多级模块化无线收发机实验平台的制作方法
【专利摘要】本发明一种多级模块化无线收发机实验平台，包括发射端和接收端：发射端包括调制部分：信号通过音频接口输入放大器或直接为数字信号输入，后直接控制VCO，VCO输出经缓冲器后再通过滤波器；经过信道传输，首先通过带通滤波器滤除噪声；其次经过信道传输使发射信号幅度衰减明显，让接收端输入信号经过两级放大器放大，并通过缓冲器输出，使这个幅值足以驱动鉴相器；VCO产生的信号经放大后进入鉴相器；将VCO输出的信号与接收信号通过鉴相器进行相位比较，产生的相位误差信号经过环路滤波反馈控制VCO的输入电压；最后将解调得到的语音信号先通过前置放大器放大，然后经过功率放大器电路驱动耳机或者喇叭将音频信号放出。
【专利说明】
多级模块化无线收发机实验平台
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多级模块化无线收发机实验平台，具体是立足于典型通信系 统一一无线收发机，提出一种多级模块化的实现方式，属于数字信号处理领域。
【背景技术】
[0002] 当今电子系统不但越来越大而且也越来越复杂，如航天测控系统。对于一个复杂、 大型电子系统的实现，一般需要经过系统规划、系统计划、系统设计、系统实现、系统实验、 系统运行、系统改进等七个阶段。因此为了满足电子系统的设计要求，对于学生的培养需要 根据电子系统设计的全过程进行系统全面、系统的培养。
[0003] 另一方面，空天电子信息领域是一个多学科交叉融合的领域也是国家战略发展重 要领域，迫切需要大量专业人才。对于专业人才的培养，现代实验教学要求建设相关的支撑 实验环境，让每一位学生在实践操作当中掌握该领域的专业、实用知识。
[0004] 在北京航空航天大学电子信息工程学院本科生培养体系中，"电子线路"、"信号与 系统" "通信原理"等课程均列为专业核心课。在实验教学的过程中，不少学生反映课程概念 抽象、公式推导及证明过程繁琐、与工程联系紧密，难以从整体去把握、理解知识要点。作为 课堂教学的补充，开展实验课程可以帮助学生更深刻地理解基本理论概念，从工程应用的 角度掌握信号处理及传播方法，同时还能加强学生分析问题、解决问题的能力，并锻炼学生 动手能力，提高教学效率。因此，实验环节在电子信息类学生教学中占有不可或缺的地位， 是培养学生综合素质及创新能力的一个有效手段。
[0005] 考虑目前已经开设课程实验的设计对整个教学体系的连贯性考虑不足，没有很好 地将学生所学的理论课程很好的衔接起来。为了让实验辅助学生对相关知识的理解以及课 程学习，通过实际动手操作，使学生更全面地了解和学习无线通信的各个步骤和相关技术， 计划开设无线收发机综合实验。在众多的电子系统中，无线收发机系统是电子信息工程中 最基础最典型的系统，几乎贯穿了电子信息工程的所有课程。为了更好地向学生教授现代 电子信息技术所涉及的多学科理论和技术，北航电子信息工程学院实验教学中心将传统实 验课程按照空天电子信息技术大类重新梳理与规划，形成本科阶段全程化实验教学培养体 系，开设电子工程类无线收发机综合实验课，将学生所学的所有课程串起来。
[0006] 无线收发机系统是利用电磁波信号可在自由空间中传播的特性以实现信息与数 据传输的通信系统。其主要由发射机、接收机以及无线信道三部分构成。根据无线信道传输 的数据类型，又可将无线通信划分为模拟通信和数字通信。计划开设的无线收发机综合实 验为模拟通信方式。
[0007] 在典型无线收发机中，发射端负责对信号输入、放大、低通滤波、FM调制、带通滤 波、发射等功能。接收端负责对信号接收、放大、带通滤波、FM解调、低通滤波、功率放大、输 出等功能。
[0008] 在对本实验依赖的硬件平台的选择上，以往的实验平台将无线收发机系统各个部 分集成在一个实验箱中对学生开设实验。经过几年的教学实践，发现这种传统收发机平台 系统结构过于庞大复杂，对学生而言，原理分析复杂，复现实验难度大，效率低，调试困难。 而且一旦有电路损坏，不好排错，维修困难，灵活性及扩展性都较差。再加上造价昂贵，耗能 高，传统的实验箱平台形式的实验难以支撑。实验形式需要往模块化、低耦合性、高灵活性、 资源充分共享、优化配置、提高利用效率、降低运行和管理成本的方向发展。
[0009]因此，本发明旨在对收发机实验平台的选择上进行创新，为实验教学改革提供借 鉴和参考。本发明采用多级模块化的思想设计无线收发机实验平台，将发射端和接收端及 各模块分开设计，独立调试，降低各个模块间的耦合性。另外关键元件也设计为可替换的模 块，形成独立元件库。最终使系统可以由各个大小各级模块搭建而成，能提高系统设计的灵 活性。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于，以无线收发机实验平台为例，提供一种多级模块化无线收发 机实验平台。本发明具体概述如下：
[0011] 将无线收发机发射端和接收端视为两个大模块，以模块化的思想对收发两个系统 按功能进一步划分，包括放大、滤波、调制、解调等多种模块，其中每个模块的关键元件设计 成拆卸替换的小模块，形成独立元件库。这样，每个模块可根据其功能分开集中设计、独立 调试，对外留出输入输出等少量接口供连接。于是，完整系统可以由各个模块搭建而成，从 系统的角度而言，每个模块就是一个低耦合、高内聚的"黑盒"，大大降低了实验调试和复现 的难度。通过完成对每个模块单独设计和调试，然后采用少量的接口搭建完整系统。
[0012] 本发明一种多级模块化无线收发机实验平台，系统框图如图1，具体包括发射端和 接收端两大模块：
[0013] (1)无线收发机发射端模块
[0014] 无线收发机的发射端各模块如图2所示，具体来说分为调制部分和反馈回路两大 部分，其中反馈回路部分是可选电路。当没有反馈部分电路时，实现的是开环的调频发射电 路。调制部分由信号输入放大器、VC0压控振荡器、缓冲器BUF和滤波器构成。信号通过音频 接口输入放大器或直接为数字信号输入，随后直接控制VC0压控振荡器，VC0的输出频率能 随输入音频幅度的变化而变化，从而实现了调频功能。VC0输出经过缓冲器BUF后再通过滤 波器，滤除多次谐波后输出50MHz调频信号。
[0015] 压控振荡器VC0是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，频率是输 入信号电压的函数的振荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的 控制。压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。压控振荡器最 重要的技术要求主要是有良好的频率稳定度。频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度， 它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。长期相位稳定度和短期幅度稳定度在振荡 器中通常不考虑;长期幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。
[0016] 因为随着时间的推移、元件的老化、温度的变化或者电源电压的变化，压控振荡器 VC0发射信号的中心频率会缓慢漂移。为了保证中心频率稳定度，发射端电路中增加一个频 率锁定反馈回路，用一个高稳定度晶体锁定发射的中心频率。
[0017] 在反馈回路中，压控振荡器经缓冲BUF输出的信号经过二分频器变为25M，此信号 与来自有源晶体的25MHz通过鉴相器电路进行相位比较。鉴相器是指输出电压与两个输入 信号之间的相位差有确定关系的电路，表示其间关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相 环的基本部件之一，也用于调频和调相信号的解调。当输入信号的相位比参考信号的相位 提前时，鉴相器输出低电平，反之则输出高电平。鉴相器的输出信号将进入环路滤波器。
[0018] 环路滤波器其实是滤波器中的一种类型，因为这种滤波器使用在环路中，因此得 名环路滤波器，它也是锁相环电路中的重要组成部分，负责将输入的相位差信号转化为VC0 控制信号。它是一个线性低通滤波器，它主要有两个功能，第一，滤除误差信号中的高频分 量;第二，为反馈环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保环路迅 速重新捕获信号。
[0019] 鉴相器通过环路滤波器后输出，与输入信号相加再输入到VC0,从而控制输出频 率。最终，输出信号的相位与参考的相位差锁定在非常小的一个范围，则认为两个信号的相 位一致，从而频率也将一致。
[0020] (2)无线收发机接收端模块
[0021] 无线收发机的接收端各模块如图3所示。经过信道传输，50M发射信号会带入很多 噪声，因此首先会通过50MHz带通滤波器BRF滤除噪声。其次，经过信道传输使得发射信号幅 度衰减明显，故让接收端输入信号经过两级放大器连续放大，并通过缓冲器BUF输出，并使 这个幅值足以驱动鉴相器。压控振荡器VC0产生的信号同样经过放大器放大后进入鉴相器。 然后，将VC0输出的信号与接收信号通过鉴相器进行相位比较，产生的相位误差信号经过环 路滤波反馈控制VC0的输入电压。该锁相环路使VC0输出信号的频率紧紧跟踪输入信号的变 化，其输出的压控电压即是频率变化的规律，也就得到调制端输入的语音信号，相当于发射 端电路的逆过程，此处不再赘述。
[0022] 最后将解调得到的语音信号先通过前置放大器放大，然后经过功率放大器电路驱 动耳机或者喇叭将音频信号放出，至此接收端完成整个解调播放过程。
[0023]本发明的多级模块化无线收发机实验平台，其优点及功效在于：
[0024] 1)模块化系统，设计灵活，实现方便。
[0025] 2)每个模块可根据其功能分开，集中精力设计、独立调试。
[0026] 3)每个模块对外统一接口，搭建方式简单。
【附图说明】
[0027] 图1是多级模块化无线收发机实验平台系统总框图。
[0028] 图2是多级模块化无线收发机实验平台发射端结构图。
[0029]图3是多级模块化无线收发机实验平台接收端结构图。
[0030]图4是发射端音频放大电路图。
[0031]图5是发射端压控振荡电路图。
[0032]图6是发射端缓冲电路图。
[0033]图7是发射端调制信号滤波电路图。
[0034]图8是发射端二分频电路图。
[0035]图9是发射端鉴相器电路图。
[0036]图10是发射端环路滤波电路图。
[0037]图11是发射端参考时钟电路图。
[0038]图12是发射端电源接口电路图。
[0039]图13是接收端带通滤波电路图。
[0040]图14是接收端限幅电路图。
[0041 ]图15是接收端第一级放大电路图。
[0042]图16是接收端第二级放大电路图。
[0043]图17是接收端VC0信号放大电路图。
[0044]图18是接收端语音前置放大滤波电路图。
[0045] 图19是接收端音频功率放大电路图。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0047] 如图1、2、3所示，本发明为多级模块化无线收发机实验平台，其中发射端包括VC0 和LOOP两个大模块，VC0模块包括语音放大电路模块、VC0压控振荡电路模块、BUF缓冲电路 模块、LPF低通滤波器电路模块、电源及信号幅度调节电路模块等;LOOP模块包括放大电路 模块、二分频电路模块、参考时钟电路模块、鉴相器电路模块、环路滤波器模块、电源模块 等。
[0048]接收端同样，包括VC0和LOOP两大模块，其中VC0模块包括BPF带通滤波器电路模 块、信号放大电路模块、VC0压控振荡电路模块、音频功放电路模块、电源模块等;LOOP模块 包括鉴相器电路模块、环路滤波器模块、LC谐振放大器电路模块、电源模块等。以下将对各 个具体模块电路设计进行介绍。
[0049] ( - )发射端
[0050] 下面分别讲解发射端各电路模块的工作原理。
[0051] (1)语音放大电路
[0052]语音放大电路（图4)支持柱极话筒和音频接口两种形式音频信号输入，其中柱极 话筒需要利用三极管搭建共射放大电路。共射电路是放大电路中应用最广泛的三极管接 法，信号由三极管基极和发射极输入，从集电极和发射极输出。因为发射极为共同接地端， 故命名共射极放大电路。
[0053]在该共射放大电路中，基极通过耦合电容C06输入信号，集电极输出。Rl 1为电压负 反馈电阻，跨接在基极和集电极之间，通过小信号等效电路分析，在电路中它与集电极电阻 R06、三极管基极与射极内阻rbe等一起决定了放大倍数。
[0054] (2)压控振荡电路(VC0)
[0055] 此振荡电路参考西勒振荡电路（图5)，可调电容CM01和可调电感LM01为LC谐振电 路，谐振频率为
[0056]
[0057] 其中可调电容和可调电感均给出典型值并制作成可拆卸替换的小模块，便于设计 和调试。
[0058]根据电容反馈三点式振荡电路原理，C09、C10、C11构成了 Q02振荡电路中参与振荡 的总电容值C，所以在计算振荡频率时，C应该计算为：
[0059]
[0060] 左边的D5~D8是变容二极管，改变两端的电压值会等效为不同电容值的电容。于 是将变容二极管电路与LC谐振电路相连，对外就能实现压控振荡。
[0061] 用变容管进行频率调制常用于调频信号发生器等仪器中，也用于通信机的调频器 和自动频率控制电路中。其优点是电路简单，变容二极管体积小;工作频率高；易于得到较 大频偏，而且在频偏较小的情况下，非线性失真可以很小;此外，变容管是通过电压控制的， 所需调制信率很小。
[0062] 此外如2、(：10、(：11、1?15、1?16，1?17组成的电路可等效为一个负阻，能源源不断地给 LC谐振环路提供能量以补充损失。因为从能量平衡的角度来看，只要能抵消振荡回路中的 损耗，就能让振荡维持下去。负阻振荡器就是根据能量平衡原理，利用负阻器件抵消回路中 的正阻损耗，产生自激振荡的。
[0063] L01、C12和C13组成π型电路，起到电源退耦的作用，一方面减小电源噪声对VC0的 干扰和调制，另一方面减小VC0产生的50MH对电源的干扰。
[0064] (3)缓冲电路
[0065] 用Q03搭建共集射随电路，起到缓冲隔离，增加驱动能力的作用（图6)。根据射随电 路特点，输入电阻大，输出电阻小，虽然电压增益小于1，但能产生较大电流增益，因此输入 Q03基极的微小电流能被放大产生较大的电流驱动负载。电路图中C15为输入耦合电容，C16 为电源滤波电容。
[0066] (4)调频信号滤波电路
[0067] 调频信号从VC0和驱动电路输出后，为滤除高频噪声，需要接入低通滤波器(图7)。 采用3阶π型定K型归一化低通滤波器设计，特征阻抗为50 Ω，截止频率约为65MHz，基本得到 噪声较小的50MHz调频信号。
[0068] (5)二分频电路
[0069]二分频电路采用D触发器芯片74VHC74搭建（图8)，其分频原理是:检测输入端上升 沿，当上升沿到来时，输出发生一次电平翻转。所以输入信号需要两个上升沿才能使输出发 生一个周期两次电平变化，从而因此实现了二分频功能。
[0070] (6)鉴相器
[0071] R42、D10、D11组成"或"逻辑电路，两路D触发器的"非"输出端经过或逻辑后使D触 发器复位。A和B两路信号的上升沿，稍迟到达D触发器的将引发两个D触发器同时复位，所以 相位提前的A路信号输出高电平时间比B信号时间要长。经过后面的差分积分电路输出的相 位差随时间的累积。因为74VHC74芯片中含有两个D触发器，所以非常适合用于鉴相器（图 9) 〇
[0072] (7)环路滤波
[0073] 环路滤波电路（图10)实质分为三部分。输入端部分1?32、1?33、029、030为无源低通 滤波电路，对鉴相器的输出进行滤波得到低频分量。1?34、1?35、1?6、1?7、031、032、033、034构 成差分电路和积分电路，能实现双端转单端输出信号差，同时起到一定的滤波作用。配合前 面的低通滤波电路，能够得到两个输入信号相位差随时间的累积。注意R34*C32 = R35*C34， 该值决定这积分环路的带宽，这个值越大，带宽越低。
[0074] (8)参考时钟
[0075] 参考时钟电路（图11 )25MHz为有源高稳定度晶振输出。只要供电电源即可输出 25MHz稳定的时钟信号，电感L10和电容C28均为电源滤波，避免电源噪声进入时钟信号对鉴 相产生影响。时钟输出与电阻R31串接，对时钟波形起到一定的滤波整形作用。
[0076] (9)电源
[0077] 电源支持两种接口，并提供电源指示灯(图12)。
[0078] 1)插USB提供电源。
[0079] 2)接5V适配器到2.5mmDC插座提供电源。
[0080](二)接收端
[0081 ]下面分别介绍接收端各电路模块的工作原理。
[0082] (1)带通滤波器电路
[0083]接收端第一个电路模块即为带通滤波器模块（图13)，经过信道的传输后，接收到 调频信号混有低频或高频噪声，需要通过带通滤波器将有用的50M调频信号滤出。设计的带 通滤波器为3阶巴特沃斯带通滤波器，其中可变电容CR05和CR06设计为30pF可调节小模块， 方便调试。经测试，改变可变电容值，可调节带通滤波器通频带约为40MHz~52MHz，基本能 得到较为纯净的50MHz调频波。
[0084] (2)放大限幅电路
[0085]在接收调频波进入放大器之前加入限幅电路（图14)，此电路利用稳压二极管实 现，二极管具有单向导通性，采用两个方向相反的稳压二极管，当信号大于二极管的导通电 压时会被二极管钳位，以此做限幅作用。因此当输入信号过大时，钳位电路能保护后级电 路。
[0086] (3)50MHz第一级放大电路
[0087]图15中的三极管高频放大电路是一个典型共射放大电路。该电路中，R08、C10、 C11、C14、C15、E05为电源滤波，避免电源噪声耦合到信号中。电容C09为输入耦合电容，R06 和R07分压为三极管提供静态工作点。R09为电流负反馈电阻，提高电路稳定性，C12、C13提 升交流增益。集电极上的可调电容CR07和电感L04构成谐振电路，对输入信号选频放大，谐 振频率公式上文已给出。输出端C16耦合电容将输出耦合到下一级放大电路。
[0088] (4)50MHz第二级放大电路
[0089] 第二级放大电路（图16)和第一级大致相同，也为经典共射放大电路，输入前也会 先通过放大限幅电路作输入保护，C17为输入耦合电容，C20为输出耦合电容。但第二级集电 极的电容和电感为元件库中的小模块，可方便地更换调试。另外放大电路输出端采用二极 管串联接法作了过压保护，避免输出端触及外部较高电压时对三极管击穿造成损坏。
[0090] (5)VC0及其缓冲电路参照发射机电路。
[0091]电路中的可调电容CM02和CM03均为元件库中的小模块，换不同大小的电容值可以 改变VC0的输出振荡频率。
[0092] (6)VC0信号放大电路
[0093]该电路为最简单的三极管共射放大电路（图17)，C35为输入耦合电容，R9和R10分 压，提供静态工作点。R39为射极电阻，R38为集电极电阻，它们决定集电极电流和输出电压。
[0094] (7)鉴相器，环路滤波等电路参照发射机电路，不再赘述。
[0095] (8)语音前置放大滤波电路
[0096] 由于后级功放电路主要是对电流放大从而提高输出功率，对信号电压增益较小，。 因此要提高音频峰峰值，必须在功率放大电路前加前置放大电路，并同时对音频进行滤波。
[0097] 前置放大滤波电路由运算放大器搭建反向放大器（图18)。由于是单电源供电，正 输入端为"虚地"，必须提供vcc/2的偏置，由等值的R27和R28提供，C42滤波保证了偏置电平 的稳定性。C40为输入耦合电容，去掉输入音频的直流分量。R26和R29组成反相放大器，放大 倍数为-R29/R26。而R25和C41以及R29和C43为低通滤波器，滤除环路滤波输出的高频噪声。 [0098] (9)音频功率放大电路
[0099]使用LM386功率放大器芯片搭建功放电路，采用的是LM386典型应用电路（图19)。 [0100] LM386是一种专用的音频集成功放芯片，具有自身功耗低、增益可调整、电源电压 范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机等 消费电子产品之中。
[0101] LM386所需外围电路很少，内置了20倍的电压增益。若在增益调节端1脚和8脚之间 增加电阻和电容则能实现任意电压增益。本系统在增益调节端连接l〇u的电解电容C45,实 现200的电压增益。正输入端与滑阻相连，可以调节输入滑阻阻值可以改变音量大小，负输 入端接地，即输入以地作为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。7脚为旁路脚， 接电容到地。5脚为输出，并联C46和R30为输出滤波，通过耦合电容E07为音频输出。
【主权项】
1. 一种多级模块化无线收发机实验平台，其特征在于：该平台具体包括发射端和接收 端两大t吴块： (1) 无线收发机发射端模块 包括调制部分，为开环的调频发射电路;调制部分由信号输入放大器、VCO压控振荡器、 缓冲器BUF和滤波器构成;信号通过音频接口输入放大器或直接为数字信号输入，随后直接 控制V⑶压控振荡器，VCO输出经过缓冲器BUF后再通过滤波器，滤除多次谐波后输出50MHz 调频信号； (2) 无线收发机接收端模块 经过信道传输，50M发射信号首先通过50MHz带通滤波器BRF滤除噪声；其次，经过信道 传输使得发射信号幅度衰减明显，让接收端输入信号经过两级放大器连续放大，并通过缓 冲器BUF输出，并使这个幅值足以驱动鉴相器;压控振荡器VCO产生的信号同样经过放大器 放大后进入鉴相器;然后，将VCO输出的信号与接收信号通过鉴相器进行相位比较，产生的 相位误差信号经过环路滤波反馈控制VCO的输入电压;该锁相环路使VCO输出信号的频率紧 紧跟踪输入信号的变化，其输出的压控电压即是频率变化的规律，也就得到调制端输入的 语音信号；最后将解调得到的语音信号先通过前置放大器放大，然后经过功率放大器电路 驱动耳机或者喇叭将音频信号放出，至此接收端完成整个解调播放过程。2. 根据权利要求1所述的多级模块化无线收发机实验平台，其特征在于:所述的发射端 模块中增加一个频率锁定反馈回路，用一个高稳定度晶体锁定发射的中心频率;在反馈回 路中，压控振荡器经缓冲BUF输出的信号经过二分频器变为25M，此信号与来自有源晶体的 25MHz通过鉴相器电路进行相位比较;鉴相器是指输出电压与两个输入信号之间的相位差 有确定关系的电路，表示其间关系的函数称为鉴相特性;鉴相器是锁相环的基本部件之一， 也用于调频和调相信号的解调；当输入信号的相位比参考信号的相位提前时，鉴相器输出 低电平，反之则输出高电平;鉴相器的输出信号将进入环路滤波器； 环路滤波器也是锁相环电路中的重要组成部分，负责将输入的相位差信号转化为VCO 控制信号;它是一个线性低通滤波器，所述的环路滤波器用以滤除误差信号中的高频分量， 并为反馈环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保环路迅速重新 捕获ig号； 鉴相器通过环路滤波器后输出，与输入信号相加再输入到VCO，从而控制输出频率;最 终，输出信号的相位与参考的相位差锁定在非常小的一个范围，则认为两个信号的相位一 致，从而频率也将一致。3. 根据权利要求1所述的多级模块化无线收发机实验平台，其特征在于:该压控振荡器 VCO是输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，频率是输入信号电压的函数的振 荡器，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制。4. 根据权利要求3所述的多级模块化无线收发机实验平台，其特征在于:该压控振荡器 可以为LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器中的一种。
【文档编号】H04B17/391GK105897298SQ201610390072
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】张玉玺, 刘寒颖, 王俊
【申请人】北京航空航天大学