射频发射与接收机实验

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1、射频发射与接收机实验一、实验目的1、学习掌握频谱仪的使用。2、了解发射机、接收机的基本知识。3、了解发射机、接收机的基本组成及其结构。4、利用频谱仪测量发射机、接收机的主要技术指标；培养系统实验和测试技能二、实验设备GSP-810频谱分析仪1台GRF-3100射频电路实验系统1套函数信号发生器1台示波器1台二、实验原理射频通信设备一般包括收发信机、天线设备、输入输出设备（如话筒、耳机等）、供电 设备（如稳压电源、电池）等。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。接收机则是接收发送装置发送的高频调 制信号，将其还原为消息或基带信号，完成

2、通信功能。收信机与发信机在体制上（如频段划 分、调制解调方式等）是相同的。在某些情况下，也允许收发信机存在着不相对应的差异。 下面分别介绍发射机和接收机。2.1、发射机的工作原理射频发射机是无线系统的重要子系统，无论是话音、图像还是数据信号，要利用电磁波 传送到远端，都必须使用发射机产生的信号，然后经调制放放大送到天线。发射机将电信号 变换为足够强度的高频电振荡,天线则将高频电振荡变换为电磁波,向传输媒质辐射。2.1.1、发射机的基本结构要发射的低频信号与射频信号的调制方式有三种可能形式：1）直接产生发射机输出的微波信号频率，再调制待发射信号。在雷达系统中常用脉冲调制 微波信号的幅度，即幅度键

3、控。调制电路就是PIN开关。调制后信号经功放、滤波输出 到天线。2）将待发射的低频信号调制到发射中频（如70MHz）上，与发射本振混频得到发射机输出 频率，再经功放、滤波输出到天线。图像通信中，一般先将图像信号先做基带处理（6.5MHz），再进行调制。3）待发射的低频信号调制到发射中频（如70MHz）上，经过多次倍频得到发射机频率，然 后再经过功放、滤波输出到天线。近代通信中常用此方案。本系统中射频发射机模块主要由音频处理电路、PLL、前置放大器、功率放大器及天线 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

4、到额定功率之后，馈送到天线，发送到空 间去。每一模块的具体原理在此就不一一赘述。图1-1 发射机框图2.1.2、发射机的重要参数1）频率或频率范围：用来考查振荡器的频率及相关指标、温度频率稳定度、时间频率稳定 性、频率负载牵引变化、压控调谐范围等，相关单位为MHz、GHz、ppm、MHz/V等。2）功率：与功率有关的最大输出功率、频带功率波动范围、功率可调范围、功率的时间和 温度稳定性，相关单位为mW、dBm、W、dBW等。3）效率：供电电源到输出功率的转换效率。这一参数对于电池供电系统尤为重要。4）噪声：包括调幅、调频和调相噪声，不必要的调制噪声将会影响系统的通信质量。5）谐波抑制：工作频率

5、的高次谐波输出功率大小。通过对二次、三次谐波抑制提出要求。 基波与谐波的功率比为谐波抑制指标。工程实际中，基本与谐波两个功率dBm的差为dBc。6）杂波抑制：除基波与谐波外的任何信号与基波信号的大小比较。直接振荡源的杂波就是 本地噪声，频率合成器的杂波除本底噪声外，还有可能是参考频率及其谐波。2.2、接收机的工作原理射频接收机的作用是把发射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。接收机是信号的还原过程，要求灵敏度高，失真小，能够重现异地发射机传来的 信号特性。2.2.1 接收机的基本结构接收机前端电路有几种不同的结构。图 1-2 示出了一种最简单的形式。这种结构无射频

6、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。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。图1-2 射频接收前端第二种前端结构如图1-3 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。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

7、间的隔离。图1-3 有射频放大器的射频接收前端以超外差(superhetrodyne)型式设计的接收机，是为无线电系统的主导。顾名思义，这 一系统在信号接收的过程中，都包含外差或是混频的信号处理，即是以本地振荡器L0的输出 f，与输入的RF信号f ,经混频成为中频IF再输出。三者信号频率关系为LrIF = | f 土 f|(14-1)L r式中IF 二混频后输出的中频(intermediate frequency)f =本地振荡器输出信号频率Lf =接收机收到的信号频率r两个信号频率，fL与fr的外差过程，主要输出的中频频率有二，为两者的和与差，而 在实际应用时，仅取两者之一用为中频,并用滤波

8、器过滤取出。超外差型式的主要优点，在 于接受系统所需的绝大部分增益可取自一个固定频率IF的放大器，有别于早期的可调谐接收系统的不同频率的放大。超外差设计有两种基本型式，低向变频和高向变频。无论是低向变频还是高向变频，都 可以设计为单次或是两次，在一般应用上，低向变频多为单次转换，而以高向变频的转换方式， 至少需要两次转换。本系统中射频接收机模块主要由LPF、LNA、MIXER、PLL、解调、音频处理电路及天线 组成，它的模块方框图如图1-4所示。其功能是将所要接收的信号通过滤波，放大，进行下变 频处理，经过解调，音频处理后，得到发射端加入的信号。每一模块的具体原理已在前面章节 中详细介绍，在此

9、就不一一赘述。图1-4 接收机框图2.2.2、接收机的重要参数1) 接收灵敏度：描述接收机对小信号的反应能力。对于模拟接收机，满足一定信噪比时的输入信号功率；对于数字接收机，满足一定误码率时的输入功率。2) 选择性：描述接收机对邻近信道频率的抑制能力。不允许同时有两个信号进入接收机。3) 交调抑制：接收机会有双频交调失真。在发射机和功率放大器中，大信号会出现三阶交 调失真。4) 频率稳定度：描述接收机的本振信号的频率稳定度，影响接收机中频信号的质量。5) 本振辐射：由于混频器的隔离不好，本振信号进入接收信号的通路，通过天线的辐射， 引起系统的三阶交调失真加重。三、实验步骤3.1、发射机实验3.

10、1.1、调制信号的测量将频率为1 kHz,振幅为lOOmV的正弦波调制信号接入示波器的输入端。记录下示波器 所显示波形的频率和幅度。3.1.2、发射信号频谱的测量如图1-2所示，利用GRF-3100组成一个无线发射系统，各模块的连接方式如下所示。将上述调制信号接到音频处理电路的输入端，即T-8的AF I/P,并把T-4的RF I/P接 到频谱分析仪的RF输入端。将频谱分析仪的参考位准、中心频率、频宽(Span)与分辨率频 宽(RBW)根据下图所示的步骤将其分别设定为TO dBm、880 MHz、100 KHz与30 kHz。利用 频谱分析仪测量记录发射信号的频谱。RefLevel，-Cente

11、rzX、 /Spans.RBWAutc/ Manu/lOdBm880 MHz1 MHzu7RBWManu30 kHz3.2、接收机实验3.2.1、接收信号频谱的测量1) 如图1 -4所示，利用GRF-3100组成一个无线接收系统。2) 各模块具体的连接方式如下所示。3) 在发射T-8AFI/P处输入频率为1 kHz,振幅为100m V的正弦波调制信号，将R-1RF0/P 接到频谱分析仪的RF输入端。4) 将频谱分析仪的参考位准、中心频率、频宽(Span)与分辨率频宽(RBW)根据下图所示的步 骤将其分别设定为-10 dBm、880 MHz、100 KHz与30 kHz。Step1:Amplit

12、ude-10 dBmStep2:RefLevel880 MHzStep3:1 MHzStep4:S.zRBWAutc/ Manu备7RBWManu30 kHz5）利用频谱分析仪测量接收信号的频谱，记录结果。6）把R-8的IF接到频谱分析仪的RF输入端。7）将频谱分析仪的参考位准、中心频率、频宽（Span）与分辨率频宽（RBW）根据下图所示的步 骤将其分别设定为0 dBm、70.7 MHz、100 KHz与30 kHz。RBWAutc/ Manu0 dBm70.7MHz1 MHz7RBWManu30 kHz8）利用频谱分析仪测量IF信号的频谱，记录结果。3.2.2、解调波形的测量1）如图1 -2

13、所示，利用GRF-3100组成一个无线接收系统。2）在发射T-8 AF I/P处输入频率为1 kHz，振幅为100mV的正弦波调制信号。3）利用示波器测量R-12 Audio 0/P的波形，即为系统解调出来的调制信号，记录结果。四、实验结果4.1、发射机实验结果4.1.1、调制信号的测量表 1 调制信号波形4.1.2、发射信号频谱的测量表 2 发射信号频谱4.2、接收机实验结果4.2.1、接收信号频谱的测量表 3 接收信号频谱4.2.2、IF 信号频谱表4 IF信号频谱4.2.3、解调波形的测量表5 解调出信号的波形五、实验分析1、发射机的几种主要结构?2、在设计发射机时最主要考虑的因素?3、

14、超外差式接收机的优缺点是什么?4、为限制系统指标,最主要的射频单元及要求是什么?六、附录 6.1、发射机模块T1：Bandpass Filter Circuit T2：Active Bias Pre-Amplifier T3：100Mw Power Amplifier T4：AntennaT5：FM ModulationT6：Power Combiner Mixer CircuitT7：Active Bias Pre-AmplifierT8：Audio Bias Pre-Amplifier T9：PLL circuitT10：Bandstop Filter Circuit6.2、接收机模块R1：AntennaR2：Power AttenuationR3：Low-Pass Filter Circuit R4：Two Stages Common Emitter LNA R5：Hige-Pass Filter Circuit R6：70.7M Bandpass Filter Circuit R7：Two Stage Low Noise Amplifier R8：Mixer CircuitR9：FM DemodulationR10：PLL CircuitR11：Low-Pass Filter Circuit R12：Audio Decompress Circuit