短波發射和接收機設計實驗

金偉正，左齊茹儀，李 佳，曹新莉

短波發射和接收機設計實驗

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絡控制的短波發射和接收機設計創新實驗，該機使用7.023 MHz短波波段，可以在數百公里內進行設備間的通信。采用通信電子線路中的基礎電路進行單元電路設計和系統構建，同時加入移動互聯控制模塊電路。該發射和接收機設計包括收發天線、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射機及接收機工作原理及設計方法。

通信電子線路；發射和接收機；網絡控制

“通信電子線路”是電子信息、通信類等專業本科生的主干基礎課程[1-3]，短波發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絡控制的短波發射接收機設計創新實驗案例。接收信號通過接收天線依次經過輸入信號處理模塊、混頻模塊、信號輸出模塊處理后，到耳機中進行監聽或通過Wi-Fi到手機中進行解調顯示信號，完成接收功能。手機產生發送信號，通過Wi-Fi控制發送信號模塊產生信號，并經過放大模塊[4]后由輸出天線發射出去，完成發射機功能。通過實驗，學生可以完整掌握短波發射接收機的原理及設計過程[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，同時理解互聯網+的應用，為通信電子電路設計打下良好的基礎。

1 原理及電路設計

本實驗設計一種使用9~13.8 V的交直流電源供電、具有移動互聯網絡控制的短波發射接收機，使用7.023 MHz短波波段（波長40 m），可以在數百公里內進行設備間的相互通信。設備具有移動網絡互聯控制的功能，采用具有智能網絡互聯的片上系統（SOC）芯片ESP8266與直接變換（DC）發送及接收機相結合，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，配置發送速率、發送數據、顯示發射和接收的數據，方便進行野外教學實驗。

圖1為短波發射接收機框圖，分為接收模塊、發射模塊、手機Wi-Fi模塊。

圖1 短波發送接收機框圖

（1）接收模塊。接收模塊的核心是U2（NE602）芯片，見圖2。混頻電路內部包括一個平衡混頻器，天線來的信號經過2個晶體濾波器后，進入混頻器，由晶體管Q1（9018）構成的振蕩電路（圖3）同時送出本振信號。2個信號經過混頻，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為基帶信號的接收機方案，稱為“DC接收機”。該模塊中還包括靜音模塊，用于在發射的時候關閉接收，同時Wi-Fi模塊內部定時器構成的本地振蕩器產生側音，輸出給耳機，使耳機跟隨拍發產生“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）發射模塊。發射部分利用晶體管Q1（圖3）做振蕩電路，然后以Q4（8050）（圖5）做緩沖放大和發射鍵控，控制收發電路和信號的切換，末級是由Q2（D882）構成的丙類放大器[7]，見圖5[8-9]。信號經放大后由1∶4輸出變壓器做匹配，再經過LPF濾波后接天線。圖6為濾波匹配網絡，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，支持自動發射，顯示發射信號序列時序。

圖5 振幅調制及丙類功率放大電路

圖6 濾波匹配網絡

圖7為短波發送和接收機的電路板。

圖7 短波發送接收機的電路板

2 實驗內容及測試結果

實驗內容主要包括：本振和振幅調制電路、緩沖放大電路、低頻放大電路、濾波匹配網絡、混頻電路、功率放大電路、靜音電路及Wi-Fi模塊電路的設計、焊接與調試等；觀察發射模塊振蕩器和各級放大器輸出的靜態信號，以及在自動發送信號狀態下的動態輸出；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試過程和重要數據的測試方法。

2.1 本振和振幅調制電路測試

本系統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很低，振幅很小，是為了在振幅調制電路中保證此級輸出的振蕩信號工作在線性時變狀態[8]。

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

在實驗中，先測試本振電路Q1發射極的輸出波形，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為440 mV，這是由于輸出振蕩信號經電阻R5和R27（圖3）分壓的緣故，使輸出幅度降低。

圖8 Q1發射極的輸出波形

圖9 CLK-OSC端的輸出波形

測試振幅調制及丙類功率放大電路時[9-10]，使電路處于發送模式，手動發射，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，改為測量經過低頻放大電路（圖4）后的信號，即對Receive端進行測試，實驗結果如圖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，支持自動發射，顯示發送信號序列。

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，按下電鍵可以觀察到相應LED發光，說明信號成功發射，在相應的APP上也可觀察到相應的發送信號以及解碼后的信號，顯示界面如圖14(a)所示。按下自動發信開關，在未按下電鍵的情況下信號也在不斷地向外發射，在相應的APP上也能觀察到相應的發射信號以及解碼后的信號，顯示界面如圖14(b)。結果顯示，Wi-Fi模塊工作正常。注意設備在接收狀態下不要開啟Wi-Fi。

圖14 信號接收和解碼顯示界面

2.4 收發測試

在上面的測試中，為防止意外發射造成設備燒毀，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象，如果有，應及時斷電診斷。上電幾十秒后，用手摸假負載，如果發熱說明有焊錯引起的意外發射，應及時斷電診斷。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別（接天線底噪聲大很多），則基本正常。

（2）發射測試。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射狀態。未發射狀態的電流為50 mA，發射狀態的電流約為400 mA，發射一段時間后假負載明顯發熱為正常。注意不可以長時間連續發射。

天線是短波發射接收機的關鍵，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 結論

本實驗內容涵蓋了“通信電子線路”教學的絕大部分內容，并加入了互聯網控制Wi-Fi內容，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，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

教育部產學合作協同育人項目（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，從事電子設計自動化和信號處理類的教學研究。E-mail: 6909753@qq.com