下面先来看一下要求：
利用通信原理和高频电子线路的相关知识，来完成对输入的语音信号的调频，然后通过解调利用耳机接收该语音信号。
通过本课程设计，使学生对通信系统的整体结构及配置有全面的了解。训练学生的动手实践能力， 培养学生具体问题的能力。让学生通过本课程设计，熟悉基本通信系统单元的设计方法和工作原理，尤其是调频和解调原理。对学生进行基本技能训练，例如组成系统、调试、查阅资料、绘图、编写说明书等；使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
总体要求：
1. 思路清晰，给出整体设计框图，画出整机原理图；
2. 给出具体设计思路，画出单元电路，并进行电路设计中相关元件值的计算；
3. 用仿真软件对系统进行仿真，验证设计结果，并将其打印出图纸；
4. 编写设计说明书；
5. 说明书和所有图纸要求用计算机打印。具体电路指标：
1. 发射机功率 PA 3 10mW ，负载电阻 RL = 75W ；
2. 开阔地传播距离 S > 100m ；
3. 发射机工作频率 fc = 88MHz - 108MHz ；
4. 调频信号幅度U Lm = 1V 时，最大频偏Dfm = 20kHz ；
5. 接收机工作频率 fc ' = 88MHz - 108MHz ；
6. 输出平均功率 PO = 0.25W （负载电阻 R = 8W ）；
7. 接收灵敏度g = 10uV 。
我们这次要根据以上要求做出一个小功率FM发射电台。最后做出的实物如下图所示：
2.1 调频发射机的原理框图设计这里采用直接调频方式，实现 FM 调频发射机，其系统框图如图 2.1 所示,它由语音、音频信号处理、振荡调频、滤波和直流稳压电源等部分组成。
图 2.1 调频发射机系统框图
若调制信号为uW(t) ，载波信号为
uC (t) = UCM cos(wCt) = UCM cos(2πfCt) ，
根据调频的定义，调频信号的瞬时角频率w(t) 为：
w(t) =wC + KfuW(t) =wC + Dw(t)
其中UCM ——为载波信号的振幅；
fC ——为载波频率中心频率；
Kf ——为调制灵敏度，其物理意义是单位调制信号电压所引起的角频率偏移值，单位是
rad / (s ×V ) ；
wC ——载波信号角频率；
Dw(t) ——瞬时角频偏，简称角频偏，是瞬时角频率相对于载波角频率的偏移。调频信号的瞬时相位j(t) 为：
j(t) = òw(t)dt= ò[wC + Kfu W(t)]dt=wC + Kf òu W(t)dt=wC + Dj(t)
其中Dj(t) = Kf òuW(t)dt——瞬时相位偏移，简称相偏。
上式说明，调频信号的瞬时相位包含两部分，第一部分是由载波信号频率对应的相移wCt ，第二部分是由调制信号引起的相移Dj(t) = Kf òuW(t)dt。
因此，调频波的数学表达式为：
uFM (t) = UCM cos[wCt + Kf òu W(t)dt] 。
对于调频信号来说，如果调制信号uW(t) 是一个随机信号，则调频波的解析表达式很难写出来，因为其中有对随机信号的积分运算。
3、硬件电路设计与仿真
3.1 信号识别与提取电路
本系统使用驻极体话筒和音频插座提取声音和语音信号，如图 3.1 所示。HiFi 为音频插座,当没有音频线插入时，2、3 号接口短接在一起，4、5 号接口短接在一起，此时可以使用驻极体话筒输入语音信号；当有音频线插入时，2、3 号接口断开，4、5 号接口断开， 音频信号通过 2、5 号输入音频信号。实现了输入信号的的自动识别切换，无需手动切换驻极体话筒和音频输入。
驻极体话筒薄膜上分布有自由电荷,当驻极体膜片遇到声波振动时，就会引起驻极体薄膜振动而产生位移，改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，也就是驻极体振动膜片与金属极板之间的电容随着声波变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式 Q=CU，所以当 C 变化时必然引起电容器两端电压 U 的变化，从而输出电信号，实现声-电的变换；
音频输入接口 2、5 口分别连接音频插头的左声道和右声道，音频信号通过左右声道传入电路。
R1 为调节驻极体话筒灵敏度的电阻，电阻增大，灵敏度降低，电阻减小，灵敏度提高， 但是此电阻并不是越大越好，也不是越小越好，一般选取阻值 10K-22K 最佳。R2、R3 可以消除信号直流分量，得到比较干净的语音、音频信号,C1 为耦合电容。
图 3.1 信号识别与提取电路原理图
3.1 音频放大电
本系统使用 9014 三极管搭建分压式单管共射极放大电路，如图 3.2 所示，本电路实际上是通过发射极电流的负反馈作用来牵制集电极电流的变化，使静态工作点 Q 保持稳定， 所以也称为电流负反馈式工作点稳定电路。信号经过耦合电容 C1 传到三极管 Q1 的基极, 实现音频信号的放大。因为音频放大电路有分立元件组成，使放大电路工作在放大区,必须找到合适的静态工作点。
图 3.2 音频放大电路原理图
测量放大器的静态工作点，首先在输入信号Ui =0 的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流
Ic 以及各电极对地的电位UBQ 、UCQ 、UEQ 。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用
测量电压UEQ 或UCQ ，然后算出Ic 的方法。
静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如果静态工作点偏高，则容易产生饱和失真；如果静态工作点偏低，则容易产生截止失真。为了更好的调试出静态工作点，本次设计使用 Multisim 软件对电路仿真。音频放大电路 Multisim 仿真图如图 3.3 所示。选定工作点以后还必须进行动态调试，检查输出电压的大小和波形是否满足要求，如果不满足，则应该调节静态工作点的位置。
实际调试过程中发现输入峰峰值电压超过 400mV 时波形才开始失真，而实际中输入的语音、音频信号的峰峰值不会超过 30mV。声音信号的频率范围为 300Hz-3400Hz，音频信号的频率范围在 20Hz-20kHz，当输入幅度一定且合适时，输入信号的频率高于 1MHz 时波形也无失真现象。
3.2 射极跟随器电路
为了实现阻抗匹配和信号的缓冲、隔离，本系统加入了射极跟随器电路,如图 3.5 所示，射极跟随器的特点是电压跟随。
首先，可以利用它作为测量放大器的输入级，以减小对被测电路的影响，提高测量的精度；其次，如果放大电路输出端是一个变化的负载，那么为了在负载变化时保证放大电路的输出电压比较稳定，要求放大电路具有很低的输出电阻。此时，可以采用射极跟随器作为放大电路的输出级，以提高带负载能力。射极跟随器还可以作为中间级以减小前后两级之间的相互影响，起隔离作用。和音频放大电路一样，射极跟随器也要调试静态工作点。
C6 和 C8 为电源滤波电容，滤除纹波干扰。R8、R9 串联是为了用常见电阻值组合出不常见的电阻值。
图 3.5 射极跟随器电路原理图
射极跟随器的 Multisim 仿真图及结果如图 3.6 和图 3.7 所示：
图 3.6 射极跟随器电路仿真图 图 3.7 射极跟随器电路仿真结果
射极跟随器电压放大倍数恒小于 1，而接近于 1，且输出电压与输入电压同相。
3.2 高频振荡调频电路高频振荡调频电路原理图如图 3.8 所示，三极管 C3355、电容 C10、电感 L1、结电容CBE 、电容 C12 组成了改进型电容三点式高频振荡电路。交流等效电路图如图 3.9 所示，电容三点式 LC 正弦波振荡电路的重要特性是：与三极管发射极相连的两个电抗元件为相同性质的电抗元件，而与三极管集电极（或基极）相连接的电抗元件是相反性质的，即“射同余
和 C3 组成的谐振回路要呈现感性，即 fO > f 振荡 就可以满足电路起振条件，因为在高频中结电容不可忽略且时刻变化，所以会产生振荡。
电路里所用的高频三极管 C3355 是个超高频管,性能比 9018 好得多，主要用作载频。电路里的电感 L1 用 0.6mm 高强度漆包线在直径 3mm 的螺丝刀上绕 10 匝。电容 C11 和 C13 并联是为了得到 40pF 的电容，用常用的容值组合出不常用的容值。
FM 频率调制，是指用调制信号去控制载波的瞬时频率，使之与调频信号的变化规律呈线性关系，而振幅保持恒定。调频发射电路是将待传送的语音、音频信号通过 FM 调制到载波信号上,然后利用天线以电磁波的方式发射出去。高频振荡电路由振荡线圈 L1 和电容C10 与振荡级晶体管组成, 调频波段的振荡频率一般为 87.5~108MHz 。振荡级晶体管会在L 和 C 的控制下高速导通和截止。基极输入放大的音频信号, 经过振荡级晶体管的放大作用, 使音频信号与高频振荡信号完成调制。特定频率的载波信号通过天线发射出去, 可以将信号覆盖一定的范围，范围的大小取决于发射的功率，发射的频率取决于振荡电路的振荡频率。来自前级的音频信号经耦合电容注入振荡级晶体管的基极，改变振荡频率, 产生所需的调频信号，此时就完成了振荡调频。
图 3.8 高频振荡调频电路原理图 图 3.9 电容三点式交流等效图
在 Multisim 仿真电路中，为了加快起振，产生波形，信号源设定为 1V、10MHz 的正弦信号，此输入信号并不是实际应用中的语音、音频信号，而是为了让振荡器快速起振才设定的。希望大家在此处不要产生误解。仿真电路图及结果如图 3.10 和图 3.11 所示。
图 3.10 高频振荡调频电路仿真图
图 3.11 高频振荡调频电路仿真结果
3.2 π型滤波电路图 3.12 LC π型滤波电路原理图 图 3.13 LC π型滤波电路仿真图
借助 Multisim 仿真软件中的波特仪对滤波效果和性能进行分析，幅、频特性曲线如图 3.14、图 3.15 所示。
图 3.14 幅度特性曲线
图 3.15 频率特性曲线
Π型 LC 滤波后的效果类似于一个带通滤波器，可以通过与中心频率相近的信号，其他的干扰将会被滤掉。
3.2 直流稳压电源
作为一个独立完整的系统，直流稳压电源是必不可少的，而且电源的质量也会影响发射机的发射性能。为了便于携带并未且提升发射性能，本系统选择使用以 XL6009 升压芯片搭建的可调直流升压电源，使用 9V 电源升压到 12V 给系统供电。原理如图 3.16 所示。
图 3.16 XL6009 升压电路原理图 图 3.17 XL6009 升压电路 PCB 图
4、整体系统电路设计与调试
本调频发射机的总体电路如图 4.1 所示:信号提取与识别、音频放大、射极跟随器、高频振荡调制和π型 LC 滤波等。
图 4.1 系统整体电路原理图
4.2 系统整体电路仿真原理图
图 4.3 系统整体电路仿真结果
图 4.4 系统整体电路 PCB
PCB 板焊接完成后，开始对发射机进行调试，调试步骤如下：
（1） 调节升压电路滑动变阻器使输出电压稳定在 12V。
（2） 准备 3 芯音频插头，将插头一段插入板子上面的音频插口，另一端输入音乐。
（3） 拉开发射机端的天线，天线方向可以认为转动调节，以找到最佳发射方向。
（4） 准备好一台 FM 收音机，开始调台接收，当调到收音机收到自己的台时，频率就在这个频道附近，微调调频按钮，找到最佳频道。
（5） 拔出 3 芯音频插头对着咪头说话，便可以发送语音信号。
经过以上 5 步测试，本小型发射机系统工作频率为 102MHz(102MHz 左右微调），在开阔地带（东门操场）传播距离可以达到 1.2km，在钢筋大楼里传播距离大概有 400m，夜间时信号较白天好，阴天时信号较晴天好。发射机在持续上电工作无故障，且频率不会偏移。
调试过程中也遇到了一些问题：
（1） 用手触碰发射机天线，收音机发出噪声或啸叫。
解决方案：这个属于开普勒效应，属于正常现象。为了更好滤除干扰，在天线前一级加入了π型 LC 滤波。
（2） 接收机接收不稳定，声音忽大忽小。
解决方案：仔细检查电路后，发现两个电感平行放置，互感现象比较严重，后面修改了电感的摆放位置，垂直摆放两个电感。
（3） 接收机接收后伴随噪声。
解决方案：此问题检查了好久，没有检查出具体原因，噪声问题没有解决。
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