基于System View的AM超外差收音機的仿真設(shè)計與分析

李杏，任峻

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410128）

基于System View的AM超外差收音機的仿真設(shè)計與分析

李杏，任峻

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410128）

SystemView是一種適用于通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析的軟件工具，可以對通信系統(tǒng)的工作過程進行實時仿真分析。為了更深刻地理解AM電臺廣播系統(tǒng)和AM超外差收音機的工作原理和信號傳輸過程，本文使用Systemview構(gòu)建了一個AM電臺廣播仿真系統(tǒng)，其中接收方采用AM超外差收音機。通過利用SystemView強大的分析工具對傳輸過程中信號的波形和頻譜的進行觀測和分析，驗證了頻分復(fù)用和AM超外差收音機的原理，熟悉了AM電臺廣播系統(tǒng)的通信過程。

Systemview仿真；超外差收音機；幅度調(diào)制；頻分復(fù)用

隨著社會節(jié)奏的加快，產(chǎn)品的更新速度越來越快，引入仿真軟件進行前期的仿真設(shè)計和分析已是不可避免的事情。Systemview是強大的系統(tǒng)級仿真軟件，適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和方案論證，尤其適合無線電話、尋呼機、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)，并能方便的對各種系統(tǒng)進行時域和頻域分析[1-2]。文中利用Systemview構(gòu)建了一個AM電臺廣播系統(tǒng)，其中發(fā)送方采用3個AM信號發(fā)生器模擬3個電臺，接收方采用AM超外差收音機接受還原電臺信號。

1 AM超外差收音機的基本原理

超外差技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。超外差是利用本地產(chǎn)生的振蕩波與輸入信號混頻，將輸入信號頻率變換為某個預(yù)先確定的頻率的方法[3-6]。它最早由E.H.阿姆斯特朗提出，其典型應(yīng)用為超外差接收機。圖1為AM超外差收音機的原理框圖。

圖1 超外差收音機原理框圖Fig.1 Schematic diagram of superheterodyne receiver

接收信號（RF），為多個電臺信號（AM信號）的復(fù)用信號。接收信號經(jīng)高頻放大器放大，與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號（LO）相乘，得到中頻信號（IF）。中頻信號頻率為本振信號頻率與接收信號頻率之和或之差，即

因此可以通過改變本振頻率的方法使混頻后的中頻保持為固定的數(shù)值。由于接受信號為多個電臺信號的復(fù)用信號，因此本振頻率將根據(jù)所希望接受的電臺信號（fRF1）設(shè)置，并且頻率通常高于該電臺信號頻率，即所謂高邊調(diào)諧。因此，固定中頻頻率后，本振頻率為

根據(jù)公式（1），本振信號與接收信號通過乘法器混頻輸出后的中頻信號由和頻項（fLO+fRF）與差頻項（fLO-fRF）組成。由于接受信號為多個電臺信號的復(fù)用信號，因此和頻項與差頻項也有多個，分別對應(yīng)不同電臺。通過中頻濾波器將所有和頻項以及不希望接受電臺的差頻項屏蔽，僅讓期望接受電臺的差頻項通過。因此，中頻濾波器的中心頻率為設(shè)置的中頻頻率，帶寬為期望接受電臺的帶寬。實際的收音機電路中選擇陶瓷濾波器作為中頻濾波器。這種濾波器邊沿陡峭，可以使得進入解調(diào)器的相鄰信道的能量最小，由此產(chǎn)生的增益衰減可增加一級增益。通過中頻濾波器后，期望接受電臺信號經(jīng)過包絡(luò)解調(diào)后還原為音頻信號送給用戶。

2 AM電臺廣播系統(tǒng)與AM超外差收音機的System View仿真設(shè)計

基本的AM電臺廣播系統(tǒng)的仿真電路如圖2所示[3-4]。系統(tǒng)時間設(shè)置為采樣點數(shù)為8 192，采樣頻率為200 KHz。本電路主要用于說明超外差A(yù)M收音機的工作原理及信號解調(diào)過程。為了節(jié)省仿真時間，在本圖中沒有按實際收音機的頻率覆蓋范圍540～1700 kHz和455 kHz中頻頻率設(shè)計，而采用了20 kHz作為中頻，因此系統(tǒng)采樣速率可設(shè)置為200 kHz。另外，設(shè)置了30 kHz、40 kHz、50 kHz3個載波頻率的發(fā)射信號（模擬3個電臺），模擬調(diào)制信號的帶寬為5 kHz以下。設(shè)希望接收的頻率為第2個電臺的頻率40 kHz，收音機使用高邊調(diào)諧，則本振（LO）應(yīng)為：40+20=60 kHz。

圖2 AM電臺廣播仿真系統(tǒng)（接收方采用超外差收音機）Fig.2 The simulation system of AM broadcast communication system(Its recipient is superheterodyne receiver)

在圖2的實線左邊對應(yīng)的是3個AM信號發(fā)生器，用來模擬3個電臺。每個AM信號發(fā)生器由調(diào)制信號（音頻信號）與正弦載波信號相乘而得。由于由語音直接轉(zhuǎn)換的音頻信號為截止頻率不超過5 kHz的低頻模擬信號，因此，設(shè)置3個電臺的音頻信號分別為掃頻帶寬為3 kHz、4 kHz和5 kHz，調(diào)制度均為1的掃頻信號（模塊1、4、10）。它們的載波信號分別為30 kHz、40 kHz和50 kHz，振幅均為1 V的正弦載波（模塊0、5、11）。加法器（模塊12）輸出3個電臺的復(fù)用信息。因此輸出的AM信號中心頻率為40 kHz，帶寬為8 kHz。

在圖2的實線右邊對應(yīng)的是超外差收音機。根據(jù)原理圖（圖1）。這里選擇第2個電臺為所希望接受的電臺。根據(jù)設(shè)置，它是中心頻率為40 kHz，帶寬為8 kHz的AM信號。由于中頻固定為20 kHz，根據(jù)公式（2），本振頻率為60 KHz（40 kHz+20 kHz）。接收到的復(fù)用信號（RF）首先與本振（頻率60 kHz、振幅1 V的正弦載波）相乘，輸出混頻信號。根據(jù)公式（1），混頻信號中3個電臺的差頻項與和頻項分別如表1所示。

表1 3個電臺的差頻項與和頻項Tab.1 The difference frequency and sum frequency of three broadcasting stations

顯然，這六項信號的頻譜互不重疊，因此它們互不干擾。當(dāng)將中頻濾波器設(shè)置為中心頻率為20 kHz，帶寬為10 kHz切比契夫帶通濾波器時，通過該濾波器后僅電臺2的差頻信號被完整保留，而其他5項信號被完全屏蔽。該信號通過包絡(luò)解調(diào)器后，將還原為電臺2的音頻信號。包絡(luò)解調(diào)器中的低通濾波器帶寬設(shè)置為5 kHz，比電臺2中音頻信號的帶寬略大，從而保證低頻的音頻信號通過，并完全屏蔽高頻信號。

3 AM超外差收音機System View仿真分析

3個電臺信號的復(fù)用信號（RF）頻譜如圖3所示。從圖中可看出，3個電臺的中心頻率分別為各自的載波頻率：30 kHz、40 kHz、50 kHz，帶寬為各自音頻信號帶寬的2倍，即6 kHz、8 kHz、10 kHz。從圖3中可以明顯看出3個電臺的頻譜互不重疊，從而保證了3個電臺可以在同一個信道中傳輸而不會相互干擾。圖3說明了頻分復(fù)用的原理。

圖3 RF信號頻譜圖Fig.3 The spectrum of RF signal

復(fù)用信號（RF）與60 kHz的本振信號混頻后輸出的頻譜如圖4所示。圖4中有3個電臺的差頻項，其頻譜從左到右分別為：[5 kHz,15 kHz]、[16 kHz,24 kHz]、[27 kHz,33 kHz]，分別對應(yīng)電臺3、2、1。在[87 kHz,93 kHz]的頻帶處有電臺1混頻輸出的和頻項，電臺2和3對應(yīng)的和頻項位于100 kHz和110 kHz附近，在窗口已經(jīng)觀察不到了。圖4所示的混頻信號中3個電臺的差頻項與和頻項的頻譜與表1分析一致，這驗證了超外差收音機的原理。

圖4 RF信號與本振混頻后的混頻信號頻譜圖Fig.4 The spectrum of MIX signal of RF signal and LO signal

圖5為圖4中的混頻信號通過中頻濾波器后的信號頻譜?？梢钥闯觯l譜集中在[16 kHz,24 kHz]處，即僅電臺2的差頻項被保留。圖6為電臺2的調(diào)制信號通過包絡(luò)檢波器所還原的信號波形與電臺2的原始掃頻信號的波形的比較。從圖6可以明顯看到，還原的信號波形和原始掃頻信號波形一致，這驗證了仿真系統(tǒng)的正確性。

圖5 中頻信號頻譜圖Fig.5 The spectrum of IF signal

圖6 解調(diào)信號與原始信號對比圖Fig.6 Compare the waveform of the demodulated signal and the original signal

4 結(jié)論

文中使用SytemView構(gòu)建了一個AM電臺廣播系統(tǒng)，其中接收方采用AM超外差收音機。通過波形和頻譜的分析，驗證了頻分復(fù)用和AM超外差收音機的原理，加深了相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)和理解，熟悉了AM電臺廣播系統(tǒng)的通信過程。參考文獻：

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Simulation and analysis of the AM superheterodyne receiver based on System View

LI Xing,REN Jun
（College of Information Science and Technology,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China)

System View is a software which is suitable for simulation and analysis of communication system.It can simulate and analyze the work process of communication system in real time.In order to understand the working principle and signal transfer process of AM broadcast communication system and AM superheterodyne receiver more deeply,we use Systemview to build a simulation system of AM broadcast communication system.Its recipient is AM superheterodyne receiver.By using the strong analysis tools of SystemView to observe and analyze waveforms and spectrums in the signal transfer process,we verify the working principle of frequency division multiplexing and AM superheterodyne receiver,and understand the communication process of AM broadcast system.

Simulation based on SystemView;superheterodyne receiver;amplitude modulation;frequency division multiplexing

TN914.1

A

1674－6236（2015）10-0018-03

2014-07-23 稿件編號：201407181

李 杏(1983—)，女，湖南岳陽人。研究方向：通信工程。