基于System View的AM超外差收音机的仿真设计与分析

李杏，任峻

（湖南农业大学 信息科学技术学院，湖南 长沙410128）

基于System View的AM超外差收音机的仿真设计与分析

李杏，任峻

（湖南农业大学 信息科学技术学院，湖南 长沙410128）

SystemView是一种适用于通信系统设计与仿真分析的软件工具，可以对通信系统的工作过程进行实时仿真分析。为了更深刻地理解AM电台广播系统和AM超外差收音机的工作原理和信号传输过程，本文使用Systemview构建了一个AM电台广播仿真系统，其中接收方采用AM超外差收音机。通过利用SystemView强大的分析工具对传输过程中信号的波形和频谱的进行观测和分析，验证了频分复用和AM超外差收音机的原理，熟悉了AM电台广播系统的通信过程。

Systemview仿真；超外差收音机；幅度调制；频分复用

随着社会节奏的加快，产品的更新速度越来越快，引入仿真软件进行前期的仿真设计和分析已是不可避免的事情。Systemview是强大的系统级仿真软件，适合现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合无线电话、寻呼机、调制解调器、卫星通信等通信系统，并能方便的对各种系统进行时域和频域分析[1-2]。文中利用Systemview构建了一个AM电台广播系统，其中发送方采用3个AM信号发生器模拟3个电台，接收方采用AM超外差收音机接受还原电台信号。

1 AM超外差收音机的基本原理

超外差技术广泛应用于无线通信系统中。超外差是利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预先确定的频率的方法[3-6]。它最早由E.H.阿姆斯特朗提出，其典型应用为超外差接收机。图1为AM超外差收音机的原理框图。

图1 超外差收音机原理框图Fig.1 Schematic diagram of superheterodyne receiver

接收信号（RF），为多个电台信号（AM信号）的复用信号。接收信号经高频放大器放大，与本地振荡器产生的本振信号（LO）相乘，得到中频信号（IF）。中频信号频率为本振信号频率与接收信号频率之和或之差，即

因此可以通过改变本振频率的方法使混频后的中频保持为固定的数值。由于接受信号为多个电台信号的复用信号，因此本振频率将根据所希望接受的电台信号（fRF1）设置，并且频率通常高于该电台信号频率，即所谓高边调谐。因此，固定中频频率后，本振频率为

根据公式（1），本振信号与接收信号通过乘法器混频输出后的中频信号由和频项（fLO+fRF）与差频项（fLO-fRF）组成。由于接受信号为多个电台信号的复用信号，因此和频项与差频项也有多个，分别对应不同电台。通过中频滤波器将所有和频项以及不希望接受电台的差频项屏蔽，仅让期望接受电台的差频项通过。因此，中频滤波器的中心频率为设置的中频频率，带宽为期望接受电台的带宽。实际的收音机电路中选择陶瓷滤波器作为中频滤波器。这种滤波器边沿陡峭，可以使得进入解调器的相邻信道的能量最小，由此产生的增益衰减可增加一级增益。通过中频滤波器后，期望接受电台信号经过包络解调后还原为音频信号送给用户。

2 AM电台广播系统与AM超外差收音机的System View仿真设计

基本的AM电台广播系统的仿真电路如图2所示[3-4]。系统时间设置为采样点数为8 192，采样频率为200 KHz。本电路主要用于说明超外差AM收音机的工作原理及信号解调过程。为了节省仿真时间，在本图中没有按实际收音机的频率覆盖范围540～1700 kHz和455 kHz中频频率设计，而采用了20 kHz作为中频，因此系统采样速率可设置为200 kHz。另外，设置了30 kHz、40 kHz、50 kHz3个载波频率的发射信号（模拟3个电台），模拟调制信号的带宽为5 kHz以下。设希望接收的频率为第2个电台的频率40 kHz，收音机使用高边调谐，则本振（LO）应为：40+20=60 kHz。

图2 AM电台广播仿真系统（接收方采用超外差收音机）Fig.2 The simulation system of AM broadcast communication system(Its recipient is superheterodyne receiver)

在图2的实线左边对应的是3个AM信号发生器，用来模拟3个电台。每个AM信号发生器由调制信号（音频信号）与正弦载波信号相乘而得。由于由语音直接转换的音频信号为截止频率不超过5 kHz的低频模拟信号，因此，设置3个电台的音频信号分别为扫频带宽为3 kHz、4 kHz和5 kHz，调制度均为1的扫频信号（模块1、4、10）。它们的载波信号分别为30 kHz、40 kHz和50 kHz，振幅均为1 V的正弦载波（模块0、5、11）。加法器（模块12）输出3个电台的复用信息。因此输出的AM信号中心频率为40 kHz，带宽为8 kHz。

在图2的实线右边对应的是超外差收音机。根据原理图（图1）。这里选择第2个电台为所希望接受的电台。根据设置，它是中心频率为40 kHz，带宽为8 kHz的AM信号。由于中频固定为20 kHz，根据公式（2），本振频率为60 KHz（40 kHz+20 kHz）。接收到的复用信号（RF）首先与本振（频率60 kHz、振幅1 V的正弦载波）相乘，输出混频信号。根据公式（1），混频信号中3个电台的差频项与和频项分别如表1所示。

表1 3个电台的差频项与和频项Tab.1 The difference frequency and sum frequency of three broadcasting stations

显然，这六项信号的频谱互不重叠，因此它们互不干扰。当将中频滤波器设置为中心频率为20 kHz，带宽为10 kHz切比契夫带通滤波器时，通过该滤波器后仅电台2的差频信号被完整保留，而其他5项信号被完全屏蔽。该信号通过包络解调器后，将还原为电台2的音频信号。包络解调器中的低通滤波器带宽设置为5 kHz，比电台2中音频信号的带宽略大，从而保证低频的音频信号通过，并完全屏蔽高频信号。

3 AM超外差收音机System View仿真分析

3个电台信号的复用信号（RF）频谱如图3所示。从图中可看出，3个电台的中心频率分别为各自的载波频率：30 kHz、40 kHz、50 kHz，带宽为各自音频信号带宽的2倍，即6 kHz、8 kHz、10 kHz。从图3中可以明显看出3个电台的频谱互不重叠，从而保证了3个电台可以在同一个信道中传输而不会相互干扰。图3说明了频分复用的原理。

图3 RF信号频谱图Fig.3 The spectrum of RF signal

复用信号（RF）与60 kHz的本振信号混频后输出的频谱如图4所示。图4中有3个电台的差频项，其频谱从左到右分别为：[5 kHz,15 kHz]、[16 kHz,24 kHz]、[27 kHz,33 kHz]，分别对应电台3、2、1。在[87 kHz,93 kHz]的频带处有电台1混频输出的和频项，电台2和3对应的和频项位于100 kHz和110 kHz附近，在窗口已经观察不到了。图4所示的混频信号中3个电台的差频项与和频项的频谱与表1分析一致，这验证了超外差收音机的原理。

图4 RF信号与本振混频后的混频信号频谱图Fig.4 The spectrum of MIX signal of RF signal and LO signal

图5为图4中的混频信号通过中频滤波器后的信号频谱。可以看出，频谱集中在[16 kHz,24 kHz]处，即仅电台2的差频项被保留。图6为电台2的调制信号通过包络检波器所还原的信号波形与电台2的原始扫频信号的波形的比较。从图6可以明显看到，还原的信号波形和原始扫频信号波形一致，这验证了仿真系统的正确性。

图5 中频信号频谱图Fig.5 The spectrum of IF signal

图6 解调信号与原始信号对比图Fig.6 Compare the waveform of the demodulated signal and the original signal

4 结论

文中使用SytemView构建了一个AM电台广播系统，其中接收方采用AM超外差收音机。通过波形和频谱的分析，验证了频分复用和AM超外差收音机的原理，加深了相关理论知识的学习和理解，熟悉了AM电台广播系统的通信过程。参考文献：

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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 稿件编号：201407181

李 杏(1983—)，女，湖南岳阳人。研究方向：通信工程。