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无线电调幅发射机仿真与分析

无线电调幅发射机仿真与分析

无线电调幅发射机仿真与分析

题目无线电调幅发射器的仿真与分析

系(院)

专业

班级

学生姓名

学号

指导教师

职称

二〇一四年六月十八日

独创声明

本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文),是本人在指导老师的

指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。

尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)不含任何

其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重

要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一四年六月十八

毕业设计(论文)使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)

的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学

校保存学位论文的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制

手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立

目录检索与阅览服务系统,公布设计(论文)的部分或全部内容,允

许他人依法合理使用。

(保密论文在解密后遵守此规定)

作者签名:

二〇一四年六月十八日

摘要

无线电调幅发射机在各种无线电通讯系统中应用广泛,在中短波通信广播领域更是被广泛的应用。

本课题的设计目的是设计一个简易的无线电调幅发射机,并使该系统包含高频振荡器、调制器、放大器等基础单元,然后对每一部分进行仿真。这次利用Multisim软件设计仿真并分析无线电调幅发射机电路。通过课堂上的学习和各种资料的了解,借助于Multisim软件分别设计出了主振级、放大级、音频放大和调幅每个模块的电路,然后运行电路发现初始设计电路有的不能达到要求,结果与预期相差较大,通过查阅资料和请教导师,对每个模块的设计进行多次修改之后,终于完成各个模块的电路设计,并仿真出结果,最后将各部分电路级联并测试。在完成设计仿真之后,认真完成毕业论文。

Abstract

The radio amplitude modulation transmitter is widely used in various radio communication systems, and it is widely used in the medium and short wave communications broadcasting field..

Designed in this paper is a summary of AM radio transmitter design, and make the system contains basic unit of high frequency oscillator, modulator and amplifier. Then simulation is carried on to each part. The use of Multisim software design and analysis of the Radio AM transmitter circuit. After through understanding of classroom learning and all kinds of data, with Multisim software are designed by the vibration level, amplifier, audio amplifier and amplitude of each module circuit, and then run the circuit found that the initial design of the circuit and some can not meet the requirements. The results with the expected difference is big, through access to information and consult instructors, each module design was modified several times, and finally completed the circuit design of each module, and simulation results finally, each part of the circuit cascade and test. After the design simulation, finish the graduation thesis seriously

目录

第一章课题的意义和总体方案 (5)

1.1课题的意义 (5)

1.2设计内容与要求 (5)

1.3无线电调幅发射机的系统设计 (6)

第二章功能模块的具体设计 (1)

2.1震荡模块 (1)

2.2高频放大模块 (4)

2.3音频放大模块 (6)

2.4 振幅调制模块 (7)

第三章整体电路 (10)

3.1 整体电路 (10)

3.2 调试并仿真 (11)

第四章设计总结 (12)

参考文献 (13)

感谢 (14)

引言

进入21世纪,科学技术发展日新月异,信息技术发展更是迅猛,信息技术产品的更新速度像火箭一般,每一刻都在发生变化。信息的传播对于我们日常生活越来越重要,信息传播技术也因此得到迅猛发展。无线技术作为一种重要的信息传播技术,技术的创新和发展十分活跃,各种技术的相互独立发展和有机的融合促进了人类社会的大发展。现在移动通讯、卫星通信、导航、遥感测距等几十种无线电的业务深入我们的生活,深入到社会生活的方方面面,我们日常生活中的电视、通信、交通,以及航空航天、气象都体现了无线电技术的广阔应用。

科技的发展推动了经济全球化的进程,也促进了全世界的信息交流。全世界的人在一起交流政治商业生活信息,就需要更加高效的快速的信息传递技术,同时这个市场也因为参与的人群多而变的庞大,无线电调幅发射技术也会有更大的用武之地。而为了满足人们的需求,无线电调幅发射如何变得更加快速,最大可能的降低信号的失真是未来调幅技术的发展方向。在调幅技术的基础上衍生出多种通信技术,对调幅技术的研究可以对加深对通信技术的总体认识,能够更加清醒的认识通讯技术的未来。

调幅发射机是调幅技术的基础硬件设备,在各种无线电通讯系统中应用广泛,在中短波领域更是被广泛的应用。在发射机中因为调幅容易,而且他进行信息传递所需要的带宽资源很少,相应的配套设备不像其他的同类技术那么复杂,所以调幅发射技术应用较为广泛。

第一章课题的意义和总体方案

1.1课题的意义

上世纪20年代调幅技术产生,最先在美国发展起来,并迅速成为一种流行的信息传播技术,促进信息的大发展,无线广播成为大众了解实时国家和世界政治军事和商业信息的最好工具,并随之从美国蔓延到全世界,欧洲、美洲、亚洲、非洲、大洋洲建立起一座座广播信号塔,公共场所和家家户户装备了收音机,足不出户就可以了解全世界信息。之后,社会的进步和科学技术的发展,各种新型的通讯技术层出不穷,拉近了世界的距离,丰富了我们的生活。虽然面临各种高新信息传递技术的竞争,但调幅发射机因为调幅容易,而且他进行信息传递所需要的带宽资源很少,相应的配套设备不像其他的同类技术那么复杂,所以调幅发射技术应用一直比较广泛。

我国发展调幅广播的历史可追朔到上世纪的民国时期,至今已有近百年。我国第一座广播台是美国人奥斯邦建的,1926年东北军张作霖命刘瀚建了中国人

的第一座广播台,在之后的国民政府时期,新中国一直大力发展调幅广播技术,全国大部被调幅广播覆盖。为了社会主义现代化建设,我们还要继续加强边远山区的信息传送,以未来对调幅广播的发展和改进仍然十分重要。

1.2设计内容与要求

对无线电调幅发射机的仿真与分析,加强我们对书本上的理论知识的理解,提高我们的实际操作能力和设计及计算能力;使我们认识了解发射机各单元和系统整体之间的关系,对无线电调幅发射机概念有一个整体的全面的认识,掌握无线电调幅发射机以及各个单元电路的计算和设计方法。同时,我们通过设计和仿真无线电调幅发射机掌握他的调整和测试办法,融合课堂知识掌握实际操作方法,加强对无线电通讯技术的认识,增强动手实践能力和设计本领。这些可以帮助我们不断的提升和升华自己,巩固专业技术能力,为以后进入相关专业打下坚定基础。

利用Multisim软件设计一个简单的无线电调幅发射机。首先充分了解自己课题,根据自己课题的需要查阅文献和网络资料,之后根据课题设计电路要求设计的系统包括高频振荡器、放大器、调制器等基础单元,特别是电路元件的选取及参数的选择。并利用Multisim的仿真性能对设计的电路进行单元及级联性能测试。

主要技术指标:

●中心频率: f=6 MHz

●调幅波功率: P0max ≥200mW

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●调制系数:

频率稳定度:f f ? 510-≤

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1.3无线电调幅发射机的系统设计

无线电调幅发射机具有将有用的信号以一个合适的频率传送出去的功能,调幅发射机的主要是让需要传送的低频信号调制高频信号,让它成为拥有固定带宽和稳定频率可用天线发射出的电磁波信号。无线电调幅发射机主要由四大模块组成:震荡模块(产生载波)、音频模块(有用信号)、放大模块和调制模块。

为了对高频末级功率放大器进行调制,产生的音频信号需要不断的进行放大,一直达到对载波调制所需要的功率电平。调制器就是将有用的经过放大的低频信号加载到高频载波信号身上,因为往往在末级低频功放上进行调制,所以一般他就是调制器,高频载波所经的最后的末级功率放大器通常便是受调放大器。话筒产生语音信号,低频的语音信号逐级进行放大,最后在低频末级功率放大器上调制,这一过程共同构成了低频部分。

主振器是用来产生产生具有稳定频率的载波。在振荡器中,石英晶体振荡器是频率稳定性最高的,如果所研究电路对频稳要求很高的话一般会采用石英晶体振荡器,具体主振器的选择要看要求而定。缓冲级可以有效缓解振荡器被其他模块影响,所以有时调幅电路中会加入缓冲。振荡器和多级的功率放大器等共同构成了无线电调幅电录的高频部分,产生可被条幅的高频载波。

下图是无线电调幅发射电路的一般模块组成,由主振级、缓冲级和放大级组成高频,由话筒和音频放大组成低频,最后经过调幅之后输出信号。而我的设计仿真主要针对主振级,高频放大级,音频放大(低频放大)和振幅调制级,根据我们的设计要求,载波频率为6MHz 。

无线电调幅发射机仿真与分析

图1-1 无线电调幅发射机一般模块组成框图

振荡级:产生被调幅的6MHz 的高频载波信号。

音频放大级:对音频信号不断的进行放大,达到调制所需的功率电平。 高频功率放大级:将高频载波信号放大。

振幅调制级:使需要传递的低频信号对高频载波调幅,在该过程中有用信息加载到高频载波中

第二章 功能模块的具体设计

2.1震荡模块

调幅发射机的最重要的部件是主振级,主振级震荡产生高频正弦波信号,通常需要高频信号的频率稳定越高越好,且幅度相对大一些,波形的失真也越小越好。现在学术上研究的载波的频率高达几百兆赫,我们进行实验设计时,因为没有足够的设备等,只能在实验条件下进行,所以我们选择的载波信号在几十MHz 之内。我们需要载波信号频率稳定度相对较高并且波形失真度比较小,主振级必须谨慎选择。主振级的选择有以下几种方案,第一个是三点式LC 正弦波振荡器、第二个是石英晶体振荡器,最后还有 RC 正弦波振荡器。

第一种是LC 三点式正弦波振荡电路(如克拉波振荡电路、西勒振荡电路),三点式振荡电路有电容和电感之分,相对而言电容三点式因为频率稳定性更高,电抗受频率影响较小,所以电容三点式形式被广泛应用于振荡器。LC 回路由于受到标准性和品质等原因的限制,其频稳一般只可以达到万分之一数量级,如果要选择普通的电容三点式振荡电路,频率稳定度就不能有太高的要求。

第二种是石英晶体振荡器,它的频率稳定度相对而言很高,在适合的配套电路的配合下,频率稳定度可到千亿分之一(10-11)数量级,而且,石英晶体振荡器其工作稳定,波形失真度很小。如果采用它来做振荡器的话,那么电路的频稳度会很高,在要求较高的电路中多选用它作为振荡器是比较合适的。

第三种是RC 正弦波振荡器,他的主要组成部分是电阻和电容。高频振荡器一般不会选择RC 正弦波振荡器,因为不具有谐振回路的它在频稳度等方面是达不到要求的。

我们这次设计需要高频振荡载波信号为6 MHz ,主振级决定了发射机的整体频率稳定度,所以我们需要主振级相对较高的频率稳定度,而且震荡功率也要达到一定的水平,并且要求他具有失真小的输出波形。综合考虑我最终选择使用西勒振荡电路,它可以满足我实验设计的要求。

我们采取部分接入方式可以有效解决频率稳定度与振荡幅度之间矛盾。为了使振荡器有一定的稳定振幅及容易起振,所以在确定静态工作点之后,晶体管内部参数f Y 数值就一定,对于我们设计的这个简单电路而言,下式可以成立

26f m CQ Y g I mV

== ,我们可以在0.15~0.5区间选择反馈系数。 输出电路的总电容:

234545233424

C C C C C C C C C C C C C =+≈+++ 振荡频率为:

f=≈

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无线电调幅发射机仿真与分析

在下图振荡器电路中,5C和L1是并联的,所以改变5C并不会导致整个回路的接入系数,而且,频率的改变主要靠5C完成,那么只要确定了4C,便可以改变震荡的频率(通过调节5C),所以,西勒振荡器也可以在较宽的波段工作,当作波段震荡器使用。

在振荡器的设计中我们采用了12V的输入电压,三极管选用的型号是2N2222,输入电压接入点路后首先经过并联电阻R1和R4然后才到达三极管,之后经过多个电容到达谐振回路,因为可变电容C5并联与L1两端,大大提高了电路的频率稳定性,而且振幅稳定,调频方便。我将示波器并联与L1两端测试震荡波波形。

无线电调幅发射机仿真与分析

图2.1.1 西勒振荡器

下面是西勒振荡电路仿真结果:

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图2.1.2载波频率

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图2.1.3起震前期波形

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图2.1.4起震中期波形

无线电调幅发射机仿真与分析

图2.1.5西勒振荡器稳定输出波形

由图2.1.2可得到输出波频率为5.985MHz,近似于设计要求的6 MHz。而从起振的波形中也可以看出起振刚开始的时候是一个漏斗形的波形,在这一阶段波的振幅在快速变大,而之后的一段时间波形形似子弹头,变得平缓,震荡波的振幅变化也变缓慢了,并趋于稳定。最后的一张图则是波形稳定后的高频正弦波。

有时为了降低后面模块对振荡模块影响,会在振荡器后面加入缓冲,稳定振荡电路振荡频率。在我的设计里由于采用了西勒振荡电路,电路的震荡频率相对稳定,所以没有在加入缓冲级,这样做也是为了防止因为模块太多导致最后系统问题较多,不易查找修正问题。

2.2高频放大模块

在放大级我们用的是高频放大器很常见的单元电路,晶体管调谐电路,晶体管调谐放大电路最重要的就是LC单调谐回路,作为集电极的负载他调谐于放大器的中心频率。LC调谐回路在本级作用很重要,一方面它与晶体管集电极互相匹配并且交换信号,而且是为之提供各主要的负载电阻;另一方面LC调谐回路

f工作信号的频率进行放大,对于其他的信号进选择频率并进行滤波,只对f=

行抑制。晶体管的负载回路一直是处在甲类状态上的,并且他一直在高频初始信号上调谐,他可以反向的放大输入信号。我选用了高频信号谐振放大电路作为推动级。在这里推动级的电路通常由谐振放大器加一级射随器组成,在这个地方它还具有缓冲的作用,并可对上下两级适当隔离。。

对于高频信号谐振放大电路的主要性能指标

高频功放的工作频率,即中心频率o f 是非常重要的数据参数,在计算谐振回路各元件和选择有源器件等器件时的主要考量标准和依据

增益:即高频功放对信号的放大能力,一般表现为对中心频率o f 的功率电压两方面的增益。V o 是放大器中心频率上的输出电压,Vi 放大器中心频率上的输入电压;Po 是放大器工作频率(即中心频率)上的输出功率,Pi 是功放在工作频率上的的输入功率。

功率增益 Apo=Po/Pi 电压增益 Avo=V o/Vi

通频带:即功放的放大效果由MAX 到3DB 这一过程所相对的频带宽度,通常用BW0.7表示。它相当于功率下降为一半时或者输入不变时,输出电压由0.707倍增长到最大值时所对应的频带宽度。

选择性:通频带之外干扰信号会对有用信号造成干扰,放大器对干扰信号的衰减能力就是选择性。一般用矩形系数表明邻近波道选择性的优劣,在理论环境下该系数应该是1,但是在实际情况中该数值往往大于理论值。

矩形系数0.1r K 定义为0.10.10.722r K f f =??

下面是我利用Multisim 软件设计的高频功率放大模块的电路图,电路的输入电压设定为12V ,高频信号源设为1V 6MHz ,三极管选择的型号是2N2219,高频信号源在经过C1之后通过三极管,通过单调谐振回路将高频信号放大。

无线电调幅发射机仿真与分析

图2.2.1 高频放大模块电路

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图2.2.2 高频信号与放大

2.3音频放大模块

音频放大就是无线电调幅发射机的低频部分,在这一模块中,将不易传送和调制的低频语音信号一级一级的进行功率放大,使该信号达到调制所需要的功率电平,最后在调制模块完成对高频载波的振幅调制。

我在语音模块设计中,语音信号用如图2.3.1所示的电压源代替,电压为

10mv,频率为1KHz,使用3554BM运算放大器进行功率放大。示波器的A口接的是初始音频信号,示波器的B口接的是放大之后的低频信号。

无线电调幅发射机仿真与分析

图2.3.1 音频放大电路

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图2.3.2音频放大模块输入和输出波形

2.4 振幅调制模块

调幅是无线电调幅发射机最重要的一环,在这一级发射机将有用的信号加载到载波上,具体的实现方式就是用调制信号(经过多级功率放大之后的音频信号)

让高频信号(即载波信号)的振幅发生改变。在这里,在调制信号改变高频载波信号的振幅的过程中,让携带信息的音频信号与高频信号合并,然后将得到的新的信号发射出去。调幅器按电平高低可分两类,一种是低电平调幅器,另一种是高电平调幅,移动电话等小型电子产品因为对输出的功率要求较低,大多会使用低电平调幅,低电平调幅适用于振幅变化比较高效的电路中;大型的广播和通信设备因为需要的输出功率大、效率高,一般采用高电平调平。

调幅方法有很多种,通常有乘法器调幅电路、晶体管调幅电路以及开关型调幅电路等,而基极调幅、集电极调幅都是晶体管调幅常见的分类。在我的这次设计,根据实际条件综合考虑,我选用的调幅方式是集电极电路调幅,这种振幅调制电路在所有调制电路相对很简单,而且现有条件实现方便。这种调幅方式是通过音频部分的输出电压去控制晶体管的集电极,从而使得集电极的电流和电压发生变化,调制电压引起载波电流的基波分量有规律的变化。这种调幅方式属于高电平调幅。

由下图可见音频信号由电压6V频率5KHz的电压源代替,高频载波用电压2V频率为12MHz的电压源代替,调制信号电压串联在集电极电源的正极,,改变高频载波的电压,完成了载波的振幅调制。

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图2.4.1振幅调制模块电路

调制电路仿真调试结果如下图所示:

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图2.4.2 调制信号

第三章整体电路3.1 整体电路

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图3-1-1调幅发射机的整体电路

3.2 调试并仿真

将设计的震荡模块、高频放大模块、音频放大模块和振幅调制模块等部分连接,然后运行仿真最终调试结果如图:

无线电调幅发射机仿真与分析

图3.2.1 仿真调试结果

第四章设计总结

通过这段时间的努力和老师的认真指导,我终于完成了这次毕业设计。完成后感觉很辛苦也很高兴,有点成功的喜悦。

本次设计的目的就是使用Multisim软件设计并仿真无线电调幅发射机。在选定了课题之后,我通过查阅文献和重温所学的本专业理论知识对课题有了一个大体的认识,然后在头脑中形成了初步的设计思路,并在与导师的交流中完善设计思路。之后,在无线电调幅发射机总体有了设计方案之后,我开始分开设计每一部分,一部分一部分的完成电路设计并进行单元电路调试,最后将各个单元电路进行级联调试和仿真,最后完成设计报告。在这一整个过程中,我遇到了很多问题,因为理论知识掌握的并不很牢固,实际操作能力也欠缺,有很多问题都严重阻碍了总体进程,在导师和同学的帮助下我才克服了一个又一个困难完成这次毕业设计。之前在课堂上计算和分析电路的性能指标,很少亲自设计电路和选择元器件的参数,之前都是在理论状况下去思考问题,没有去考虑实际因素的影响。在这次设计中,很多的因素都在影响着电路的运行结果,要去不断的调试和排除故障,尤其是在整机级联测试时,庞大的电路一点点错误就会导致整体的巨大问题,在座的时候尽管仔细再仔细,仍避免不了出现问题,有的时候怎么看电路怎么对就是不出结果,还好导师会再需要的时候提供帮助。通过这次的毕业设计我对课堂上学到的理论知识的理解更加深刻了,同时也个更加熟练的掌握了Multisim软件的使用,对于本专业的认识也更加深刻,收获十分丰富。