短波發(fā)射和接收機設(shè)計實驗

金偉正，左齊茹儀，李 佳，曹新莉

短波發(fā)射和接收機設(shè)計實驗

金偉正1，左齊茹儀1，李 佳1，曹新莉2

（1. 武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430072；2. 武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430025）

介紹一種具有移動網(wǎng)絡(luò)控制的短波發(fā)射和接收機設(shè)計創(chuàng)新實驗，該機使用7.023 MHz短波波段，可以在數(shù)百公里內(nèi)進行設(shè)備間的通信。采用通信電子線路中的基礎(chǔ)電路進行單元電路設(shè)計和系統(tǒng)構(gòu)建，同時加入移動互聯(lián)控制模塊電路。該發(fā)射和接收機設(shè)計包括收發(fā)天線、輸入信號處理模塊、混頻模塊、音頻信號輸出模塊、控制和Wi-Fi模塊等，很適合于通信電子線路綜合實驗教學，學生通過實驗可全面地理解和掌握發(fā)射機及接收機工作原理及設(shè)計方法。

通信電子線路；發(fā)射和接收機；網(wǎng)絡(luò)控制

“通信電子線路”是電子信息、通信類等專業(yè)本科生的主干基礎(chǔ)課程[1-3]，短波發(fā)射和接收機涵蓋了通信電子線路課程教學中的所有重點、難點。本文介紹一種具有移動網(wǎng)絡(luò)控制的短波發(fā)射接收機設(shè)計創(chuàng)新實驗案例。接收信號通過接收天線依次經(jīng)過輸入信號處理模塊、混頻模塊、信號輸出模塊處理后，到耳機中進行監(jiān)聽或通過Wi-Fi到手機中進行解調(diào)顯示信號，完成接收功能。手機產(chǎn)生發(fā)送信號，通過Wi-Fi控制發(fā)送信號模塊產(chǎn)生信號，并經(jīng)過放大模塊[4]后由輸出天線發(fā)射出去，完成發(fā)射機功能。通過實驗，學生可以完整掌握短波發(fā)射接收機的原理及設(shè)計過程[5-6]，加深對通信電子線路知識的理解。本實驗旨在提升學生對本門課程的興趣以及實踐動手能力，同時理解互聯(lián)網(wǎng)+的應(yīng)用，為通信電子電路設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

1 原理及電路設(shè)計

本實驗設(shè)計一種使用9~13.8 V的交直流電源供電、具有移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制的短波發(fā)射接收機，使用7.023 MHz短波波段（波長40 m），可以在數(shù)百公里內(nèi)進行設(shè)備間的相互通信。設(shè)備具有移動網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)控制的功能，采用具有智能網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的片上系統(tǒng)（SOC）芯片ESP8266與直接變換（DC）發(fā)送及接收機相結(jié)合，在性能和實用性方面有了很大的改善。在功能上，支持Wi-Fi模塊，與手機APP連接，配置發(fā)送速率、發(fā)送數(shù)據(jù)、顯示發(fā)射和接收的數(shù)據(jù)，方便進行野外教學實驗。

圖1為短波發(fā)射接收機框圖，分為接收模塊、發(fā)射模塊、手機Wi-Fi模塊。

圖1 短波發(fā)送接收機框圖

（1）接收模塊。接收模塊的核心是U2（NE602）芯片，見圖2。混頻電路內(nèi)部包括一個平衡混頻器，天線來的信號經(jīng)過2個晶體濾波器后，進入混頻器，由晶體管Q1（9018）構(gòu)成的振蕩電路（圖3）同時送出本振信號。2個信號經(jīng)過混頻，直接把SSB/CW信號混頻為基帶信號，U2輸出的基帶信號的差分信號再送給U3（NE5532）（圖4）芯片做有源低通濾波和基帶信號放大，完成整個接收過程。低頻放大電路直接將射頻信號混頻變?yōu)榛鶐盘柕慕邮諜C方案，稱為“DC接收機”。該模塊中還包括靜音模塊，用于在發(fā)射的時候關(guān)閉接收，同時Wi-Fi模塊內(nèi)部定時器構(gòu)成的本地振蕩器產(chǎn)生側(cè)音，輸出給耳機，使耳機跟隨拍發(fā)產(chǎn)生“滴滴答答”基帶信號。

圖2 混頻電路

圖3 本振電路

圖4 低頻放大電路

（2）發(fā)射模塊。發(fā)射部分利用晶體管Q1（圖3）做振蕩電路，然后以Q4（8050）（圖5）做緩沖放大和發(fā)射鍵控，控制收發(fā)電路和信號的切換，末級是由Q2（D882）構(gòu)成的丙類放大器[7]，見圖5[8-9]。信號經(jīng)放大后由1∶4輸出變壓器做匹配，再經(jīng)過LPF濾波后接天線。圖6為濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，其作用是使天線阻抗與前級阻抗進行匹配。

（3）Wi-Fi模塊。該模塊對于發(fā)射接收機來說是可選模塊，如果不使用該模塊就需要短接JP1，則成為一款只支持手動的普通電臺。如果使用該模塊就需要斷開JP1，則可以通過Wi-Fi與手機APP通信，配置電臺參數(shù)，支持自動發(fā)射，顯示發(fā)射信號序列時序。

圖5 振幅調(diào)制及丙類功率放大電路

圖6 濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

圖7為短波發(fā)送和接收機的電路板。

圖7 短波發(fā)送接收機的電路板

2 實驗內(nèi)容及測試結(jié)果

實驗內(nèi)容主要包括：本振和振幅調(diào)制電路、緩沖放大電路、低頻放大電路、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)、混頻電路、功率放大電路、靜音電路及Wi-Fi模塊電路的設(shè)計、焊接與調(diào)試等；觀察發(fā)射模塊振蕩器和各級放大器輸出的靜態(tài)信號，以及在自動發(fā)送信號狀態(tài)下的動態(tài)輸出；觀察示波器顯示波形，混頻失真度，分析各級放大器的增益等部分。由于篇幅限制，本文僅給出部分核心電路的詳細調(diào)試過程和重要數(shù)據(jù)的測試方法。

2.1 本振和振幅調(diào)制電路測試

本系統(tǒng)的高頻振蕩電路為電容三點式晶體振蕩電路（見圖3），C27分別為BE級與CE級之間的回路電容，晶體振蕩器Y1作為回路電感使用，經(jīng)分壓后輸出頻率為7.032 MHz的振蕩信號為CLK-OSC，二極管D7限制信號始終為正值，降低功耗。此處的輸出振蕩信號的分壓系數(shù)很低，振幅很小，是為了在振幅調(diào)制電路中保證此級輸出的振蕩信號工作在線性時變狀態(tài)[8]。

振幅調(diào)制及丙類功率放大電路（圖5），由本振電路產(chǎn)生的載波信號從Q2基極接入，調(diào)制信號從Q4基極接入，從Q2集電極輸出已調(diào)信號，再經(jīng)過由變壓器T1、晶體管Q3和變壓器T2構(gòu)成的丙類功率放大電路[10]，放大后的信號經(jīng)T2的Send端輸出。

在實驗中，先測試本振電路Q1發(fā)射極的輸出波形，如圖8所示，振蕩信號頻率為7.032 MHz，幅度為12.8 V。再測試CLK-OSC端的輸出波形，如圖9所示，此時輸出信號幅度變?yōu)?40 mV，這是由于輸出振蕩信號經(jīng)電阻R5和R27（圖3）分壓的緣故，使輸出幅度降低。

圖8 Q1發(fā)射極的輸出波形

圖9 CLK-OSC端的輸出波形

測試振幅調(diào)制及丙類功率放大電路時[9-10]，使電路處于發(fā)送模式，手動發(fā)射，測試Send端的輸出波形，圖10(a)、(b)分別為手動模式下不同時刻所記錄的Send端輸出波形圖。

2.2 混頻器及低頻放大電路測試

混頻模塊采用含U2（NE602）芯片（圖2）的平衡混頻器，用于將濾波后的天線信號和Q1構(gòu)成的振蕩電路送出的本振信號進行混頻，輸出0~3 kHz的基帶信號。

在實驗中，對混頻器的Mix端進行測試，得到混頻器INA管腳的輸入信號見圖11。再對混頻器的輸出信號進行測試，該信號為差分輸出信號，不易測量，改為測量經(jīng)過低頻放大電路（圖4）后的信號，即對Receive端進行測試，實驗結(jié)果如圖12所示。

圖11 混頻器INA端輸入信號

圖12 低頻放大電路Receive端的輸出信號

2.3 Wi-Fi模塊測試

圖13為Wi-Fi模塊電路[11]，是本機的可選模塊，如果不使用該模塊就需要短接JP1，則成為一款只支持手動的普通電臺。如果使用該模塊就需要斷開JP1，則可以通過Wi-Fi與手機APP通信，配置電臺參數(shù)，支持自動發(fā)射，顯示發(fā)送信號序列。

圖13 Wi-Fi模塊電路

在實驗測試中，取下跳線帽JP1，點擊Wi-Fi模塊開關(guān)，按下電鍵可以觀察到相應(yīng)LED發(fā)光，說明信號成功發(fā)射，在相應(yīng)的APP上也可觀察到相應(yīng)的發(fā)送信號以及解碼后的信號，顯示界面如圖14(a)所示。按下自動發(fā)信開關(guān)，在未按下電鍵的情況下信號也在不斷地向外發(fā)射，在相應(yīng)的APP上也能觀察到相應(yīng)的發(fā)射信號以及解碼后的信號，顯示界面如圖14(b)。結(jié)果顯示，Wi-Fi模塊工作正常。注意設(shè)備在接收狀態(tài)下不要開啟Wi-Fi。

圖14 信號接收和解碼顯示界面

2.4 收發(fā)測試

在上面的測試中，為防止意外發(fā)射造成設(shè)備燒毀，必須在J1 ANT處接上51W電阻作為假負載。上電后觀察是否有焊錯引起的燒毀冒煙現(xiàn)象，如果有，應(yīng)及時斷電診斷。上電幾十秒后，用手摸假負載，如果發(fā)熱說明有焊錯引起的意外發(fā)射，應(yīng)及時斷電診斷。連接8W普通耳機，上電后會聽到“嘩嘩”的底噪聲，說明聲音放大部分工作正常。

（1）接收測試。在工作全部正常的情況下，開始測試接收電路，取下假負載，上電聽底噪聲，再接上天線，聽底噪聲，如果兩者聲音有很大區(qū)別（接天線底噪聲大很多），則基本正常。

（2）發(fā)射測試。接假負載，在未接Wi-Fi模塊的情況下，JP1插上跳線帽（短路），接入手動電鍵，上電，此時點擊電鍵就會進入發(fā)射狀態(tài)。未發(fā)射狀態(tài)的電流為50 mA，發(fā)射狀態(tài)的電流約為400 mA，發(fā)射一段時間后假負載明顯發(fā)熱為正常。注意不可以長時間連續(xù)發(fā)射。

天線是短波發(fā)射接收機的關(guān)鍵，要求使用頻率為7 MHz、阻抗為50W、駐波在1.5以下的天線，實際用的是水平架設(shè)的GP天線。

在相距20 km的武漢大學電子信息學院實驗中心和武漢工程大學電氣信息學院實驗中心之間成功進行了通信，取得了非常好的效果。表1給了測試不同信號的效果。

表1 測試效果

3 結(jié)論

本實驗內(nèi)容涵蓋了“通信電子線路”教學的絕大部分內(nèi)容，并加入了互聯(lián)網(wǎng)控制Wi-Fi內(nèi)容，具有很強的綜合性，能較為全面地考察學生對課本知識的理解以及實際的動手能力。通過實驗，學生將對“通信電子線路”課程有更深入的了解，并對書本知識學以致用，提高實踐能力。該整體方案成功地取得了新型實用專利的授權(quán)，具有很強的實用性。

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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

教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（201801244007）

金偉正（1966—），男，湖北武漢，博士，副教授，從事高頻電子線路教學和軟件無線電等的科研工作。E-mail: jwz@whu.edu.cn

曹新莉（1977—），女，陜西西安，博士，副教授，從事電子設(shè)計自動化和信號處理類的教學研究。E-mail: 6909753@qq.com