无线调频发射机设计(论文)

目录摘要Abstract绪论---------------------------------------------------------------11．1课题研究背景和意义--------------------------------------------11．2国内外研究现状------------------------------------------------2第二章无线调频发射机概述-----------------------------------------2．1发射机的基本概念和主要性能指标--------------------------------2．2发射机工作原理----------------------------------------------第三章无线调频发射机总体方案设计---------------------------------3．1无线调频发射机的系统组成------------------------------------2．2调频无线发射机的整体方案设计----------------------------------第三章单元调频无线发射机各单元电路设计-----------------------------3．1压控振荡器电路设计-----------------------------------3．2变容二极管的电路设计-----------------------------------3．3调频电路的设计---------------------------------------3．4高频放大电路的设计----------------------------------------3．5锁相环电路的设计-------------------------------------------3．6单片机电路的设计-------------------------------------------第四章控制及显示电路原理---------------------------------------4．1单片机控制原理-----------------------------------------------4．2可控分频电路设计---------------------------------------------4．3键盘及显示电路------------------------------------------------4．4软件部分------------------------------------------------------第五章系统测试结果与分析结论--------------------------------------------------------------致谢---------------------------------------------------------------参考文献-----------------------------------------------------------绪论无线通信是利用大气空间作为传输信道来实现信息传输的一种技术。为了避免与其他同频率范围内信号源的相互干扰，控制信号在大气空间传送过程中的衰落，同时降低收发设备成本，日常有用的低频信号先要调制到有一定频段的高频载波上，经过功率放大后由天线发送到大气空间，接收机的天线接收到射频信号后对其进行放大，通过下变频解调出需要的低频信号。要实现信息的传输，必然会用到发射机。发射机的主要功能是对基带信号进行调制，上混频到射频信号，并将信号功率足够放大供天线发射出去。发射机结构的选择主要考虑以下因素：输出杂散频谱必须控制在系统要求的范围内，不能造成对相邻信道的影响；在尽可能提高输出功率效率的前提下，满足系统线性度的要求；尽量减小片外器件的数量，以提高集成度，同时降低功耗。目前，各种通信等技术的飞速发展，无线技术也成为人们关注的焦点，无线通信系统一般包括收发信机、天线设备(含馈线)、输入输出设备(如话筒、耳机等)、供电设备(如直流稳压电源)等等。其中主要组成部分是收发信机，因而无线通信设备的技术指标通常指的就是无线收发信机的技术指标。一般来说，收信机与发信机在体制上是相同的，如频段划分、调制解调方式等。否则便不能达到通信的目的。在某些情况下，也允许收发信机存在某些不相对应的差异，如收信机的频率范围可以宽于发信机等。发射机的调制方式主要分调幅、调频和脉冲(数字)调制等。发射机的频率准确度与频率稳定度也是相对于射频载波而言的。频率准确度是指实际工作频率对于标称工作频率的准确程度。频率准确度越高、建立通信就越快，以至于不寻找对方就可实现通信，提高通信的快速性。频率稳定度是指各种外界因素的影响下发射机频率稳定的程度。如果频率稳定度很高，建立通信后接收机不需要因频率变化而进行微调，从而提高了通信的可靠性。无线通信的有效距离及通信的可靠性均与发射天线的辐射功率有密切的关系。因而发射机必须保证输出足够大的功率。发射机的总效率是指发射机传送到天线馈线上的功率与整机输入功率的比值。在大功率发射机中，提高效率可以减小电源消耗，具有较大的经济意义。发射机的带外辐射统称为杂散辐射，如果发射机设计不当或使用不当，会使杂散辐射电平过高，干扰其他通信链路。当发射机使用宽带天线且带宽覆盖这些杂散频率时，干扰会更严重。为了尽量避免发生这种干扰，有关的规程和标准对发射机的杂散辐射都给出了一定的限制。综上所述，本课题的理论研究和应用研究具有重要的意义和广泛的实际应用前景。1.无线调频发射机概述发射机的种类虽多，但一般以调制方式作为分类依据，主要分为调频(FM)发射机、调幅(AM)发射机等。不同的调制方式，各有不同的功能，如宽频带的调幅或调频，多用于广播系统，窄频带的调频用于视距的双向语音通信。由于本课题是一套射频实验设备，只要满足视距的语音通信就可以，因此采用的是窄频带的调频发射机。本章主要介绍发射机的基本架构，并重点介绍本课题中发射机的方案及其特性参数等2．1调频发射机的基本概念和主要性能指标2．1．1调频发射机的基本概念如图2.1所示，携带信息的低频电信号调制到一个高频信号中，再经高频功率放大器放大后由天线发射出去。图2.1发射机基本原理框图高频放大高频振荡调制调制信号高频放大2．1．2主要性能指标对发射机的要求是多方面的，工作频率和发射功率是最基本的。发射机的主要指标为:工作频段、发射功率、频率稳定度、谐波抑制度、通频带宽度。(l)发射机的工作频段射频通信系统的工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。同时天线设备也具有更尖锐的方向性，而且体积重量减小，但是频率高于12GHz时，雾、雨或雪的吸收显著，传播损耗、衰减和接收设备噪声也愈高。本课题主要应用在室内传输语音信号，通频带和容量不需要太大，因此频率范围定在880MHz一920MHz。同时环境对信号的衰减和吸收也可以不予考虑。(2)发射功率发射功率是指发信机在未调制情况下，传递到标准输出负载上的平均功率，它和很多因素有关。例如，通话路数愈多。频带愈宽，为保持同样的通信质量，必须有更大的发射功率。另外，也和站址选择、多径衰落、采用分集接收等诸多因素有关。一般情况下，数字微波发射机输出功率有时只需几十毫瓦到几百毫瓦功率，只有长距离情况下才需要几瓦量级。考虑到本系统主要应用在室内传输语音，工作频带为40MHz，且不需要考虑多径衰落的影响，因此选定发射功率为20dBm。(3)频率稳定度发射机的每个工作信道都有一个标称的射频中心工作频率，用九表示。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为口f，则频率稳定度的定义为:K=∆f/f0无线通信对频率稳定度的要求决定于所采用的通信制式及对通话质量的要求。如果频率稳定度很高，建立通信后接收机不需要因频率变化而进行微调，从而提高了通信的可靠性。发射频率稳定度取决于本机振荡器的频率稳定度。近年来由于射频介质材料性能的提高，介质稳频振荡器日益被广泛采用。目前，频率稳定度较好者可达到(1-2)*10-5，。在对频率稳定度有更严格要求时，则必须采用石英晶体控制的分频锁相或脉冲锁相振荡器(4)谐波抑制度总体设计在规定此项指标时，除了考虑射频通信系统本身的各种干扰以外，还应考虑其对模拟通信系统和卫星通信系统的干扰。因此，应当适当地配置工作频率和采取必要的防护措施。本课题的谐波抑制度大于20dB。(5)通频带宽度除了滤波器以外，发信信道的各组成部件都应具有宽频带特性。通常，上变频器和微波小信号功率放大器易于实现宽带设计，而对于大功率微波放大器要求很宽的工作频带是不合适的，一般只要求能覆盖两个工作波段。这样，总体设计时，可不考虑它们对发信信道通频带的影响。2．2无线调频发射机基本原理2．2．1锁相环直接调制发射机原理锁相环直接调制发射机的方框图如图2.2所示。基带信号直接通过压控振荡器(VCO)对射频载频进行调制。然后，经过射频功放和射频滤波器后馈送到天线，由天线发射出去。这种方案的发射机结构简单，但当发射频率处在较高频率时，其关键设备高频功放比中频调制发射机的中频功放设备制作难度大。图2.1锁相环直接调制式发射机这种调制方式的实现条件是:调制信号(基带信号)的频谱要处于环路滤波器的通带之外，并且调制指数不能太大。这样调制信号不能通过环路滤波器，因而在锁相环路内不能形成交流反馈，也就是调制频率对锁相环路没有影响。锁相环路就只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量(处于环路滤波器通带之内)起作用，使经过除频器后的中心频率锁定在参考频率上。因此这种调制方式的输出调频波的中心频率稳定度很高。2．2．2压控振荡器的工作原理压控振荡器(VCO)就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件。压控元件一般都是用变容二极管，它的电容量受到输入电压的控制。输入电压变化时，即引起振荡频率的变化。因此压控振荡器事实上就是一种电压—频率的变换器。(l)振荡器的工作原理振荡器是由三个基本单元所组成，有源元件、谐振电路及一个输出负载，如图2.2.2所示。以有源元件所构成的放大器被用来提供放大增益，谐振电路用来晶体振荡器鉴相器环路滤波器压控振荡器可变分频器高频放大选取特定频率的信号，将所需要的振荡信号输出至负载。当直流电源加至振荡电路时的瞬间，电路的输出端点将只会产生噪声，这时尽管使用的放大器是一个理想无噪声的放大器，但由于组成谐振电路的无源元件仍具有耗能特性，故必定会在谐振电路上产生噪声，而此噪声信号经过放大器放大后，其中部分信号会出现在负载上，其余的经过具有滤波功能的谐振电路时都会被滤掉;而处于谐振电路频率范围内的噪声虽有所衰减，但仍可通过谐振电路，并会重新再被放大而送到负载端，的后便持续不断的依此工作而于输出端产生一特定信号的频率。图2.22振荡器结构示意图(2)变容二极管的工作原理变容二极管（VaraetorDiode)或称为调谐二极管(TuningDiode)，主要是用来改变振荡器的电容量以达到输出频率可调的目的，因此它主宰着整个压控振荡器的可调范围。变容二极管是一种在pn结面上加逆向偏压时会产生电容变化的二极管。当逆向偏压增加时空乏区将变宽，而导致其电容量下降，但是逆向偏压降低时空乏区将变窄，而导致其电容量上升。当接在变容二极管上的是一个交流信号时，此时变容二极管的电容量将会随着交流信号振幅的大小改变。变容二极管正常工作时，可以用一个电容串接一个电阻Rs及一个电感Ls来等效，如图3.13所示。图3.13中cj为半导体的结电容，存在于半导体的Pn结中;RS为半导体材料的本质电阻(BulkResistance)及接触电(ContactResistance)的总和，它是影响变容二极管品质的主要参数之一，一般在数欧姆以下(可由数据手册中查得)，Ls为连接线及半导体材质的等效电感。一般选择变容二极管时，其考虑的重点约略如下:①可调范围愈大，VCO的可调谐频宽亦会愈宽。②串联电