短波无线电台混频器设计

短波无线电台混频器设计 南京林业大学 本科毕业设计(论文) 题目: 短波无线电台混频器设计 学 院: 专 业: 电子信息工程 学 号: 学生姓名: 指导教师: 职 称: 二 O 年 月 日 摘要 随着时代的发展，短波通信在我们日常生活中越来越重要。短波无线电通信是依赖于电离层反射实现的超距离的通信方式之一，目前广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面。它的波长在100米,10米之间，频率范围6兆赫,30兆赫，可实现的通信距离较远，是远程通信的主要手段。 混频即利用非线性元件把两个不同频率的电信号进行混合，通过选频回路得到第三个频率的信号的过程。本文主要研究了作为超外差接收机重要组成部分的短波无线电台混频器，及短波无线通信的过程中所涉及到的各种混频方法，主要有FET混频、BJT混频，并通过Matlab和Multisim仿真对各种方法性能指标和测试方法进行了分析。 关键字:短波无线通信 混频 matlab multisim I Abstract As we all know, The short-wave wireless communications is one of ultra distance manners basing on ionospheric reflection. It is widely used in telephone, telegraph, faxes with low-speed, and broadcast. The wavelengths of it are in the range of 100 to 10 meters, and its frequency band is 6MHZ~30MHZ.It is an important mean of long-distance communications because it can achieve longer distance. Frequency mixing is using non-linear element based on two different frequency signal , and we will get a third frequency through the frequency selective circuit. This paper mainly studies the mixers which is an important part of the specialized superheterodyne receivers,and different kinds of frequency mixing method involved in the course of short-wave radio communication.basically have FET frequency mixing, BJT frequency mixing, At last,through the Matlab and Multisim simulation of each method ,some of the performance index and test methods are analyzed. Keywords: Frequency mixing short-wave wireless communications matlab multisim II 目录 摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 第一章 绪论......................................................... 1 1(1 概述 ....................................................... 1 1(2 本文研究内容 ............................................... 1 2(1 混频的概念 ................................................. 3 2(2 混频的工作原理 ............................................. 3 2.3 FET混频..................................................... 5 2.3.1 双栅极FET有源混频器基本特性........................... 6 2.3.2对FET混频器的要求 ..................................... 6 2. 4 BJT混频................................................... 7 2.4.1 设计BJT混频器时的注意点.............................. 8 2. 5 混频器设计中的关键技术 .................................... 9 2.6 确定混频器的动态范围 ...................................... 10 2.6.1 确定混频器下限电平................................... 10 2.6.2确定混频器的上限电平 .................................. 10 2.6.3 注意混频器的隔离度................................... 10 第三章 混频器的性能指标及测试.................................... 11 3(1 变频干扰(interference)的概念 ............................. 11 3(1. 1 主要的变频干扰..................................... 11 3(1. 2 频干扰的抑制...................................... 12 3(2 混频器的性能指标 .......................................... 12 3(3 双音三阶互调指标测试方法 ................................. 13 3.4 混频器的几种分类 .......................................... 14 3(5 正确选用混频器 ........................................... 14 第四章 短波无线电台系统中混频器电路的设计......................... 16 第五章 短波电台中混频器电路的MULTISIM仿真分析..................... 23 III 5.1 MULTISIM介绍.............................................. 23 5.2 电路仿真 .................................................. 23 5.2.1 FET混频 ............................................. 23 5.2.2 BJT混频 ............................................ 26 第六章 混频器功能的MATLAB仿真分析................................. 28 6.1 MATLAB介绍................................................ 28 6.2 MATLAB仿真................................................ 28 第七章 短波电台中混频器的设计制作与调试 ........................ 33 7.3 实测结果 .................................................. 35 附录1:matlab程序................................................. 40 附录2:实物图 ..................................................... 43 IV 第一章 绪论 1(1 概述 短波是高频(HF)无线电通信，它是波长为100m-10m(频率为3MHz-30MHz)的电磁波进行的无线电通信。其主要用于通信导航、军事、气象等方面，用来传递语言、图像、数据、文字等信息。 频率变换(Frequency Conversion)，通常是指频率的输出信号与输入信号的不一样，并且能满足其相应的变换关系。从频谱的角度来看，解调(Demodulation)，解调是将高频的已调波频谱变换成低频调制信号频谱;调制(Modulation)与解调(Demodulation)正好相反，它是把低频的调制信号频谱变换为高频的已调波频谱;变频则将高频的已调波频谱变换为中频的已调波频谱。调制、解调与变频技术广泛应用于现代无线发射与接收机中间。作为超外差接收机重要组成部分的混频器，在诸多领域中得到了广泛的应用，比如雷达、广播电视、通信、电子对抗、遥控遥测等。整机性能的发挥是根据技术指标的好坏所决定的。随着社会和科技发展的不断进步，通信已经在人们的工作和生活中占据了很重要 [1]的地位，通信产品也成了社会生产和生活中的重要工具。在无线电通信领域，通信信道的设计及实现方法取决于通信产品通信质量的优劣，而混频器又是信道中的重要器件，对整机的性能指标起着非常重要的决定作用。因此，如何在设计信道的过程中正确的合理的选择混频器就成了我们需要思考的问题。第一步我们必须了解影响混频器性能的各项参数指标，接下来我们得根据设计所需要达到的目标选择混频器的种类。想要判断混频器性能的优劣，我们必须掌握混频器性能指标的测试方法。 1(2 本文研究内容 1、论述混频概念，研究混频器的组成、电路功能和工作原理及元器及混频器各单元电路的基本概念和分析依据。 1 2、 混频器的设计、调试与混频器基本特性的测试。设计混频器各单元电路， 通过对混频器各单元电路的设计和测试，学习混频器的分析和设计方法。 2 第二章 混频概念与混频器工作原理介绍 2(1 混频的概念 混频是不失真地将频率为fc的高频已调载波信号变换成频率为fI的中频已调信号，并且调制规律不变。频率变换电路是属于非线性电路的一种, 其频率变换功能应由非线性元器件产生的。 在射频电子线路里, 常用的非线性元器件有两种一种非线性电阻性元器件还有一种是非线性电容性元器件。 非线性电阻性在电压—电流平面上具有非线性的伏安特性。如果不考虑晶体管的电抗效应, 它的转移特性、输入特性和输出特性都具有非线性的伏安特性, 因此晶体管可视为非线性电阻性器件。 非线性电容性在电荷—电压平面上具有非线性的伏安特性。虽然在线性放大电路里也会使用晶体管这一非线性器件, 但是一定要采取一些 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来避免或消除它的非线性效应或频率变换效应, 因此主要利用它的电流放大作用。 比如, 让小信号放大电路工作中要在晶体管非线性特性中的线性范围内, 在丙类谐振功放中利用选频网络取出输入信号中才有的有用频率分量而过滤掉其它没有用的频率分量，等等。在超外差接收机中,混频的主要目的是保证接收机获得较高的灵敏度,足够的放大量和适当的通频带,同时又必须能稳定地工作。混频电路包括三个组成部分分别是本机振荡器(Local Oscillator)、非 [2]线性器件和带通滤波器。 2(2 混频的工作原理 混频输出频谱和实际接收效果几个单管混频晶体管混频电路分为自激式(又称变频)和他激式，常见的他激式混频电路如图2.1。 3 图2.1 他激式混频电路 2iv,,基极电流i与be间电压v有以下关系:, v=v+v. bbebeLsbbe 假如输入信号为等幅波，即vVt,cos,, vVt,cos, LLLSSS vVtVt,，coscos,,便设 beLLSS 2iVtVt,，,,,[coscos]则基极电流: bLLSS 通过混频，则频率会变为ωL+ωS 和ωL-ωS，如果负载回路调谐在差频ωL- ωS上，于是便选出中频ωL-ωS分量。 vVmtt,，,(1cos)cos,设输入为调幅波，即: SSS iVVmtt,，,,,,,(1cos)cos()则混频后输出的中频电流为: ILSLS 从上式中可以得出，混频器输出的中频电流也是调幅波。由于混频器输出中 频回路调谐在f上，它会抑制i中其他频率分量，所以输出电压只能为中频电ic 压。 下图2.2为一调幅波变频波形示意图，器频率为465KHz。 4 图2.2 一调幅波变频波形示意图 2.3 FET混频 ，混频器实现频率变换的核心器件是非线场效应管的频率变换属于FET混频 性器件，不同的非线性器件的伏安特性是不一样的，一般表示为，若非ifv,() VI线性器件的静态工作点电压为，静态工作点电流为，则其伏安特性可在QQ vV,附近展开为幂级数。在实际分析和计算的时候，非线性器件的伏安特性用Q 上述幂级数的有限项来表示的话，要求近似的准确度和特性曲线的运用范围决定了取多少有限项。为了简化计算过程，在工程计算允许的准确度范围内，应尽量 [3]选择较少的项数来近似。 uVvv,，，若忽略负载的影响，设 Q12 2nifvaavVavVavV,,，,，,，，,，()()()()带入式 : 012QQnQ 2niaavvavvavv,，，，，，，，，()()()则得到: 011221212n v2avvv由上式公示可以看出，i中与的相乘项为，它是由幂级数中的二12212 次方项产生的。所以，凡是伏安特性的幂级数展开式中含有二次方项的非线性器件，都是具有相乘的作用的，当然也都可以实现频谱搬移。场效应管还具有平方律的伏安特性，因此可以实现频谱线性搬移，比如N沟道结型场效应管的输出特 5 性与转移特性曲线。以N沟道JFET为举例，N沟道JFET正常工作的时候，栅极与源极之间应该加负电压，即v,0，使栅极、沟道间的PN结任何一处都处于GS 反偏状态，故栅极电流i?0。 G 场效应管工作频率高，故其特性近似平方率，动态范围比较大，非线性失真小，噪声系数低，单向传播性能好。所以它用于混频性能较好。 为了实现理想的相乘运算，从而可以实现频谱搬移，除了采用模拟乘器之外，对于其他非线性器件，必须减小无用相乘项和其产生的组合频率分量的振幅和数目，选用具有平方律特性的场效应管是一非常有效的措施。 设V?v?0 GS,offGS 则恒流区的转移特性可用下式近似表示: 2,,vGSiI,,1 ,,DDSS,,VGS, off,, 可以从上式看出，场效应管具有相乘作用。 2.3.1 双栅极FET有源混频器基本特性 双栅极FET的正向转移导纳随G的电压变化而变化。故双栅极FET可以作2 为乘法电路工作，由f与f可产生出和与差的频率是(ff)与(ff)的信soscosc + sosc - s号。由双栅极FET所构成的频率变换电路中，来自高频放大电路的信号施加于栅极1(G)，来自局部振荡电路的信号则施加于栅极2(G)。然后，利用LC谐12 振电路只提取必要的信号f(即ff)。 IFosc-s 2.3.2对FET混频器的要求 (1) 为了要降低混频器后续电路的噪声对与系统噪声的贡献并且弥补中频滤波器损耗，混频器需要一定转换增益，但是增益太大也不行，它会影响到混频器输出。 (2) 混频器线性度直接决定了接收机动态范围，所以它最重要的性能在各项 6 的性能中。当射频的输入信号功率过大的时候，超过混频器1 dB压缩点，中频的输出信号功率可能会比预期的值有比较大的幅度衰减，偏离它原本的线性轨迹;因为混频器它存在了三次非线性项，当遇到相邻频道射频的信号造成三阶互调量将会对中频的输出信号造成非常严重干扰时，一般用IIP3表征混频器对其三阶互 [4]调量中的抑制能力。 (3) 为了降低其系统噪声以及减轻I NA设计压力，混频器应具备比较低的噪声系数。 (4) 混频器的本振信号的LO摆幅一般较大，容易引起信号馈通和干扰，尤其是馈通到射频的输入端，影响了其他的接收机或者引起了自混频(对其零中频接收机性能影响很大)，所以混频器必须需要有很好的隔离度。 (5)所有的模块必须要考虑的问题是功耗，一般降低混频器功耗，可以有效地降低其系统功耗。 2. 4 BJT混频 BJT混频其实就是三极管混频，三极管的频率变换作用体现在三极管混频电路与较高变频增益，所以在中短波接收机和测量仪器中应用比较多。晶体管混频的原理性电路如下图2.3. (a)，(b)共发射极混频电路图 (c)，(d) 共基混频电路图 图2.3共射、共基极混频电路及特性图 7 从上图中可以看出，本振信号电压v电压v都加在晶体管的基极与发射极C和L 之间，利用发射极与基极之间的非线性特性来实现变频。这四种电路组态都各有优劣: (a)电路对振荡电压来说是共发电路，输人阻抗比较大，所以用作混频时，本地振荡电路比较容易起振，需要的本振注入功率也比较小，这是它的优势。可是因为振荡电路与信号输入电路相互影响比较大(直接耦合)，或许会产生牵引现象(pull-in phenomena)，这是它的劣势。当ω与ω的相对频差不大时，牵引s0 现象会比较严重，不适合采用此种电路。 (b)电路的本振电压与输入信号分别从发射极和基极输入注入，所以相互干扰产生牵引现象的可能性比较小。同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗比较小，不容易过激励，所以振荡波形好，失真小，这是它的优势，但是需要较大的本振注入功率，不过通常所需功率也只要几十mW，本振电路是可以供给的，因此这种电路应用较多。 (c)和(d)两种电路是共基混频电路。如果在较低的频率工作时，变频增益变低，输入阻抗也会较低，所以在频率较低时一般都不采用。但是在较高的频率工作时(几十兆赫)，共基电路的f比共发电路的f要大很多，因此变频增益较αβ 大。所以，在较高频率工作时也有采用这种电路的。 2.4.1 设计BJT混频器时的注意点 (1) 要求混频放大系数越大越好。混频放大系数也称混频电压增益，是指混频器的中频输出电压振幅与变频输入信号电压振幅之比。提高接收机灵敏度的一项有力措施是增大混频放大系数。 (2) 要求混频器的中频输出电路有良好选择性，以便抑制不需要的干扰频率。 (3) 为了减少混频器的和线性失真和频率失真以及本振频率产生的各种混频现象，要求混频器工作在非线性特性不严重的区域，使之既可以完成频率变换，又可以减少产生各种形式的干扰。 8 (4) 要求混频器噪声系数是越小越好，当设计混频器的时候，必须按照设备的总噪声系数的分配所给出的一些要求，进行合理的选择器件和线路及器件工作点电流。 (5) 必须考虑混频器工作的稳定性，比如本机振荡器的频率不稳定所引起混频器的输出不稳定等情况。 注意混频器输出端和输入端之间的连接条件，在选定其电路和设计其回(6) 路的时候，应当充分的考虑怎么匹配的问题。之所以场效应管的混频性能要比三极管的混频好，主要就在于其场效应管的工作频率要比三极管高，其非线性失真 [6]较小，特性近似平方率，动态范围较大，噪声系数较低，单向的传播性能更好。 2. 5 混频器设计中的关键技术 尽量选择噪声系数比较小、变频损耗较小或变频增益比较大的混频器。衡量接收机内部噪声对灵敏度影响程度的一个指标是噪声系数。 接收机的总噪声系数为: FF,,11MIFF,，，0RAAApaRpaRpaM FF式中:F表示接收机的总噪声系数，表示高频放大器的噪声系数，表0RM AF示混频器的噪声系数，表示高频放大器额定功率放大量，表示中频放大器paRI AA的噪声系数，表示混频器额定功率传输系数(<1时)或额定功率放大量paMpaM A(>1时)。 paM F为了提高接收机的灵敏度，必须要使总噪声系数变小，但是接收机多级0 电路总噪声系数主要是由第一级高频放大器决定的，也就是说，要保证高放噪声的系数小和额定功率的放大量大的要求，混频器处于接收机的第二级，其额定功率的放大量(额定功率的传输系数)、噪声系数对整机噪声系数也存在了一定的影响，特别是对于无高放的接收机，额定功率的放大量(或额定功率的传输系 [7]数) 、混频器噪声系数对整机噪声系数的影响更大。 9 采用三极管、模拟乘法器或者场效应管混频的时候，由于它们具有放大作用，混频器的输出中频信号功率将大于输入高频信号的功率，这个时候经常采用变频 AA增益，即额定功率的放大量(>1)来衡量混频前后的功率变化。 paMpaM 2.6 确定混频器的动态范围 2.6.1 确定混频器下限电平 接收机的灵敏度决定混频器下限电平。接收机灵敏度可以表示为: 3PkTBFWkTBFmW,,，[]10[] SWWmin0000 式中k为波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K;为接收机工作环境的绝对温度，T0 单位K;F0为接收机总的噪声系数;BW为接收机带宽，单位为Hz; Psmin为最小可以检测的信号功率，单位W。 2.6.2确定混频器的上限电平 1 dB压缩电平决定了混频器的上限电平。当输入信号功率较小的时候,混频后得到的输出中频功率随着输入信号功率线性地增大而增大，但是当输入信号功率增加到某个电平的时候，输入和输出之间由于混频器出现饱和趋势会呈现非线性。当输出的中频功率比线性增涨低于1 dB的时候所对应的输出中频的功率电平称作1 dB压缩电平，用PI1 dB表示 2.6.3 注意混频器的隔离度 从理论来看，混频器的各个端口间是相互隔离的，任意的一个端口上功率都不会泄露到其他的端口上。实际上，总是会有部分的功率在每个端口之间相互泄露的。评价这种泄露的程度可以利用隔离度。 10 第三章 混频器的性能指标及测试 3(1 变频干扰(interference)的概念 变频器是20世纪电气传动领域划时代技术进步的产物，随着变频器广泛的应用，其日益变成为工厂的自动化领域间最大电磁污染源。 变频器直—交逆变器非线性等效的负荷使变频器在很多系统集成的工程中不但污染工厂的供电系统，而且对自动化的工程项目直接干扰，引起了测控系统的失准失灵，严重的破坏了大系统稳定性，甚至变频器的自身受到了干扰引发了“自举”式调速故障。 3(1. 1 主要的变频干扰 主要的变频干扰有如下5种: (1) 移到有用输入频率f上形成对有用中频的干扰。 (2) 组合频率干扰(combined frequency interference):因为混频管有非线性特性，某些本地振荡(或其谐波)与输入频率(或其谐波)的混频结果刚好也为中频频率，从而形成对有用中频的干扰。 (3) 互调干扰:两个不同频率的强干扰信号经过高阶非线性元件作用，产生了与有用输入信号频率相同的成分。这一成分再和本振信号混频从而形成对有用中频的干扰。 (4) 像频干扰 (image frequency interference):频率为f =f+f的输NLi入信号与本振信号混频后形成的对有用中频的干扰。 (5) 中频干扰(intermediate frequency interference):频率等于中频的信号通过混频器后，在其输出端形成的对有用中频的干扰。 11 3(1. 2 频干扰的抑制 产生各种干扰的主要原因有:前端电路选择性(selectivity) 不好、动态范围小、器件的非线性、中频选择不当等方面。 抑制或消除各种干扰的办法有几点:提高混频前各放大级的选择性，选择合适的混频管、高放管，控制本振输出幅度，接入预选器或陷波电路和采用二次乃至三次变频技术等等。 混频器是多频工作器件，除了指明射频信号工作频率外， [9]还应当注意本振和中频频率应用范围。 客服干扰有以下几种措施: (1) 抑制各种外部干扰有着决定性的作用是提高前端电路的选择性。 (2) 合理的选择中频，能大大减少组合频率干扰和副波道干扰，对互调、交调等干扰也有一定的抑制作用。 (3) 合理选用电子器件与工作点。 3(2 混频器的性能指标 在无线电通信领域中，通信信道的设计及实现法决定了通信产品通信质量的优劣，并且混频器是信道中的关键器件，对整机的性能指标起着重要的决定作用。因此，在设计信道的过程中人们深入研究和考虑如何正确合理的选择混频器的问题。首先要知道影响混频器性能的各项参数指标，再根据设计需要选择混频器的 ]种类。掌握混频器性能指标的测试方法是为了判断混频器性能的好坏。混频器的主要性能指标有: (1) I(dB) 隔离度。混频电路平衡度的一个量度是隔离度，当电路平衡的时候，各端口之间的隔离很好，信号相互泄漏是很少的。 (2) 变频増益。变频増益就是变换效率，对混频器的关键要求就是在最小射频的输入功率下，得到最大的中频输出功率，但是附加的噪声是最小的。 12 (3) 变频压缩(即1dB压缩电平)。1dB压缩电平是混频器在线性应用状态下对最大的射频输入电平量度，在正常情况的下，射频输入电平远远低于本振的激励电平，此时的中频输出是随射频的输入线性地增加而增加，但当射频的输入电平一直增加到一个电平的时候，混频器开始饱和，输出输入间线性关系也会开始遭到破坏。1dB压缩点确定其混频器的动态范围上限值，是一个很有用的参数，混频器所对应的输入信号功率是其动态范围的上限电平。 (4) 交调性能。交调性能在混频电路中有两种主要形式的失真产物，分别是双音交调产物和单音交调产物。双音交调产物是射频端有两个信号同时加入的结果，这些信号可以产生谐波，相互组合，然后按照表达式2RF2一RF1或者2RF1一RF2再与本振组合;单音交调产物是混频电路本振信号和它的谐波对射频信号和它的谐波组合的结果。 (5) 动态范围。动态范围是指混频器在规定本振电平下，射频输人电平的可用范围。通常认为动态范围的上限受ldB压缩点的限制，若ldB压缩点的输人电平为1dBm，那么表示其射频输人功率最大不能超过1.25 mw。 (6) 两音三阶互调。两音三阶互调是表示混频器非线性程度的指标。它是射频端有两个信号同时加人造成的结果，这些信号可以产生谐波，互相组合，然后按表达式2RF2一RF1或者2RF1一RF2与本振组合。 3(3 双音三阶互调指标测试方法 (1) 按设计的测试系统连接测试设备 (2) 设置RF输入信号，首先要确定的是在输入信号为多大电平值下进行双音三阶互调的测量。 (3) 检验是否存在谐波等干扰因素 :加入两个RF输入信号，接着将频谱仪直接连接到LPF1的后面，观察它的频谱，此时不应该有任何失真信号被观测到。如果频谱上有杂波，那么这个现象是不正确的，应该重新检查前端装置，一直到其消除为止。然后再将频谱仪放置于宽带放大器之后，这个时候还是不应该有双音三阶互调信号被观测到。如在加入放大器之前没有双音三阶互调，在加入放大器之后出现了双音三阶互调，那么很有可能的是放大器直接引入的双音三阶互 13 调，这也是不正确的。为了能够减弱放大失真的程度可以在此处使用一个放大器，这样能够使需要信号器产生的输入信号电平相对减弱一些。 (4) 检验三阶响应和基本响应的对应关系。在混频器的输入、输出双对数坐标上，中频输出是基本响应，是所谓l×l的一阶响应，它的斜率为l，双音交调产物是三阶响应，它的斜率为3。 3.4 混频器的几种分类 混频器可以分为场效应管混频器、三极管混频器、模拟乘法器构成的混频器以及基于混频二极管非线性元件构成的混频器。不管哪种混频器它都具有适用与各自的场合。三极管混频器有外围元件少、所需要的结构简单、价格便宜、具有混频增益的优点，经常用在比如收音机广播等要求不是很高的场合。它缺点是其工作的频率比较低，混频失真比较大，产生组合的频率干扰比较大。 场效应管混频器，特别是双栅场效应管混频器，跟三极管混频器比较，具有动态范围较大、混频失真较小、工作频率可高达1 GHz等优点。这种混频器不仅有较低的噪声系数，而且还具备变频增益，另外能保证信号端口和本振的良好的隔离度，并且能比较容易的实现两个端口之间的匹配，而且还能省了耦合元件。 模拟乘法器是采用差分对作为其基本电路，理论上输出的中和频为fff,,差频为fff,，，所以其组合的频率干扰极小，尤其是交调互调ILS1ILS2 的干扰比较小，对于滤波器外围电路要求也不高，电路相对比较简单。而且同时变频的增益比较高，而且对输入信号幅度的要求不是很严格，既能大信号的工作，也能小信号工作，因此动态范围较大。这类混频器的缺点是噪声系数往往比较大，工作频率不够高，最高一般为几十兆赫兹，经常用于接收机的第二混频器。 3(5 正确选用混频器 混频器的正确选择金和安装以及有效接地，对发挥混频器性能及保证带内特性(平坦度)很有关系，外电路布线与混频器的隔离度有关。混频器选择不当会引起很严重的后果，规格的不正确、性能临界或超过规定规格都可能给整个系统带 14 来致命的影响。如何正确的选择，可以 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 为三个基本步骤:(1)选择混频器所需的本振激励电平;(2)确定是偏平封(FP)、还是印制板接插(Pc)或者是连接器形式(c);(3)根据频率范围再选择型号。最重要的还是要清楚的知道所设计系统的需要。 加相对高电平的本振信号是混频器工作的基本条件。电平7需要的本振电平为+7dBm，是最低的一种，称标准电平，用得是最多。电平17为高电平，电平23为特高电平。 不一样的电平产品，内部所用的器件都是不相同的，一般电平7和电平1O用4管管堆，电平17用8管管堆，电平23用12管管堆。所以，不同电平的混频器，虽然频率的范围相同，但是是不能相互代用的。高电平的混频器具有较高的三阶交叉点和较高的ldB压缩电平，因此可以让混频器失真的产物降到最小。用低电平的混频器却加超过了安全范围内的高电平本振，不但不能获得到高电平的混频器优点，而且会把混频器烧坏掉;用高电平的混频器但是加了低的本振电平，有可 ]能混频器不能工作。 还有许多混频器的性能指标可以作为参考依据，比如最大的射频输入电平、可接受的失真系数的交叉点、百分数、ldB压缩电平、三阶交调失真等。低电平混频器提供了一个低的动态范围，本振电平如果越高，那么信号的动态范围也会越大，通常情况下应该保证其本振电平要比信号电平高10dB以上。但是应尽可能选用最低电平的混频器，因为它在系统中本振泄漏是最小的。 15 第四章 短波无线电台系统中混频器电路的设计 4.1系统简介 本系统实现30MHZ频段语音和数据的无线传输。由若干部分组成。频率合成器由MC145152实现分频比控制和鉴相，以LM358实现有源环路滤波，9018晶体管实现VCO;放大电路，射频采用3SK122 双珊场效应管，中频采用TI公司的OPA355;调制电路，语音采用窄带FM方式，直接施加于VCO， 数据采用AM方式。解调电路，语音采用专用芯片MC3361芯片，数据采用载波提取同步检波。大量采用通用器件和分离器件，成本低廉。对传统模拟通信设备略加改进，即可实现数据通信。测试结果表明，各项性能指标达到要求。 4.2 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 系统实现30MHZ频段语音和数据的无线传输，具体技术指标如表4.1所示: 表4.1 无线数话传输系统技术指标 指标名称 指标数量 <-80dBm@S/N=10dB语音 灵敏度 -6接 <-70dBm@BER=10 ,bps=300数据 收 镜像抑制 >60dB 邻道抑制 >60dB 功率 >10dBm 发 >60 dBc/Hz, 相位噪声 射 在频偏?100 KHz 杂散抑制 >70 dBc 系 频率范围 29~31MHz; 统 频道间隔 40KHz; 4.2.1发射机部分 短波电台系统发射系统设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如图4.1所示。 16 AM 匹配 DGFET 滤波 放大 参考频率 固定分频 鉴相器 环路低通 压控 滤波器 振荡器 FM 固定分频 双模前置 分频器 音频放大器 数据接口 电平调整 图4.1 无线数话传输系统发射系统设计方案图示 (1) 载波信号源:为了获得稳定的载波，并且频率可调以选择频道，在30MHz这个频段，可以采用直接数字频率合成或锁相环频率合成，一般而言，前者精度高，但杂散较大，后者反之。为了获得较纯净的载波信号源，本系统采用锁相环频率合成。 (2) 放大与隔离电路:载波信号源的输出信号一般较小，而且容易受外界的影响，因此，需要进行放大和隔离。此外，本系统的数据传输采用AM调制，传统的方法是借用乘法器进行小信号调制再后级放大，或者，在末级大信号放大级通过供电变压器引入调幅。这些方法，会使电路复杂化。双栅场效应管拥有两个栅极，其一输入载波信号，其二输入调制信号，即可实现放大和调幅的功能。而且，双栅场效应管端口隔离性能非常好，正好满足了载波信号源隔离的要求。因此，用一个双栅场效应管达到三个功能，电路非常简洁，提高了产品性价比。 17 (3) 匹配滤波:为了抑制杂散，放大器输出需要加滤波器。为了与50欧姆的天线匹配，以获得最大的天线功率输出，放大器输出与天线之间需要加匹配电路。匹配和滤波均可用LC电路实现，因此，本系统用LC电路，既实现滤波，又实现匹配。 (4) 调制器:锁相环的VCO变容管实施调频。先用滤波器对调制信号截去部分低频成分，再控制变容管实施调频。对语音信号而言，用滤波器截去部分低频成分，对信号质量影响较小，而对数据信号，用滤波器即使截去少量低频成分，对信号质量影响也会很大。因此，本系统语音调制采用调频方式，数据调制采用调幅方式。 (5) 语音放大电路:选用Motolora公司小功率、低电压的音频功放电路LM386。 (6) 电平转换电路:选用Maxim公司电路MAX232。 4.2.2 接收机部分 短波电台系统接收系统设计方案如图4.2所示。 超外差接收机的中频采用固定滤波器，具有频率选择特性好，灵敏度高的优点，因此，本接收机采用超外差的结构形式。通过两次混频，再进行解调。 (1) 天线输入回路:除了发射机发送的信号之外，空间还存在很多干扰信号，因此必须加以抑制，以改善灵敏度。接收天线阻抗与第一级放大器(低噪放)的输入阻抗一般不会匹配，故必须用匹配电路进行阻抗变换，以让第一级放大器获得最大输入功率。因此，本系统天线输入回路，实现匹配和滤波功能。 (2) 低噪声放大器:为了降低系统噪声系数，提高接收灵敏度，希望第一级放大器噪声系数尽可能小，增益尽可能大，而两者往往产生矛盾。第一级放大器称为低噪声放大器(LNA)，对其性能指标有特殊要求。 本系统采用双栅场效应管3SK122，由于该管具有双栅输入功能，可以将交流信号和直流偏置分别加至两个栅极，两个栅极之间相互没有影响，有效地降低了电源噪声对放大器的影响，保证了高频放大电路的低噪声系数。 18 波段滤波器 低噪声放大器 固定分频 鉴相器 环路低通 压控 参考频率 PD 滤波器 振荡器 固定分频 双模前置 分频器 音FM 中中频 解调 频 频 放放滤大 大 波 数电AM 据 平 解调 接调 口 整 图4.2 无线数话传输系统接收系统设计方案图示 (3) 本地振荡器:由于本系统采用单工方式通信，因此，接收机的本地振荡器和发射机的载波信号发生器(频率合成器)可以共用，通过开关切换VCO(三点式振荡器)谐振回路的电感和电容，实现频段在发射系统载波频率29~31MHz和接收系统本振频率39.7~41.7MHz之间的切换。 (4) 混频器:以前当高频场效应管 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 不太成熟时，混频电路中的混频管大 19 多使用高频三极管，由于三极管工作时存在的工作噪声比较大，所以如何减少经过三极管混频后所产生的噪声，也是一直困扰技术人员的难题。三极管的伏安特性是指数关系，所以使用三极管进行混频时容易产生的组合频率多。场效应管的伏安特性是平方关系，可以减少组合频率。随着场效应管高频工艺的不断完善，场效应管已被大量地用于高频电路。由于场效应管具有动态范围宽、噪声系数小、输入阻抗高等优点，目前已经成为混频电路中比较理想的非线性混频器件。 双栅场效应管混频器，具有一个显著的优点，即信号和本振的输入隔离度很高，这样，一者可以使两种信号互不影响，二者可以大大减少本振向天线泄露，因此混频电路的各项指标参数能得到较大的提高。高频信号经匹配电路加在双栅的G1上，本振信号经过匹配电路加在G2上，此种方式的优点是所需本振幅度小，混频增益高。 基于上述因素，本接收机采用双栅场效应管作为第一次混频器，所用的场效应管型号与低噪声放大器相同，即3SK122。 本文设计的第一混频电路原理图如图4.3所示。 这里采用双栅场效应管3SK122，信号和本振的输入互不影响，所以使混频电路的各项指标参数能得到较大的提高。高频信号经匹配电路加在双栅的G2上，本振信号经过匹配电路加在G1上，此种方式混频增益可以达到8dB。可变的电感和电容用于阻抗匹配。 图4.3 第一混频器电路原理图 20 二次混频对隔离度要求不高，为了减少器件成本，采用廉价通用的高频三极管。本文所设计的第二混频与第二中频滤波电路如图4.4所示。10.7MHZ的输入信号由b极输入，10.245MHZ第二本振信号由e极输入，混频输出由c极输出，经455KHZ的陶瓷滤波器输出较为纯净的455KHZ调制信号。 图4.4 第二混频与第二中频滤波电路 (5) 中频滤波器:混频后的输出信号频谱有很多组合频率分量，而且本振泄漏很大，要从中选择中频信号，而且必须保证对邻近信道干扰的抑制，中频滤波器的选择性指标是第一位的。晶体滤波器的突出优点就是高选择性。本系统参照对讲机产品中通常的做法，第一中频滤波使用两个相同晶体滤波器，其好处是，一者能提高性能指标，二者使调配方便。第二中频滤波使用陶瓷滤波器。第一和第二中频的中心频率分别为10.7MHz和455KHz。 (6) 中频放大器: 第一中频放大器将第一中频信号放大到一定电平，供第一混频使用，第二中 21 频放大器将第二中频信号放大到一定电平，供解调使用。使用运算放大器电路简洁，调试方便。选用运算放大器，其频率特性是首要考虑方面。 TI公司的高速运算放大器OPA355，具有的高速宽频带的特点。其主要电气参数如表3所示，可以满足本系统设计要求。 (7) 解调电路: 语音的FM解调集成电路选用有代表性的有摩托罗拉公司的MC3361。为了提高效率，这里采用同步解调。对455KHz这个频率的信号，乘法器采用广泛使用的MC1496最合适。 (8) 语音放大电路:选用Motolora公司小功率、低电压的音频功放电路LM386。 (9) 数据判决与电平转换电路:选用已被广泛使用的Maxim公司电路MAX232。 22 第五章 短波电台中混频器电路的MULTISIM仿真分析 5.1 MULTISIM介绍 Multisim是一个仿真的工具，它是以Windows为基础的，是由美国国家的仪器(NI)有限公司推出，它适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，包含了电路硬件的描述和语言输入方式以及电路的原理图图形输入，具有很丰富的仿真能力和分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式的搭建电路的原理图，并且对电路进行仿真。Multisim提炼出了SPICE仿真中的复杂的内容，这样工程师可以在不需要很精通的懂得SPICE的技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个 [14]完整的综合设计流程。 5.2 电路仿真 5.2.1 FET混频 FET混频的Multisim仿真电路如下图5.1所示。 23 图5.1 FET混频的Multisim仿真电路 仿真之前的准备:万用表一块、高频信号发生器XFG,7、直流稳压电源、数字存储示波器各1台。 由两个函数信号发生器产生的信号经过由MOS管组成的混频电路，然后通过低通滤波器。最后信号从低通滤波器出来输出到示波器上。 FET混频并通过低通滤波器后的波形如图5.2。 图5.2 FET混频并通过低通滤波器后的波形 24 Protrl的仿真电路如图5.3。 图5.3 Protrl的仿真电路 RVR给G正向分压偏置、RC构成源极自结偏置电路，从而使MOSFET301、3012302303 工作在放大区，改变R就能控制放大器的增益。因为双栅式MOSFET的C <0.1PF，91GD而且它的正向导纳又比较大(约20ms)非常适合用于超高频工作的混频器，输入信号V(,)接到点位接近于地的输入栅极G1，有比较灵敏的控制作用。本振S 信号被接在较高电位的G栅极端，直流偏置使MOSFET工作在放大区，因此此时2 的漏极电流为: i=gVs(t)+gmV(t) (1)Dm12OSC 式中 g, a+aVs(t)+aV(t) g,bo+b1Vs(t)+bV(t) m1o12OSCm22OSCa、a、a、b、b、b是双栅场效应管的参数和自结偏置决定的常数。 012012 2niaavvavvavv,，，，，，，，，()()()将式(1)代入式中 011221212n 2222可得到:i=aVs(,)+aVs(t)+(a+b)Vs(t)V(t)+bV(t)，bV(t) D11,,OSC2OSC,OSC ,,及其中i中的第三项含的差频分量。如果漏极LC回路调谐在 DSosc ,,,,,上，那么输出的中频信号实现了混频要求，即:双栅极FET的正向ioscS 25 转移导纳随G的电压变化而变化。所以双栅极FET可以为乘法电路工作，由f2s和f可产生出和与差的频率(ff)和(ff)的信号。由双栅极FET所构成的oscosc+sosc-s 频率变换电路，来自于高频放大电路的信号施加于栅极1(G)，来自局部振荡1 电路的信号则施加于栅极2(G)。最后，利用LC谐振电路提取必要的信号f(即2IFff)。 osc-s 另外，施加于G的高频电压(称为注入电压)，利用微调RV进行调整，2301使其变成为0.5~1V。为改善频率变换效率，V的大小也是关键所在，另外FETG2S 方面G的注入电压需要数V。 2p-p 5.2.2 BJT混频 BJT混频的Multisim仿真电路如图5.4。 图5.4 BJT混频的Multisim仿真电路 测试设备与软件:计算机1台，Multisim或者其他同类软件1套。 此仿真电路只用到了一个函数信号发生器，它产生的信号通过由BJT三极管组成的混频电路，然后输出的混频信号经过下方的低通滤波器滤出低频分量，最后将过滤后的信号输出到示波器。 下图5.5为BJT混频时输出的波形图，改波形输出图是混频器产生的波形， 26 经低通滤波器后的波形，混频波中的高频分量已被滤除。 图5.5 BJT混频时输出的波形图 Portal电路原理图如图5.6。 图5.6 Portal电路原理图 27 第六章 混频器功能的MATLAB仿真分析 6.1 MATLAB介绍 MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，是美国mathworks公司发布的，它主要是面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将科学数据的可视化、矩阵计算、数值分析以及非线性的动态系统仿真和建模等许多强大的功能集成到一个便于使用的视窗环境之中，为工程设计、科学研究以及必须进行有效的数值运算的很多科学领域提供了一个全面解决方案，而且在很大的程度上摆脱了原来传统的非交互式的程序设计语言(比如C和Fortran)的编辑模式，它代表了现代国际科学的计算软件先进水平。 MATLAB、MAPLE和Mathematic称为三大数学软件。它们在数学类的科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB能进行矩阵之间的运算、实现算法、绘制数据和函数、连接其他编程语言的程序、创建用户界面等，主要是应用于信号处理和通讯、控制设计、工程计算、信号的检测、图像的处理、金融建模设计和分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，所有用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简单便捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB变成一个更强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C,C++, JAVA,FORTRAN的支持。可以直接进行调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中以便于自己日后调用，此外也有许多的MATLAB [15]爱好者编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。 6.2 MATLAB仿真 在本设计中， 设输入波的表达式为: u1(n+1)=U1*sin(2*pi*f_base*n*Ts); 28 设载波为: u2(n+1)=U2*cos(2*pi*f*n*Ts); 则两者的调制波为: uF(n+1)=U2*sin(2*pi*f*n*Ts+K*cos(2*pi*f_base*n*Ts)); 设载波频率为150Hz，载波振幅为5V，信号波的频率为20Hz，信号波的振幅为1V，系数K=3。 在此种情况下，通过MATLAB仿真可以得到如下的仿真波形: (1)该图为频率为20Hz的信号波形如图6.1. 图6.1 频率为20Hz的信号波形 (2)下图6.2为频率为150Hz的载波波形 29 图6.2 频率为150Hz的载波波形 (3)图6.3为调制后的波形 图6.3 调制后的波形 从图中可以看出，该调制波为疏密相间的调频波。 30 (4)调频波的频谱如图6.4. 图6.4 调频波的频谱 (5)调制波混频后的混频波波形如图6.5。 图6.5 调制波混频后的混频波波形 31 (6)混频波的频谱如图6.6。 (7)通过低通滤波器后的波形 图6.6 混频波的频谱 32 第七章 短波电台中混频器的设计制作与调试 7.1装配电路 如图7.1所示为混频器的PCB图，按照图7.1，进行插件，并遵照焊接规范进行焊接。 图7.1 混频器PCB装配图 7.2调试 (1) 仪表及工具配置:函数信号发生器、示波器或频谱仪、万用表、无感起子 (2) 测试接线图如图7.2所示。 33 ***MIXER(FET混频)*** RV91R9110447KL911mHCV929~50PQ9DG2G1S调节静态工作点至 3SK1224~5V CV91C949~50PR92104100 (a)混频器静态工作点的调试方法 ***MIXER(FET混频)*** 1、输入频率为 4、调节输出匹配电30M幅度为 容，使输出10.7M-50dBm的信RV91R91104频谱最大 47KL91号 1mHC93CV92103来自本振9~50PVCO2MixterQ9 L93DIF FILTER ING21uHC92 L92G1SLNAtoMIXERFET混频输出C951uH1041043SK122CV91C94R929~50P1041003、调节输入匹配2、频谱仪测试 电容，使输出10.7M的输出频 10.7M频谱幅度谱 最大 (b)混频器匹配的调试方法 图7.2混频器的调试方法 (3) 调试步骤 接上+9V的电源，调节G2脚的电位器，使其电压在4~5V之间。 先调节本振隔离放大器的输入、输出匹配，用示波器观察输出电压，使输出电压最大，然后再配合频谱仪，微调输出匹配电容，使FET混频器输出端10.7M的频谱幅度最大，此时认为本振输出到混频器的功率达到最大，以达到最大的混频增益。 再调节混频器输入和输出的可调电容，用频谱仪观察混频器输出端，使其输 34 出中的10.7M的频谱最大，同时30M、40.7M、70.7M的频谱幅度最小。 (4) 调试注意事项:G2上的直流偏置电压不能过大(一般不超过5V)，过大容易烧毁场效应管。 指标要求: 1、增益: >5 dB; 2、噪声系数:<3 dB; 7.3 实测结果 实测波形如图7.3、图7.4、图7.5和图7.6所示。 (1)混频后输出频谱(通过频谱仪显示的) 图7.3 混频后输出频谱 (2)混频后经过低通滤波器的频谱(通过频谱仪显示的) 35 图7.4 混频后经过低通滤波器的频谱 通过对比上述两张频谱图，通过滤波器之后，有很多高频分量被滤除了，这 证明了该混频系统是一个完整的同时能正常工作的系统。 (3)混频后输出的波形(通过示波器显示的) 图7.5 混频后输出的波形 从图中可以看出，混频后的波有很多不同的分量在里面。 (4)混频后经过低通滤波器输出的波形(通过示波器显示的) 36 图7.6混频后经过低通滤波器输出的波形 通过对比，经过滤波器后的波已经被滤除了很多分量。 经过测试，混频器性能指标达到要求。 37 参考文献 [1] 张勇.C/C++ 语言硬件程序设计[M]. 西安:西安电子科技大学出版社，2002. 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[15]. 赵明忠 编著，DSP应用技术，西安:西安电子科技大学出版社，2004. 38 致谢 本文是在赵明忠老师的悉心指导下完成的。不管是在论文的选题，实验的设计还是论文的写作与修改等方面赵明忠老师都给予了我细心耐心的指导，赵老师这种严谨的治学态度和兢兢业业的敬业精神值得我学习，在此期间，赵老师教会了我许多，比如面对难题时的态度与解决问题的发散思维等，这些教诲将伴随我一生。在此论文完成之际，对赵老师表示由衷的感谢与敬意。 特别要感谢信息院各位老师在此阶段给予的协调，指导与帮助。衷心感谢电子信息班同学在实验过程中给予的帮忙。 向所有关心，支持，鼓励，帮助过我的老师和同学表示最深的感谢～ 最后，特别感谢我的父母，谢谢他们的支持与关心～ 39 附录1:matlab程序 clc; U2=5; f=150; phi=pi/2; fs=512*f; Ts=1/fs; f_base=20; U1=1; K=3; N=1024*8; for n=0:N-1 t(n+1)=n*Ts; k(n+1)=n; u1(n+1)=U1*sin(2*pi*f_base*n*Ts); u2(n+1)=U2*cos(2*pi*f*n*Ts); uF(n+1)=U2*sin(2*pi*f*n*Ts+K*cos(2*pi*f_base*n*Ts)); end; figure(1) plot(t,u1) xlabel('x') ylabel('y') 40 figure(2) plot(t,u2) xlabel('x') ylabel('y') figure(3) plot(t,uF) xlabel('x') ylabel('y') figure(4) UFM=abs(fft(uF)) f=t; plot(k,UFM) xlabel('x') ylabel('y') xlim([-N/8,N+N/8]) FW=uF.*u2; figure(5) plot(t,FW) xlabel('x') ylabel('y') figure(6) UFMU=abs(fft(FW)); plot(k,UFMU) 41 b=Num; a=1; U_base_restored=filter(b,a,FW) %设置为低通滤波器 figure(7) plot(t,U_base_restored) xlabel('x') ylabel('y') 42 附录2:实物图 (1)FET混频电路板初样 (2)BJT混频电路板初样 (3)短波电台接收系统包括混频电路整板终样 43