调频接收机实验项目的设计与实践

侯长波，赵云磊，李浩哲

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

通信电子线路是一门具有工程特点和实践性很强的课程，很多高校都开设了通信电子线路实验课程；但是由于课程涉及的工作频率较高和电路非线性的特点，实验的开设具有一定的难度和局限性，因此，验证性的实验所占比重较大。尤其是系统级实验，有些大学使用高频实验箱完成，基本属于验证性的实验[1]。随着现代社会对研究性人才的需求增加，很多高校都在进行电子技术实验教学的改革，增设综合设计性实验。这类实验对于学生来说既有综合性又有探索性，主要侧重于对所学理论知识的综合应用，对于提高学生的工程实践能力非常有益。

哈尔滨工程大学通信电子线路教学课程组一直致力推进实验教学的改革[2－3]，经过多年改革实践，将通信电子线路实验课程分为基础实验和课程设计两部分。课程设计是在修完16学时的基础实验之后，在第6学期开设。课程设计注重培养学生对系统电路的设计和调试技能，包含调幅发射系统的设计、调频发射系统的设计、调幅接收系统的设计、调频接收系统的设计和自拟实验项目5个综合设计性实验选题。每个实验项目均为16学时，根据难易程度分为A、B、C三个等级，三个等级分别赋予1.0、0.9、0.8三个权重，学生可根据自身情况自由选择其中的一个项目。四年的教学实践表明，课程的开设切实提高了学生的工程实践能力和创新能力，受到了学生的一致好评。课程在2013年和2015年获评为 “哈尔滨工程大学实验示范课程”。

“调频接收系统的设计”作为实验选题中的典型代表，具有极强的综合性和探索性。本文首先提出了调频接收机实验项目的内容及要求，然后论证了系统方案和电路设计，最后对实验的测试数据进行了分析论述，希望能给其他高校开设通信电子线路课程设计提供一定的借鉴和帮助。

1 实验要求及技术指标

调频接收机的目的是从调频信号中恢复基带信号。因此，工程上多以工作频率、灵敏度以及选择性等指标来衡量接收机的性能。本文从实际应用和工业实践出发，结合理论教学知识，综合学生基本技能掌握情况提出了关于调频接收机的基本要求:工作频率范围为24～26 MHz；解调信号无明显失真时，输入调频信号幅度小于5 mVPP；抑制镜频干扰大于等于40 dB；可接收调频信号最小频偏优于50 kHz；解调输出信号无明显失真。

2 方案论证及电路设计

2.1 系统方案论证

调频接收机分为直放式和超外差式。直放式接收机灵敏度较高，输出功率也较大，适用于固定频率的接收，如果用于多电台接收，其调谐会较为复杂；超外差式接收机利用混频器将接收到的高频信号降为固定不变的中间频率，再由固定频率的中频放大器进行放大，因此很容易满足系统高灵敏度和高选择性要求，整机增益还可以做得很高。因此，本设计采用超外差式接收机。

超外差式调频接收机系统框图如图1所示。

图1 调频接收机系统框图

选频回路采用无源滤波器中的LC滤波器，实现阻抗匹配和选频滤波功能。从天线接收的调频信号噪声大且功率低，需采用大增益、小噪声系数和大线性动态范围的低噪放大器来提高接收信号的信噪比[4－5]。混频器的功能是将已调波的载波频率与本振信号混合，变换成固定的中频载波频率，而保持其调制规律不变。中频滤波放大器的主要功能是为整机提供足够的增益并抗临频干扰，一般采用多级放大。鉴频电路的功能是实现调频信号的解调，共分为双失谐回路鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器和相移乘法鉴频器。对比各类解调电路[6－7]，一般采用无须铁氧体磁环耦合的相移乘法鉴频器，这种鉴频器能够实现线性解调，性能良好，通常只需要一个可调电容，调整非常方便。采用这种鉴频器时，为了抑制寄生调幅，需要在鉴频器之前加一级限幅器。由于解调后的信号幅度较小，因此需要音频功率放大器将信号放大，以驱动喇叭。

综上所述，由于调频接收机的系统结构较为复杂，且已有集混频器、中频放大器、限幅器和相移乘法鉴频器功能于一体的集成芯片，因此采用性能良好的SA639集成芯片完成调频接收机的实验项目。SA639集成芯片是一款低电压高性能的单片FM IF系统，具有高速的RSSI振荡器，性能稳定。

2.2 各部分电路设计

根据系统的指标要求，首先论证系统各部分参数。在设计超外差接收机时，由于载波信号频率为24～26 MHz，为抑制镜频频率，选频回路设计为中心频率为25 MHz，通频带为4 MHz带通滤波器。中频频率一般选用10.7 MHz或455 kHz，对于一级变频结构接收机，一般选用10.7 MHz。本振频率范围为13.3～15.3 MHz。

2.2.1 输入部分

输入信号首先经过选频回路，滤除带外噪声，提高整机的镜像抑制比。采用5阶Butterworth滤波器，通过使用RFsim99仿真软件，得到选频回路参数如图2所示(图中元器件精度均为±5%)，仿真S参数图如图3所示。由图3可得，当频率为20.36 MHz时，信号衰减41.24 dB，而镜频信号范围为2.6～4.6 MHz，因此可满足本实验抑制镜频干扰大于等于40 dB的指标。

图2 输入部分调谐回路

图3 仿真S参数图

低噪放大器采用集成芯片MAX2650实现。MAX2650是一款高频低噪放大器，频率波动较小时，功率增益稳定在18.3 dB左右。低噪放大器部分的原理图如图4所示。C11为隔直电容，其作用是避免前级的直流分量对放大器产生影响。低噪放大部分将信号固定放大后传输给SA639混频器部分。

图4 低噪放大部分原理图

2.2.2 混频器部分

首先需要设计的是混频器部分的匹配网络。考虑到平衡RF匹配网络的阻抗匹配难以实现，单端匹配网络不仅电路简单，而且不会牺牲芯片内部吉尔伯特单元的三阶性能，因此选择单端匹配网络。根据题目要求，选择中心频率fc=20.36 MHz下将高频放大器的50 Ω负载匹配到 SA639的 RF输入端[8－9]。

首先选取电感值L=0.22 μH，Qp=50(制造商规定)， 求得电感电抗 Xp=2 πfcL=34.54 Ω， 感性电阻Rp=QpXp=1.73 k Ω，匹配网络中有:

令又因为取电容的标称值，得

本振电路采用科尔皮兹振荡器，根据公式取 C=47 pF， L=2 μH， 选取 5～30 pF12的可调电容，则振荡频率范围为13～16 MHz，混频部分原理图如图5所示。

图5 混频器部分原理图

2.2.3 中频部分

SA639的混频器的输出信号与中频放大器之间需要加一级滤波器，可选用LC滤波电路或者陶瓷滤波器来完成。考虑到陶瓷滤波器幅频特性较好、信噪比较高，可以提高接收机的选择性，故采用陶瓷滤波器来完成中频滤波。但由于陶瓷滤波器通频带较窄，造成了系统的带宽较窄。参考数据手册，SA639的引脚23和21之间接100 nF的耦合电容。中频部分原理图如图6所示。

图6 中频部分原理图

2.2.4 解调器部分

解调部分整体电路图如图7所示。解调器部分采用相移乘法鉴频器，由移相器、乘法器和低通滤波器组成。移相器采用谐振回路来实现[10]，单调谐回路L7、R7、C31、C30、C20组成分压传输移相网络，参数计算过程[11－12]如下:

由输出幅度表达式(U为移相前电压信号，U为12移相后电压信号)，输出相位表达式 ψ(ω)=根据设计指标要求，需保证U1=U2，得 C=6.8 pF， L=4.7 μH，207R7=1.3 k Ω，C31=15 pF， C30=5～30 pF； C21取1 nF，起隔断直流信号作用。移相后信号经乘法器相乘后，经过由R5、C22、R6、C23与芯片10脚内的运算放大器构成二阶压控电压源的低通滤波器，可获得基带信号。

图7 解调部分原理图

2.2.5 输出部分

SA639的输出部分连接电路如图8所示。引脚12的电路连接用于提供2.5 V电压，选通SA639内部数据开关。将引脚11输出信号连接至由LM386组成的功率放大电路。

图8 输出部分原理图

3 系统测试及分析

3.1 系统各部分电路实测波形

调节本振电路中的可调电容，使其输出信号频率为15 MHz，将信号发生器输出调频波，载波信号峰峰值设置为10 mV，频率25.7 MHz，调制信号频率3 kHz，频偏100 kHz，接至系统输入端。

混频器输出波形如图9所示。由于混频器输出信号含有谐波分量，因此信号波形出现些许失真。

图9 混频器输出波形

图10为中频放大器输出波形，由图可知输出信号波形良好，达到设计指标要求。

图10 中频放大器输出波形

图11为移相电路测量波形，调节可调电容C30，使SA639芯片14脚和15脚相位差为90.00°。移相电路输入信号是由限幅器输出，经过滤波电路后被滤除了高频分量，因此为三角波。由图可知两路信号相差90.00°，满足移相电路设计要求。

图11 正交信号波形图

图12为输出信号波形，输出信号Vpp=1.94 V，f=3.01 kHz，信号无明显失真。

图12 输出信号波形

3.2 灵敏度的测量

在3.1节的条件下，调节载波信号Vpp=2 mV，输出波形如图13所示，信号无明显失真。

图13 载波信号2 mVpp时的输出信号

3.3 最小频偏的测量

在3.1条件下，调节频偏为40 kHz，输出信号如图14所示，无明显失真，达到项目最小频偏设计要求。

图14 频偏40 kHz时的输出信号

4 结束语

本文完整地论述了调频接收机实验项目的设计及实验过程，首先提出了完整的调频接收机项目指标，然后分析和论证了调频接收机系统方案，提出采用集成芯片SA639完成实验项目，之后论述了SA639的电路设计及参数计算，最后实测并分析了技术指标，这对学生理解调频接收机工作过程有着极大的帮助，也可为其他高校开设通信电子线路实验提供一定借鉴。

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