實(shí)驗(yàn)三射頻前端發(fā)射接收機(jī)

1、實(shí)驗(yàn)三 射頻前端發(fā)射/接收機(jī)1、實(shí)驗(yàn)設(shè)置的意義由電子元器件可以構(gòu)成各種功能電路，由這些功能電路按照一定的原理和要求又可以組成各類電子設(shè)備，各類電子設(shè)備按照入網(wǎng)要求和組成方案可組成網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)。元器件與電路、電路與設(shè)備以及設(shè)備與系統(tǒng)之間的關(guān)系是局部與整體的關(guān)系。射頻通信系統(tǒng)一般由發(fā)送裝置、接收裝置和傳輸媒質(zhì)組成。發(fā)送裝置包括換能器、發(fā)送機(jī)和發(fā)送天線三部分。其中發(fā)送機(jī)將電信號(hào)變換為足夠強(qiáng)度的高頻電振蕩，發(fā)送天線則將高頻電振蕩變換為電磁波，向傳輸媒質(zhì)輻射。本實(shí)驗(yàn)就是為了在壓控振蕩器實(shí)驗(yàn)和射頻調(diào)制器實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從整體角度了解和掌握射頻發(fā)送機(jī)的原理和性能，鞏固和加深對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試技

2、能2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1、了解射頻發(fā)送/接收機(jī)的基本組成；2.2、利用頻譜儀測(cè)量射頻發(fā)送/接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。2.3、測(cè)量射頻接收機(jī)前端的靈敏度。3、實(shí)驗(yàn)原理3.1、射頻發(fā)射機(jī)原理射頻通信設(shè)備一般包括收發(fā)信機(jī)、天線設(shè)備(含饋線)、輸入輸出設(shè)備(如話筒、耳機(jī)等)、供電設(shè)備(如直流穩(wěn)壓電源)等等。其中主要組成部分是收發(fā)信機(jī)，因而射頻通信設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)通常指的就是射頻收/發(fā)信機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。 一般來說，收信機(jī)與發(fā)信機(jī)在體制上是相同的，如在頻段劃分、調(diào)制解調(diào)方式等要求相應(yīng)一致，否則便不能達(dá)到通信的目的。在某些情況下，也允許收發(fā)信機(jī)存在某些不相對(duì)應(yīng)的差異，如收信機(jī)的頻率范圍可以寬于發(fā)信機(jī)等。射頻發(fā)送設(shè)備的功

3、能是將所要發(fā)送的信息(又稱基帶信號(hào))經(jīng)調(diào)制，將頻譜搬移到射頻上，再經(jīng)過高頻放大到額定功率后，饋送到天線發(fā)送到空間去。射頻發(fā)送機(jī)模塊由VCO和功率放大器組成，它的模塊方框圖如圖31所示。其功能是將所要發(fā)送的信息（又稱基帶信號(hào)）經(jīng)過調(diào)制后，將頻譜搬移到射頻上，再經(jīng)過高頻放大，達(dá)到額定功率之后，饋送到天線，發(fā)送到空間去。壓控振蕩器(VCO)PIN調(diào)制器定向耦合器帶通濾波器放大器天 線圖3-1 射頻發(fā)射模塊1KHz信號(hào)發(fā)生器發(fā)送機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)有工作種類、調(diào)制方式、頻率范圍、頻率穩(wěn)定度及準(zhǔn)確度、輸出功率、效率、雜散輻射等。下面對(duì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)予以簡(jiǎn)介:發(fā)送機(jī)的工作種類指電話、電報(bào)，模擬、數(shù)字等。調(diào)制方式

4、主要分調(diào)幅、調(diào)頻和脈沖（數(shù)字）調(diào)制等。發(fā)射機(jī)的工作頻率是指發(fā)射機(jī)的射頻載波頻率。發(fā)射機(jī)的頻率準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度也是相對(duì)于射頻載波而言的。頻率準(zhǔn)確度是指實(shí)際工作頻率對(duì)于標(biāo)稱工作頻率的準(zhǔn)確程度。頻率準(zhǔn)確度越高、建立通信就越快，以至于不尋找對(duì)方就可實(shí)現(xiàn)通信，提高通信的快速性。頻率穩(wěn)定度是指各種外界因素的影響下發(fā)射機(jī)頻率穩(wěn)定的程度。如果頻率穩(wěn)定度很高，建立通信后接收機(jī)不需要因頻率變化而進(jìn)行微調(diào)，從而提高了通信的可靠性。射頻通信的有效距離及通信的可靠性均與發(fā)射天線的輻射功率有密切的關(guān)系。因而發(fā)射機(jī)必須保證輸出足夠大的功率。發(fā)射機(jī)的總效率是指發(fā)射機(jī)傳送到天線饋線上的功率與整機(jī)輸入功率的比值。在大功率發(fā)射機(jī)

5、中，提高效率可以減小電源消耗，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義。發(fā)射機(jī)的帶外輻射統(tǒng)稱為雜散輻射，如果發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)不當(dāng)或使用不當(dāng)，會(huì)使雜散輻射電平過高，干擾其他通信鏈路。當(dāng)發(fā)射機(jī)使用寬帶天線且?guī)捀采w這些雜散頻率時(shí)，干擾會(huì)更嚴(yán)重。為了盡量避免發(fā)生這種干擾，有關(guān)的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)射機(jī)的雜散輻射都給出了一定的限制3.2、射頻接收機(jī)原理射頻接收機(jī)前端是射頻接收機(jī)的關(guān)鍵部分，這里對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。(a)、最簡(jiǎn)單的射頻前端結(jié)構(gòu)接收機(jī)前端電路有幾種不同的結(jié)構(gòu)。圖3-2給出了一種最簡(jiǎn)單的形式。這種結(jié)構(gòu)無射頻放大器，在帶通濾波器之后，只有混頻器和本機(jī)振蕩器。帶通濾波器的輸入來自天線，其輸出經(jīng)過混頻器到達(dá)中頻放大器進(jìn)行后續(xù)處理。帶

6、通濾波器混頻器本振中頻放大器圖3-2 射頻接收前端天線這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：第一，在實(shí)現(xiàn)中所需成本比其它結(jié)構(gòu)少；第二，避免由于處理無用的能量而消耗混頻器的動(dòng)態(tài)范圍。帶通濾波器具有良好的前向性能（在通頻帶范圍內(nèi)）和良好的反向隔離性能。這樣可以防止本振信號(hào)能量輻射到天線，進(jìn)而避免天線輻射這些信號(hào)能量。帶通濾波器有三個(gè)主要任務(wù)：l 限制輸入信號(hào)的帶寬以使互調(diào)失真最小；l 削弱亂真響應(yīng)，主要是鏡象頻率和1/2-中頻頻率問題；l 抑制本機(jī)振蕩器輻射到天線的能量。圖3-3 有射頻放大器的射頻接收前端天線帶通濾波器混頻器本振中頻放大器射頻放大器(b) 有射頻放大器的前端結(jié)構(gòu)第二種前端結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。這種

7、結(jié)構(gòu)使用了一個(gè)射頻放大器。該射頻放大器的增益較低，一般低于20dB。高于20dB的增益可能會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性受到損害，并且不能達(dá)到互調(diào)截獲點(diǎn)。射頻放大器的目的是隔離混頻器，同時(shí)在混頻之前將信號(hào)放大。這種放大可以補(bǔ)償混頻器和帶通濾波器中的損耗。射頻放大器的主要特點(diǎn)是改進(jìn)了混頻器/本機(jī)振蕩器電路與天線電路之間的隔離。影響接收機(jī)射頻前端性能的因素：（a）、混頻器/本機(jī)振蕩器性能 第一個(gè)混頻器的性能對(duì)于接收機(jī)的性能至關(guān)重要。它是一個(gè)非線性設(shè)備，而且，還要使用本機(jī)振蕩器系統(tǒng)中最高電平的射頻信號(hào)。因此，它需要有非常高的互調(diào)截獲點(diǎn)。單設(shè)備有源混頻器價(jià)格便宜，但是它們性能最差。一般來說，無源、雙均衡混頻器的性能最

8、好。它們通常有最高的互調(diào)截獲點(diǎn)，而且相對(duì)其它某些混頻器設(shè)計(jì)來講，有更好的噪聲均衡特性有時(shí)，在混頻器和本機(jī)振蕩器之間的接口上還有第三個(gè)帶通濾波器。這個(gè)本振濾波器用于削弱寬帶噪聲和本振頻率附近的諧波，而這些諧波會(huì)降低混頻器的二階互調(diào)截獲點(diǎn)。在接收機(jī)內(nèi)所使用的混頻器電路類型都需要仔細(xì)權(quán)衡。無源混頻器比有源混頻器有更好的互調(diào)失真性能。然而它們不能提供任何轉(zhuǎn)換增益，事實(shí)上是有損耗的設(shè)備。有源混頻器對(duì)本振功率的要求較低，但其噪聲性能不如無源混頻器。在混頻器中頻輸入和中頻放大器之間通常放置一個(gè)雙工器網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)雙工器網(wǎng)絡(luò)會(huì)吸收一些頻率，同時(shí)讓其它頻率通過。雙工器網(wǎng)絡(luò)必須是非反射性的，且為本振頻率的若干倍。否則

9、，那些頻率會(huì)被反射回混頻器，導(dǎo)致性能降低。對(duì)于接收機(jī)臨近信道的選擇，本機(jī)振蕩器的噪聲性能是很重要的。寬帶噪聲經(jīng)常影響接收機(jī)的靈敏度。本振信號(hào)是混頻器中啟動(dòng)變換的大信號(hào)，能夠產(chǎn)生自身的諧波。因此，本振信號(hào)應(yīng)該盡可能純凈以防止接收機(jī)中的亂真響應(yīng)。本機(jī)振蕩器必須能正常工作，而不受溫度和電源電壓變化的影響。如果接收機(jī)遭受機(jī)械震動(dòng)或碰撞，其輸出也應(yīng)保持穩(wěn)定。(b)噪聲性能所有的射頻接收機(jī)都必需保證對(duì)系統(tǒng)的信噪比（SNR），因此混頻器、本機(jī)振蕩器、帶通濾波器和射頻放大器產(chǎn)生的噪聲應(yīng)該降至最小。 對(duì)于無源、有損耗的器件，例如濾波器或某些混頻器，噪聲因數(shù)由下式給出：其中，F(xiàn)是器件的噪聲因數(shù)，L是器件的損耗（1

10、/G），T是器件的絕對(duì)溫度，單位是K。某些雙均衡混頻器可以有稍高一點(diǎn)的噪聲因數(shù)。 決定系統(tǒng)的噪聲因數(shù)的Friis方程是： 其中，F(xiàn)是等效的噪聲因數(shù)，F(xiàn)1、F2、F3是第1、2、3分級(jí)的噪聲因數(shù)，F(xiàn)N是第n分級(jí)的增益，G1、G2、G3是第1、2、3分級(jí)的增益，GN-1是第N-1分級(jí)的增益。接收機(jī)的整體噪聲因數(shù)由系統(tǒng)內(nèi)各分級(jí)的噪聲性能共同決定，但接收機(jī)的靈敏度主要取決于高放的噪聲。然而高放增益大，混頻級(jí)的電平也會(huì)高，由非線性引起的干擾就嚴(yán)重。相反，高放增益小，后級(jí)電平就低，但干擾電平也相應(yīng)降低，非線性失真減小。一般高放增益約10dB左右。靈敏度：指用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試音調(diào)制時(shí)，在接收機(jī)的輸出端得到的規(guī)定的信

11、噪比(S+N+D)N，且輸出功率不小于音頻額定功率的50情況下，接收機(jī)輸入端所需的最小信號(hào)電平4、實(shí)驗(yàn)設(shè)備壓控振蕩器、功率分配器、PIN調(diào)制器、定向耦合器、帶通濾波器(2個(gè))、射頻放大器(2個(gè))、天線(2塊)、混頻器、低通濾波器、檢波器、示波器5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5.1、測(cè)量射頻發(fā)送機(jī)的載波頻率、功率電平、發(fā)射功率、接收功率5.2、測(cè)量射頻接收機(jī)前端的靈敏度。5.3、進(jìn)行射頻發(fā)送接收系統(tǒng)綜合試驗(yàn)5.4、測(cè)量天線增益、方向性6、實(shí)驗(yàn)步驟6.1、用頻譜儀測(cè)量壓控振蕩器的頻率，功率，并記錄。6.2、將接收端的天線接到頻譜分析儀的輸入端，此時(shí)我們可以得出接收功率。6.3、按圖3-4連接，我們用示波器來監(jiān)視信號(hào)的波形。6.4、我們將檢波器和示波器去掉換接頻譜儀，這時(shí)我們可以用頻譜儀來監(jiān)視發(fā)射頻率、功率電平，記錄測(cè)得的數(shù)據(jù)。根據(jù)定向耦合器的特性我們就可以得出發(fā)送機(jī)的載波頻率、功率電平。定向耦合在此時(shí)的衰減為20dB, 定向耦合器具有方向性(我們?cè)趯?shí)驗(yàn)