短波宽带接收机的设计与实现

短波宽带接收机的设计与实现学 号 2010082406 密 级 哈尔滨工程大学学士学位论文短波宽带接收机的设计与实现院（系）名称：信息与通信工程学院专 业 名 称：通信工程学 生 姓 名：马千里指 导 教 师：侯长波 讲师哈尔滨工程大学2014年6月 短波宽带接收机的设计与实现 马千里 哈尔滨工程大学I学 号2010082412 密 级 短波宽带接收机的设计与实现The design and implementation of shortwave broadband receiver学生姓名：马千里所在学院：信息与通信工程学院所在专业：通信工程指导教师：侯长波职称：讲师所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2014年6月17日论文答辩日期：2014年6月21日学位授予单位：哈尔滨工程大学短波宽带接收机的设计与实现摘 要随着科学技术的迅猛发展，人们对通信系统的要求也越来越高，尤其对通信的安全性和保密性的要求，短波通信是利用波长为100m10m（频率为3MHz30MHz）的电磁波进行的无线电通信，其独特的传播方式再次成为人们研究的焦点。本论文研究了基于短波通信的宽带接收机。本论文首先分析了一般接收机的结构，在超外差式接收机的基础上研究并设计了二次混频模式的短波宽带接收机，并利用模拟调制解调的原理进行电路的设计，应用DDS技术作为一次本振进行一次混频，再通过二次混频将频率降至中频，然后利用真有效值检波器进行解调。通过系统仿真软件SystemView论证了方案的可行性，确定了系统各个模块的参数。使用Cortex-M4控制器控制整个系统，并且实现数字设置接收信号的中心频率的功能，通过人机交互平台使系统的控制更加人性化。最后通过测试表明系统的各项性能达到了预计的目标，整个系统结构合理，工作稳定可靠。本文所提出的实现短波宽带接收机的方法，采用当前通信领域中较为先进的技术，具有一定的理论和实践意义。关键词：短波、宽带、超外差、二次混频VABSTRACTWith the rapid development of science and technology, the requirement for the communications system is also more and more high, especially for communication security and confidentiality requirements, short wave communication is the use of wavelength of 100 10m (frequency 3 30MHz) radio electromagnetic wave, its unique mode of transmission has once again become the focus of the study. This paper studies the HF Broadband Receiver Based on short wave communication.This paper first analyzes the general structure of receiver, on the basis of superheterodyne receiver and design two mixing model of HF Broadband Receiver, design and circuit simulation using the principle of modulation and demodulation, the application of DDS technology as a local oscillator for a mixer, the mixing frequency to two times if, then the RMS detector demodulation. Through the system simulation software SystemView to demonstrate the feasibility of the method, parameters of each module of the system determined. Using the. Using the CORTEX-M4 controller to control the whole system, and the realization of digital set center frequency signal receiving function, through the human-computer interaction platform to make the system more humanized control. Finally through the test show that the performance of the system reached the expected target, the whole system is reasonable in structure, stable and reliable work.Methods the HF Broadband Receiver implementation presented in this paper, using advanced technologies in the current communication field, and has a certain theoretical and practical significance.Keywords: Short wave; Broadband; Super heterodyne; The two mixer目 录第1章 绪论11.1 短波通信的研究背景11.2相关领域国内外研究现状21.3短波宽带接收机研究的意义31.4本论文的预期目标及章节安排3第2章 接收机的系统设计及指标分析52.1 无线接收设备的基本组成与原理52.2接收机方案的选择62.2.1 天线62.2.2 衰减网络72.2.3 低噪声放大72.2.4 滤波器设计原理72.2.5 可变增益放大器的设计原理92.2.6 混频92.2.7 功率放大102.2.8 有源微分网络102.3解调112.3.1幅度解调112.3.2频率解调122.4接收机的指标分析142.4.1噪声特性142.4.2灵敏度152.5本章小结15第3章 基于SystemView的系统仿真设计173.1通信仿真的概念及意义173.2 SystemView简介173.3基于SystemView的模拟调制解调183.3.1常规双边带调幅（AM）183.3.2频率调制193.3.3 调频波转换电路仿真213.3.4混频电路仿真213.3.5解调电路仿真223.4本章小结24第4章 短波宽带接收机的硬件设计254.1 接收机射频前端电路设计254.1.1 衰减网络254.1.2 低噪声放大器的设计264.1.3 带通滤波器的电路设计274.1.4 可变增益放大器（VGA）电路设计304.1.5一次本振（DDS）电路设计324.1.6一次混频电路设计334.1.7 中频放大电路的设计344.1.8 二次混频354.2 解调电路设计364.2.1 调频波转换电路设计364.2.2解调电路设计374.2.3功率放大电路的设计384.3 本章小结38第5章 短波宽带接收机的软件设计405.1 Cortex-M4实现一次混频DDS的控制415.2 Cortex-M4实现按键和液晶的控制425.3 Cortex-M4实现对VGA和PGA的控制425.4 Cortex-M4对其他模块的控制435.5本章小结45第6章 接收机的系统测试466.1短波宽带接收机的硬件测试466.1.1低噪声放大器的指标测试466.1.2可变增益放大器（VGA）指标测试476.1.3一次本振DDS和一次混频电路测试476.1.4二次混频电路测试486.1.5 调频波转换电路测试486.1.6解调电路测试496.2短波宽带接收机的软件测试496.2.1 液晶按键的控制显示496.2.2 CortexTM-M4控制DDS产生正弦波的测试506.3整机测试506.3.1接收机的接收频率范围测试506.3.2接收机的选择性测试506.3.3接收机的灵敏度测试506.4本章小结50结 论52参考文献53致谢55附录A短波宽带接收机PCB板56附录B低噪声放大器电路图57附录C带通滤波器电路图58附录D VGA电路图59附录E混频电路图60附录F 解调电路图61附录G 一次本振DDS电路图62附录H 短波宽带接收机实物图63第1章 绪论第1章 绪论1.1 短波通信的研究背景众所周知，短波通信可以说是无线电通信的始祖，在刚刚发明无线电的时候，短波就成为其主要的传播方式。当今时代，虽然无线电的使用频段已经从短波段扩展到超短波、微波甚至更高的频段，但是短波通信在通信领域中仍然占据着极为重要的地位。短波通信是利用波长为100m10m（频率为3MHz30MHz）的电磁波进行无线电通信1。短波通信可以依靠地波传播，但是其主要传播途径是天波。地波传播只适用于短距离传播，传播距离最多只有几百公里，它的损耗会随工作频率的增高而递增，一般在5MHz以下。1901年，意大利无线电学者马可尼用无线电通信联通了大西洋两岸的英国与纽芬兰（距离为3400Km）。之后，无线电短波通信以其低廉的设备、便携性强、操作简单和可以灵活使用等优点，而迅速发展为远距离通信的主要技术2。短波通信发展的黄金时期是第二次世界大战到20世纪60年代，在此期间该技术广泛的应用于军事、广播、商业、气象等诸多领域，用以传输语言、文字、图像、数据等信息，世界上许多国家还建立了覆盖本地区或世界性的专用通信网络或公用通信网。短波通信被广泛的使用，基于它三个显著的特性：（1） 安全性。由于短波通信是依靠电离层的反射进行无线电通信，电离层（除高空短暂的原子弹爆炸和太阳发生耀斑外）不会被任何方式和力量摧毁，由于短波通信无需中继站，每个电台站既可以作为主站又可以作为从站，毁掉其中一部分而不影响全局通信，因此是最安全的通信方式。（2） 覆盖面积广。短波通信依靠电离层与地面的反射传播，因此可以进行全球覆盖，通信可以到达地球上的任何角落。而其他通信都是直线传播，在传播过程中受到地球球面的影响，传播的距离很短，即使使用了中继站，依然有很多区域无法覆。（3） 经济性。短波通信无需建造复杂的枢纽站和中继站，造价较低，而且运营成本几乎为零。20世纪60年代以后，随着卫星通信、网络通信等新兴远距离通信方式的出现，短波通信的缺点越来越多的显露出来：带宽紧张，射频频谱资源紧张，存在信道干扰问题，容易被窃取等等。而新型卫星通信技术具有信道稳定、可靠性高、通信质量好、信道容量大等优点，从而取代了许多本来属于短波通信的重要业务3。在20世纪60年代至70年代，短波通信的技术研究和业务发展陷入低谷。直到电子信息战争的应用使得人们发现，战争一旦发生，各种通信系统都有可能遭到破坏，就连卫星也无法避免，而短波通信却凭借其无需中继的优势，又一次得到人们的重视和研究。1.2相关领域国内外研究现状由于短波通信在军事上所表现出的突出优点，20世纪80年代以来，短波通信又一次成为各国研究的重点。随着短波的组网技术、信道的编码技术、信道的均衡技术、信道的自适应技术以及自适应调频等技术的发展成熟，短波通信所存在的缺陷得以弥补。而微型计算机、微电子技术和移动通信的迅猛发展，使得人们开始利用微处理器、FPGA和数字信号处理等数字技术来提高短波通信的质量和数据传输速率，自适应与抗干扰能力得到显著提高，现代短波通信得到巨大的发展3。许多公司陆续推出了一系列性能优良的设备和系统，比较有名的有：澳大利亚的HF-90H、日本ICOM IC-M710、日本威泰克斯公司VX-1210 YA型便携式短波电台、美国的CHESS、美国HARRIS公司的RF-5800系统、柯林斯公司的SELSCAN系统等4。1） HF-90超小型调频短波电台HF-90是由澳大利亚Q-MAC公司所推出的具有智能边带调频技术的产品，它是利用SSB（Single Sideband Signal）调制方式传送话音信号，将调频码隐含于边带话音中，隐含的调频信号近似边带噪声，比目前世界各电台生产厂所提供的数字话音更难被识别，破译和追踪。HF-90所采的智能调频技术能够解决电台信号阻塞或杂波串扰和多径效应所造成的不稳定问题，是一种具有极强的频带适应性的技术，它可以将整个通信网自动调整到干净的信道区，使通信背景得到净化，提高通信质量。2） CHESS系统 CHESS系统是由美国Lockheed Sanders公司推出，它是以数字信号处理技术和高速DSP（Data Signal Processor）芯片为基础，调频带宽2.56MHz，数据传输率最高可达19.2kbit/s，CHESS系统最突出的特点是采用了差分跳频技术。它实质上是一种将频率调制和编码相结合的技术，通过对频率编码，增加频率域的冗余度使得跳频频率间具有了特定的相关性，接收端利用这种相关性进行频率序列译码，纠正一定比例频率误判，起到了以频带换取信噪比的作用，以提高其系统的性能4。接收机是短波通信不可或缺的一部分，而如今的接收机已经走出晶体管时代，走向高集成度、高性能的发展方向，并且逐步向数字化方向发展，人们不断的更新接收机的设备性能，增强其功能，先后出现了多种结构的接收机模型。而超外差式接收机以其独特的优势成为接收机的主要结构形式，其前射频前端电路主要包括天线、低噪声放大器、带通滤波器、混频器和中频放大器等模块单元。但同时也存在镜像干扰和中频干扰等缺陷，于是人们使用二次混频来解决相关干扰问题。国外对宽带接收机的研究早在1995便开始了，J.T.Vaughan等对应用于Telsla的核磁仪的射频前端进行了相关的设计和实现，虽然带宽只有20MHz，却给宽带接收机提供了发展方向。到2005年，Reja等利用互补金属氧化物半导体工艺设计出了直流到3500MHz的宽带接收机5。而近年来，我国在短波宽带接收机的研究领域也取得了相关的成果。1.3短波宽带接收机研究的意义短波通信在军用、民用和教学方面都存在着其独特的意义，而对接收机的研究又是其不可或缺的一部分。1）军用意义随着现代战争的发展，通信的优越性在战争中发挥的作用越来越突出，可以说掌握了信息的交流，就掌握了战争的主动权。在战争中的各种网络都有可能受到攻击，甚至卫星也不能避免，而短波通信的抗击毁能力就得到突出的体现。2）民用意义短波通信的民用意义主要体现在一些偏僻的山区和网络通信、卫星通信都无法覆盖的区域通信中。而在抗震救灾中，短波通信的优势就更加突出，比如2008年汶川地震，在震后灾区，通信中断，信息的发出主要依靠短波通信，为后面的营救工作提供了重要的信息。3） 教学意义学习短波通信能够让学生了解更多的通信手段，使教学内容与时俱进，适应科技发展。在学习通信及高频电子线路知识的时候，能让学生体会到这些知识的具体用途，同时也能加强学生学习的积极性，提高学习兴趣。1.4本论文的预期目标及章节安排本文旨在研究并设计制作一套短波宽带接收机系统。以接收3MHz30MHz的短波信号作为主要研究目的，研究的时候首先对短波频段接收机的原理做深入解析，并在此基础上设计系统方案，包括前端的低噪声放大器设计，带通滤波器的选择特性，VGA电路的增益控制特性，经过两次混频后使用真有效值检波进行信号的解调。文章最后对系统的性能以及各个模块的指标做详细的测试。本论文的技术指标如下：1)接收信号频率范围：3MHz30MHz；2)解调模式：调幅和调频可选；3)接收机选择性：矩形系数5.0；4)可数字设置接收信号中心频率，并可显示接收信号强度；5)接收机灵敏度：1mV（有效值）；6)解调输出无明显失真，并可播放语音信号。文章各章节安排如下：1、第1章介绍了短波宽带接收机的研究背景和国内外研究现状，并给出了本论文的研究内容和章节安排。2、第2章首先对接收机的基本原理进行分析，然后介绍本论文所研究的短波宽带接收机的总体设计和相关指标分析。3、第3章是使用SystemView对系统进行仿真，并给出相关仿真结果图。4、第4章对短波宽带接收机的硬件设计进行阐述。其中硬件实现包含前端的低噪声放大，带通滤波器，VGA电路，两次混频和系统的检波电路。5、第5章对短波宽带接收机的软件设计进行阐述。其中包括Cortex-M4控制器对系统信号的通路选择，人机交互平台的控制和数字设置接收机的接收频率。6、第6章在已经完成的短波宽带接收机系统基础上，设计了一套测试方案，通过示波器、信号源等仪器，测试和分析了系统的各项性能指标。23第2章 接收机的系统设计及指标分析第2章 接收机的系统设计及指标分析2.1 无线接收设备的基本组成与原理无线接收设备的基本任务是将通过天空传来的电磁波接收下来，并从中取出需要的信息信号，下面将讲述三种最基本的接收机原理类型6。图2.1是一个最简单的接收机原理框图，它由接收天线、选频回路、检波器和输出变换器四部分组成。接收天线接收从空中传来的电磁波，通过选频回路选出所需要的信号并且滤除干扰信号，再利用检波电路从已调波信号中取出原调制信号，即音频信号，经过输出变化器输出音频信号。这种接收机电路特点是线路简单，但是检波后得到的信号幅度太小，需要用高阻耳机才能进行电声变换。图2.1最简单的接收机原理框图图2.2是直接放大式接收机的原理框图，它是经过简单接收机的改变得来的，在选频回路后加入高频放大器，检波器后加入低频电压放大器和低频功率放大器。直接式接收机的特点是灵敏度高，输出功率比较大，尤其适用于固定点频率的接收，但是在用于接收多个电台时，其调谐非常复杂，而且高频小信号放大器的通频带不平整，在整个接收频带内，放大器对高频放大的倍数比低频放大倍数小。因此，对不同频率的电台其接收的效果不同。为了克服这个缺点，现在的接收机多数都采用超外差式线路。图2.2直接放大式接收机原理框图图2.3是超外差式接收机它的主要特点是把被接收的已调信号的载波频率先变为频率较低的（或较高的），且是固定不变的中间频率（称为中频），而其振幅的变化规律保持不变6。由于变频后为固定的中频，频率比较低，容易获得较大的放大量，因此可以提高接收机的灵敏度，同时也可以解决不同电台信号放大不均匀的问题。而“差频”技术的采用，使得外来信号必须和振荡信号相差为预定的中频才能进入电路，而且选频回路、中频放大谐振回路又是一个良好的滤波器，其他干扰信号就被抑制了，从而提高了系统的选择性7。图2.3超外差式接收机原理框图2.2接收机方案的选择本论文所研究的短波宽带接收机是在超外差式接收机的基础上进行的改进，采用二次变频技术，解决了超外差式接收机所存在的镜频干扰和中频干扰问题，并且可以解调调频波和调幅波。如下图2.4所示为本接收机的原理框图，短波信号通过天线进入接收机，由于天线接收到的信号含有噪声，需要经过带通滤波器滤除无用的信号，而经过带通滤波器后的信号强度十分微弱，使用低噪声放大器可以增强信号的幅度，并且可以抑制噪声干扰，之后的可变增益放大电路在接收机中可以提高接收机的动态范围。第一次混频利用一次本振DDS与接收到的短波信号进行混频工作，将接收到的信号变频到45MHz的固定频率，再经过带通滤波器和中频放大器进入混频器，进行第二次混频，将45MHz的信号降到455KHz，最后进行调频和调幅波的解调工作，解调出音频信号，通过低频功率放大器推动输出。下面将对短波宽带接收机结构上的重要部分做原理性说明。图2.4短波宽带接收机原理框图2.2.1 天线天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作8。 在本接收机中，天线用以接收大气中的短波信号，短波信号在大气中以电磁波的形式传播，其频段在3MHz30MHz，而空气中电磁波的传播速度为，所以短波信号的波长为： （2-1） （2-2）2.2.2 衰减网络在天线后加入的衰减网络为0dB或40dB，由纯电阻网络构成。如果前端接收到的信号强度过大可选择40dB的衰减网络，防止接收机被损坏，如果信号强度较小则可以选择0dB的衰减网络，使后端能够准确的检测到信号。衰减网络在整个接收机中起保护作用。2.2.3 低噪声放大低噪声放大指的是噪声系数非常低的放大器，经常用在放大微弱信号的电路中，是接收机的关键组成部分，在整个接收机系统的前端设计中占据重要的地位。大气中民用无线电电磁波信号强波比较微弱，低噪声放大器一般位于接收机的前端，紧邻天线之后，所以低噪声放大器的特性直接影响着整个接收机接收信号的质量，要求低噪声放大器具有最小的噪声系数、足够的动态范围、输入端良好的匹配和一定的频带选择特性。由于放大器本身存在噪声，可能会对信号产生严重的干扰，所以引入噪声系数来衡量放大器的噪声水平。噪声系数=输入端信噪比/输出端信噪比，单位用分贝（dB）来表示，噪声系数越低，则电路本身噪声水平越低9。2.2.4滤波器设计原理滤波器是一种频率选择装置，它对信号进行处理和加工，从中选出某些特定的信号输出。设低频段的截止频率为，高频段的截止频率为，频率为到之间的信号能够通过，低于和高于的信号衰减的滤波电路称为带通滤波器，高于的信号通过，而低于的信号衰减的滤波器称为高通滤波器，相反低于的信号通过而高于的信号衰减的滤波器称为低通滤波器10。本文涉及到有源滤波器和无源滤波器，无源滤波器是使用Rsim99进行仿真设计，下面讲述有源滤波器和无源滤波器的设计原理，其中有源滤波主要阐述带通滤波器的设计原理。在分析有源滤波电路时，一般都通过“拉氏变换”，将电压与电流变换成“象函数”和，因而电阻的，电容的，电感的，输出量与输入量之比称为传递函数，即 (2-3)图2.5 压控电压源二阶带通滤波电路如图2.5所示为压控电压源二阶带通滤波器电路Ui为同向比例运算电路的输入，比例系数 (2-4)当，时电路的传递函数 (2-5)令中心频率，电压放大倍数 (2-6)当时，得出通带放大倍数 (2-7)令式（2-6）分母模为，即式(2-6)分母虚部的绝对值为1，即 (2-8)解方程，取正根，就可以得到下限截止频率和上限频率分别为 (2-9)因此，通频带 (2-10)Q值愈大，通带放大倍数愈大，频带愈窄，选频特性愈好。调整电路的，能够改变频带宽度。而在高频领域，由于受到放大器的频带限制，应用更多的是无源滤波电路。无源滤波器又称为LC滤波器，是指利用电容、电感和电阻的组合设计构成的滤波电路，主要是针对信号的谐波进行滤除工作。2.2.5 可变增益放大器的设计原理可变增益放大器是自动增益环路的核心，其增益近乎线性的随外加电压的变化而变化，本论文所设计的可变增益放大器使用TI（德州仪器）公司生产的VCA824，通过核心控制器的DA输出稳定的控制电压来控制器增益。2.2.6 混频混频电路的功能是将已调波的载波频率变换成固定的中频载波频率，而保持其调制规律不变6。也就是说它是一个线性频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。对于调幅波、调频波或调相波通过混频电路后仍然是调幅波、调频波或调相波，只是其载波频率变化了，其调制规律是不变的。混频电路广泛用于各种电子设备中，在超外差式接收机中，将高频载频信号变成固定中频载频信号，然后通过中频放大器进行放大，使整个接收机灵敏度和选择性大大提高。在频率合成中常用混频器完成频率的加减运算，从而得到各种不同的频率，这些频率的稳定度可以与主振器的高稳定度相同。图2.6混频器的组成原理图2.2.7功率放大在实用电路中，往往要求放大电路的末级（即输出级）输出一定的功率，以驱动负载。能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本区别；只是功放既不是单纯的追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源确定的情况下输出尽可能大的功率11。因此，从功放电路的组成和分析方法，到其元器件的选择，都与小信号有着明显的区别。除了传统的用分立元件搭建的甲类、乙类、丙类等功率放大器外，集成功率放大器也被广泛的利用，主要应用在各类高档、中档和普及型收音机以及音响设备中。本论文运用了常见的功率放大芯片LM386作为系统解调信号的功率输出推动。2.2.8 有源微分网络如图2.7所示为基本微分运算电路。根据“虚短”和“虚断”的原则，u+=u-=0，为“虚地”，电容两端电压uC=uI。因而 （2-11）输出电压 （2-12）输出电压与输入电压的变化率成比例。图2.7 基本微分运算电路2.3解调解调是调制的逆过程，是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。解调可以分为正弦波解调和脉冲波解调，而正弦波解调又可以分为幅度解调、频率解调和相位解调。本论文所研究的短波宽带接收机应用的是正弦波解调中的幅度解调和频率解调。2.3.1幅度解调幅度解调一般是利用振幅检波器进行解调，它可以从调幅信号中不失真的解调出调制信号。当普通的调幅信号经过检波电路时，可得到输出信号电压为的调制信号。图2.8分别为等幅波、调幅波和脉冲调制经过检波器时的输入输出波形图，输出分别为直流、正弦波和脉冲波。图2.8检波器输入/输出波形本文所研究的检波电路是使用集成电路完成，使用ADI（亚德诺半导体技术有限公司）生产的AD8361进行检波电路设计。2.3.2频率解调调频波所携带的信息包含在瞬时频率的变化之中，从调频波中提取信息的设备称为解调器，一般也称鉴频器。实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频-调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。第三类是脉冲均值型。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，恢复出与瞬时频率变化成正比的信号6。本文采用微分法进行调频-调幅调频变换，然后经过真有效值检波器进行振幅检波。其中调频波表达式： (2-13)上式对时间求导得： (2-14)此式表明，经过微分网络后，调频波便形成了调幅-调频波，幅度的变化规律与调制信号相同，用检波器和低通滤波器提取信息。由于微分网络对噪声和其他干扰引起的幅度变化有影响，故微分网络之前都要加低通滤波器和限幅放大器。原理框图如图2.9所示。理论上，任何一个能对调频信号求时间导数的网络都能把调频波变换成为调幅-调频波。但载波变化时，使输出低频信号的幅度不稳定，且载频越高，鉴频灵敏度越低。提高并稳定灵敏度的方法之一就是把载频变成一个固定的低中频0，使其接近所要测量的最大峰值频偏值。这就要求在中频带通滤波器内平坦度非常好，矩形系数也要很好。图2.9 微分法调频解调原理框图为了用低通滤波器选出调制信号分量，它的频谱和以为中心的调幅调频波的频谱就不应该有重叠。如图2.10所示。图中，是调制信号中的最高频率，B为调频波的带宽，为了使低频调制信号和一次项的频谱分开，应满足： (2-15)或写成： (2-16)式中：，为调制指数；，为相对频宽。D和的关系可用图2.11曲线表示。 图2.10调幅调频波的频谱 图2.10 相对频偏D与调制指数mF的关系可以看出，越大，相对频偏也就越大12。2.4接收机的指标分析接收机的技术指标主要包括噪声特性、灵敏度等。本论文主要考虑这两个方面的指标分析。2.4.1噪声特性 人们通常将噪声分为内部噪声和外部噪声两类，外部噪声又分为自然界噪声和人为噪声。内部噪声也称为电路噪声，主要是指设备内部各种器件、部件产生的热噪声、散弹噪声等。热噪声12是指处于一定热力学状态下的导体中所出现的无规则电涨落，它是导体中自由电子无规则的热运动引起的，其大小取决于物体的热力学状态。热噪声特性：（1）在频域中，具有连续均匀分布的功率频谱密度，即在极宽的频率范围内其功率电平为一个常数；（2）在时域中，具有振幅和相位的随机性，其振幅和相位随时间在做无规则的变化，这种变化的概率密度服从正态分布规律13。导体中热噪声是由大量短促脉冲叠加形成的随机过程，其平均值等于零，所以热噪声电压的瞬时值和平均值都无法计量，但是热噪声电压的均方值却完全可以确定。数学关系式： (2-17)式中：k玻尔兹曼常数，为，单位为; T电阻温度，单位为K； R电阻值，单位为； B接收机带宽单位为Hz。上式表明噪声能量存在与给定带宽内，与中心频率无关14。热噪声的功率为： (2-18)两边求对数，得到 (2-19)由上式可以计算出，常温下（T=190K），1Hz带宽上的热噪声功率为，定义其为噪声基底。理想接收机只放大从天线端接收到的信号和噪声，但是由于接收机内部也存在各种噪声，所以在输出端的噪声中，还存在除了天线之外的其他噪声，因此引入了噪声系数的概念。噪声系数：一个二端网络规定输入端温度处于290K时，其噪声系数是指输入端的信噪比除以输出端的信噪比15，即： (2-20)式中： Si网络输入端信号功率，单位为W； Ni网络输入端噪声功率，单位为W； So网络输出端信号功率，单位为W； No网络输出端噪声功率，单位为W。2.4.2灵敏度 灵敏度是测试被检测设备在技术指标规定的信号调制方式和中频带宽条件下，音频输出端检测负载上产生额定输出功率并达到额定信噪比时，天线输入端所需的最小信号输入电平。接收机的灵敏度包含三个要素，热噪声、系统的噪声系数和系统的信噪比。接收机灵敏度的测量还与接收机所接收的信号调制类型、噪声系数、（S+N）/N、中频带宽有关，需要在给定的噪声功率下才能衡量接收机的灵敏度。如下式为接收机灵敏度与各个参数之间的关系式： (2-22)其中：S接收机灵敏度，dBm； NF接收机噪声系数，dB； B检波前的中频带宽，Hz； 为信号检波所需的（S+N）/N，dB； 调制特性函数，与信号调制类型有关，dB12。2.5本章小结本章对短波宽带接收机的总体原理和相关技术指标进行了阐述，并对其解调方式进行了深入的分析。首先从接收机的常见类型入手，介绍了各种类型的接收机，然后对本文研究的接收机进行分模块原理阐述，比如天线，低噪声放大，混频，功率放大以及具体的解调模式，最后对接收机中相关的技术指标进行分析，尤其是对接收机中存在的噪声和接收机灵敏度的计算方法进行详尽的描述。第3章 基于SystemView的系统仿真第3章 基于SystemView的系统仿真设计3.1通信仿真的概念及意义仿真即是在建立一个新的系统或者对原有的通信系统做出相关的改进之前，通过建立这个系统的模型和仿真结果来衡量系统方案的可行性，从中选择最为合理的参数和系统配置，然后再应用于这个系统的过程17。仿真也就是系统的模拟过程，在本质上，系统在计算机上的仿真就是根据系统的物理原理建立相应的数学描述并进行相关计算数值求解的过程。随着通信技术的发展，通信系统也变得越来越复杂，对于通信的研究也越来越困难，但是强大的计算机辅助分析和设计工具的发展成为研究通信系统的一种新的途径。而随着计算机发展的成熟，系统仿真的突出地位就越来越突出。系统建模和仿真的作用及意义：1） 利用系统建模和仿真技术，可以对系统的设计细节进行分层次的评估和模型建立；2） 通过对系统仿真技术和方法的研究，可以有效的将数学分析模型和实际经验模型相结合起来；3） 通过对系统方法的研究，可以快速建立一个通信系统的模型，提供一个便捷、高效和精确的评估平台；4） 采用软件仿真进行系统合理性的验证，可以节约大量的实验研究成本，仿真后的方案可能会更接近实际结果，也可以节约研究时间。3.2 SystemView简介SystemView是美国ELAXNIX公司推出的一款基于Windows环境下工作的系统仿真分析软件工具，是一个信号级的系统仿真软件，提供丰富的库资源，包括各种信号源、加法器、乘法器、接收器和各种函数运算器等，特别适用于现代通信系统的设计仿真和方案论证，尤其适用于调制解调器、无线通信等通信系统的仿真。利用SystemView可以直接设计电路模型而无需编写任何代码，能对现代通信系统的设计仿真给出具体的时域和频域分析、频谱分析。其特点如下：1） 可以仿真大量应用系统，包括现代通信以及DSP的所有领域；2） 具有可视化、动态仿真系统、图符表示功能模块；3） 不需要编写程序建立系统仿真模型，只关心设计思路；4） 提供基于组织结构图方式的设计，支持各种子系统；5） 完备的线性系统和滤波器设计；6） 可扩展性强，提供MATLAB、VC+等多种软件接口18。3.3基于SystemView的模拟调制解调3.3.1常规双边带调幅（AM）调制是通信系统中重要的环节。通信系统的主要目的是实现远距离地不失真地传送信息。所需传送的信息通过转换电路变为电信号，此电信号是占有一定频谱宽度的低频信号，通常称为基带信号。直接将基带信号进行传输要实现多路远距离传输比较困难，通常将基带信号加载到高频信号上去，用高频信号作为运载工具。这种将基带信号加载到高频信号上的过程称为调制18。对于常规双边带调幅，其时域表达式为 （3-1）其中，为外加的直流分量。为调制信号，可以是已知的确定信号，也可以是随机的信号，但通常认为其数学期望为0。和为载波信号的频率和相位，一般设置初始相位为0。由上式可以得到常规调幅的原理图如图3.1所示。图3.1 常规调幅原理如图3.2为基于SystemView进行的常规双边带幅度调制，为了使调制后的现象更加明显，选择100Hz的载波信号，10Hz的调制信号来检验电路仿真的功能性。图3.2中，图符0为载波，图符5为调制信号，图符1、6、7为波形分析器。图3.2 常规AM调制的模型其调制前后的波形如图3.3所示。其中w0为100Hz的载波信号，w1为10Hz的调制信号，w2为调制波形。由图3.3可以看出根据调幅原理图设计的调幅电路可以很好地完成常规幅度调制。而由图3.4可以看到调制前后信号频谱的变换情况，对于常规双边带调幅来说，调制过程是线性频谱搬移过程6。图3.3 常规AM调制波形图3.3常规调幅频谱图3.3.2频率调制高频振荡的振幅不变，其瞬时频率随调制信号线性变化称为频率调制。调频信号的表达式为： (3-2)如图3.4是基于SystemView的调频信号模型。图3.5为10KHz的调制信号和经过100KHz的载波调制过的调频波信号。图3.4 调频信号模型图3.5调频信号波形图图 3.6调频波频谱图由图3.6调频波的频谱曲线可以看出，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而由载波分量和无数对边频分量所组成的。3.3.3 调频波转换电路仿真调频波经过微分电路后会变为调幅-调频波，可以使用检波电路进行解调。如图3.7是10KHz的调制信号经过与1MHz的载波信号调制后形成调频波，在经过微分电路后形成调幅-调频波的电路模型，其中图符4为微分器。由图3.8可以看出此电路模型可以完成调频波转换成调幅-调频波，验证了调制类型转化电路的可行性。图3.7 调频波转换模型图3.8调频波转换后的波形图3.3.4混频电路仿真混频电路的原理在第2章已经阐述，在次不在详细讲述，其原理就是应用乘法器使两个模拟信号相乘，即频率上产生和频和差频，在通过滤波电路滤除不需要的频率。如图3.9为混频电路模型。其中图符0为1KHz的单频信号，图符1为5KHz的单频信号，经过混频后产生的频率信号再经过滤波器后得到4KHz的单频信号。其波形及频谱图如图3.10所示。其中w1和w4为两个单频信号，w2为混频后的波形图，w3、w4、w5分别为其频谱图。图3.9混频电路模型图3.10 混频信号波形图3.3.5解调电路仿真本文所研究的短波宽带接收机主要是对调幅波和调频波解调的研究。因此对于解调电路的设计更加详尽。而其具体的电路原理在第2章中已经做出了详尽的说明，此处仅对电路模型进行系统仿真，验证其设计的合理性。如图3.11为调幅解调的具体电路模型。图3.11 调幅解调电路模型其中，调幅波的调制信号为10KHz幅度为1V，载波信号为100KHz幅度为1V，由图3.12可以得出此电路可以完成调幅波的解调工作，w1和w4分别为10KH的调制信号和100KHz的载波信号，w2为调制后的调幅波，w3为解调后的信号。图3.12 调幅波解调波形如图3.13为调频波解调电路模型，其中调制信号为10Hz，载波信号为100Hz，信号经过微分器后形成调幅-调频波，其原理验证已在3.3.3小结验证，在经过检波管进行解调工作。由图3.14可以看出经过解调后可以得出稳定的调制信号。图3.13调频解调电路模型图3.13 调频解调波形图3.4本章小结本章主要完成了对电路系统的SystemView仿真工作。通过对具体电路形式的验证，证明了本论文所设计的电路的合理性。其中对于常规双边带调幅（AM）电路、调频（FM）电路、调频波转换电路和调幅波调频波的解调进行了详细的仿真，并对其相关的频谱进行了分析。第4章 短波宽带接收机的硬件设计第4章 短波宽带接收机的硬件设计本论文的硬件设计部分贯彻整个接收机电路，从信号的接收到解调无不涉及到硬件电路的设计。本论文所研究的短波宽带接收机的完整硬件结构如图4.1所示。其中包含射频前端信号的接收和后端的解调网络。在整个系统的硬件设计过程中，主要考虑接收机的宽频段特性3MHz30MHz，尤其是在设计滤波电路时，由于接收频段的上限频率和下限频率相差的倍程太大，对器件的要求过高，因此对滤波电路选择分频段设计。对于接收机其他各个模块的设计都是依据电路中系统的要求进行设计的。图4.1 短波宽带接收机完整硬件结构框图4.1 接收机射频前端电路设计如图4.1所示，整个接收机的射频前端电路包含衰减电路，低噪声放大（LNA），带通滤波器（BPF），可变增益放大器（VGA），一次混频，中频放大，和二次混频电路。4.1.1 衰减网络本文所研究的接收机最前端设计一个40dB的衰减网络，是用来直接接入大信号时进行衰减的，防止接收机被大信号损坏，网络两端采用高频开关HMC174进行信号的选择。衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入预定衰减的电路。常用的固定衰减器有L型、T型、桥T型、型等，其中L型属于不对称衰减器，主要用于阻抗匹配；而T型、桥T型、型属于对称衰减器，主要用于衰减。经典的三种型衰减器、T型衰减器、和桥T型衰减器，衰减效果较好，但对于高频小信号，无缘衰减网络型和T型网络更加合适，因此本文选用型网络做衰减。电路如图4.2所示。图4.2 衰减网络其中HMC174作为开关可以控制直流到3GHz的高频信号，它具有低失真、低插入损耗、低反射损耗的特性，图4.3是它的插入损耗和反射损耗与频率的关系。图4.3 HMC174典型工作参数4.1.2 低噪声放大器的设计天线接收的信号幅度一般都很小，在进入混频器之前需要将信号进行一定的放大，而天线接收的信号又含有很多噪声，所以低噪声放大器在此处就可以发挥很大的作用，既可以放大信号又可以抑制一些噪声，使得后面电路得到的信号更加纯正。考虑到芯片的性能，本论文采用美信半导体（Maxim）公司生产的芯片MAX2650用作低噪声放大器。MAX2650是一款性能优异的低噪声放大器，它具有很宽的频带，从直流到微波，具有一个900MHz的平坦增益响应，并且它的输入输出阻抗都是50，无需额外进行匹配，只需要在输入输出端各加一个10nF的电容即可。其具体应用的电路如图4.4所示。图4.4 MAX2650具体应用电路MAX2650的在短波频段具有近乎稳定的噪声系数，并且受温度的影响也较小，而且它的增益特性在短波频段也几乎不变，只是受到电源电压和温度的微小影响。它的噪声特性如图4.5,增益特性如图4.6所示，根据MAX2650的增益特性曲线，预计其增益在17dB左右。图4.5 MAX2650噪声特性图4.6 MAX2650增益特性4.1.3 带通滤波器的电路设计由图4.1短波宽带接收机完整硬件结构框图可以看到，本论文所使用的带通滤波器比较多，尤其是在低噪声放大器后面的滤波器，将不同的频段进行分开设计，使得接收机接收到的信号噪声更少，为后续解调带来极大的方便。其中滤波器的设计方法有很多，包括无源滤波器和有源滤波器，当接收信号频率较高时，一般采用无源滤波器，若是采用有源滤波器，则需要放大器的具有很大的增益带宽积。而滤波器又可以进一步分为巴特沃兹滤波器，切比雪夫滤波器，椭圆函数滤波器等。如图4.7分别为巴特沃兹滤波器（左上）和同阶第一类切比雪夫滤波器（右上）、第二类切比雪夫滤波器（左下）、椭圆函数滤波器（右下）的频率响应图19。图4.7 不同滤波器的频率响应曲线由图可见，巴特沃斯滤波器的衰减速度比其他类型滤波器缓慢，但其通带和阻带内都很平坦，没有起伏变化。因此本系统在低噪声放大器后的滤波器为7阶巴特沃兹带通滤波器，而在二次混频后使用有源滤波器。其中低噪声放大器后的滤波器频段分为3-5MHz，5-8MHz，8-13MHz和13-20MHz。其中滤波器的参数是使用RFsim99进行设计并仿真的，其输入输出端都是50的阻抗，分频段进行的滤波器设计，不仅仅可以抑制带外噪声，还可以抑制镜频干扰。其具体应用电路如图4.8、4.9、4.10、4.11、4.12所示。图4.8 3-5MHz7阶带通滤波器图4.9 5-8MHz7阶带通滤波器电路图图4.10 8-13MHz7阶带通滤波器电路图图4.11 13-20MHz7阶带通滤波器电路图图4.12 20-30MHz带通滤波器电路图图4.8为3MHz至5MHz的带通滤波器，其中心频率为4MHz，带宽为2MHz；图4.9为5MHz至8MHz的带通滤波器，中心频率为6.5MHz，带宽为3MHz；图4.10为8MHz至13MHz的带通滤波器，中心频率为10.5MHz，带宽为5MHz；图4.11为13MHz至20MHz的带通滤波器，中心频率为16.5MHz，带宽为7MHz；图4.12为20MHz至30MHz的带通滤波器，中心频率为25MHz，带宽为10MHz。其中所有的滤波器都是7阶巴特沃兹带通滤波器，电路两端的0.1uF的耦合电容，不参与滤波器参数的计算。图4.13为一次混频后的有源带通滤波器，中心频率为45MHz，是基于Filter Solutions 10.0进行的无源巴特沃兹型带通滤波器的设计，带宽为2MHz，输入输出端均为50阻抗20。图4.13 一次混频带通滤波器经二次混频之后的信号同样带有高频成分，因此在二次混频后设计了一个带通滤波电路，采用TI公司生产的高精密运算放大器OPA627所设计的压控电压源二阶带通滤波电路，其中心频率为455KHz。电路如图4.14所示。图4.14 压控电压源二阶带通滤波电路4.1.4 可变增益放大器（VGA）电路设计可变增益放大器（VGA）电路的应用可以提高接收机的动态范围，本论文采用TI公司生产的VCA824，它是直流耦合、超宽带、增益响应大于40dB的线性电压控制增益放大器，它的输入信号能够随着增益电阻（RG）和反馈电阻（RF）的变化可以达到40dB的变化，其控制电压在-1V到+1V之间，供电电压为5V，当其增益为20dB时，带宽可达320MHz21。VCA824其典型应用电路如图4.15所示，它的增益电阻（RG）和反馈电阻（RF）与输入输出电压的关系如