无线收发信系统设计说明书(共26页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计说明书课题名称: 一种无线收发信系统的设计 系 别 电子信息工程系 专 业 应用电子技术 毕业设计起讫时间:20指导教师评语 指导教师(签字): 年 月 日目 录摘 要- 3 -Abstract- 3 -1 前 言- 2 -1.1 课题背景- 2 -1.2 本课题的意义- 3 -2 系统设计- 4 -2.1 总体设计方案- 4 -2.1.1 设计思路- 4 -2.1.2 方案论证与比较- 5 -3 单元硬件电路的设计- 9 -3.1 发射部分电路的设计- 9 -3.1.2 发射部分系统框图- 9 -3.1.3 输入选频网络- 10 -3.1.4 FM解调电路-
2、 11 -3.1.5 一级前置放大电路- 12 -3.1.6 发射音频调制电路- 12 -3.2 接收部分电路的设计- 13 -3.2.1 接收部分电路的设计指标- 13 -3.2.2 接收部分电路的系统框图- 13 -3.2.3 音频电压缓冲放大电路- 14 -3.2.4 OTL功放电路- 14 -4 制作与调试- 16 -4.1 整体电路调试- 16 -4.2 测试仪表- 16 -4.3 发射机测试- 17 -4.4 接收机波形测试- 17 -4.5 灵敏度及通信距离的测试- 18 -5 总结- 20 -参考文献- 21 -致谢- 22 -附录A 电路原理图- 23 -附录B 电路元器件清
3、单- 24 -专心-专注-专业摘 要本系统收发电路揉合了音频调制电路、前置放大电路、OTL功率放大电路、音频电压缓冲放大电路、FM解调电路以及输入选频网络电路组成。电路简单,但它们的巧妙结合便可完成短距离的FM/FSK模式的通讯.该电路的发射频率为38MHz左右,从而能提供所需通信信道. 经测试,整机功能齐全,各项性能指标符合系统要求,接收波形稳定,无明显失真。关键词:音频调制、OTL功率放大器、FM解调、选项AbstractThis system is receiving circuit integrated audio modulation scheme, preamplifier cir
4、cuit, the power amplifier, OTL audio amplifier circuit, FM voltage buffer circuit and input frequency selective demodulating circuit network. Circuit is simple, but they can finish the combination of FSK FM/short communication mode. This circuit for the launch of 38MHz frequency, which can provide a
5、 communication channel. The test, the function is well-found, various performance indicators with system requirements, the stable, no obvious receiving waveform distortion.Key words:Audio modulation、OTL power amplifier、FM demodulation、Frequency selective.1 前 言1.1 课题背景随着社会的发展,人们对通信的需求也日益迫切,对通信的要求也越来越
6、高。理想的目标是能在任何时候、在任何地方、与任何人都能够及时沟通和联系、交流信息。显然,没有无线电的技术,这种愿望是空想的。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的。无线通信是通信领域的一个非常重要的方式,麦克斯韦(James Clerk Maxwell)于1865年建立了其理论框架,而赫兹(Heinrich Rudolph Hertz)于1887年通过实践
7、证明了其可行性。19世纪末20世纪初时无线电话开始投入实际使用,当时主要用于航船和海岸、航船和航船之间的通信联系。1901年马可尼(Guglielmo Marconi)首次成功地进行了跨大西洋的无线通信。早期的无线电发射机采用的是放电器的方式,这并不适用与话音通信。到了1906年,一些发射机使用了专门设计的高频交流发电机,并且用于进行话音传输的实验。具体方法是将一个1KW的放射机连接到传声器上,并且连接发射天线,当时的传声器还是水冷式。常规的无线电广播直到1920年才开始出现。随着技术的不断发展,发射机和接收机逐渐使用了电子管。1904年弗来明(John Ambrose Fleming)爵士发
8、明了二极管,而1906年弗里斯特(Lee De Forest)又发明了可以用做放大器的三极管。到了20世纪20年代末期,无线电广播已经变得在普通不过了,人们开始把注意力又转移到了对电视的研发上面。美国和欧洲的一些国家在第二次世界打战之前就已经开始了这方面的工作,二战结束后电视机已经在全世界范围开始使用了。其中无线电对讲机是最早被人类使用的无线移动通信设备。在手机非常普及的今天,为什么人们还会选择对讲机呢?存在必合理!与手机相比,对讲机不受网络的限制,在网络不能覆盖的地方,对讲机可以让你轻松的沟通;另外对讲机提供了一对一,一对多的通话方式,一按就说,操作十分简单,令沟通更自由,尤其在紧急调度和集
9、体协作工作的情况下,这些特点是非常重要的。与手机相比,对讲机通话成本低。这样的特点,让对讲机广泛应用在很多领域。主要应用在公安、民航、运输、水利、铁路、制造、建筑、服务等行业,用于团体成员间的联络和指挥调度,以提高沟通效率和提高处理突发事件的快速反应能力。随着对讲机进入民用市场,人们外出旅游、购物也开始越来越多地使用对讲机。尤其在网络无法覆盖的地方,无线对讲机成为了人们喜爱的通讯工具。1.2 本课题的意义无线收发信系统设计中包含有通信的原理和技术,不仅是信息工程高级专业技术人员所必需掌握的,也是从事相关产业的普通技术人员、管理人员和营销人员应当了解的,并把它应用于信息产业中。 无线收发信系统的
10、实现具有单向性,完成的是信息的单方面传输,这是研究半双工和全双工通信的基础。一个单工无线呼叫系统,实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务,对以后增加图片传输、多媒体音乐、无线上网和电子商务的套餐具有重要的意义。以单工无线通信系统的设计为基础,人们进行了不断的探索和研究。在未来几年内通信系统将会有更令人惊奇的发展。光纤如今已经成为了一种非常重要的传输媒介,并且仍然以迅猛的速度在发展。包括话音和视频传输在内,由模拟向数字方向的发展仍在继续。现在人们很难准确地预测通信在未来的发展状况,以单工无线呼叫系统设计为开端,蜂窝电话和传真已经出现了很多年,并且曾一度被认为不久将会过时,但是在过去的几年中蜂窝
11、电话和传真这两种技术仍然在迅速发展。大概有关未来通信技术唯一可以确定的就是:它将给人们带来无限的惊喜。本次设计的单工式无线收发系统是以功放电路、音频电压缓冲电路、FM调解电路等电路组成,设计的电路使输出信号频率在27MHz49MkHz范围内可调。无线收发信系统的电路形式较多,从收发功能上可分为单工式和双工式。单工式无线收发机,具有造价低,体积小,耗电低等优点,考虑到综合因数,因此本设计采用单工形式。2 系统设计2.1 总体设计方案设计并制作一个单工无线收发信系统,能够实现单工语音传输业务,也就是制作一个无线对讲机电路。这个电路由系统传送一路发射频率在20MHz40MHz之间的语音信号,通过音频
12、放大电路、调制电路、高频放大、收发天线、选频放大、混频电路、中放电路、解调电路、音频放大电路,声音从发射者这端传送到接收者那端,接收者通过耳机接听,收发者之间相距30米以上都能收听到。当传送信号为300Hz3400Hz的正弦波时,去掉收、发天线,用一个功率衰减20dB左右的的衰减器连接收发端天线端子,通过示波器观察接收机耳机两端的接收波形,波形应无明显失真。2.1.1 设计思路无线收发信系统具有功率小、耗电量小,节约成本。体积小,携带方便。使用方便,在没有网络信号的条件下仍能使用。无线对讲机应用广泛,它能使许多人同时听到同一个人说话即时沟通、一呼百应、经济实用、运营成本低、不耗费通话费用、节约
13、使用方便,同时还具有组呼通播、系统呼叫、机密呼叫等功能。对讲机可在自驾游时,让各车友嬉笑怒骂、讲故事、卡拉OK大比拼尽享团队自驾乐趣!在处理紧急突发事件中,在进行调度指挥中其作用是其它通信工具所不能替代的。无线电对讲机和其它无线通信工具(如手机)其市场定位各不相同,难以互相取代。无线电对讲机决不是过时的产品。它还将长期使用下去。随着经济的发展,社会的进步,人们更关注自身的安全、工作效率和生活质量的提高,对无线电对讲机的需求也将日益增长。传输模拟信号,消息源为模拟的,经过输入转换器得到模拟信号。发送设备包括很多部件,如调制、放大、滤波和天线等。在方框图中只画出了调制器,其原因一方面是为了突出调制
14、器的重要性,另一方面其它部分可以认为是理想线形的,对信号传输可以看作不产生失真,不引入噪声。图2-1就是一个无线收发信系统电路原理框图。 图2-1 无线收发信系统电路原理框图从图2-1中可以看出,无线收发信系统的收、发状态,是靠切换供电电源的方式,来实现收、发转换的。虽然电路中含有接收和发射的电路,在同一时间内,只能工作在一种状态下。2.1.2 方案论证与比较1)收发电路的选择选择芯片所考虑的主要指标有发射功率,接收灵敏度,收发芯片所需外围元件的数量,芯片的成本,以及数据传输是否需要进行曼彻斯特编码。目前常用的收发芯片有NRF401系列,CRF19T,CRF26R系列.均采用FSK调制。 (1
15、)用NRF401系列高速单片无线收发芯片。采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计,可进行低功率无线数传,但是该芯片的外围设备也较多;传输语音信号时要进行数据压缩,从而使得系统的时序变得较为复杂,调试等过程有难度。(2)用CRF系列接收芯片。该芯片发射频率在27MHz,较难提高到题目要求。具有的标准化接口可直接嵌入各种设备,但是该芯片价格比较贵,用于短距离无线传输也不是很合理。方案一:采用可调电感构成的选频电路,使其频率在30MHz-40MHz之间,调频后进行发射。方案二:采用专用的调频发射芯片,如BA1404等,借助于外围的LC振荡回路来改变载波频率,从而实现调频。方案三:采用MC锁相环集成电路
16、,配合单管型压控振荡器实现,采用拨码开关控制MC的数据输入脚,从而控制VCO输出不同频率的载波,调试时只需把频率控制在30MHz40MHz之间即可。比较这三个方案,考虑经济因数,最后决定采用方案一。 2) 调制方式方案选择方案一:FM方式频带利用率高,但可靠性差;FM方式虽然频带利用率不高,但可靠性好,信噪比大;FSK,ASK,PSK,QPSK中,ASK抗噪性能差,PSK频带利用率不如QPSK高,FSK频带利用率大,但抗噪性能好。由于题目不要求频带利用率,而且30MHz40MHz这个频段内适合于FM方式,所以我们语音传输选用FM,数据传输使用FSK方式。方案二:PLL(Phase Locked
17、 Loop)调频方式。此方式参考频率直接来源于对晶体振荡器的分频。因此这种方案的频率稳定度高,与晶体振荡器的稳定度相同,可达106以上,但是这种方式的电路复杂,成本高,调试困难,而且相位噪声较大。方案三:DDS软件调频方式,如图2-2信号调制方式方案四示意图所示。此方式是由DDS产生载频,单片机语音采样,根据采样结果直接对DDS频率实时控制实现调频。由于DDS产生的频率精度高与晶体振荡器的稳定度相同,可达106以上,稳定度也好,而且单片机控制可以随意切换载波频率,频偏,调制度等,实现也简单。图2-2 信号调制方式方案四示意图比较以上三种方案,方案三明显优于其它方案,较易实现,但考虑到其他的因数
18、,因此我采用方案一。3) 关于尽量增加传输距离的分析传输距离是单工无线呼叫系统的综合性能指标。根据单工无线传输距离公式 式2-1上式中,Pt为发射机天线端辐射的有效功率,Smin为接收机的最小检测功率,Gt、Gr分别为发射机天线和接收机天线的增益,K值在发射频率确定的情况下基本是一个常量。要增大传输距离Rmax应从如下几个方面考虑:(1) 在发射机接50假负载,其功率不大于20mW的情况下,尽量提高发射机天线辐射的有效功率Pt。当f=35MHz时,=8.5657m,当拉杆天线长1m,直径3mm时,通过MATLAB仿真计算可得,拉杆天线的等效阻抗Zr为 式2-2由此可见,发射机输出端阻抗与天线严
19、重失配。为使天线辐射功率最大,如图2-3发射部分阻抗匹配示意图所示必须在天线端口接一个电感L,使L与CL形成串联谐振,抵消CL的作用。同时使发射机输出阻抗Ri=50与RL匹配,中间必须接一个降阻网络。图2-3 发射部分阻抗匹配示意图(2) 提高接收机灵敏度。提高接收机灵敏度(即降低接收机的Smin)与提高发射机天线辐射功率Pt对增加传输距离是同等重要的。故接收机采用超外差体制,并且对接收机要调准,使接收机灵敏度最高。(3) 在接收机输入端和拉杆天线之间必须加装升阻网络。一方面使天线阻抗与接收机输入阻抗匹配,同时加装一个电感,使之与天线等效电容形成串联谐振,接收机高放电路采用低阻抗输入的共基电路
20、。如果在天线输入端再加一级低噪声天线放大器,会提高接收机的灵敏度从而增加作用距离。(4)因本设计收发天线均采用拉杆天线或导线,其长度1m。为提高收发天线的增益,应使拉杆天线的长度等于1m或略小于1m。并且要注意收发信号时,使收发天线的极化一致,且方向调在最合适的位置。(5)当频率为35MHz时,波长为8.6m,其传输特性按直线传输,如果中间有障碍物则会产生反射和折射现象,对传输距离有很大的影响。所以测试应在空旷地方,中间不能有障碍物或屏蔽物。(6) 根据电波传输理论,如图2-4电波传输理论示意图所示。在距离为(2n-1)/4时,会出现波谷,收听效果最差;在距离为n/2时,会出现波峰,收听效果最
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