模型。其中圖符0為1KHz的單頻信號，圖符1為5KHz的單頻信號，經過混頻后產生的頻率信號再經過濾波器后得到4KHz的單頻信號。其波形及頻譜圖

51、如圖3.10所示。其中w1和w4為兩個單頻信號，w2為混頻后的波形圖，w3、w4、w5分別為其頻譜圖。圖3.9混頻電路模型圖3.10 混頻信號波形圖3.3.5解調電路仿真本文所研究的短波寬帶接收機主要是對調幅波和調頻波解調的研究。因此對于解調電路的設計更加詳盡。而其具體的電路原理在第2章中已經做出了詳盡的說明，此處僅對電路模型進行系統(tǒng)仿真，驗證其設計的合理性。如圖3.11為調幅解調的具體電路模型。圖3.11 調幅解調電路模型其中，調幅波的調制信號為10KHz幅度為1V，載波信號為100KHz幅度為1V，由圖3.12可以得出此電路可以完成調幅波的解調工作，w1和w4分別為10KH的調制信號和10

52、0KHz的載波信號，w2為調制后的調幅波，w3為解調后的信號。圖3.12 調幅波解調波形如圖3.13為調頻波解調電路模型，其中調制信號為10Hz，載波信號為100Hz，信號經過微分器后形成調幅-調頻波，其原理驗證已在3.3.3小結驗證，在經過檢波管進行解調工作。由圖3.14可以看出經過解調后可以得出穩(wěn)定的調制信號。圖3.13調頻解調電路模型圖3.13 調頻解調波形圖3.4本章小結本章主要完成了對電路系統(tǒng)的SystemView仿真工作。通過對具體電路形式的驗證，證明了本論文所設計的電路的合理性。其中對于常規(guī)雙邊帶調幅（AM）電路、調頻（FM）電路、調頻波轉換電路和調幅波調頻波的解調進行了詳細的仿

53、真，并對其相關的頻譜進行了分析。第4章 短波寬帶接收機的硬件設計第4章 短波寬帶接收機的硬件設計本論文的硬件設計部分貫徹整個接收機電路，從信號的接收到解調無不涉及到硬件電路的設計。本論文所研究的短波寬帶接收機的完整硬件結構如圖4.1所示。其中包含射頻前端信號的接收和后端的解調網絡。在整個系統(tǒng)的硬件設計過程中，主要考慮接收機的寬頻段特性3MHz30MHz，尤其是在設計濾波電路時，由于接收頻段的上限頻率和下限頻率相差的倍程太大，對器件的要求過高，因此對濾波電路選擇分頻段設計。對于接收機其他各個模塊的設計都是依據(jù)電路中系統(tǒng)的要求進行設計的。圖4.1 短波寬帶接收機完整硬件結構框圖4.1 接收機射頻前

54、端電路設計如圖4.1所示，整個接收機的射頻前端電路包含衰減電路，低噪聲放大（LNA），帶通濾波器（BPF），可變增益放大器（VGA），一次混頻，中頻放大，和二次混頻電路。4.1.1 衰減網絡本文所研究的接收機最前端設計一個40dB的衰減網絡，是用來直接接入大信號時進行衰減的，防止接收機被大信號損壞，網絡兩端采用高頻開關HMC174進行信號的選擇。衰減器是在指定的頻率范圍內，一種用以引入預定衰減的電路。常用的固定衰減器有L型、T型、橋T型、型等，其中L型屬于不對稱衰減器，主要用于阻抗匹配；而T型、橋T型、型屬于對稱衰減器，主要用于衰減。經典的三種型衰減器、T型衰減器、和橋T型衰減器，衰減效果較好

55、，但對于高頻小信號，無緣衰減網絡型和T型網絡更加合適，因此本文選用型網絡做衰減。電路如圖4.2所示。圖4.2 衰減網絡其中HMC174作為開關可以控制直流到3GHz的高頻信號，它具有低失真、低插入損耗、低反射損耗的特性，圖4.3是它的插入損耗和反射損耗與頻率的關系。圖4.3 HMC174典型工作參數(shù)4.1.2 低噪聲放大器的設計天線接收的信號幅度一般都很小，在進入混頻器之前需要將信號進行一定的放大，而天線接收的信號又含有很多噪聲，所以低噪聲放大器在此處就可以發(fā)揮很大的作用，既可以放大信號又可以抑制一些噪聲，使得后面電路得到的信號更加純正?？紤]到芯片的性能，本論文采用美信半導體（Maxim）公司

56、生產的芯片MAX2650用作低噪聲放大器。MAX2650是一款性能優(yōu)異的低噪聲放大器，它具有很寬的頻帶，從直流到微波，具有一個900MHz的平坦增益響應，并且它的輸入輸出阻抗都是50，無需額外進行匹配，只需要在輸入輸出端各加一個10nF的電容即可。其具體應用的電路如圖4.4所示。圖4.4 MAX2650具體應用電路MAX2650的在短波頻段具有近乎穩(wěn)定的噪聲系數(shù)，并且受溫度的影響也較小，而且它的增益特性在短波頻段也幾乎不變，只是受到電源電壓和溫度的微小影響。它的噪聲特性如圖4.5,增益特性如圖4.6所示，根據(jù)MAX2650的增益特性曲線，預計其增益在17dB左右。圖4.5 MAX2650噪聲特

57、性圖4.6 MAX2650增益特性4.1.3 帶通濾波器的電路設計由圖4.1短波寬帶接收機完整硬件結構框圖可以看到，本論文所使用的帶通濾波器比較多，尤其是在低噪聲放大器后面的濾波器，將不同的頻段進行分開設計，使得接收機接收到的信號噪聲更少，為后續(xù)解調帶來極大的方便。其中濾波器的設計方法有很多，包括無源濾波器和有源濾波器，當接收信號頻率較高時，一般采用無源濾波器，若是采用有源濾波器，則需要放大器的具有很大的增益帶寬積。而濾波器又可以進一步分為巴特沃茲濾波器，切比雪夫濾波器，橢圓函數(shù)濾波器等。如圖4.7分別為巴特沃茲濾波器（左上）和同階第一類切比雪夫濾波器（右上）、第二類切比雪夫濾波器（左下）、橢

58、圓函數(shù)濾波器（右下）的頻率響應圖19。圖4.7 不同濾波器的頻率響應曲線由圖可見，巴特沃斯濾波器的衰減速度比其他類型濾波器緩慢，但其通帶和阻帶內都很平坦，沒有起伏變化。因此本系統(tǒng)在低噪聲放大器后的濾波器為7階巴特沃茲帶通濾波器，而在二次混頻后使用有源濾波器。其中低噪聲放大器后的濾波器頻段分為3-5MHz，5-8MHz，8-13MHz和13-20MHz。其中濾波器的參數(shù)是使用RFsim99進行設計并仿真的，其輸入輸出端都是50的阻抗，分頻段進行的濾波器設計，不僅僅可以抑制帶外噪聲，還可以抑制鏡頻干擾。其具體應用電路如圖4.8、4.9、4.10、4.11、4.12所示。圖4.8 3-5MHz7階帶

59、通濾波器圖4.9 5-8MHz7階帶通濾波器電路圖圖4.10 8-13MHz7階帶通濾波器電路圖圖4.11 13-20MHz7階帶通濾波器電路圖圖4.12 20-30MHz帶通濾波器電路圖圖4.8為3MHz至5MHz的帶通濾波器，其中心頻率為4MHz，帶寬為2MHz；圖4.9為5MHz至8MHz的帶通濾波器，中心頻率為6.5MHz，帶寬為3MHz；圖4.10為8MHz至13MHz的帶通濾波器，中心頻率為10.5MHz，帶寬為5MHz；圖4.11為13MHz至20MHz的帶通濾波器，中心頻率為16.5MHz，帶寬為7MHz；圖4.12為20MHz至30MHz的帶通濾波器，中心頻率為25MHz，帶

60、寬為10MHz。其中所有的濾波器都是7階巴特沃茲帶通濾波器，電路兩端的0.1uF的耦合電容，不參與濾波器參數(shù)的計算。圖4.13為一次混頻后的有源帶通濾波器，中心頻率為45MHz，是基于Filter Solutions 10.0進行的無源巴特沃茲型帶通濾波器的設計，帶寬為2MHz，輸入輸出端均為50阻抗20。圖4.13 一次混頻帶通濾波器經二次混頻之后的信號同樣帶有高頻成分，因此在二次混頻后設計了一個帶通濾波電路，采用TI公司生產的高精密運算放大器OPA627所設計的壓控電壓源二階帶通濾波電路，其中心頻率為455KHz。電路如圖4.14所示。圖4.14 壓控電壓源二階帶通濾波電路4.1.4 可變增益放大器（VGA）電路設計可變增益放大器（VGA）電路的應用可以提高接收機的動態(tài)范圍，本論文采用TI公司生產的VCA824，它是直流耦合、超寬帶、增益響應大于40dB的線性電壓控制增益放大器，它的輸入信號能夠隨著增益電阻（RG）和反饋電阻（RF）的變化可以達到40dB的變化，其控制電壓在-1V到+1V之間，供電電壓為5V，當其增益為20dB時，帶寬可達320MHz21。VCA824其典型應用電路如圖4.15所示，它的增益電阻（RG）和反饋電阻（RF）與輸入輸出電壓的關系如