短波寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

短波寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué) 號(hào) 2010082406 密 級(jí) 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文短波寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)院（系）名稱：信息與通信工程學(xué)院專 業(yè) 名 稱：通信工程學(xué) 生 姓 名：馬千里指 導(dǎo) 教 師：侯長波 講師哈爾濱工程大學(xué)2014年6月 短波寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 馬千里 哈爾濱工程大學(xué)I學(xué) 號(hào)2010082412 密 級(jí) 短波寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)The design and implementation of shortwave broadband receiver學(xué)生姓名：馬千里所在學(xué)院：信息與通信工程學(xué)院所在專業(yè)：通信工程指導(dǎo)教師：侯長波職稱：講師所在單位：哈爾濱工程大學(xué)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(xué)位授予單位：哈爾濱工程大學(xué)短波寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)的要求也越來越高，尤其對(duì)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(jìn)行的無線電通信，其獨(dú)特的傳播方式再次成為人們研究的焦點(diǎn)。本論文研究了基于短波通信的寬帶接收機(jī)。本論文首先分析了一般接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，在超外差式接收機(jī)的基礎(chǔ)上研究并設(shè)計(jì)了二次混頻模式的短波寬帶接收機(jī)，并利用模擬調(diào)制解調(diào)的原理進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)用DDS技術(shù)作為一次本振進(jìn)行一次混頻，再通過二次混頻將頻率降至中頻，然后利用真有效值檢波器進(jìn)行解調(diào)。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(gè)模塊的參數(shù)。使用Cortex-M4控制器控制整個(gè)系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)置接收信號(hào)的中心頻率的功能，通過人機(jī)交互平臺(tái)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(xiàng)性能達(dá)到了預(yù)計(jì)的目標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，工作穩(wěn)定可靠。本文所提出的實(shí)現(xiàn)短波寬帶接收機(jī)的方法，采用當(dāng)前通信領(lǐng)域中較為先進(jìn)的技術(shù)，具有一定的理論和實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞：短波、寬帶、超外差、二次混頻VABSTRACTWith the rapid development of science and technology, the requirement 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 focus 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 principle 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 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 that 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 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(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3短波寬帶接收機(jī)研究的意義31.4本論文的預(yù)期目標(biāo)及章節(jié)安排3第2章 接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及指標(biāo)分析52.1 無線接收設(shè)備的基本組成與原理52.2接收機(jī)方案的選擇62.2.1 天線62.2.2 衰減網(wǎng)絡(luò)72.2.3 低噪聲放大72.2.4 濾波器設(shè)計(jì)原理72.2.5 可變增益放大器的設(shè)計(jì)原理92.2.6 混頻92.2.7 功率放大102.2.8 有源微分網(wǎng)絡(luò)102.3解調(diào)112.3.1幅度解調(diào)112.3.2頻率解調(diào)122.4接收機(jī)的指標(biāo)分析142.4.1噪聲特性142.4.2靈敏度152.5本章小結(jié)15第3章 基于SystemView的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)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(diào)制解調(diào)183.3.1常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）183.3.2頻率調(diào)制193.3.3 調(diào)頻波轉(zhuǎn)換電路仿真213.3.4混頻電路仿真213.3.5解調(diào)電路仿真223.4本章小結(jié)24第4章 短波寬帶接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)254.1 接收機(jī)射頻前端電路設(shè)計(jì)254.1.1 衰減網(wǎng)絡(luò)254.1.2 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)264.1.3 帶通濾波器的電路設(shè)計(jì)274.1.4 可變增益放大器（VGA）電路設(shè)計(jì)304.1.5一次本振（DDS）電路設(shè)計(jì)324.1.6一次混頻電路設(shè)計(jì)334.1.7 中頻放大電路的設(shè)計(jì)344.1.8 二次混頻354.2 解調(diào)電路設(shè)計(jì)364.2.1 調(diào)頻波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)364.2.2解調(diào)電路設(shè)計(jì)374.2.3功率放大電路的設(shè)計(jì)384.3 本章小結(jié)38第5章 短波寬帶接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì)405.1 Cortex-M4實(shí)現(xiàn)一次混頻DDS的控制415.2 Cortex-M4實(shí)現(xiàn)按鍵和液晶的控制425.3 Cortex-M4實(shí)現(xiàn)對(duì)VGA和PGA的控制425.4 Cortex-M4對(duì)其他模塊的控制435.5本章小結(jié)45第6章 接收機(jī)的系統(tǒng)測試466.1短波寬帶接收機(jī)的硬件測試466.1.1低噪聲放大器的指標(biāo)測試466.1.2可變增益放大器（VGA）指標(biāo)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(diào)頻波轉(zhuǎn)換電路測試486.1.6解調(diào)電路測試496.2短波寬帶接收機(jī)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(chǎn)生正弦波的測試506.3整機(jī)測試506.3.1接收機(jī)的接收頻率范圍測試506.3.2接收機(jī)的選擇性測試506.3.3接收機(jī)的靈敏度測試506.4本章小結(jié)50結(jié) 論52參考文獻(xiàn)53致謝55附錄A短波寬帶接收機(jī)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(diào)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(jī)實(shí)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(shí)候，短波就成為其主要的傳播方式。當(dāng)今時(shí)代，雖然無線電的使用頻段已經(jīng)從短波段擴(kuò)展到超短波、微波甚至更高的頻段，但是短波通信在通信領(lǐng)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(jìn)行無線電通信1。短波通信可以依靠地波傳播，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(huì)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(xué)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(shè)備、便攜性強(qiáng)、操作簡單和可以靈活使用等優(yōu)點(diǎn)，而迅速發(fā)展為遠(yuǎn)距離通信的主要技術(shù)2。短波通信發(fā)展的黃金時(shí)期是第二次世界大戰(zhàn)到20世紀(jì)60年代，在此期間該技術(shù)廣泛的應(yīng)用于軍事、廣播、商業(yè)、氣象等諸多領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)或公用通信網(wǎng)。短波通信被廣泛的使用，基于它三個(gè)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(jìn)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(huì)被任何方式和力量摧毀，由于短波通信無需中繼站，每個(gè)電臺(tái)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(jìn)行全球覆蓋，通信可以到達(dá)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(jīng)濟(jì)性。短波通信無需建造復(fù)雜的樞紐站和中繼站，造價(jià)較低，而且運(yùn)營成本幾乎為零。20世紀(jì)60年代以后，隨著衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)通信等新興遠(yuǎn)距離通信方式的出現(xiàn)，短波通信的缺點(diǎn)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(shù)具有信道穩(wěn)定、可靠性高、通信質(zhì)量好、信道容量大等優(yōu)點(diǎn)，從而取代了許多本來屬于短波通信的重要業(yè)務(wù)3。在20世紀(jì)60年代至70年代，短波通信的技術(shù)研究和業(yè)務(wù)發(fā)展陷入低谷。直到電子信息戰(zhàn)爭的應(yīng)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(guān)領(lǐng)域國內(nèi)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(diǎn)，20世紀(jì)80年代以來，短波通信又一次成為各國研究的重點(diǎn)。隨著短波的組網(wǎng)技術(shù)、信道的編碼技術(shù)、信道的均衡技術(shù)、信道的自適應(yīng)技術(shù)以及自適應(yīng)調(diào)頻等技術(shù)的發(fā)展成熟，短波通信所存在的缺陷得以彌補(bǔ)。而微型計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)和移動(dòng)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(hào)處理等數(shù)字技術(shù)來提高短波通信的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率，自適應(yīng)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(shè)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(tái)、美國的CHESS、美國HARRIS公司的RF-5800系統(tǒng)、柯林斯公司的SELSCAN系統(tǒng)等4。1） HF-90超小型調(diào)頻短波電臺(tái)HF-90是由澳大利亞Q-MAC公司所推出的具有智能邊帶調(diào)頻技術(shù)的產(chǎn)品，它是利用SSB（Single Sideband Signal）調(diào)制方式傳送話音信號(hào)，將調(diào)頻碼隱含于邊帶話音中，隱含的調(diào)頻信號(hào)近似邊帶噪聲，比目前世界各電臺(tái)生產(chǎn)廠所提供的數(shù)字話音更難被識(shí)別，破譯和追蹤。HF-90所采的智能調(diào)頻技術(shù)能夠解決電臺(tái)信號(hào)阻塞或雜波串?dāng)_和多徑效應(yīng)所造成的不穩(wěn)定問題，是一種具有極強(qiáng)的頻帶適應(yīng)性的技術(shù)，它可以將整個(gè)通信網(wǎng)自動(dòng)調(diào)整到干凈的信道區(qū)，使通信背景得到凈化，提高通信質(zhì)量。2） CHESS系統(tǒng) CHESS系統(tǒng)是由美國Lockheed Sanders公司推出，它是以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和高速DSP（Data Signal Processor）芯片為基礎(chǔ)，調(diào)頻帶寬2.56MHz，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)19.2kbit/s，CHESS系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)是采用了差分跳頻技術(shù)。它實(shí)質(zhì)上是一種將頻率調(diào)制和編碼相結(jié)合的技術(shù)，通過對(duì)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(guān)性，接收端利用這種相關(guān)性進(jìn)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(jī)是短波通信不可或缺的一部分，而如今的接收機(jī)已經(jīng)走出晶體管時(shí)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(jī)的設(shè)備性能，增強(qiáng)其功能，先后出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)的接收機(jī)模型。而超外差式接收機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)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(shí)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(guān)干擾問題。國外對(duì)寬帶接收機(jī)的研究早在1995便開始了，J.T.Vaughan等對(duì)應(yīng)用于Telsla的核磁儀的射頻前端進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，雖然帶寬只有20MHz，卻給寬帶接收機(jī)提供了發(fā)展方向。到2005年，Reja等利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)出了直流到3500MHz的寬帶接收機(jī)5。而近年來，我國在短波寬帶接收機(jī)的研究領(lǐng)域也取得了相關(guān)的成果。1.3短波寬帶接收機(jī)研究的意義短波通信在軍用、民用和教學(xué)方面都存在著其獨(dú)特的意義，而對(duì)接收機(jī)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(dòng)權(quán)。在戰(zhàn)爭中的各種網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(zāi)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(zāi)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(xué)意義學(xué)習(xí)短波通信能夠讓學(xué)生了解更多的通信手段，使教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)科技發(fā)展。在學(xué)習(xí)通信及高頻電子線路知識(shí)的時(shí)候，能讓學(xué)生體會(huì)到這些知識(shí)的具體用途，同時(shí)也能加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)習(xí)興趣。1.4本論文的預(yù)期目標(biāo)及章節(jié)安排本文旨在研究并設(shè)計(jì)制作一套短波寬帶接收機(jī)系統(tǒng)。以接收3MHz30MHz的短波信號(hào)作為主要研究目的，研究的時(shí)候首先對(duì)短波頻段接收機(jī)的原理做深入解析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，包括前端的低噪聲放大器設(shè)計(jì)，帶通濾波器的選擇特性，VGA電路的增益控制特性，經(jīng)過兩次混頻后使用真有效值檢波進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)。文章最后對(duì)系統(tǒng)的性能以及各個(gè)模塊的指標(biāo)做詳細(xì)的測試。本論文的技術(shù)指標(biāo)如下：1)接收信號(hào)頻率范圍：3MHz30MHz；2)解調(diào)模式：調(diào)幅和調(diào)頻可選；3)接收機(jī)選擇性：矩形系數(shù)5.0；4)可數(shù)字設(shè)置接收信號(hào)中心頻率，并可顯示接收信號(hào)強(qiáng)度；5)接收機(jī)靈敏度：1mV（有效值）；6)解調(diào)輸出無明顯失真，并可播放語音信號(hào)。文章各章節(jié)安排如下：1、第1章介紹了短波寬帶接收機(jī)的研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并給出了本論文的研究內(nèi)容和章節(jié)安排。2、第2章首先對(duì)接收機(jī)的基本原理進(jìn)行分析，然后介紹本論文所研究的短波寬帶接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)和相關(guān)指標(biāo)分析。3、第3章是使用SystemView對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并給出相關(guān)仿真結(jié)果圖。4、第4章對(duì)短波寬帶接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。其中硬件實(shí)現(xiàn)包含前端的低噪聲放大，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(duì)短波寬帶接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。其中包括Cortex-M4控制器對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的通路選擇，人機(jī)交互平臺(tái)的控制和數(shù)字設(shè)置接收機(jī)的接收頻率。6、第6章在已經(jīng)完成的短波寬帶接收機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套測試方案，通過示波器、信號(hào)源等儀器，測試和分析了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。23第2章 接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及指標(biāo)分析第2章 接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及指標(biāo)分析2.1 無線接收設(shè)備的基本組成與原理無線接收設(shè)備的基本任務(wù)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(hào)，下面將講述三種最基本的接收機(jī)原理類型6。圖2.1是一個(gè)最簡單的接收機(jī)原理框圖，它由接收天線、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(hào)并且濾除干擾信號(hào)，再利用檢波電路從已調(diào)波信號(hào)中取出原調(diào)制信號(hào)，即音頻信號(hào)，經(jīng)過輸出變化器輸出音頻信號(hào)。這種接收機(jī)電路特點(diǎn)是線路簡單，但是檢波后得到的信號(hào)幅度太小，需要用高阻耳機(jī)才能進(jìn)行電聲變換。圖2.1最簡單的接收機(jī)原理框圖圖2.2是直接放大式接收機(jī)的原理框圖，它是經(jīng)過簡單接收機(jī)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(jī)的特點(diǎn)是靈敏度高，輸出功率比較大，尤其適用于固定點(diǎn)頻率的接收，但是在用于接收多個(gè)電臺(tái)時(shí)，其調(diào)諧非常復(fù)雜，而且高頻小信號(hào)放大器的通頻帶不平整，在整個(gè)接收頻帶內(nèi)，放大器對(duì)高頻放大的倍數(shù)比低頻放大倍數(shù)小。因此，對(duì)不同頻率的電臺(tái)其接收的效果不同。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，現(xiàn)在的接收機(jī)多數(shù)都采用超外差式線路。圖2.2直接放大式接收機(jī)原理框圖圖2.3是超外差式接收機(jī)它的主要特點(diǎn)是把被接收的已調(diào)信號(hào)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(jī)的靈敏度，同時(shí)也可以解決不同電臺(tái)信號(hào)放大不均勻的問題。而“差頻”技術(shù)的采用，使得外來信號(hào)必須和振蕩信號(hào)相差為預(yù)定的中頻才能進(jìn)入電路，而且選頻回路、中頻放大諧振回路又是一個(gè)良好的濾波器，其他干擾信號(hào)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(jī)原理框圖2.2接收機(jī)方案的選擇本論文所研究的短波寬帶接收機(jī)是在超外差式接收機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，采用二次變頻技術(shù)，解決了超外差式接收機(jī)所存在的鏡頻干擾和中頻干擾問題，并且可以解調(diào)調(diào)頻波和調(diào)幅波。如下圖2.4所示為本接收機(jī)的原理框圖，短波信號(hào)通過天線進(jìn)入接收機(jī)，由于天線接收到的信號(hào)含有噪聲，需要經(jīng)過帶通濾波器濾除無用的信號(hào)，而經(jīng)過帶通濾波器后的信號(hào)強(qiáng)度十分微弱，使用低噪聲放大器可以增強(qiáng)信號(hào)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(jī)中可以提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。第一次混頻利用一次本振DDS與接收到的短波信號(hào)進(jìn)行混頻工作，將接收到的信號(hào)變頻到45MHz的固定頻率，再經(jīng)過帶通濾波器和中頻放大器進(jìn)入混頻器，進(jìn)行第二次混頻，將45MHz的信號(hào)降到455KHz，最后進(jìn)行調(diào)頻和調(diào)幅波的解調(diào)工作，解調(diào)出音頻信號(hào)，通過低頻功率放大器推動(dòng)輸出。下面將對(duì)短波寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)上的重要部分做原理性說明。圖2.4短波寬帶接收機(jī)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(dǎo)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(jìn)行相反的變換。無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)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(jìn)行工作8。 在本接收機(jī)中，天線用以接收大氣中的短波信號(hào)，短波信號(hào)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(hào)的波長為： （2-1） （2-2）2.2.2 衰減網(wǎng)絡(luò)在天線后加入的衰減網(wǎng)絡(luò)為0dB或40dB，由純電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。如果前端接收到的信號(hào)強(qiáng)度過大可選擇40dB的衰減網(wǎng)絡(luò)，防止接收機(jī)被損壞，如果信號(hào)強(qiáng)度較小則可以選擇0dB的衰減網(wǎng)絡(luò)，使后端能夠準(zhǔn)確的檢測到信號(hào)。衰減網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)接收機(jī)中起保護(hù)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(jīng)常用在放大微弱信號(hào)的電路中，是接收機(jī)的關(guān)鍵組成部分，在整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)中占據(jù)重要的地位。大氣中民用無線電電磁波信號(hào)強(qiáng)波比較微弱，低噪聲放大器一般位于接收機(jī)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(gè)接收機(jī)接收信號(hào)的質(zhì)量，要求低噪聲放大器具有最小的噪聲系數(shù)、足夠的動(dòng)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(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)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(shè)計(jì)原理濾波器是一種頻率選擇裝置，它對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和加工，從中選出某些特定的信號(hào)輸出。設(shè)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(hào)能夠通過，低于和高于的信號(hào)衰減的濾波電路稱為帶通濾波器，高于的信號(hào)通過，而低于的信號(hào)衰減的濾波器稱為高通濾波器，相反低于的信號(hào)通過而高于的信號(hào)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(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，下面講述有源濾波器和無源濾波器的設(shè)計(jì)原理，其中有源濾波主要闡述帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理。在分析有源濾波電路時(shí)，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(yùn)算電路的輸入，比例系數(shù) (2-4)當(dāng)，時(shí)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(dāng)時(shí)，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(duì)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(diào)整電路的，能夠改變頻帶寬度。而在高頻領(lǐng)域，由于受到放大器的頻帶限制，應(yīng)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(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，主要是針對(duì)信號(hào)的諧波進(jìn)行濾除工作。2.2.5 可變增益放大器的設(shè)計(jì)原理可變增益放大器是自動(dòng)增益環(huán)路的核心，其增益近乎線性的隨外加電壓的變化而變化，本論文所設(shè)計(jì)的可變增益放大器使用TI（德州儀器）公司生產(chǎn)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(diào)波的載波頻率變換成固定的中頻載波頻率，而保持其調(diào)制規(guī)律不變6。也就是說它是一個(gè)線性頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)這種搬移。對(duì)于調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波通過混頻電路后仍然是調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波，只是其載波頻率變化了，其調(diào)制規(guī)律是不變的?；祛l電路廣泛用于各種電子設(shè)備中，在超外差式接收機(jī)中，將高頻載頻信號(hào)變成固定中頻載頻信號(hào)，然后通過中頻放大器進(jìn)行放大，使整個(gè)接收機(jī)靈敏度和選擇性大大提高。在頻率合成中常用混頻器完成頻率的加減運(yùn)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(shí)用電路中，往往要求放大電路的末級(jí)（即輸出級(jí)）輸出一定的功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)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(zhuǎn)換的角度看，功率放大電路與其他放大電路在本質(zhì)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(hào)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、丙類等功率放大器外，集成功率放大器也被廣泛的利用，主要應(yīng)用在各類高檔、中檔和普及型收音機(jī)以及音響設(shè)備中。本論文運(yùn)用了常見的功率放大芯片LM386作為系統(tǒng)解調(diào)信號(hào)的功率輸出推動(dòng)。2.2.8 有源微分網(wǎng)絡(luò)如圖2.7所示為基本微分運(yùn)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(yùn)算電路2.3解調(diào)解調(diào)是調(diào)制的逆過程，是從攜帶消息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息的過程。解調(diào)可以分為正弦波解調(diào)和脈沖波解調(diào)，而正弦波解調(diào)又可以分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)。本論文所研究的短波寬帶接收機(jī)應(yīng)用的是正弦波解調(diào)中的幅度解調(diào)和頻率解調(diào)。2.3.1幅度解調(diào)幅度解調(diào)一般是利用振幅檢波器進(jìn)行解調(diào)，它可以從調(diào)幅信號(hào)中不失真的解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。當(dāng)普通的調(diào)幅信號(hào)經(jīng)過檢波電路時(shí)，可得到輸出信號(hào)電壓為的調(diào)制信號(hào)。圖2.8分別為等幅波、調(diào)幅波和脈沖調(diào)制經(jīng)過檢波器時(shí)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(dǎo)體技術(shù)有限公司）生產(chǎn)的AD8361進(jìn)行檢波電路設(shè)計(jì)。2.3.2頻率解調(diào)調(diào)頻波所攜帶的信息包含在瞬時(shí)頻率的變化之中，從調(diào)頻波中提取信息的設(shè)備稱為解調(diào)器，一般也稱鑒頻器。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)解調(diào)的鑒頻電路可分為三類，第一類是調(diào)頻-調(diào)幅調(diào)頻變換型。這種類型是先通過線性網(wǎng)絡(luò)把等幅調(diào)頻波變換成振幅與調(diào)頻波瞬時(shí)頻率成正比的調(diào)幅調(diào)頻波，然后用振幅檢波器進(jìn)行振幅檢波。第二類是相移乘法鑒頻型。這種類型是將調(diào)頻波經(jīng)過移相電路變成調(diào)相調(diào)頻波，其相位的變化正好與調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化成線性關(guān)系，然后將調(diào)相調(diào)頻波與原調(diào)頻波進(jìn)行相位比較，通過低通濾波器取出解調(diào)信號(hào)。因?yàn)橄辔槐容^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(diào)頻信號(hào)通過過零比較器變換成重復(fù)頻率與調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)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(fù)出與瞬時(shí)頻率變化成正比的信號(hào)6。本文采用微分法進(jìn)行調(diào)頻-調(diào)幅調(diào)頻變換，然后經(jīng)過真有效值檢波器進(jìn)行振幅檢波。其中調(diào)頻波表達(dá)式： (2-13)上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得： (2-14)此式表明，經(jīng)過微分網(wǎng)絡(luò)后，調(diào)頻波便形成了調(diào)幅-調(diào)頻波，幅度的變化規(guī)律與調(diào)制信號(hào)相同，用檢波器和低通濾波器提取信息。由于微分網(wǎng)絡(luò)對(duì)噪聲和其他干擾引起的幅度變化有影響，故微分網(wǎng)絡(luò)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(gè)能對(duì)調(diào)頻信號(hào)求時(shí)間導(dǎo)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)都能把調(diào)頻波變換成為調(diào)幅-調(diào)頻波。但載波變化時(shí)，使輸出低頻信號(hào)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(gè)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波器內(nèi)平坦度非常好，矩形系數(shù)也要很好。圖2.9 微分法調(diào)頻解調(diào)原理框圖為了用低通濾波器選出調(diào)制信號(hào)分量，它的頻譜和以為中心的調(diào)幅調(diào)頻波的頻譜就不應(yīng)該有重疊。如圖2.10所示。圖中，是調(diào)制信號(hào)中的最高頻率，B為調(diào)頻波的帶寬，為了使低頻調(diào)制信號(hào)和一次項(xiàng)的頻譜分開，應(yīng)滿足： (2-15)或?qū)懗桑?(2-16)式中：，為調(diào)制指數(shù)；，為相對(duì)頻寬。D和的關(guān)系可用圖2.11曲線表示。 圖2.10調(diào)幅調(diào)頻波的頻譜 圖2.10 相對(duì)頻偏D與調(diào)制指數(shù)mF的關(guān)系可以看出，越大，相對(duì)頻偏也就越大12。2.4接收機(jī)的指標(biāo)分析接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)主要包括噪聲特性、靈敏度等。本論文主要考慮這兩個(gè)方面的指標(biāo)分析。2.4.1噪聲特性 人們通常將噪聲分為內(nèi)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(nèi)部噪聲也稱為電路噪聲，主要是指設(shè)備內(nèi)部各種器件、部件產(chǎn)生的熱噪聲、散彈噪聲等。熱噪聲12是指處于一定熱力學(xué)狀態(tài)下的導(dǎo)體中所出現(xiàn)的無規(guī)則電漲落，它是導(dǎo)體中自由電子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)引起的，其大小取決于物體的熱力學(xué)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(nèi)其功率電平為一個(gè)常數(shù)；（2）在時(shí)域中，具有振幅和相位的隨機(jī)性，其振幅和相位隨時(shí)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(dǎo)體中熱噪聲是由大量短促脈沖疊加形成的隨機(jī)過程，其平均值等于零，所以熱噪聲電壓的瞬時(shí)值和平均值都無法計(jì)量，但是熱噪聲電壓的均方值卻完全可以確定。數(shù)學(xué)關(guān)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(jī)帶寬單位為Hz。上式表明噪聲能量存在與給定帶寬內(nèi)，與中心頻率無關(guān)14。熱噪聲的功率為： (2-18)兩邊求對(duì)數(shù)，得到 (2-19)由上式可以計(jì)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(jī)只放大從天線端接收到的信號(hào)和噪聲，但是由于接收機(jī)內(nèi)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(gè)二端網(wǎng)絡(luò)規(guī)定輸入端溫度處于290K時(shí)，其噪聲系數(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(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)功率，單位為W； Ni網(wǎng)絡(luò)輸入端噪聲功率，單位為W； So網(wǎng)絡(luò)輸出端信號(hào)功率，單位為W； No網(wǎng)絡(luò)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(shè)備在技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的信號(hào)調(diào)制方式和中頻帶寬條件下，音頻輸出端檢測負(fù)載上產(chǎn)生額定輸出功率并達(dá)到額定信噪比時(shí)，天線輸入端所需的最小信號(hào)輸入電平。接收機(jī)的靈敏度包含三個(gè)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(jī)靈敏度的測量還與接收機(jī)所接收的信號(hào)調(diào)制類型、噪聲系數(shù)、（S+N）/N、中頻帶寬有關(guān)，需要在給定的噪聲功率下才能衡量接收機(jī)的靈敏度。如下式為接收機(jī)靈敏度與各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系式： (2-22)其中：S接收機(jī)靈敏度，dBm； NF接收機(jī)噪聲系數(shù)，dB； B檢波前的中頻帶寬，Hz； 為信號(hào)檢波所需的（S+N）/N，dB； 調(diào)制特性函數(shù)，與信號(hào)調(diào)制類型有關(guān)，dB12。2.5本章小結(jié)本章對(duì)短波寬帶接收機(jī)的總體原理和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了闡述，并對(duì)其解調(diào)方式進(jìn)行了深入的分析。首先從接收機(jī)的常見類型入手，介紹了各種類型的接收機(jī)，然后對(duì)本文研究的接收機(jī)進(jìn)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(diào)模式，最后對(duì)接收機(jī)中相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，尤其是對(duì)接收機(jī)中存在的噪聲和接收機(jī)靈敏度的計(jì)算方法進(jìn)行詳盡的描述。第3章 基于SystemView的系統(tǒng)仿真第3章 基于SystemView的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)3.1通信仿真的概念及意義仿真即是在建立一個(gè)新的系統(tǒng)或者對(duì)原有的通信系統(tǒng)做出相關(guān)的改進(jìn)之前，通過建立這個(gè)系統(tǒng)的模型和仿真結(jié)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(yīng)用于這個(gè)系統(tǒng)的過程17。仿真也就是系統(tǒng)的模擬過程，在本質(zhì)上，系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上的仿真就是根據(jù)系統(tǒng)的物理原理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算數(shù)值求解的過程。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，對(duì)于通信的研究也越來越困難，但是強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)發(fā)展的成熟，系統(tǒng)仿真的突出地位就越來越突出。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(shù)，可以對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行分層次的評(píng)估和模型建立；2） 通過對(duì)系統(tǒng)仿真技術(shù)和方法的研究，可以有效的將數(shù)學(xué)分析模型和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合起來；3） 通過對(duì)系統(tǒng)方法的研究，可以快速建立一個(gè)通信系統(tǒng)的模型，提供一個(gè)便捷、高效和精確的評(píng)估平臺(tái)；4） 采用軟件仿真進(jìn)行系統(tǒng)合理性的驗(yàn)證，可以節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)研究成本，仿真后的方案可能會(huì)更接近實(shí)際結(jié)果，也可以節(jié)約研究時(shí)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(gè)信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，提供豐富的庫資源，包括各種信號(hào)源、加法器、乘法器、接收器和各種函數(shù)運(yùn)算器等，特別適用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真和方案論證，尤其適用于調(diào)制解調(diào)器、無線通信等通信系統(tǒng)的仿真。利用SystemView可以直接設(shè)計(jì)電路模型而無需編寫任何代碼，能對(duì)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真給出具體的時(shí)域和頻域分析、頻譜分析。其特點(diǎn)如下：1） 可以仿真大量應(yīng)用系統(tǒng)，包括現(xiàn)代通信以及DSP的所有領(lǐng)域；2） 具有可視化、動(dòng)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(guān)心設(shè)計(jì)思路；4） 提供基于組織結(jié)構(gòu)圖方式的設(shè)計(jì)，支持各種子系統(tǒng)；5） 完備的線性系統(tǒng)和濾波器設(shè)計(jì)；6） 可擴(kuò)展性強(qiáng)，提供MATLAB、VC+等多種軟件接口18。3.3基于SystemView的模擬調(diào)制解調(diào)3.3.1常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）調(diào)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離地不失真地傳送信息。所需傳送的信息通過轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殡娦盘?hào)，此電信號(hào)是占有一定頻譜寬度的低頻信號(hào)，通常稱為基帶信號(hào)。直接將基帶信號(hào)進(jìn)行傳輸要實(shí)現(xiàn)多路遠(yuǎn)距離傳輸比較困難，通常將基帶信號(hào)加載到高頻信號(hào)上去，用高頻信號(hào)作為運(yùn)載工具。這種將基帶信號(hào)加載到高頻信號(hào)上的過程稱為調(diào)制18。對(duì)于常規(guī)雙邊帶調(diào)幅，其時(shí)域表達(dá)式為 （3-1）其中，為外加的直流分量。為調(diào)制信號(hào)，可以是已知的確定信號(hào)，也可以是隨機(jī)的信號(hào)，但通常認(rèn)為其數(shù)學(xué)期望為0。和為載波信號(hào)的頻率和相位，一般設(shè)置初始相位為0。由上式可以得到常規(guī)調(diào)幅的原理圖如圖3.1所示。圖3.1 常規(guī)調(diào)幅原理如圖3.2為基于SystemView進(jìn)行的常規(guī)雙邊帶幅度調(diào)制，為了使調(diào)制后的現(xiàn)象更加明顯，選擇100Hz的載波信號(hào)，10Hz的調(diào)制信號(hào)來檢驗(yàn)電路仿真的功能性。圖3.2中，圖符0為載波，圖符5為調(diào)制信號(hào)，圖符1、6、7為波形分析器。圖3.2 常規(guī)AM調(diào)制的模型其調(diào)制前后的波形如圖3.3所示。其中w0為100Hz的載波信號(hào)，w1為10Hz的調(diào)制信號(hào)，w2為調(diào)制波形。由圖3.3可以看出根據(jù)調(diào)幅原理圖設(shè)計(jì)的調(diào)幅電路可以很好地完成常規(guī)幅度調(diào)制。而由圖3.4可以看到調(diào)制前后信號(hào)頻譜的變換情況，對(duì)于常規(guī)雙邊帶調(diào)幅來說，調(diào)制過程是線性頻譜搬移過程6。圖3.3 常規(guī)AM調(diào)制波形圖3.3常規(guī)調(diào)幅頻譜圖3.3.2頻率調(diào)制高頻振蕩的振幅不變，其瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)線性變化稱為頻率調(diào)制。調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式為： (3-2)如圖3.4是基于SystemView的調(diào)頻信號(hào)模型。圖3.5為10KHz的調(diào)制信號(hào)和經(jīng)過100KHz的載波調(diào)制過的調(diào)頻波信號(hào)。圖3.4 調(diào)頻信號(hào)模型圖3.5調(diào)頻信號(hào)波形圖圖 3.6調(diào)頻波頻譜圖由圖3.6調(diào)頻波的頻譜曲線可以看出，調(diào)頻波的頻譜不是調(diào)制信號(hào)頻譜的簡單搬移，而由載波分量和無數(shù)對(duì)邊頻分量所組成的。3.3.3 調(diào)頻波轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)頻波經(jīng)過微分電路后會(huì)變?yōu)檎{(diào)幅-調(diào)頻波，可以使用檢波電路進(jìn)行解調(diào)。如圖3.7是10KHz的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過與1MHz的載波信號(hào)調(diào)制后形成調(diào)頻波，在經(jīng)過微分電路后形成調(diào)幅-調(diào)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(diào)頻波轉(zhuǎn)換成調(diào)幅-調(diào)頻波，驗(yàn)證了調(diào)制類型轉(zhuǎn)化電路的可行性。圖3.7 調(diào)頻波轉(zhuǎn)換模型圖3.8調(diào)頻波轉(zhuǎn)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(jīng)闡述，在次不在詳細(xì)講述，其原理就是應(yīng)用乘法器使兩個(gè)模擬信號(hào)相乘，即頻率上產(chǎn)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(hào)，圖符1為5KHz的單頻信號(hào)，經(jīng)過混頻后產(chǎn)生的頻率信號(hào)再經(jīng)過濾波器后得到4KHz的單頻信號(hào)。其波形及頻譜圖如圖3.10所示。其中w1和w4為兩個(gè)單頻信號(hào)，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(hào)波形圖3.3.5解調(diào)電路仿真本文所研究的短波寬帶接收機(jī)主要是對(duì)調(diào)幅波和調(diào)頻波解調(diào)的研究。因此對(duì)于解調(diào)電路的設(shè)計(jì)更加詳盡。而其具體的電路原理在第2章中已經(jīng)做出了詳盡的說明，此處僅對(duì)電路模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。如圖3.11為調(diào)幅解調(diào)的具體電路模型。圖3.11 調(diào)幅解調(diào)電路模型其中，調(diào)幅波的調(diào)制信號(hào)為10KHz幅度為1V，載波信號(hào)為100KHz幅度為1V，由圖3.12可以得出此電路可以完成調(diào)幅波的解調(diào)工作，w1和w4分別為10KH的調(diào)制信號(hào)和100KHz的載波信號(hào)，w2為調(diào)制后的調(diào)幅波，w3為解調(diào)后的信號(hào)。圖3.12 調(diào)幅波解調(diào)波形如圖3.13為調(diào)頻波解調(diào)電路模型，其中調(diào)制信號(hào)為10Hz，載波信號(hào)為100Hz，信號(hào)經(jīng)過微分器后形成調(diào)幅-調(diào)頻波，其原理驗(yàn)證已在3.3.3小結(jié)驗(yàn)證，在經(jīng)過檢波管進(jìn)行解調(diào)工作。由圖3.14可以看出經(jīng)過解調(diào)后可以得出穩(wěn)定的調(diào)制信號(hào)。圖3.13調(diào)頻解調(diào)電路模型圖3.13 調(diào)頻解調(diào)波形圖3.4本章小結(jié)本章主要完成了對(duì)電路系統(tǒng)的SystemView仿真工作。通過對(duì)具體電路形式的驗(yàn)證，證明了本論文所設(shè)計(jì)的電路的合理性。其中對(duì)于常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）電路、調(diào)頻（FM）電路、調(diào)頻波轉(zhuǎn)換電路和調(diào)幅波調(diào)頻波的解調(diào)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，并對(duì)其相關(guān)的頻譜進(jìn)行了分析。第4章 短波寬帶接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)第4章 短波寬帶接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)本論文的硬件設(shè)計(jì)部分貫徹整個(gè)接收機(jī)電路，從信號(hào)的接收到解調(diào)無不涉及到硬件電路的設(shè)計(jì)。本論文所研究的短波寬帶接收機(jī)的完整硬件結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。其中包含射頻前端信號(hào)的接收和后端的解調(diào)網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程中，主要考慮接收機(jī)的寬頻段特性3MHz30MHz，尤其是在設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)，由于接收頻段的上限頻率和下限頻率相差的倍程太大，對(duì)器件的要求過高，因此對(duì)濾波電路選擇分頻段設(shè)計(jì)。對(duì)于接收機(jī)其他各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都是依據(jù)電路中系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。圖4.1 短波寬帶接收機(jī)完整硬件結(jié)構(gòu)框圖4.1 接收機(jī)射頻前端電路設(shè)計(jì)如圖4.1所示，整個(gè)接收機(jī)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(wǎng)絡(luò)本文所研究的接收機(jī)最前端設(shè)計(jì)一個(gè)40dB的衰減網(wǎng)絡(luò)，是用來直接接入大信號(hào)時(shí)進(jìn)行衰減的，防止接收機(jī)被大信號(hào)損壞，網(wǎng)絡(luò)兩端采用高頻開關(guān)HMC174進(jìn)行信號(hào)的選擇。衰減器是在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以引入預(yù)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(duì)稱衰減器，主要用于阻抗匹配；而T型、橋T型、型屬于對(duì)稱衰減器，主要用于衰減。經(jīng)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，但對(duì)于高頻小信號(hào)，無緣衰減網(wǎng)絡(luò)型和T型網(wǎng)絡(luò)更加合適，因此本文選用型網(wǎng)絡(luò)做衰減。電路如圖4.2所示。圖4.2 衰減網(wǎng)絡(luò)其中HMC174作為開關(guān)可以控制直流到3GHz的高頻信號(hào)，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(guān)系。圖4.3 HMC174典型工作參數(shù)4.1.2 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)天線接收的信號(hào)幅度一般都很小，在進(jìn)入混頻器之前需要將信號(hào)進(jìn)行一定的放大，而天線接收的信號(hào)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(hào)又可以抑制一些噪聲，使得后面電路得到的信號(hào)更加純正?？紤]到芯片的性能，本論文采用美信半導(dǎo)體（Maxim）公司生產(chǎn)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(gè)900MHz的平坦增益響應(yīng)，并且它的輸入輸出阻抗都是50，無需額外進(jìn)行匹配，只需要在輸入輸出端各加一個(gè)10nF的電容即可。其具體應(yīng)用的電路如圖4.4所示。圖4.4 MAX2650具體應(yīng)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(yù)計(jì)其增益在17dB左右。圖4.5 MAX2650噪聲特性圖4.6 MAX2650增益特性4.1.3 帶通濾波器的電路設(shè)計(jì)由圖4.1短波寬帶接收機(jī)完整硬件結(jié)構(gòu)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(jìn)行分開設(shè)計(jì)，使得接收機(jī)接收到的信號(hào)噪聲更少，為后續(xù)解調(diào)帶來極大的方便。其中濾波器的設(shè)計(jì)方法有很多，包括無源濾波器和有源濾波器，當(dāng)接收信號(hào)頻率較高時(shí)，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(jìn)一步分為巴特沃茲濾波器，切比雪夫?yàn)V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?yàn)V波器（右上）、第二類切比雪夫?yàn)V波器（左下）、橢圓函數(shù)濾波器（右下）的頻率響應(yīng)圖19。圖4.7 不同濾波器的頻率響應(yīng)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(nèi)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(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真的，其輸入輸出端都是50的阻抗，分頻段進(jìn)行的濾波器設(shè)計(jì)，不僅僅可以抑制帶外噪聲，還可以抑制鏡頻干擾。其具體應(yīng)用電路如圖4.8、4.9、4.10、4.11、4.12所示。圖4.8 3-5MHz7階帶通濾波器圖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(jì)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(jìn)行的無源巴特沃茲型帶通濾波器的設(shè)計(jì)，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(jīng)二次混頻之后的信號(hào)同樣帶有高頻成分，因此在二次混頻后設(shè)計(jì)了一個(gè)帶通濾波電路，采用TI公司生產(chǎn)的高精密運(yùn)算放大器OPA627所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)可變增益放大器（VGA）電路的應(yīng)用可以提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，本論文采用TI公司生產(chǎn)的VCA824，它是直流耦合、超寬帶、增益響應(yīng)大于40dB的線性電壓控制增益放大器，它的輸入信號(hào)能夠隨著增益電阻（RG）和反饋電阻（RF）的變化可以達(dá)到40dB的變化，其控制電壓在-1V到+1V之間，供電電壓為5V，當(dāng)其增益為20dB時(shí)，帶寬可達(dá)320MHz21。VCA824其典型應(yīng)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(guān)系如