通信电路实验

西南交通大学信息科学与技术学院2006年9月实验一一、实验设置的意义射频发射接收系统由电子元器件可以构成各种功能电路，由这些功能电路按照一定的原理和要求又可以组成各类电子设备，各类电子设备按照入网要求和组成方案可组成网络或系统。元器件与电路、电路与设备以及设备与系统之间的关系是局部与整体的关系。射频通信系统一般由发送装置、接收装置和传输媒质组成。发送装置包括换能器、发送机和发送天线三部分。其中发送机将电信号变换为足够强度的高频电振荡，发送天线则将高频电振荡变换为电磁波，向传输媒质辐射。射频接收机的作用是把发送装置发送的已调高频信号还原为消息或基带信号，最终完成通信功能。本实验就是为了在压控振荡器实验和射频调制器实验的基础上，从整体角度了解和掌握射频发送机和射频接收机的原理和性能。二、实验目的学习了解射频发射和接收机的工作原理。学习使用频谱分析仪对射频发射和接收机进行测试。测量射频接收机前端的灵敏度。进行射频发送接收系统综合试验。三、实验原理射频发送设备的功能是将所要发送的信息（又称基带信号）经调制，将频谱搬移到射频上，再经过高频放大到额定功率后，馈送到天线发送到空间去。射频发送机模块由VCO和功率放大器组成，它的模块方框图如图1—1所示。其功能是将所要发送的信息（又称基带信号）经过调制后，将频谱搬移到射频上，再经过高频放大，达到额定功率之后，馈送到天线，发送到空间去。发送机的主要技术指标有工作种类、调制方式、频率范围、频率稳定度及准确度、输出功率、效率、杂散辐射等。下面对相关技术指标予以简介。发送机的工作种类指电话、电报，模拟、数字等。调制方式主要分调幅、调频和脉冲（数字)调制等。发射机的工作频率是指发射机的射频载波频率。发射机的频率准确度与频率稳定度也是相对于射频载波而言的。频率准确度是指实际工作频率对于标称工作频率的准确程天线输出天线输出图1－1射频发送模块度。频率准确度越高、建立通信就越快，以至于不寻找对方就可实现通信，提高通信的快速性。频率稳定度是指各种外界因素的影响下发射机频率稳定的程度。如果频率稳定度很高，建立通信后接收机不需要因频率变化而进行微调，从而提高了通信的可靠性。射频通信的有效距离及通信的可靠性均与发射天线的辐射功率有密切的关系。因而发射机必须保证输出足够大的功率。发射机的总效率是指发射机传送到天线馈线上的功率与整机输入功率的比值。在大功率发射机中，提高效率可以减小电源消耗，具有较大的经济意义。发射机的带外辐射统称为杂散辐射，如果发射机设计不当或使用不当，会使杂散辐射电平过高，干扰其他通信链路。当发射机使用宽带天线且带宽覆盖这些杂散频率时，干扰会更严重。为了尽量避免发生这种干扰，有关的规程和标准对发射机的杂散辐射都给出了一定的限制。射频接收机前端是射频接收机的关键部分，这里对此进行简单介绍。(a)最简单的射频前端结构接收机前端电路有几种不同的结构。图1示出了一种最简单的形式。这种结构无射频放大器，在带通滤波器之后，只有混频器和本机振荡器。带通滤波器的输入来自天线，其输出经过混频器到达中频放大器进行后续处理。图1-2射频接收前端这种结构的主要特点是：第一，在实现中所需成本比其它结构少；第二，避免由于处理无用的能量而消耗混频器的动态范围。带通滤波器具有良好的前向性能(在通频带范围内)和良好的反向隔离性能。这样可以防止本振信号能量辐射到天线，进而避免天线辐射这些信号能量。带通滤波器有三个主要任务：•限制输入信号的带宽以使互调失真最小；•削弱乱真响应，主要是镜象频率和1/2-中频频率问题；•抑制本机振荡器辐射到天线的能量。(b)有射频放大器的前端结构第二种前端结构如图16-2所示。这种结构使用了一个射频放大器。该射频放大器的增益较低，一般低于20dB。高于20dB的增益可能会使系统稳定性受到损害，并且不能达到互调截获点。图1-3有射频放大器的射频接收前端射频放大器的目的是隔离混频器，同时在混频之前将信号放大。这种放大可以补偿混频器和带通滤波器中的损耗。射频放大器的主要特点是改进了混频器/本机振荡器电路与天线电路之间的隔离。影响接收机射频前端性能的因素：(a)混频器/本机振荡器性能第一个混频器的性能对于接收机的性能至关重要。它是一个非线性设备，而且，还要使用本机振荡器系统中最高电平的射频信号。因此，它需要有非常高的互调截获点。单设备有源混频器价格便宜，但是它们性能最差。一般来说，无源、双均衡混频器的性能

最好。它们通常有最高的互调截获点，而且相对其它某些混频器设计来讲，有更好的噪声均衡特性有时，在混频器和本机振荡器之间的接口上还有第三个带通滤波器。这个本振滤波器用于削弱宽带噪声和本振频率附近的谐波，而这些谐波会降低混频器的二阶互调截获点。在接收机内所使用的混频器电路类型都需要仔细权衡。无源混频器比有源混频器有更好的互调失真性能。然而它们不能提供任何转换增益，事实上是有损耗的设备。有源混频器对本振功率的要求较低，但其噪声性能不如无源混频器。在混频器中频输入和中频放大器之间通常放置一个双工器网络。这个双工器网络会吸收一些频率，同时让其它频率通过。双工器网络必须是非反射性的，且为本振频率的若干倍。否则，那些频率会被反射回混频器，导致性能降低。对于接收机临近信道的选择，本机振荡器的噪声性能是很重要的。宽带噪声经常影响接收机的灵敏度。本振信号是混频器中启动变换的大信号，能够产生自身的谐波。因此，本振信号应该尽可能纯净以防止接收机中的乱真响应。本机振荡器必须能正常工作，而不受温度和电源电压变化的影响。如果接收机遭受机械震动或碰撞，其输出也应保持稳定。（b）噪声性能所有的射频接收机都必需保证对系统的信噪比（SNR）,因此混频器、本机振荡器、带通滤波器和射频放大器产生的噪声应该降至最小。对于无源、有损耗的器件，例如滤波器或某些混频器，噪声因数由下式给出：290其中，F是器件的噪声因数，L是器件的损耗（1/G）,T是器件的绝对温度，单位是K。某些双均衡混频器可以有稍高一点的噪声因数。决定系统的噪声因数的Friis方程是：- - 十心TGGJ其中，F是等效的噪声因数，F1、F2、F3是第1、2、3分级的噪声因数，FN是第n分级的增益，G1、G2、G3是第1、2、3分级的增益，GN-1是第N-1分级的增益。接收机的整体噪声因数由系统内各分级的噪声性能共同决定，但接收机的灵敏度主要取决于高放的噪声。然而高放增益大，混频级的电平也会高，由非线性引起的干扰就严重。相反，高放增益小，后级电平就低，但干扰电平也相应降低，非线性失真减小。一般高放增益约10dB左右。灵敏度：指用标准测试音调制时，在接收机的输出端得到的规定的信噪比(S+N+D)/N,且输出功率不小于音频额定功率的50％情况下，接收机输入端所需的最小信号电平。实验内容与测试实验设备：射频发送模块，大功率衰减器(DTS),AT-5010频谱分析仪，AT5011+频谱分析仪，AT-801D频率合成信号发生器，振子天线2件，压控振荡器模块，滤波器模块，混频器模块,中频放大器模块，可调衰减器实验内容：测量射频接收机前端的灵敏度。进行射频发送接收系统综合试验。实验步骤：把AT5011设置为最大衰减量(40dB衰减器全部按下)和最宽扫频范围(1000MHz)。图16-3连接设备。必要时在AT-5011频谱分析仪之前外加衰减器。调节信号源频率和频谱分析仪衰减器直到接收到正常信号，观察并记录信号频谱。逐渐加大AT-801D本身的或可调衰减器的衰减量使接收信号逐渐减小至显示此信号高于噪声电平3dB,此时的信号电平即为该接收机前端的灵敏度。

图1-4射频接收前端测试按图16-4连接设备。必要时在AT-5011频谱分析仪之前外加衰减器。调节频谱分析仪衰减器直到接收到正常信号，观察并记录信号频谱。图1-5射频发送接收系统通过频谱分析仪耳机接口收听基带信号，或接到示波器观察基带信号波形。8．逐渐加大发送部分衰减量使接收的基带信号逐渐减小至显示此信号高于噪声电平3dB,此时的信号电平即对应于这一由射频前端和频谱分析仪组成的接收机的灵敏度。9.调节发送和接收装置使接收机的灵敏度达到最佳。测量此时接收装置的各项技术指标。注意：一定要配合加大衰减量，否则会损坏频谱分析仪。16.5实验结果分析说明接收机前端与接收机的关系及其对接收机的性能的影响。计算接收机前端的灵敏度。实验中通过频谱分析仪耳机接口收听基带信号时，频谱分析仪的作用是什么？计算接收机的灵敏度。分析接收机的灵敏度与哪些因素有关。分析实验中观察测试到的其它现象，如噪声、失真等。1.如果把实验发送部分看成发送机，给出其测得的主要技术指标，包括工作种类、调制方式、频率范围、频率稳定度及准确度、输出功率、效率、杂散辐射等2.比较调频和调幅两种发送机测得的主要技术指标。实验二振幅调制与同步解调实验二振幅调制与同步解调一、实验目的1．掌握用集成模拟乘法器构成振幅调制和同步解调电路的工作原理。掌握调制系数m和调制特性的测试方法。3．观察调幅波的波形特点。二、实验原理1．振幅调制振幅调制是指高频信号Vc=VcmcoSjt的振幅受调制信号v控制而变化的过程典型单音振幅调制波的波形如图1一1所示。当用单音信号v=VcosGtQ Gm去调制等幅的咼频载波信号Vc=VcmcoSjt时，可以得到三种振幅调制信号，即:普通调幅波抑制载波的双边带调幅波单边带调幅波这三种振幅调制波都可用两个信号电压Uc、v相乘来实现，其模型如图1-2所示。图中Am为乘法器比例系数，量纲为V-1。如果在调制信号V中叠加直流信号V，则乘法器输出为:Q Qov=v=Am-v-vos Gc

式中:=Am(V+VcosGt)-VcoswtQo Gm cm=V(1+mcosQt)coswtom其中,m为调制系数m=V/VTOC\o"1-5"\h\zQm QoV=Am-V-Vcmom Qo若V不含直流分量，则Vc,V相乘后得：v=v =Am-v-voDSB cQ=Am•VcosQt•VcoswtQm cm=Am•V•VcosQtcoswtQmcm=Am•V•Vcos(w+Q)t+Am•V•Vcos(w—Q)t2 QmcmC 2 QmcmC式中，Am•Am•V2 QmVcos(w+Q)tcmC为上边带分量丄Am•V•Vcos(w-Q)t2 QmcmC为下边带分量单边带调制波形是将双边带调制波v中的上边带分量或下边分量用带通滤波器滤去，仅剩其一，这样单边带调制波为：SSB=AmSSB=Am•V2 Qm•V cos(w+Q)tcmCvSSB=IAmVQmVcm皿(®C一⑵'其模型如图1其模型如图1实际测定调制系数m可采用如下估算公式，既A一BVmax一Vminm= =A+BVmax+Vmin要保证调制波不失真，必须使mVl,否则将出现调幅失真。如图1-5所示:2．解调解调或称检波，是调制的逆过程。振幅调制波解调电路的作用是从振幅受调制的高频信号中不失真地还原出原调制信号。根据工作特点的不同，检波电路分成包络检波器和乘积型检波器。乘积型检波器也称同步检波器，其原理框图1-6所示。图2一6图中，v为输入调幅信号，v为本地地引入的参考电压，又称同步电压或称载波sr电压，要求它与输入载波信号同频同相。即：v=Vcos®trrmc当v为双边带调制波时：sv=VCOS3t•cosqtssmcv与v相乘后srv，=AmVVcos23t•cosqto smrm c=1/2AmVVcosqt+1/2•AmVVcos23t•cosqt-经低通滤波器滤除，s23m高频成分后，就获得所需低频调制信号ocv=1/2AmVVcosqto smrm三、实验电路图1-7为用模拟乘法器构成的振幅调制与同步检波实验框图。

IC1IC2IC1IC2IC实现振幅调制，v即为调制波IC实现振幅调制，v即为调制波ov二Am•v•vo视£的不同，v。］可为普通振幅波v$或抑制载波双边带调制波vSB如将IC输出之振幅调制载波信号v与本地同步电压v二v送入乘法器IC则输出v经输出放大级和低通滤波器滤波后Sv,即为原低频调1制信号化。。注意乘法器MC1496的v,y输入端(端子1、4)外接电阻R1和Rw=50K是人为引入直流电压对输入馈通电压进行调零而设，当实现双边带调制时Rl应取：R1=750Q+10K,而实现普通调幅时取R1=75OQ,以使直流补偿电压足够大，该补偿电压与v相串Q联。低通滤波器可采用无源滤波器、有源滤波器或谐振回路，无源滤波器常采用n型LC(RC)滤波器或r型滤波电路。如图1-8El图2—8

采用谐振回路时，应使回路调谐在输入双边带调制信号的载频上，即3=3C。且Z(3C-Q)二Z(3C+Q)二Z(Q)。四、实验内容及要求用IC实现普通振幅调制和抑制载波双边带调制(注意v的加入点及Q0MC1496电路与R1取值的关系)建议：fc=1OOKHZ,f=1KHZ,Vc,V,C有效值大小适当。、 Q Q观察并记录v(t)的波形。*fc=10KHZ，重新观察波形v°(t)**对DSB注意观察调制信号过零点时的载波倒相现象。测量调制系数m，并观察记录mV1，m=1，m>1时调幅波波形。用IC1、IC2，输出放大器，滤波器实现同步检波，fc=100KHZ，F=1KHZQ观察v、v、v各点波形，分别对普通振幅调制信号和双边带调幅信号进行解调。o1_o2o、 》 . . ,.预习及实验报告要求预习模拟乘法器，调制同步插波工作原理波形特点，m定义及测定方法。整理所要求各观察点波形的记录，及测定参数数据，按要求绘制、计算。

五、实验仪器函数发生器高频信号发生器双踪示波器晶体管直流稳压电源5•数字多用表6•模拟乘法器及其它元件RDJA0E1■75CI 7^0丘1R2调制信％■—O 调幅信号输出R3515112VO—R11001413±-7 8—ILr：.6.8KT调制信％■—O 调幅信号输出R3515112VO—R11001413±-7 8—ILr：.6.8KT〔c_LR1屮R6IKR104.7KO.luF1IC3斗512149611109图1-94.7ELRSO.LuFiIH12V图1-10实验三大信号峰值包络检波、实验目的1•了解大信号检波（峰值包络检波）的工作原理和电路组成，学习检波器电压传输系数的测量方法。2•观察和了解大信号峰值检波器的两种主要失真 惰性失真和负峰切割失真的成因和波形特点。二、实验原理订UcF丄匚FT+Ui U-= 丘 ]（a）原理图图3-1对于输入信号幅度大于0.5v情况，检波常采用峰值包络检波方式。图2-1即为二极管包络检波电路原理图和波形图。（b）波形图图2-1（a）说明，二极管包络检波电路由捡波二极管口和检波器负载电路RL、C组成，RL、C实际上构成了低通滤波器。检波电路工作过程与整流滤波作用相似。输入等幅度或调幅波使检波二极管D受正相电压作用时导通，受反向电压作用时截止。而且二极管D正向导通时在RL、C电路上产生的电压vo反向地加到二极管D的两端（即vo=vi-vo）使检波二极管只在较短时间内导通，导通电流呈脉冲状。通常二极管D的正向导通电阻RD远小于负载电阻RL：即RD〈〈RL。因此,检波二极管D正向导通时向电容C充电的时间常数RDC亦远小于检波二极管D截止时电容C进经R的放电时间常数，即RDC〈〈RLC。这种充放电时间常数上的差异，使充电过程中电容器上的电压Vc（即输出电压Vo）在很短时间内就接近输入调幅电压的最大值，放电过程中电容器上的电压下降不多，这样，C两端的电压Vc的幅度与输入电压Vi的幅度相接近，输出电压V。（V。=Vc）虽有起伏但数值很小，可以看成与高频调幅波包络一致，因此这种检波电路称作二极管峰值包络检波。它的工作波形图如图2-1（b）所示。上述与高频调幅波包络一致但略有起伏呈锯齿状变化的Vc（V。）中的高频分量经电容器C滤除。低频分量即为所需低频调制信号电压，经隔值电容隔离直流分量后输出。如图2-1所示。衡量大信号峰值包络检波器的性能有以下主要质量指标：电压传输系数Kd；输入电阻Ri和非线性失真。电压传输系数Kd（或称捡波效率）

mVi检波器的电压传输系数定义为检波器的输出电压和输入高频电压振幅之比，mVi即：式中，V为输出端低频电压的振幅；mVi输入高频调幅信号包络变化的振幅；m为调幅系数。检波器的电压传输系数Kd越大，说明在同样输入情况下，可以得到较大的低频电压输出，检波效率越高。通常KdWl。输入电阻R检波器的输入端通常与前级(如中频放大器)的输出端相连接。检波器作为前级的输出负载的负载效应可用输入电阻R表示。输入电阻R将影响前级谐振回路的谐振电阻，R越小Q值越低，因此希望R尽量大些，但*的增大又受到非线性失真的限制，应作全面考虑。可证出R为：iR=0.5R

iL3．非线性失真检波器的非线性失真主要有惰性失真和负峰切割失真，它们的特征波形如图2-2(a)(b)所示:(b)负峰切割失真(b)负峰切割失真图3一2检波器的非线性失真惰性失真(对角切割失真)惰性失真是由于负载同路时间常数RLC过大所引起，检波二极管D截止期间由于放电.时间常数RLC过大.电容C的放电速度过慢，以致不能紧跟调幅波包络线的下降速度，由此引起的输出波形的非线性失真称作情性失真。为避免产生惰性失真，应按下式选取参数:式中：m为调幅系数；Qmax为调制信号角频率。负峰切割失真(低边切割失真)当考虑检波器和下级低频放大器相连接时，应计入阻容耦合电路的影响，如图2-3所示。图中R为下级电路的输入电阻。i2

-I 丄图3一3若Cc容量足够大，这时对检波器来说直流负载为R,而交流负载电阻为:两者不等，且交流负载电阻小于直流负载电阻。 L检波器交直流负载电阻不等，在一定条件下将造成输出交流电压的负峰被削平。这种非线性失真称为负峰切割失真。为避免负峰切割失真，应满足条件：式中各元件定义已如前述。根据上面对检波器质量指标的分析，检波器负载电阻R应从Kd,Ri和非线性失真几方面的影响作综合考虑。三、实验电路实验电路如图2-4所示，其中调制器部分可米用实验二中振幅调制电路，二极管D,R，Cc及其它阻容元件则组成二极管峰值包络检波电路。iVc

o—V

o—Vc

o—V

o—Vo由MC1496组战的愠雇阔需I电賂2AP图3—4检波二极管选用点接触型锗二极管2AP系列，以减小正向电阻Rd，提高电压传输系数。 （2AP1〜2AP30正向导通电阻均在500以下。）负载电容C1,C2,C3数值不同，在R相同时将改变时间常数RLC，从而影响惰性失真。等效低频放大电路输入电阻Ril,Ri2,Ri3数值不同，将影响检波器的交流负载电阻Ry从而影响负蜂切割失真。四、实验内容及要求1•将调幅电路调整在fc=6.5MHZ,f=1KHZ,400HZ,m=60%并注意调幅波信号幅值符合峰值检波电路要求。2•在不接等效低频放大电路输入电阻R的情况下，使C=C2=0.015口F,观察并画出实验电路中检波器输入和输出波形(注意测试点)。用示波器测量电压传输系数K。3．观察并记录不同检波负载电容对检波器输出波形和惰性失真的影响。此时应使负载电容C,Qmax,m在不同状态下观测并记录波形。C/R100PF/1K0.015口F/10K0.1口F/33Kf1KHZ400HZ1KHZ400HZ1KHZ400HZm0.80.60.44.观察并记录不同等级低频放大电路输入电阻Ri对检波输出波形和负峰切割失真的影响。此时使fc=6.5MHZ,f=1KQ。m=60%。R分别为1K,10K,33K。注意观测点应选择Ri处。5．实验报告要求.分析各项实验数据波形,说明实验原理。.根据理论分析，本实验条件下，不产生惰性失真和负峰切割失真RLmax与RLmin各为多少？.其它心得体会。五、实验仪器函数发生器低频信号发生器双踪示波器稳压电源数字多用表MC1496及其它元器件实验四集成混频电路实验四集成混频电路、实验目的1．了解用模拟乘法器实现混频的工作原理和典型电路2．观察混频器寄生通道干扰现象。二、实验原理混频电路的作用是在本地振荡电压v=VC0S3t,3=2nf作用下将载频为fc（高频）的已调信号Vs不失真地变换为载频为f（中频）的己调信号Vi,频率关系为：f=f+fISL或f二f-f （fs>f）ISLLf=f-f （f>fs）其中，f=fs+f为上混频， "fI=fs-fL或f二f-f为下混频。（调幅广播接收机一般采用下混频，fI L ILS I=465KHZ）。从频谱的角度来看，混频过程实质上是一个频谱搬移过程,如图3一1所示。VlVVlVI图4-1由于乘法器可以产生只包含两个输入信号之和频及差频分量的输出信号，所以用模拟乘法器和带通滤波器可以方便地实现混频功能。其原理如图3-2所示：图4一2由图可知：若v二Vcos3tTOC\o"1-5"\h\zssm sv=Vcos3tLLm Lv'=KV・VosL=KVcos3t・Vcos3tsm s Lm L=0.5KV •Vcos（3+3）t+0.5KV •VCOS（3-3）tsmLm Ls smLm Ls当乘法器为非理想线性相乘状态时（即v'中含有fs、f分量及其它非线性杂散分o

量。v，需经带通滤波器以获得所需混频信号。若采用下变频，则带通滤波器的o中心频率为f-f。Ls混频器存在着它特有的(非线性)干扰现象一一组合频率干扰。它是由实现混频所用各种器件特性的非线性所引起的。组合频率干扰之件：是当本振信号v与信号电压v组合频率干扰之件：s丨土Pf土qfsl二f［