AM超外差收音机的设计与仿真
摘要：System View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System View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。
关键词：Systemview仿真；超外差收音机；幅度调制：频分复用
1 引言
超外差式是与直放式相对而言的一种接收方式，超外差式收音机能把接收到的频率不同的电台信号都变成固定的中频信号（465kHz),再由放大器对这个固定的中频信号进行放大。它的优点是灵敏度高，选择性好，音质好（通频带宽）工作稳定（不容易自激），它的缺点是镜像干扰（比接收频率高两个中频的干扰信号）较大，存在假响应（变频电路的非线性），但这并不影响它的广泛应用，现在大部分的收音机都是超外差的。
2超外差式收音机的原理及过程
无线广播的接收仪器为收音机。在晶体管收音机中，多采用磁性天线作为接收信号的天线。 某台载频电磁波在LC回路中产生并联谐振，次级线圈中感生出高频调幅信号，收到信号，磁性天线回路，作用是选台，并将信号通过绕在磁棒上的次级线圈耦合到变频级,收音机原理框图：
图2.1收音机的原理框图
超外差式收音机利用混频电路使本机振荡信号与接收到的电台信号进行非线性混频，使二者的差值始终为465KHZ，这样就降低了放大电路的信号频率，可以有效克服直接放大式收音机的缺点。由于本机振荡信号的频率始终比接收到的电台信号频率超出465KHZ，故把这种收音机叫做超外差式收音机。电路如图2.2所示：
图2.2 超外差接收机原理图
3 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3所示。系统时间设置为采样点数为8192，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 k Hz和455 k Hz中频频率设计，而采用了20 k Hz作为中频，因此系统采样速率可设置为200 k Hz。另外，设置了30 k Hz、40 k Hz、50 k Hz3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 k Hz以下。设希望接收的频率为第2个电台的频率40 k Hz，收音机使用高边调谐，则本振(LO)应为：40+20=60 k Hz。
图2 AM超外差收音机系统框图
在图3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 k Hz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 k Hz、4 k Hz和5 k Hz，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 k Hz、40 k Hz和50 k Hz，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 k Hz，带宽为8 k Hz。
在图3的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 k Hz，带宽为8 k Hz的AM信号。由于中频固定为20 k Hz，根据公式(2)，本振频率为60 KHz (40kHz+20 k Hz)。接收到的复用信号(RF)首先与本振(频率60 k Hz、振幅l 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所示。
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 k Hz，带宽为10 k Hz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 k Hz，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。
4 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：30k Hz、40 k Hz、50 k Hz，带宽为各自音频信号带宽的2倍，即6k Hz、8 k Hz、10 k Hz。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
复用信号(RF)与60 k Hz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 k Hz，15 k Hz]、[16 k Hz，24 k Hz】、[27 k Hz，33 k Hz]，分别对应电台3、2、1。在『87 k Hz，93 k Hz]的频带处有电台l混频输出的和频项，电台2和3对应的和频项位于100k Hz和110 k Hz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
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 k Hz，24 k Hz]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
图6 解调信号与输入信号对比
通过对比，从上图可以看出，检波出的信号频谱图与调制信号频谱图一致，中频带通信号经包络检波再低通滤波后出现的频谱，可见干扰哨叫的影响但可以看出其频谱与扫频信号所设置的频谱相符合，参数相符合，仿真成功。
文中使用Sytem View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
[1] 通信原理（第六版).北京：国防工业出版社，2006.
[2] 通信原理及SystemView仿真测试.西安：西安电子科技大学出版社，2012. [3] 数字信号处理的SystemView设计与分析.北京：北京航空航天大学出版社，2008. [4] 高频电子线路实验与课程设计（修订版).哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005. [5] System View通信仿真开发手册．北京：国防工业出版社，2004．
AM超外差收音机的设计与仿真
