调频发射机设计

电气与电子信息工程学院《小型通信系统课程设计》课程设计报告专业班级：2013电信专学号：8姓名：朱硕指导教师：桂静宜、艾青设计时间：2015年6月28日—2015年7月10日设计地点：K2高频实验室课程设计成绩评定表指导教师签字：年月日目录课程设计任务书2014～2015学年第2学期学生姓名：朱硕专业班级：2013电信专指导教师：桂静宜、艾青工作部门：电气学院一、课题名称：小型通信系统课程设计二、设计目的：通过本课程设计，使学生对通信系统的整体结构及配置有全面的了解。

训练学生的动手实践能力，培养学生具体问题的能力。

让学生通过本课程设计，熟悉基本通信系统单元的设计方法和工作原理，尤其是调频和解调原理。

对学生进行基本技能训练，例如组成系统、调试、查阅资料、绘图、编写说明书等；使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。

三、设计内容利用通信原理和高频电子线路的相关知识，来完成对输入的语音信号的调频，然后通过解调利用耳机接收该语音信号。

四、设计要求1、发射机功率P A≥100mW,负载电阻RL=75Ω2、开阔地传播距离S＞100m3、发射机工作频率f c=88MHz～108MHz4、调频信号幅度ULm=1V时，最大频偏Δfm=20kHz5、接收机工作频率f c’=88MHz～108MHz6、输出平均功率Po=0.25W（负载电阻R8Ω）7、接收灵敏度γ=10μV五、设计进度表六、设计报告课程设计报告的基本内容至少包括封面、正文、附录三部分。

课程设计报告要求统一格式，字体工整规范。

1、封面封面包括“《小型通信系统课程设计》课程设计报告”、班级、、学号以及完成日期等。

2、正文正文是实践设计报告的主体，具体由以下几部分组成：（1）课程设计题目；（2）课程设计任务与要求；（3）设计过程（包括方案论证、设计原理、创新点以及采用的新技术等）；（4）硬件系统框图与说明；（5）软件PCB的制作流程与说明；（6）课程设计总结（包括自己的收获与体会；遇到的问题和解决的方法；技术实现技巧和创新点；作品存在的问题和改进设想等）；3．附录附录1：电路原理图附录2：生成PCB图附录3：使用元器件一览表（序号、名称、型号、规格、数量、备注）附录4：参考文献七、考核方式与成绩评定办法备注：成绩等级：优（90分～100分）、良（80分～89分）、中（70分～79分）、及格（60分～69分）、60分以下为不及格。

八、参考书目1、张肃文.《高频电子线路》：高等教育出版社，2000.2、南利平.《通信原理》：清华大学出版社，2002.第二部分调频发射器的设计与制作一、设计任务与要求1.1设计任务利用通信原理和高频电子线路的相关知识，来完成对输入的语音信号的调频，然后通过解调利用耳机接收该语音信号。

1.2实际要求制作接收频率在88-108MHz的简易调频麦克风发射器，要求：1）发射机功率P A≥100mW,负载电阻RL=75Ω2）开阔地传播距离S＞100m3）发射机工作频率f c=88MHz～108MHz4）调频信号幅度ULm=1V时，最大频偏Δfm=20kHz5）接收机工作频率f c’=88MHz～108MHz6）输出平均功率Po=0.25W（负载电阻R8Ω）7）接收灵敏度γ=10μV二、方案设计与论证2.1 方案一：采用集成元件来设计制作调频发射机，由于集成芯片内已集成调频等电路便于设计制作的调试，但是设计制作成本较高。

2.2 方案二：采用分离元件来设计制作调频发射机，这样可以更好的掌握调频设计的原理等，而且设计成本低。

2.3 综合本组情况，本组采用方案二即采用分离元件来设计制作调频发射机。

三、设计原理3.1 调频原理：频率调制又称调频（FM），它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化（瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系），而振幅保持恒定的一种调制方式。

本文着重讨论了调频发射的实现电路的各个组成部分及实现电路，使用直接调频法对信号进行调制，末级使用高频功率放大器对信号进行放大，确保信号达到可以发射的足够的功率。

3.1.1线性调频基本原理在现代无线电系统尤其是在通信、遥测、调频广播和电视(伴音)中，调频技术应用非常广泛。

下面对其原理进行基本介绍。

假设 g ( t )为归一化的调制信号，则有理想调频波的表达式：00()cos[()]FM c e t A t g d ωωττθ=+∆⎰+ （1.1）其中: c ω为载波角频率，ω∆为最大角频偏，0θ 为初始相角。

设调制信号的角频率为m ω，则调频波的调制指数(Modulation Index)为：/m βωω=∆。

当调制信号为 f ( t )时，调相波的表达式为：00()cos[()]PM c P e t A t m f t ωθ=++ （1.2）可以看出，调相波和调频波有相似之处。

如果 f ( t )满足()()tf tg d ττ=⎰则上式即为调频波。

根据调频波和调相波之间存在的关系，可将调制信号先积分后再对载波进行调相即得 FM 信号；将调制信号先微分后再对载波进行调频即得 PM 信号。

理论和实践表明，当调频信号的最大角频偏ω∆和最大调制角频率m ω都远小于载频c ω时，能够产生近似理想的调频波。

我们将/1c ωω∆<<和/1m c ωω<<称 为线性调频(严格地讲，应为准线性调频)的实现条件。

根据上述条件，对于宽带调频而言，就要相应提高载波频率。

从理论上讲，调频信号的频谱为无限宽。

对于宽带调频信号，由 Bessel 函数可知，调频信号的绝大部分能量包含在有限的频谱中。

有效带宽通常按照 n = β+ 1(β为调制指数)计算。

根据此原则，FM 信号的有效带宽为：2()m B f f =∆+ （1.3）其中，/2f ωπ∆=∆为 FM 信号的最大调制频偏；/2m m f ωπ=为调制信号的频率，对于二元 PCM 信号，m f 为其码速率的 1/2，在窄带调频(NBFM)时，由于1β<<，所以带宽 B 取2m f ；对于窄带调相(NBPM)，由于1β>>，所以带宽取2f ∆。

以上原则通常称作卡森(Carson)准则。

另外，在调频过程中，调频信号的总功率等于未调载波的功率，所以信号 的总平均功率和峰值功率都不变。

但载波和边频之间的功率分配受调频影响。

适当选择调制系数β，可以使FM 信号的效率接近100%。

这说明，在调频过程中，频率调制使得能量从载波向边带转移。

FM 信号的这种性质说明在调频时调制信号只是起到能量分配的作用，本身不提供能量，因而理论上，调制系数β可以做到任意大。

这就是FM 信号信息传输效率高的原因。

同时，在大调制指数下，FM 信号携带更多的边频信息来克服传输信道中的噪声干扰，使得FM 信号的抗干扰能力比幅度调制(AM)强许多。

FM 的缺点是占用较宽频带。

3.1.2调频电路组成调频的方式很多，总起来看，可以分为两大类：直接调频和间接调频法。

早期有使用电抗发调频，现在则主要是使用变容二极管调频法，目前已经发展为利用锁相环调频法并进而成为包含调频锁相环的数字式频率合成器。

间接调频法现在在调频发射机上也有许多应用，现在使用调频方法如下图图1：调频框图直接调频法就是将调制信号直接对载频进行调频的方法。

这种方法的优点是可以在宽频带内进行调频，可以进行频偏为几兆赫的调频，因此倍频次数可以很少。

他的缺点是由于使用自激振荡器，以及变容二极管参数的限制，频率稳定性不好，对振荡器的稳定性要求较高。

3.2振荡电路调频电路是利用低频信号改变振荡器的频率。

在讨论调频电路之前，我们先对振荡器电路做一简单分析。

振荡电路的功能是：在没有外加输入信号的情况下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定振幅、一定频率和一定波形的交变信号输出。

3.2.1反馈振荡器的组成反馈振荡器的原理如图2所示，它由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路。

放大器通常以某种选频网络（如振荡回路）做负载，是一个调谐放大器。

反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。

()o s图2：反馈型振荡器的原理框图图中开环放大倍数为：()()()o i U s A s U s = （2.1） 因为：()()()f o U s F s U s = （2.2）()()()i S f U s U s U s =+ （2.3） 所以闭环放大倍数为：()()()()1()()o f S U s A s A s U s A s F s ==- （2.4） 3.2.2振荡的建立与起振条件实际振荡器的0s u =，在电源接通的瞬间，上电冲击脉冲中频率等于振荡器的成分被放大器放大，在输出端形成输出电压。

输出电压然后又反馈到振荡器的输入端，振荡器开始振荡。

振荡器在起振时的振幅较小。

为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈的信号()f U s 比前次输入到放大器的信号大，振荡开始时应为增幅振荡。

因没有外加输入信号，0s U =，起振时应满足：()()()()()f i i U s A s F s U s U s =>可知起振条件为：()()1A s F s > （2.5）因为：()1y y L F j j o C L m L i iU I Z AF F F g e Z F AFe U U ϕϕϕϕ++==== （2.6） 所以起振的条件为：1AF > （2.7）2y L F n ϕϕϕπ++= （n=0,1,2,…） (2.8)振荡器的起振条件分为振幅条件和相位条件。

3.2.3振荡的平衡和平衡条件振荡器的输出幅度增加到一定大小后，输出幅度不再增加，振荡器即处于平衡状态，此时，()()()()()f i i U s A s F s U s U s ==，所以：()()1A s F s AF ==2A F y z f n ϕϕϕϕϕπ+=++= n=0,1,2… （2.9）上式分别为振荡平衡的振幅平衡条件和相位平衡条件。

在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路耗损的能量，平衡时输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小。

必须指出，环路只有再某一特定的频率上才能满足相位平衡条件，也就是说相位平衡条件决定了振荡器输出信号的频率大小。

3.2.4振荡平衡的稳定条件 处于平衡状态的振荡器应考虑其工作的稳定性，这是因为振荡器在工作的过程中不可避免的要受到外界各种因素的影响，如温度的改变、电源电压的波动等等，这些变化将使放大器放大倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡状态，对振荡器的正常工作将会产生影响。

如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能在原平衡点附近建立起新的平衡状态，而且当外界因素消失后，振荡器能自动回到原平衡状态，则原平衡点使稳定的；否则，原平衡点为不稳定的。