调幅发射机课程设计要点

摘要

用调制信号去控制载波的某个参数的过程，叫调制。用调制信号去控制高频振荡器的幅度，使其幅度的变化量随调制信号成正比的变化，这一过程叫做振幅调制。经过幅度调制后的高频振荡称为幅度调制波（简称调幅波）。

早期的VHF频段的移动通信电台大都采用调幅方式，由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加调幅而造成失真，目前已很少采用。调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅制，对移动信道有较好的适应性，现在世界上几乎所有模拟蜂窝系统都使用频率调制。由于高频信号的幅度很容易被周围环境所影响。所以调幅信号的传输并不十分可靠。在传输的过程中也很容易被窃听，不安全。所以现在这种技术已经比较很少被采用，但在简单设备的通信中还有采用。

振幅调制根据频谱结构的不同可分为普通调幅（AM)波，抑制载波的双边带调幅（DSB-SC AM）波和抑制载波的单边带调幅（SSB-SC AM)波。本设计的调幅发射机指的是AM调幅。

调幅发射机是由本机振级、缓冲级、调制级、功率激励与放大电路及音频放大器等组成。关键字：振荡、倍频、调幅、混频、放大

目录

一、前言 (1)

二、设计指标 (2)

三、系统总述 (3)

3.1 设计总体思路 (3)

3.2原理框图 (3)

3.3各部分的作用 (4)

四、单元电路设计及仿真 (5)

4.1 本地振荡器模块 (5)

4.2倍频模块 (7)

4.3调幅模块 (8)

4.4上混频模块 (11)

4.5 功率放大模块 (13)

五、整机电路设计图 (14)

六、设计总结 (15)

七、参考文献： (16)

一、前言

无线电技术诞生以来，信息传输和信息处理始终是其主要任务。要将无线电信号有效地发射出去，天线的尺寸必须和电信号的波长为同一数量级，为了有效地进行传输。必须将携带信息的低频电信号调制到几十MHz至几百MHz以上的高频振荡信号上，再经天线发送出去，调频是信号发射必不可少的一个环节。调频发射机目前处于快速发展之中，在很多领域都有了很广泛的应用，可以用于演讲、教学、玩具、防盗监控等诸多领域。

通信系统中的发送设备是将信息发送者送来的非电量原始信息（信源）如语音、文字和图像等转变成电信号，再把信号处理成适合于信道传输的信号形式送至信道。信源信号在通信系统中称为基带信号。基带信号是频谱在零频附近的宽带信号，这种信号一般具有从零频开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量，所以称为基带信号，这种信号不宜直接在信道中传输。如果将消息信号对频率较高的载波进行调制，就能使信号的频谱搬移到适合信道的频率范围内进行传输。例如声音基带信号的频率范围是20Hz～20kHz，这样的基带信号是不能在无线信道上传输的。即使在某些可以传输直流的有限信道上，为了提高信道的通信容量，基带信号的传输方式也很少采用。

一般是用基带信号去改变某个高频正弦电压（载波）的参数，使载波的振幅、频率或相位随基带信号而变化，这一过程称为调制。在通信系统中，调制有三个主要作用：1调制的过程就是一个频谱搬移的过程，将原来不适宜传输的基带信号频谱搬移到适宜传输的某一个频段上，然后传输至信道；2调制的另一个重要作用是实现信道复用，即把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输，以提高信道容量；3调制可以提高通信系统抗干扰的能力，例如将信号频率搬移，从而离开某一特定干扰频率。调幅发射机目前正广泛应用于无线电广播系统中，本次课程设计完成了小信号调幅发射机从设计到仿真调试的完整设计工作。

二、设计指标

完成调幅发射系统各单元电路的设计及仿真，并利用multisim开发软件完成整机电路的调试。设计任务及主要技术指标和要求如下：

2.1单元电路设计及仿真

1）设计LC电容三点式振荡器产生高频信号

2）设计三极管倍频电路，完成信号的三倍频

3）设计双差分对构成的乘法调制器

4）设计混频电路

5）设计丙类谐振功率放大电路

2.2调幅发射系统整机电路设计

2.3高频实验平台整机联调

三、系统总述

3.1 设计总体思路

无线电通信的主要特点是利用电磁波的空间的传播来传递消息，例如将一个地方的语言消息传送到另一个地方。这个任务是由无线电发射设备、无线电接收设备和发射天线和接收天线等来完成的。这些设备和传播的空间，就构成了通常所说的无线电通信系统。

发射设备是无线电通信系统的重要组成部分，它是将电信号变换为适应与空间传播特性的信号的一种传输装置。它首先要产生频率较高的并且具有一定功率的振荡。因为只有频率较高的振荡才能被天线有效的辐射，还需要有一定的功率才可能在空间建立一定强度的电磁场，并传播到较远的地方。高频功率的产生通常是利用电子管或晶体管，把直流能量转化为高频能量，这是由高频振荡器和高频功率放大器完成的。

通常是经过转换设备如话筒就是最简单的转换设备，把消息转变为电信号，这种电信号的频率都比较低，不适于直接从天线上辐射。因此，为了传输消息，就要使高频振荡的某一个参数随着上述电信号而变化，这个过程叫做调制。在无线电发送设备中，消息是“记载”在载波上而传送出去的。

通信系统中的发送设备采用调幅方式则称为调幅发射机，一般调幅发射机的组成框图如图所示，工作原理是：本机振荡产生一个固定频率的载波信号，载波信号经缓冲倍频送至振幅调制电路；话音放大电路将低频信号（例如语音信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路；振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器，高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率，然后经天线输出。 3.2原理框图

图3.1 振幅发射系统的原理框图

3.3各部分的作用

本地振荡器：用来产生最初的高频振荡，通常振荡功率是很小的，由于整个发射机的频率稳定度有它决定，因此要求它具有准确而稳定的频率。

倍频器：将频率较低的信号通过倍频变换成频率较高的信号。

调幅：用来产生调幅波，即将调制信号调制到高频振荡频率上。

混频器：是实现将放大的信号和本振电路模块产生的信号一起输入经过混频电路进行变频，并能选出中频信号（fi=fo+fs）；

功率放大器：主要作用是在激励信号的频率上，产生足够大的功率送到天线上去，同时滤除不需要的频率（高次谐波），以免造成对其他电台的干扰。

四、单元电路设计及仿真

4.1 本地振荡器模块

图4.1 电容三点式振荡电路

本振电路由电容三点式振荡电路构成，本地振荡器功能：为混频器产生fL ，是可调的，并能跟踪fC ，以实现变频功能。其电容三点式振荡器电路图如图4.1所示。 4.1.1 LC 电容三点式振荡器的基本工作原理

LC 振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。LC 振荡器是指振荡回路是由LC 元件组成的。从交流等效电路可知：由LC 振荡回路引出三个端子，分别接振荡管的三个电极，而构成反馈式自激振荡器，因而又称为三点式振荡器。如果反馈电压取自分压电感，则称为电感反馈LC 振荡器或电感三点式振荡器；如果反馈电压取自分压电容，则称为电容反馈LC 振荡器或电容三点式振荡器。在几种基本高频振荡回路中，电容反馈LC 振荡器具有较好的振荡波形和稳定度，电路形式简单，适于在较高的频段工作，尤其是以晶体管极间分布电容构成反馈支路时其振荡频率可高达几百MHz-GHz 。

4.1.2 LC 振荡器的起振条件、参数选择和频率稳定度

一个振荡器能否起振，主要取决于两个基本条件，即：振幅起振平衡和相位平衡条件。

参数的选择：振荡频率主要由L 、1c 、2c 决定，f=1/2πLC ，反馈系数F 不宜过大或过

小，一般经验数据F ≈0.1-0.5。

频率稳定度表示：在一定时间或一定温度、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度。则，其仿真如4.2、4.3所示。

图4.2 电容三点式起振仿真图

图4.3电容三点式稳定时的仿真

4.2倍频模块

4.2.1倍频器的工作原理

倍频器是一种将输入信号频率成整数倍（2倍、3倍、n倍）增加的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或其它电子设备。采用倍频器的主要原因有：(1)降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。一般基音体频率不高于20MHz，具有高稳定性的晶体频率通常不超过5 MHz。所以工作频率高，要求稳定性又严格的通信设备和电子仪器就需要倍频。(2)对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加大相移或频移，即可增加调制度。(3)可以提高发射机的工作频率稳定性。因为采用了倍频器，输入频率与输出频率不同，从而减弱了寄生耦合。倍频器的种类有多种，本次可设使用丙类放大器构成的倍频器，即所谓“丙类倍频器”。前面讨论已经指出，丙类放大器晶体管集电级电流脉冲中含有丰富的谐波分量。如果集电极调谐回路谐振在二次或三次谐波频率上，放大器就主要有二次或三次谐波电压输出。

4.2.2 功能

倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。在手持移动电话中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对与应的信道；同时经倍频处理后，调频信号的频偏也倍提高，即提高了调频调制的灵敏度，这样可降低对调制信号的放大要求。采作倍频器的另一个好处是：可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有得于减少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。三倍频电路如图4.4

图4.4 三极管倍频电路

采用倍频器的主要原因有：

(1)降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。故工作频率高，要求稳定性又严格

的通信设备和电子仪器就需要倍频。

(2)对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加大相移或频移，即可增加调制度。

(3)可以提高发射机的工作频率稳定性。

则仿真结果如图4.5所示。

图4.5三极管倍频仿真图

4.3调幅模块

有电磁场理论知道，只有频率较高的振荡才能被天线有效的辐射。但是人的讲话声音变化为相应的电信号频率较低，不适于直接从天线上辐射。因此，为了传递消息，就必须将要传递的消息“记载”到高频振荡上去，这一“记载”过程称为调制。调制过程就是用被传递的低频信号去控制高频振荡信号是高频输出信号的参数相应于低频信号变化而变化，从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带传播的目的。本实验采用集电极调幅电路，电路图如图4.6所示。

XSC1

图4.6集电极调幅电路 4.3.1调制电路的基本工作原理

振幅调制就是用低频调制信号去控制高频载波信号的振幅，使载波的振幅随调制信号成正比的变化。经过振幅调制的高频载波称为振幅调制波（简称调幅波）。调幅波有普通调幅波（AM ）、抑制载波的双边带调幅波（DSB ）和抑制载波的单边带调幅波（SSB ）三种。其常规调制的原理框图如图4.7所示。

Ω

u ?

AM u

t w c cos

图4.7常规调制的原理框图

调幅波的表达式、波形：

设调制信号为单一频率的余弦波： ()t U t u m Ω=ΩΩcos

载波信号为：

()t w U t u c cm c cos =

由原理框图得AM 调幅波为：

()()()()t w t m U t u t u t U c a cm c AM cos cos 1Ω+=?=Ω，

其中

cm m

a

a U U k m Ω=，a m ：

调制指数或调幅度，它表示载波振幅受调制信号控制程度，a k ：

为调制电路决定的比例常数。

由上述原理得出载波信号、调制信号及已调信号的波形分别如图4.8、4.9所示

图4.8载波信号与调制信号的波形

图4.9已调信号的波形

4.4上混频模块

在通信技术中，经常需要将信号自某一频率变化为另一个频率，一般用的较多的是把一个已调信号的高频信号变化为另一个较低信号的同类已调信号，完成这种频率变化的电路称混频器。在超外差接收机中的混频器的作用是使波段工作的高频信号，通过与本机振荡信相混，得到一个固定不变的中频信号。混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。本实验中采用的是三极管混频，其电路模型如图4.10所示，具体电路如图4.11所示。

图4.10 混频器的电路原理框图

图4.11 上混频电路原理图

4.4.1混频的基本原理

把一个已调的高频信号比啊换成另一个较低频率的同类已调信号，完成这种频率变换的电路称为混频器。

采用混频器后，接收机的性能将得到提高，这是由于：

（1）混频器将高频信号频率变换成中频，在中频上放大信号，放大器的增益可以作得很高而不自激，电路工作稳；经中频放大后，输入到检波器的信号可以达到

伏特数量级，有助于提高接收机的灵敏度。

（2）由于混频后所得的中频频率是固定的，这样可以使电路结构简化。

（3）要求接收机在频率很宽的范围内选择性好，有一定困难，而对于某一固定频率选择性可以做的很好。

其混频仿真波形如图4.12所示。

图4.12 上混频电路仿真图

4.5 功率放大模块

高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，它也是一种以谐振电路做负载的放大器。而在此电路中我们采用的是丙类调谐功率放大器，如图4.13所示。

图4.13 丙类功率放大电路 4.5.1 丙类放大器的基本原理

由于丙类调谐功率放大器采用的是反相偏置，在静态时，管子处于截止状态。只有当激励信号

b u 足够大，超过反偏压b E 及晶体管起始导通电压i u 之和时，管子才导通。管子只

有在一个周期的一小部分内导通。集电极电流是周期性的余弦脉冲。放大器输出波形如图4.14所示。

图4.14 丙类放大器仿真图

五、整机电路设计图

整机电路是由LC电容三点式、三倍频、核心调幅电路、上混频及功率放大电路等模块组成。其中，LC电容三点式振荡电路产生高频率且相对稳定的输入载波信号，倍频器电路是将振荡电路产生的载波信号进行进一步的放大，使其变化为更高频率的信号。调幅电路是将载波信号与低频信号源产生的调制信号相乘来产生调幅信号。混频电路是实现将已调信号与本振信号相乘进行变频（其中fi=fo+fs）.功率放大电路是将调制信号的能量放大同时滤除不需要的频率（高次谐波），以免造成对其他电台的干扰。

图5.1 调幅发射系统整体电路图

六、设计总结

在这次课程设计中，我们组的任务是调幅发射系统整机电路设计，我做的中心电路是集电极调幅电路，单元电路是功率放大器。

这次通信电子线路课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试，对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。

回顾起此课程设计，我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识。最后再次衷心感谢老师、同学们对我的帮助。

七、参考文献：

[1] Multisim12 电路设计及仿真应用清华大学出版社 2012年7月

[2] 高频电路原理及分析西安电子科技大学出版社曾兴雯，刘乃安 2006年7月

[3] 通信电子线路主编：侯丽敏清华大学出版社 2008年12月

[4] 电子线路设计、实验、测试主编：谢自美华中理工大学出版社

[5] 高频电子线路实验平台说明书南京润众科技有限公司