基于System View的AM超外差收音機的仿真設計與分析

李杏，任峻

（湖南農業大學 信息科學技術學院，湖南 長沙410128）

基于System View的AM超外差收音機的仿真設計與分析

李杏，任峻

（湖南農業大學 信息科學技術學院，湖南 長沙410128）

SystemView是一種適用于通信系統設計與仿真分析的軟件工具，可以對通信系統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構建了一個AM電臺廣播仿真系統，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，驗證了頻分復用和AM超外差收音機的原理，熟悉了AM電臺廣播系統的通信過程。

Systemview仿真；超外差收音機；幅度調制；頻分復用

隨著社會節奏的加快，產品的更新速度越來越快，引入仿真軟件進行前期的仿真設計和分析已是不可避免的事情。Systemview是強大的系統級仿真軟件，適合現代通信系統的設計、仿真和方案論證，尤其適合無線電話、尋呼機、調制解調器、衛星通信等通信系統，并能方便的對各種系統進行時域和頻域分析[1-2]。文中利用Systemview構建了一個AM電臺廣播系統，其中發送方采用3個AM信號發生器模擬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

超外差技術廣泛應用于無線通信系統中。超外差是利用本地產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）的復用信號。接收信號經高頻放大器放大，與本地振蕩器產生的本振信號（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值。由于接受信號為多個電臺信號的復用信號，因此本振頻率將根據所希望接受的電臺信號（fRF1）設置，并且頻率通常高于該電臺信號頻率，即所謂高邊調諧。因此，固定中頻頻率后，本振頻率為

根據公式（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用信號，因此和頻項與差頻項也有多個，分別對應不同電臺。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，可以使得進入解調器的相鄰信道的能量最小，由此產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過包絡解調后還原為音頻信號送給用戶。

2 AM電臺廣播系統與AM超外差收音機的System View仿真設計

基本的AM電臺廣播系統的仿真電路如圖2所示[3-4]。系統時間設置為采樣點數為8 192，采樣頻率為200 KHz。本電路主要用于說明超外差AM收音機的工作原理及信號解調過程。為了節省仿真時間，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中頻頻率設計，而采用了20 kHz作為中頻，因此系統采樣速率可設置為200 kHz。另外，設置了30 kHz、40 kHz、50 kHz3個載波頻率的發射信號（模擬3個電臺），模擬調制信號的帶寬為5 kHz以下。設希望接收的頻率為第2個電臺的頻率40 kHz，收音機使用高邊調諧，則本振（LO）應為：40+20=60 kHz。

圖2 AM電臺廣播仿真系統（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的實線左邊對應的是3個AM信號發生器，用來模擬3個電臺。每個AM信號發生器由調制信號（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的實線右邊對應的是超外差收音機。根據原理圖（圖1）。這里選擇第2個電臺為所希望接受的電臺。根據設置，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，根據公式（2），本振頻率為60 KHz（40 kHz+20 kHz）。接收到的復用信號（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。當將中頻濾波器設置為中心頻率為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。該信號通過包絡解調器后，將還原為電臺2的音頻信號。包絡解調器中的低通濾波器帶寬設置為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說明了頻分復用的原理。

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

復用信號（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對應的和頻項位于100 kHz和110 kHz附近，在窗口已經觀察不到了。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。可以看出，頻譜集中在[16 kHz,24 kHz]處，即僅電臺2的差頻項被保留。圖6為電臺2的調制信號通過包絡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，這驗證了仿真系統的正確性。

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

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

4 結論

文中使用SytemView構建了一個AM電臺廣播系統，其中接收方采用AM超外差收音機。通過波形和頻譜的分析，驗證了頻分復用和AM超外差收音機的原理，加深了相關理論知識的學習和理解，熟悉了AM電臺廣播系統的通信過程。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。