实验三：射频前端发射接收机.doc

实验三 射频前端发射/接收机
1、实验设置的意义
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。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的原理和性能，巩固和加深对理论知识的理解，培养系统实验和测试技能
2、实验目的
2.1、了解射频发送/接收机的基本组成；
2.2、利用频谱仪测量射频发送/接收机的主要技术指标。
2.3、测量射频接收机前端的灵敏度。
3、实验原理
3.1、射频发射机原理
射频通信设备一般包括收发信机、天线设备(含馈线)、输入输出设备(如话筒、耳机等)、供电设备(如直流稳压电源)等等。其中主要组成部分是收发信机，因而射频通信设备的技术指标通常指的就是射频收/发信机的技术指标。
一般来说，收信机与发信机在体制上是相同的，如在频段划分、调制解调方式等要求相应一致，否则便不能达到通信的目的。在某些情况下，也允许收发信机存在某些不相对应的差异，如收信机的频率范围可以宽于发信机等。
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3－1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。
压控振荡器(VCO)
PIN调制器
定向耦合器
带通滤波器
放大器
天 线
图3-1 射频发射模块
1KHz信号发生器

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
3.2、射频接收机原理
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3-2给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。
带通滤波器
混频器
本振
中频放大器
图3-2 射频接收前端
天线

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：
l 限制输入信号的带宽以使互调失真最小；
l 削弱乱真响应，主要是镜象频率和1/2-中频频率问题；
l 抑制本机振荡器辐射到天线的能量。
图3-3 有射频放大器的射频接收前端
天线
带通滤波器
混频器
本振
中频放大器
射频放大器
(b) 有射频放大器的前端结构
第二种前端结构如图3-3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：

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：

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

4、实验设备
压控振荡器、功率分配器、PIN调制器、定向耦合器、带通滤波器((2个)、射频放大器(2个)、天线((2块)、混频器、低通滤波器、检波器、示波器
5、实验内容
5.1、测量射频发送机的载波频率、功率电平、发射功率、接收功率
5.2、测量射频接收机前端的灵敏度。
5.3、进行射频发送接收系统综合试验
5.4、测量天线增益、方向性
6、实验步骤
6.1、用频谱仪测量压控振荡器的频率，功率，并记录。
6.2、将接收端的天线接到频谱分析仪的输入端，此时我们可以得出接收功率。
6.3、按图3-4连接，我们用示波器来监视信号的波形。
6.4、我们将检波器和示波器去掉换接频谱仪，这时我们可以用频谱仪来监视发射频率、功率电平，记录测得的数据。根据定向耦合器的特性我们就可以得出发送机的载波频率、功率电平。定向耦合在此时的衰减为20dB, 定向耦合器具有方向性(我们在实验四中已有介绍)，我们接终端和检波器的时候应该接在正确的接口。
压控振荡器(VCO)
PIN调制器
定向耦合器
带通滤波器
射频放大器
天线
图3-4 射频发射/接收模块
1KHz信号发生器
检波器
示波器
终端
天线
带通滤波器

混频器
低通滤波器
检波器

示波器

功率分配器
射频放大器

6.5、保持两三线的距离不变，我们通过示波器可以看到还原的调制信号。改变天线方向再观察示波器的还原和调制信号。
6