基于MATLAB的调频立体声广播设计

基于MATLAB的调频立体声广播设计

摘要

本文利用无线通信信道的远距离语音传输业务，是近年来发展很快的一门技术。由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发送信息。调频发射器可以使音频信息传送到附近的任意FM接收机。本设计选择了ROHM的BH1417F集成电路产生调频调制发射信号的频率。芯片的主要特征:体积小，准确性高，而且容易产生发射频率。这个系统的各个部分可以进行深入的独立设计研究，本设计把它们组合成一个典型的调频发射系统。本设计使用模拟调频技术，在88MHz--108MHz，调制信号频率范围为100~15000HZ，最大频偏为75kHz,最大不失真输出功率大于或等于100mW .的频段上，实现了线路输入语音信号的小功率远距离单工发送。系统发射功率大约20mW，发射距离大于100m，本系统可实现保真度较高的语音传输。

关键词：调频；语音传输；ROHM； BH1417F

第1章绪论 1

1.1 概述 1

1.2 研究意义 1

1.3 设计要求 1

第2章系统设计方案 2

2.1 设计流程 2

2.2 系统组成 2

2.3 方案论证 2

第3章器件及其选择 8

3.1 调频立体声 8

3.2 调频基本原理 9

3.3 调频发射芯片 9

第4章系统硬件设计 19

4.1 立体声调频发射电路设计 19

4.1.1 立体声调频发射电路 20

4.1.2 第一次调制 21

4.1.3 第二次调制 23

4.1.4 频率控制表 26

4.2 功率放大电路设计 27

4.3 电源电路设计 28

第5章 matlab系统仿真 30

5.1 仿真软件介绍 30

5.2 音频放大部分的仿真 30

5.3 振荡调制部分的仿真 31

5.4 倍频放大部分的仿真 32

第6章系统调试 34

6.1 系统调试 34

6.2 指标测试与性能分析 34

6.2.1 指标测试 34

6.2.2 性能分析 35

总结 36

参考文献 38

附录1：电路原理图 39

附录2：外文原文，译文 41

致谢 58

第1章绪论

1.1 概述

调频方式是1935年在美国的实验室证明可以用来作为广播的一种调制方式。

1941年5月，美国首先开始在43～50MHz波段进行调频广播（随后频率改变为88～108MHz），但发展缓慢。在1958年开始双声道调频立体声广播，并在1961年，美国联邦通信委员会（FCC）决定采用AM－FM制（GE－Zenith制式，即我们现在所说的导频制）为立体声调频广播制式。由于这一制式的确立，调频立体声广播从此在世界各发达国家迅速开展，例如苏联从1959年，原西德从1963年，日本从1962年开始立体声调频广播。

在欧洲，调频广播得到了更加积极和广泛的实施，因为这种方式解决了在比较密集狭小的地区内，中波广播频带不够分配而导致的串台现象严重的问题。而在日本开始采用调频广播的目的是它可以排除邻国中波台的串扰，提高广播音质，并在70年代以后得到迅猛的发展。

在我国，上世纪50年代末就开始了试验性调频广播，当时主要用于节目传输。对于新中国来说，在相当长的时间内，广播首先要解决幅员辽阔、人口覆盖的问题和对外的宣传问题，因此中波广播和短波广播是更为有效的方式。

进入上世纪80年代以后，直至2000年以前，随着“四级办广播”的指导方针的确定，极大地调动了各地方办台的积极性，调频广播方式开始为各级电台所采纳。随着电子元器件的发展和通讯技术的进步，到80年代后期我国的调频广播迅速的发展起来。中央及省级调频台大部分采用10kW功率等级电子管发射机，发射台一般设置在高山上和电视塔上，覆盖着城市稠密的人群；中小城市一般采用自立式铁塔作支撑架设天线，多采用300W～5kW电子管发射机；而县乡城镇多采用小调频10W～100W。

到上世纪90年代初，我国的调频发射机研制生产能力已得到长足的进步，陆续推出了300W、1kW的全固态调频立体声广播发射机，并能批量生产。此后调频广播主要向立体声、多功能附加信道、全固态方向发展，对设备性能要求越来越高，节目内容也越来越丰富，新闻、教育、文化、科技宣传、娱乐和各种广告等各种信息服务应有尽有，极大的丰富了人们的业余文化生活，听众参与节目十分踊跃，这一时期是调频广播发展的鼎盛时期。

目前国内的广播发射设备制造厂商已能提供从10W～10kW各种功率等级的全固态调频立体声广播发射机，包括天馈系统在内的整个环节都已实现了国产化。

本书以1kW全固态调频立体声广播发射机为参考机型，讲述调频立体声广播发射机的原理、操作与维护。

在当今的调频广播发送技术中，为了适应对发射机输出频率稳定度和频率准确度的严格要求，以及方便更换发射机频率的需要。为此设计了一种具有锁相功能的调频广播发射机，通过拨码开关控制频率锁相环，可以灵活地改变发射频率。

本设计分为六大部分，详细介绍了立体声调频发射机硬件的设计过程。在设计过程中阅读了大量的有关书籍和论文，在此向这些书籍和论文的作者表示感谢。

调频广播经历了六十多年的发展，技术上已经比较成熟，但大多数调频发射机仍然存在发射频率固定单一的问题。由于国家对无线广播频段的划分和管理，使得不同地区有不同频段的发射权，每个单位所分配的发射频率也是不一样的。因此不同用户对发射频率的要求各不相同，但是厂商不可能生产频率各异的发射机，这样明显不符合工业批量生产的要求。那么就需要使发射机按照使用者的意愿，在一定频带范围内灵活地改变发射频率。这样用户就可以根据具体情况来设定载波频率。本文中设计的数字立体声调频发射机就可以解决这一问题。为了实现精准的数字化控制并达到立体声收音效果，本设计使用了专用发射芯BH1417F。

1.2 研究意义

目前各大中型学校，普遍利用调频发射机进行英语听力训练和考试。如果在发射听力信号前，发现在预置发射频道上受到强烈干扰，使用本文所设计的发射机就可以自由改变载波频率，另外选择一个频道发送信号，操作简单快捷，同时又不会干扰覆盖范围之外的听众正常收音。而且校园广播覆盖的范围较小，没有必要采用大功率的发射机，所以本设计非常适用于校园无线调频广播教学。

该发射机采用立体声调频技术和数字化控制技术，听众能感觉到强劲的立体声效果，并且成本不高，对推广这种产品很有利，所以该题目有一定的研究价值。

1.3 设计要求

本设计的任务是设计一台小功率无线立体声调频发射机，相关技术指标要求如下：

1、基本要求：

（1）发射信号类型：调频信号，20Hz~20KHz音频信号。

（2）采用的主要发射技术方案：立体声发射，方式自定；

（3）发射频率范围：88-108MHz，任选一个或多个频点；

（4）频率稳定度：±10ppm；

（5）有效范围： ≥100米；

总结

1. 主要工作

本设计以调频发射芯片BH1417F为核心，对功率放大电路以及电源做了相应的研究。主要的工作情况如下：

（1）了解了小功率立体声调频发射机的现状和发展趋势，本课题来源及研究的现实意义；

（2）提出系统总体设计方案，进行方案对比，提出系统构架；

（3）学习了日本东洋公司生产的BH1417F芯片；

（4）着重学习了调频发射原理，锁相环电路等，包括芯片内部原理的理解和外围电路的构建；

（5）设计各单元电路；

使用BH1417F设计的小功率调频发射器不仅设计简单方便，而且体积小，可靠性高，频率设定灵活，可有效德避开当地或邻近的调频台干扰，并且非常适合与放音机、CD、电脑等媒体播放器集成，可制成无线音响，耳机，还可广泛应用于学校教师内小范围的音频无线调频转播。因为其工作频率从变化较宽，其功率放大级的选频回路带通应较宽，与市场的单点调频发射器相比，发射功率不是很高。

2. 进一步改进

此发射机接上约50cm长的电线做天线，在开阔地段有效发射距离大概是100米左右，对于在家庭房间内接收音乐或使用无线话筒而言已经足够。但是，如果你要使用在其他场合的话，需要提高发射功率，也就是在天线输出的地方加上高频功率放大器。

另外，由于BH1417F的发射频率是调整15、16、17、18这4个管脚的电平进行控制的。所以，上述电路DIY成的FM调频立体声发射器在调整发射频率时不是很方便。为了提高实用性，可以进一步使用常规数字电路74HC4040，对BH1417F的4个频率设管脚的电平进行控制。

3. 心得体会

这次设计让我受益匪浅！在设计中真正体会到了理论与实践的距离。

器件的选型是一个比较麻烦而又相当关键的过程。选器件的时候既要考虑其技术参数，还要考虑购买难易程度，价格高低等。特别是有的参考文献上介绍的经典电路，上面的器件可能是很多年前的型号，有可能是已经停产的器件。

总的来说，从毕业设计中我学到了很多专业知识，锻炼了独立思考、独立设计能力。有的东西看起来很简单，实践了才知道难易。总之通过这次的毕业设计，让我深刻的体会到，理论联系实践，培养自学能力跟动手能力是很重要的，利用网络资源，查找相关的资料，把其转化为自己有用的知识，这样能更好的懂得和应用。这次的设计，由于时间较短，很多地方都还不是很完善，不过，在今后的工作中，我会更加的严格要求自己，努力做到最好。

毕业设计完了，但是学习将是一辈子的事，没有终点。书山有路勤为径，学海无涯苦作舟！

参考文献

[1] 张庆双.电源应用电路集粹[M].机械工业出版社，2005.2.

[2] 曹志刚、钱亚生.现代通信原理[M].北京：清华大学出版社，2004.11.

[3] 高吉祥.高频电子线路[M].北京：电子工业出版社，2003.

[4] 张伟、王力.Protel DXP入门与提高[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[5] 陈邦嫒射频通信电路科学出版社2002.8

[6] 刘泉主编通信电子线路第二版武汉理工大学出版社2005 .01

[7] 张冠百锁相与频率合成技术电子工业出版社1990

[8] 王康寿、丁钟琦.体管高频放大器的最佳匹配[J] ，海南大学学报，2006，03（01）.

[9] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2002.

[10] 陈永甫. 实用无线电遥控电路.人民邮电出版社, 2007

[11] 李桂华.CMOS锁相环PLL的设计研究[J].半导体杂志，2000，25（3）：30-37 .

[12] 李峰、郭德淳. 使用VCO实现变容二极管直接调频[J].今日电子，2005，03(1): 15-20.

[13] 孙耀贤、张宇平.利用MC12149实现多通道锁相调频发射机[J].河北省科学院学报，2000，17（2）：103-106.

[14] 王建成、明杨.压控变容二极管电容特性的解析表达式[J].华侨大学学报，2002，01：20-25..

[15] 黎明.调频发射机自动控制器[J].西部广播电视，2001，04（01）：40-47.

[16] 夏书峰、冯林、吴振宇. 室外广播用锁相环调频无线扩声系统[J]. 电声技术，2002，11.

[17] 向红军、雷彬.基于Protel DXP的电路设计与仿真[J].电子工程师，2006，04（01）.

[18] Amr N. Hafez and M. I. Elmasry.A Novel Low Power Low Phase-Noise PLL Architecture for Wireless Transceivers. VLSI Research Group University of Waterloo，2003.

[19] A.J.Viterbi: ”Acquisition and Tracking Behavior of Phase-Locked Loops”, JPL External Publication No. 673, July 14, 1999.

[20] Roland E.Best.Phase-locked loops design, Simulation, and applications.清华大学出版社，2003.

[21] P.Z.Peebles,Jr.,Communication System Principles,Addison-Wesley PublishingCo,2003.