短波发射和接收机设计实验

金伟正，左齐茹仪，李 佳，曹新莉

短波发射和接收机设计实验

金伟正1，左齐茹仪1，李 佳1，曹新莉2

（1. 武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072；2. 武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430025）

介绍一种具有移动网络控制的短波发射和接收机设计创新实验，该机使用7.023 MHz短波波段，可以在数百公里内进行设备间的通信。采用通信电子线路中的基础电路进行单元电路设计和系统构建，同时加入移动互联控制模块电路。该发射和接收机设计包括收发天线、输入信号处理模块、混频模块、音频信号输出模块、控制和Wi-Fi模块等，很适合于通信电子线路综合实验教学，学生通过实验可全面地理解和掌握发射机及接收机工作原理及设计方法。

通信电子线路；发射和接收机；网络控制

“通信电子线路”是电子信息、通信类等专业本科生的主干基础课程[1-3]，短波发射和接收机涵盖了通信电子线路课程教学中的所有重点、难点。本文介绍一种具有移动网络控制的短波发射接收机设计创新实验案例。接收信号通过接收天线依次经过输入信号处理模块、混频模块、信号输出模块处理后，到耳机中进行监听或通过Wi-Fi到手机中进行解调显示信号，完成接收功能。手机产生发送信号，通过Wi-Fi控制发送信号模块产生信号，并经过放大模块[4]后由输出天线发射出去，完成发射机功能。通过实验，学生可以完整掌握短波发射接收机的原理及设计过程[5-6]，加深对通信电子线路知识的理解。本实验旨在提升学生对本门课程的兴趣以及实践动手能力，同时理解互联网+的应用，为通信电子电路设计打下良好的基础。

1 原理及电路设计

本实验设计一种使用9~13.8 V的交直流电源供电、具有移动互联网络控制的短波发射接收机，使用7.023 MHz短波波段（波长40 m），可以在数百公里内进行设备间的相互通信。设备具有移动网络互联控制的功能，采用具有智能网络互联的片上系统（SOC）芯片ESP8266与直接变换（DC）发送及接收机相结合，在性能和实用性方面有了很大的改善。在功能上，支持Wi-Fi模块，与手机APP连接，配置发送速率、发送数据、显示发射和接收的数据，方便进行野外教学实验。

图1为短波发射接收机框图，分为接收模块、发射模块、手机Wi-Fi模块。

图1 短波发送接收机框图

（1）接收模块。接收模块的核心是U2（NE602）芯片，见图2。混频电路内部包括一个平衡混频器，天线来的信号经过2个晶体滤波器后，进入混频器，由晶体管Q1（9018）构成的振荡电路（图3）同时送出本振信号。2个信号经过混频，直接把SSB/CW信号混频为基带信号，U2输出的基带信号的差分信号再送给U3（NE5532）（图4）芯片做有源低通滤波和基带信号放大，完成整个接收过程。低频放大电路直接将射频信号混频变为基带信号的接收机方案，称为“DC接收机”。该模块中还包括静音模块，用于在发射的时候关闭接收，同时Wi-Fi模块内部定时器构成的本地振荡器产生侧音，输出给耳机，使耳机跟随拍发产生“滴滴答答”基带信号。

图2 混频电路

图3 本振电路

图4 低频放大电路

（2）发射模块。发射部分利用晶体管Q1（图3）做振荡电路，然后以Q4（8050）（图5）做缓冲放大和发射键控，控制收发电路和信号的切换，末级是由Q2（D882）构成的丙类放大器[7]，见图5[8-9]。信号经放大后由1∶4输出变压器做匹配，再经过LPF滤波后接天线。图6为滤波匹配网络，其作用是使天线阻抗与前级阻抗进行匹配。

（3）Wi-Fi模块。该模块对于发射接收机来说是可选模块，如果不使用该模块就需要短接JP1，则成为一款只支持手动的普通电台。如果使用该模块就需要断开JP1，则可以通过Wi-Fi与手机APP通信，配置电台参数，支持自动发射，显示发射信号序列时序。

图5 振幅调制及丙类功率放大电路

图6 滤波匹配网络

图7为短波发送和接收机的电路板。

图7 短波发送接收机的电路板

2 实验内容及测试结果

实验内容主要包括：本振和振幅调制电路、缓冲放大电路、低频放大电路、滤波匹配网络、混频电路、功率放大电路、静音电路及Wi-Fi模块电路的设计、焊接与调试等；观察发射模块振荡器和各级放大器输出的静态信号，以及在自动发送信号状态下的动态输出；观察示波器显示波形，混频失真度，分析各级放大器的增益等部分。由于篇幅限制，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。

2.1 本振和振幅调制电路测试

本系统的高频振荡电路为电容三点式晶体振荡电路（见图3），C27分别为BE级与CE级之间的回路电容，晶体振荡器Y1作为回路电感使用，经分压后输出频率为7.032 MHz的振荡信号为CLK-OSC，二极管D7限制信号始终为正值，降低功耗。此处的输出振荡信号的分压系数很低，振幅很小，是为了在振幅调制电路中保证此级输出的振荡信号工作在线性时变状态[8]。

振幅调制及丙类功率放大电路（图5），由本振电路产生的载波信号从Q2基极接入，调制信号从Q4基极接入，从Q2集电极输出已调信号，再经过由变压器T1、晶体管Q3和变压器T2构成的丙类功率放大电路[10]，放大后的信号经T2的Send端输出。

在实验中，先测试本振电路Q1发射极的输出波形，如图8所示，振荡信号频率为7.032 MHz，幅度为12.8 V。再测试CLK-OSC端的输出波形，如图9所示，此时输出信号幅度变为440 mV，这是由于输出振荡信号经电阻R5和R27（图3）分压的缘故，使输出幅度降低。

图8 Q1发射极的输出波形

图9 CLK-OSC端的输出波形

测试振幅调制及丙类功率放大电路时[9-10]，使电路处于发送模式，手动发射，测试Send端的输出波形，图10(a)、(b)分别为手动模式下不同时刻所记录的Send端输出波形图。

2.2 混频器及低频放大电路测试

混频模块采用含U2（NE602）芯片（图2）的平衡混频器，用于将滤波后的天线信号和Q1构成的振荡电路送出的本振信号进行混频，输出0~3 kHz的基带信号。

在实验中，对混频器的Mix端进行测试，得到混频器INA管脚的输入信号见图11。再对混频器的输出信号进行测试，该信号为差分输出信号，不易测量，改为测量经过低频放大电路（图4）后的信号，即对Receive端进行测试，实验结果如图12所示。

图11 混频器INA端输入信号

图12 低频放大电路Receive端的输出信号

2.3 Wi-Fi模块测试

图13为Wi-Fi模块电路[11]，是本机的可选模块，如果不使用该模块就需要短接JP1，则成为一款只支持手动的普通电台。如果使用该模块就需要断开JP1，则可以通过Wi-Fi与手机APP通信，配置电台参数，支持自动发射，显示发送信号序列。

图13 Wi-Fi模块电路

在实验测试中，取下跳线帽JP1，点击Wi-Fi模块开关，按下电键可以观察到相应LED发光，说明信号成功发射，在相应的APP上也可观察到相应的发送信号以及解码后的信号，显示界面如图14(a)所示。按下自动发信开关，在未按下电键的情况下信号也在不断地向外发射，在相应的APP上也能观察到相应的发射信号以及解码后的信号，显示界面如图14(b)。结果显示，Wi-Fi模块工作正常。注意设备在接收状态下不要开启Wi-Fi。

图14 信号接收和解码显示界面

2.4 收发测试

在上面的测试中，为防止意外发射造成设备烧毁，必须在J1 ANT处接上51W电阻作为假负载。上电后观察是否有焊错引起的烧毁冒烟现象，如果有，应及时断电诊断。上电几十秒后，用手摸假负载，如果发热说明有焊错引起的意外发射，应及时断电诊断。连接8W普通耳机，上电后会听到“哗哗”的底噪声，说明声音放大部分工作正常。

（1）接收测试。在工作全部正常的情况下，开始测试接收电路，取下假负载，上电听底噪声，再接上天线，听底噪声，如果两者声音有很大区别（接天线底噪声大很多），则基本正常。

（2）发射测试。接假负载，在未接Wi-Fi模块的情况下，JP1插上跳线帽（短路），接入手动电键，上电，此时点击电键就会进入发射状态。未发射状态的电流为50 mA，发射状态的电流约为400 mA，发射一段时间后假负载明显发热为正常。注意不可以长时间连续发射。

天线是短波发射接收机的关键，要求使用频率为7 MHz、阻抗为50W、驻波在1.5以下的天线，实际用的是水平架设的GP天线。

在相距20 km的武汉大学电子信息学院实验中心和武汉工程大学电气信息学院实验中心之间成功进行了通信，取得了非常好的效果。表1给了测试不同信号的效果。

表1 测试效果

3 结论

本实验内容涵盖了“通信电子线路”教学的绝大部分内容，并加入了互联网控制Wi-Fi内容，具有很强的综合性，能较为全面地考察学生对课本知识的理解以及实际的动手能力。通过实验，学生将对“通信电子线路”课程有更深入的了解，并对书本知识学以致用，提高实践能力。该整体方案成功地取得了新型实用专利的授权，具有很强的实用性。

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Experiment on design of short-wave transceiver

JIN Weizheng1, ZUO Qiruyi1, LI Jia1, CAO Xinli2

(1. School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. School of Electrical and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430025, China)

This paper introduces an innovative experiment on design of a short-wave transceiver with the mobile network control, which uses 7.023 MHz short-wave band and can communicate between devices within hundreds of kilometers. The basic circuit in the communication electronic circuit is used to design the unit circuit and construct the system, and at the same time, the mobile interconnection control module circuit is added. The design of the transceiver includes the antenna, input signal processing module, mixer module, audio signal output module, control and Wi-Fi module, etc., which is very suitable for the comprehensive experiment teaching of communication electronic circuit. Through the experiment, students can fully understand and master the working principle and design method of transmitter and receiver.

communication electronic circuit; transceiver; network control

TN823;G642.423

A

1002-4956(2019)10-0049-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.012

2019-02-24

教育部产学合作协同育人项目（201801244007）

金伟正（1966—），男，湖北武汉，博士，副教授，从事高频电子线路教学和软件无线电等的科研工作。E-mail: jwz@whu.edu.cn

曹新莉（1977—），女，陕西西安，博士，副教授，从事电子设计自动化和信号处理类的教学研究。E-mail: 6909753@qq.com