AM/FM甚高频接收机实验案例的设计与实现

金伟正， 夏可为， 高懿凝， 邓 惠， 杨光义

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430079)

0 引言

“高频电子线路”是电子信息、通信类等专业本科生的主干基础课程[1～2], 甚高频接收机涵盖了“高频电子线路课程”教学中的重点、难点[3～4]。本文介绍的一种AM/FM甚高频超外差式接收机的设计和实现，为“高职电子线路”实验教学提供实验案例。学生通过这一实验案例开展相关实验，可以大致了解到整个接收机的完整设计过程，同时也体会到高频电子线路相比于低频电子线路更需要注意的诸多问题，如电路元件之间的相互干扰、噪声、电路分布参数等。

本实验案例提升了学生对本门课程的兴趣以及实践动手能力，收到了良好的实验效果，并为学生今后进行高频电路设计打下良好的基础。

1 超外差式接收机原理简介

超外差式接收机利用混频原理将接收到的调谐信号与接收机自身产生的某一振荡信号进行混频，从而使收到的不同频率的信号都变换到一个固定的中间频率上，再进行解调处理。接收机对不同频率的灵敏度和选择性主要由中频级来决定，整机的增益被分配到至少三个频段 (高频、中频、低频)，稳定性较好，总增益较高。

超外差式接收机的主要优点为：

(1)具有较好的频率特性，克服了放大器件的频率响应问题；

(2)可以有很大的动态接收范围，具有很高的邻道选择性、接收灵敏度和较好的频率特性；

(3)除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与本地振荡器的谐振回路统一调谐之外，中频放大器的负载回路或滤波器是固定的，在接收不同频率的输入信号时不需再调整。电路调试较容易。

超外差式接收机的上述优点使其至今仍广泛应用于远程信号的接收，并且已推广应用到测量技术等方面。

2 实验电路设计

实验电路主要由10个部分组成，它们分别是前置滤波网络、高频小信号放大器、高频振荡器、混频器、中频放大器、斜率鉴频器及包络检波电路、AGC静噪电路、低频放大器及音频功率放大器[5]。图1是AM/FM甚高频接收机原理框图。

图1 AM/FM甚高频接收机原理框图

甚高接收机第一部分是前置滤波网络，采用一个七阶带通滤波器实现。它的功能是确保100 MHz-136 MHz的信号进入2SC3355高频放大器，而其他信号被最大程度的削减。第二部分是高频小信号放大器，因为空域中接收到的信号幅度都较弱，所以在进行混频之前需要进行一定的放大处理。第三部分是混频器和本振源，由NE602混频器和变容二极管构成的压控振荡电路组成。这一部分的电路设计覆盖约110 MHz-150 MHz信号，因本机是超外差机，加上前面带通滤波器的选择，最终确保100MHz-136MHz 信号全部覆盖。第四部分是中频放大器，由于混频器会使得信号有部分的衰减，同时包络检波存在门限效应，所以此处利用中频放大器对信号进行放大处理。第五部分是斜率鉴频器和包络检波器，MC1350放大的信号，通过中周T1将FM信号转换为FM-AM信号，送给D2进行包络检波。

本设计采用的是斜率鉴频器加包络检波器[6]。由于本设计希望可以兼具调幅调频两个功能。例如，在接收甚高频航空信号时只需进行调幅操作，此时调整谐振回路使得谐振频率为电路的中频10.7 MHz，即谐振频率落在谐振曲线图2的A点；在接收调频收音机信号时，需要首先进行调频波到调幅调频波的波形变换。因此利用并联谐振回路实现将输入等幅调频波变换为幅度反映瞬时频率变化的调幅调频波的功能。在实际调整时，为了获得线性的幅频特性，总是使输入调频波的载波角频率处在谐振特性曲线倾斜部分中接近直线段的中点上，即谐振曲线图2的B点，从而完成调频波到调幅调频波的转换，而后通过包络检波器完成解调功能。第六部分是AGC静噪电路，主要功能是实现自动增益控制，实现接收机的输出端电压和功率基本不变。第七部分是低频放大器，实现对解调后的低频基带信号的放大。第八部分是音频功率放大器，因为考虑到信号驱动能力较小，所以在系统最后面增加一级功率放大以提高信号的带负载能力[7]。

图2 谐振曲线

3 实验内容及测试结果

实验内容主要包括高频小信号放大器、高频振荡器、混频器、中频放大、斜率鉴频及包络检波、AGC静噪电路、低频放大及音频功率放大的设计与调试；输入频率、本地振荡频率、混频输出频率的测试；观察滤波器滤波效果、混频失真度，分析包络检波器的鉴频特性曲线等部分。由于篇幅的限制，本文仅给出部分核心电路的详细调试过程和重要数据的测试方法。

3.1 混频器测试

图3所示的混频电路采用NE602芯片产生中频信号。

图3 混频器电路

图上，NE602内部有一个压控振荡器，其频率因图上虚框内D1结电容变化而变化。D1为一个可变电感和二极管的并联电路，整体呈容性。NE602的1、2脚是高频信号的平衡输入端，接入高频放大后的输入信号。NE602的6脚与变容二极管控制电路相接，故可通过调节D1的结电容的值来控制7脚的本振输出频率。在实验过程中，从NE602的7脚可以观察到图4(a)-(d)的输出波形，图4(a)是本振最低频率，图4(b)是本振最高频率，图4(c)是本振中间频率。如果改变电感值，可以进一步降低本振频率。与图4(a)相比可知，当频率过低时波形将产生失真,如图4(d)所示。

(a) 本振最低频率 (b) 本振最高频率

(c) 本振中间频率 (d) 本振失谐最低频率图4 图1中A点输出波形

中频信号由NE602的4脚引出，测得的FM调制时的输出中频波形如图5所示。中频输出信号的频率为10.7 MHz，根据超外差式中频信号频率的计算公式fL=fC+fI，系统的本振频率理论值应设计为110.7 MHz～156.7 MHz，实际测量的范围为105 MHz～154 MHz，在误差允许的范围内，基本符合设计需要。如果中频信号的输出频率与理论值相差过大，则应调节变容二极管控制电路使本振信号频率满足预期设计。

图5 图1中B点输出(混频输出)

3.2 FM-AM包络检波电路测试及分析

图6是FM-AM包络检波原理图，包括一个谐振回路和一个包络检波电路构成，它既可以实现调幅波的解调，也能实现调频波的解调。

图6 FM-AM包络检波电路

当电路工作于失谐状态时，电路可实现将输入等幅调频波变换为幅度反映瞬时频率变化的调幅调频波。

图7为检波前谐振回路的输出信号，是一个典型的AM波，由于载波频率远大于调制频率，故在图中所示的示波器的单位尺度下，载波信号的波形未能展现出来。

图8为包络检波后的波形，载波信号被有效去除，只留下反映信息的调制信号波形。

图7 变压器输出(AM信号)

图8 C点波形(低频放大)

表1为谐振网络测试数据，可以看出当输入频率在10.7 MHz小范围波动时，输出电压与频率的关系位于线性变化区，故不同的频率通过该电路时电压增益不同，从而得到调频-调幅波。实验结果与理论预期效果基本一致。

表1 谐振网络测试数据

3.3 AGC自动增益控制电路测试及分析

AGC电路可通过输入电压的变化自动控制增益[8～9]。在接收机的输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益控制电路不起作用，而当接收到的信号很强时，自动增益的电路对接收机增益进行控制，使其增益减小。这样，当信号强度变化时，接收机的输出端的电压和功率能维持基本不变。表2为 AGC自动增益控制电路输入输出电压测试表。图9为AGC电路输入输出特性曲线。分析图9可知，在输入电压变化范围比较大的时候(0～1.8 V)，输出电压基本维持不变，只在600 mV～700 mV一个很小的范围内变化。这就是说，AGC自动增益控制电路做到了对电压的合理控制，提供了一个稳定的输出电压。同时，通过实验测量，随着输入电压的增大，输出电压会略微下降，该实验现象也与实际的电路特征相吻合。

表2 AGC自动增益控制电路输入输出电压测试表

图9 AGC电路输入输出特性曲线

3.4 实际测试效果

按照以上描述搭建好实际系统之后，将系统拿至空旷地带进行实际测试。打开系统之后先调节静噪门限旋钮，保证最大程度地减少本底噪声对接收信号的影响；然后缓慢调节本振频率，直至能收听到较为清晰的音频；此时再通过调节音量旋钮使得音频信号更清晰可听。

实际测试结果示于表3。

表3 测试结果

其中FM接收功能的测试是在室外空旷处；AM接收功能以航空波段信号为例进行测试，为此需要到机场附近的空旷地带进行实地测试。测试FM功能时，可以清晰的听到广播信号，如武汉电台的音乐广播；测试AM接收功能时，由于干扰较大，可以较为清晰的听到飞机与塔台之间的对话，但是无法避免的会存在一定的噪声。

4 结语

本实验方案从信号接收、混频、放大到解调，涵盖了“高频电子线路”教学的绝大部分内容，并加入了反馈控制电路，具有很强的综合性，较为全面地考察了学生对课本知识的理解以及实际的动手能力。(金伟正等文)在实验过程中，学生将对“高频电子线路”课程有更深入的了解，并对书本知识学以致用，提高了实践能力。该整体方案成功进行了新型实用专利的申请及登记，同时获得在东南大学举行的第三届全国电工电子教学案例竞赛一等奖。