微波通信原理实验指导书.doc

微波通信原理实验指导书李振田 杨静山2007年10月信息学院通信教研室目录实验基础 微波测量仪表介绍3实验一 70MHZ中频振荡器5实验二 压控振荡器8实验三 压控振荡器扫频特性测量10实验四 上变频器12实验五 滤波器14实验六 电调衰减器17实验七 低噪声放大器19实验八 锁相信号源22实验九 下变频器24实验十 微波上、下变频系统26实验十一 电视信号微波传输系统28实验十二 微波话音传输系统30实验十三 微波可视电话传输系统31实验十四 微波低速数据传输系统32实验十五 微波高速数据传输系统33实验基础 微波测量仪表介绍微波测量仪表的种类很多，如微波信号源、功率计、驻波表、选频表、频谱仪等，微波仪表通常价格较高，考虑到此因素，本实验箱只需要配备很少的仪表，即可进行各项实验。因此本实验箱配备了中频信号源、扫描振荡器等，代替微波信号源等仪表。本章重点介绍频谱分析仪。一、频谱分析仪工作原理频谱分析仪是一种能在示波管上显示出被测信号频谱幅度特性的仪器，荧光屏的横坐标代表频率，纵坐标代表不同频率分量的幅值。微波频谱分析仪主要用来观察各种已调信号（调幅、调频、脉冲调制）的频谱及功率，测量信号频率、测量振荡器的频率稳定度和频谱纯度，测量波形失真与噪声等。目前频谱仪多采用扫频超外差式，它的灵敏度高，频率分辨率好，噪声小。扫频超外差式频谱仪实际是超外差接收机和示波器的组合，它的方框原理如下图所示。管被测信号（频率为fs）经直接输入或衰减后输入，在混频器中与机内本振信号（频率为fp）进行混频，fo =fp-fs，fo为中频信号频率，中频信号经放大、检波，得到一个和输入信号幅度成正比的直流电压，经垂直放大后加到示波管的垂直偏转板上，这就使电子束在垂直方向的的偏移与输入信号幅值成正比。本振fp是一个电调谐的扫频振荡器，它的频率受锯齿波电压的扫描发生器控制。频率随锯齿电压作线性变化，该锯齿电压经水平放大器放大后加在示波管的水平偏转板上，这就使电子束在水平方的偏移正比于扫频振荡频率变化，并可折算出输入信号的频率。如果被测信号中有几个分量，由于本振频率fp连续扫频变化，而中频fo是固定的，因此信号中的各个频率分量都可以顺序地在fp变化时满足fp-fs=fo，此时各频率分量顺序通过中放，在示波管的荧光屏上分别显示出来，它们在荧光屏上水平间隔距离反映出它们的频率差，垂直高度代表它们的幅度。这样就得到了信号频谱。扫描超外差式频谱仪的灵敏度主要取决于中频放大器的放大量和内部的噪声，一般能达-100dbm，频率分辩率主要取决于中放的带宽，考虑到超外差接收机的镜像干扰，频谱仪多采用多级变频方案，如三次或四次变频，第一中频较高，可减小镜像干扰，末级变频后的中频较低有利于减小带宽，降低噪声和提高分辩率。有的频谱仪带宽有多种选择，可满足不同分辩率要求。二、安泰信AT5011 频谱分析仪使用方法安泰信AT5011频谱分析仪是一款性能好、价格低的射频分析仪。本频谱仪测量的频率范围为0.15-1050MHZ，若另外选配AT5000F1扩展器，测量频率可扩展为1050-2050MHZ；若选配AT5000F2测量频率可扩展为2050-3050MHZ；若选配AT5000F3，测量频率可扩展为3050-4050MHZ。因此若三种扩展器都选配，则测量频率范围为0.15-4050MHZ。本微波实验系统只需选配AT5000F2，便可满足测试需要。众所周知，示波器是观察信号时域波形的专用设备，但是信号并非用时域特性能完全表征，而信号的频域特性也是对信号进行分析的一个重要方面。频谱分析仪则能在示波管上直接显示信号频谱特性的仪表，因此频谱分析仪与示波器一样都是分析信号的重要工具。安泰信AT5011频谱仪使用非常方便。被测信号从INPUT输入，适当选择衰减档位，在示波管上便能显示出信号的频谱。当MARKER置于ON，调节MARKER旋纽，示波管有光标表示，该光标的频率数值在数字显示窗中将被显示出来。因此利用光标能准确地读出被测信号频率。当MARKER置于OFF时，数字显示窗将显示示波管垂直中轴位置频率。SCANWIDTH是扫描宽度调节共分十档，每格扫描宽度从0.1MHZ-100MHZ。当放在大档位时，观察到的频谱范围较宽，当放在较小档位时，对频谱特性能观察得较仔细。BAND WIDTH是中频带宽选择，分400KHZ、20KHZ两档，当需高频率分辨率时应选择20KHZ档。在测量信号幅度时，中频带宽应选择400KHz档。Video Filter是视频滤波，在测量微弱信号时，放在ON，可以减小本机噪声对测量的影响，在测量信号幅度时，该视频滤波应放在OFF。另外AT5011频谱仪带有跟踪振荡器，它是扫频振荡器，扫频频率与频谱仪扫描频率同步，故取名为跟踪振荡器。扫频范围为0.15-1.50MHZ。如测量滤波器或放大器的频率响应，它可用来作为信号源。该扫频振荡器输出幅度可用衰减器调节。（0-40db调节范围）。安泰信AT5011频谱仪用来进行微波实验时的电路连接请参见以下各章节。实验一 70MHZ中频振荡器一、实验目的1. 测量70MHZ中频振荡器特性，为以后实验作准备；2. 学习振荡器测量方法及仪表使用方法。二、实验内容1.观察70MHZ振荡器信号频谱；2.测量信号频率；3.测量信号功率；4.测量杂波频率及衰减；5.测量频谱纯度（各次谐波衰减）；6.测量相位噪声；7.测量频率稳定度。三、相关部件及仪表连接频 谱 仪70MHZ中频振荡器 输出中频振荡器 输出测量70MHZ中频振荡器，是有源部件，测量时必须按下中频振荡器的12V电源开关，相应的绿色指示灯亮，将频谱仪输入接在中频振荡器输出测量的50同轴接头上。四、参考测量结果信号频谱为线谱输出频率：69MHZ输出幅度：-10db(中频带宽400KHZ，视频滤波OFF位)各次谐波功率：2次谐波 -40db 3次谐波 -38db 4次谐波 -45db 5次谐波 -34db 6次谐波 -45db 7次谐波 -34db 8次谐波 -35db 9次以上谐波 -45db 其它杂波 -40db相位噪声：偏离0.1MHz；衰减50db以上。(中频带宽20KHZ，视频滤波ON位)频率稳定度因需长时间测量，如每隔一小时测量一次，每次测出频率，求出频率的平均值则记为f，再求出每次测得的频率与f之差，并找出最大的偏差记为f，则频率稳定度为f/f。此项实验所需时间长，通常不进行测试。五、实测频谱图形六、实验方法及注意事项本实验的方法请参考第一部分频谱仪使用方法。实验中请特别注意：1、“中频振荡器输出测量”接头上测得的信号，并非中频振荡器实际输出信号，因该测量点是经耦合电路与中频振荡器输出连接，其耦合衰减约为10db，因此计算中频振荡器实际输出与各次谐波实际输出时，应将在“中频振荡器输出测量”接头上测得的值增加10db，才是中频振荡器输出端真正的输出信号功率。2、接入频谱仪，开始频谱仪输入衰减应置于较大的衰减位，然后逐步调整衰减大小，至合适位置，分辩率也可根据屏幕显示情况合理调节，直至能正确读出频率的数值。3、进行中频振荡器模块测量时其它模块电源应切断，以免造成相互干扰，实验室中有多组实验同时进行时，也应注意避免相互之间干扰。4、实测结果与参考测量结果可能会稍有差别，但差别不应太大。若差别过大，应分析其原因。5、相位噪声测量，使用不同仪表或使用同一仪表不同频偏，其测量结果会不相同（试分析说明原因）。6、由于中频振荡器标称频率为70MHZ，因此，使用安泰信AT5011频谱仪测量时，无需加扩展器。仪表连接请参见照片。实验二 压控振荡器一、实验目的1. 测量压控振荡器特性，为以后实验作准备；2. 学习了解压控振荡器工作原理及电压改变频率之特性，计算调整斜率。二、实验内容 1.测量压控振荡器频率最大可调范围和2.4GHz对应的电压； 2.测量压控振荡器电压频率功率控制特性； 3.测量杂波衰减； 4.测量相位噪声。三、相关部件和仪表连接做压控振荡器实验时，首先要将面板压控/扫频开关置于压控位，按下压控振荡器12V电源开关，相应的绿色指示灯亮。将频谱仪输入接在“压控振荡器输出测量”的50同轴接头上，并将电压表“+”接“压控电压测量”孔，而电表“一”接组件外壳（如任一镀金的连接接头）。当改变“压控频率调节”旋钮时，测量压控振荡器频率和压控电压，并将结果填入下述的表格中。四、参考实验结果中心频率： 2.4GHZ 电压9.31伏频率可调范围： 2.170GHZ-2.570GHZ输出幅度： -11dbm（该值为“压控振荡器输出测量”点上测得的幅度，它比实际输出幅度低10db）。相位噪声：偏离1MHZ 衰减50dbm（实测40dbm，中频带宽400KHZ带宽，视频滤波OFF位）杂波：f=2.772G 幅度-40db f=2.856G 幅度35db 加屏蔽盖后，杂波衰减能改善3-5db。五、实测扫频频谱特性（照片）六、实验注意事项 1.本实验，压控振荡器与扫描振荡器的电源开关都要接通，并且压控/扫频开关要置于扫频位。 2.扫描振荡器是与70MHZ低通滤波器做在一个模块内。七、实验思考 1.扫描振荡器幅度对扫频特性有何影响？ 2.扫描振荡器幅度相同，但波形不同对扫频特性有无影响？ 3.采用正弦波形与锯齿波形扫描振荡器时压控扫频振荡器工作有何差异？实验四 上变频器一、实验目的1了解变频器工作原理；2掌握上变频器的测量，为微波通信系统测量打下基础。二、实验内容 1观察上变频器各端口信号的频谱特性； 2测量上变频器两输入信号幅度； 3测量载漏幅度； 4测量泄漏信号幅度； 5测量输出信号（边频）幅度。微波压控振荡器70MHZ中频 振 荡 器上变频器上变频器输出测量电调衰减器输入测量三、相关部件和仪表连接频谱仪频谱仪上变频器测试电路（一）频谱仪滤波器上变频器微波压控振荡器70MHZ中频 振 荡 器上变频器测试电路（二）上变频器实验的电路如上图（一）和图（二），实验时首先按下微波压控振荡器和中频信号源电源开关，相应的绿色指示灯亮。压控振荡器压控/扫频开关应置于压控位，仔细调节压控频率调节使压控振荡器频率为2.4GHZ，上下边频为2.4GHZ70MHZ。由于本实验箱对上变频器输入、输出信号不能直接测量，而是从耦合的测量接头间接测量，因为各耦合接头对信号衰减各不相同，即使是同一接头对不同频率信号耦合衰减也不相同，因此，根据测量数值很难计算真正的变频增益，故变频增益没有列为实验内容。四、实验任务测出实验输入信号功率、载漏、信号泄漏、信号功率。电路（一）实测 幅度 -35db 幅度 -8db 幅度 -12db 幅度 -38db 幅度 -29db 幅度 -28db 幅度 -33db其它组合频率幅度-40db电路（二）实测 幅度 -65db 加屏蔽盖后-68db 幅度 -30db 加屏蔽盖后幅度不变其它杂波幅度25db（可能是AT5000-F2造成）其它寄生频率幅度均很小，衰减50db相位噪声 偏离1MHZ 衰减50db (中频带宽400KHz；视频滤波OFF位)频率稳定度测量方法与中频振荡器相同，通常也不进行测试。五、实测频谱图形六、实验方法及注意事项1. 微波锁相源输出测量与实际输出端之间的耦合电路衰减约10dbm，因此微波锁相源实际输出比“微波锁相源输出测量”上测得的电平高10dbm。2. 锁相源的相位可能会发生抖动，称相位噪声，它会引起频率弥散，因此相位噪声可用信号频谱展宽来度量。例如可用偏离1MHZ功率衰减的大小表示。衰减越大，则相位噪声越小。七、实验思考1.比较锁相源与压控振荡器频谱图形，分析它们各自的特点。2.比较锁相源与压控振荡器相位噪声的测量结果。3.试分析锁相源与压控振荡器的频率稳定度？3. 能否测量出锁相源产生的各次谐波？实验九 下变频器一、实验目的1了解下变频器工作原理；2掌握下变频器的测量，为微波通信系统测量打下基础。二、实验内容1观察下变频器各端口信号的频谱特性；2测量正常下变频时两输入信号幅度；3测量下变频器输出信号幅度；4分析载漏对解调信号影响；5分析信号幅度对下变频器影响；6分析本振幅度对下变频器影响。三、相关部件及仪表连接请按下中频信号源、压控振荡器、电调衰减器、低噪声放大器、微波锁相源等电源开关相应指示灯亮。压控/扫频开关置于压控位电调衰减调节逆时针转到头。将频谱仪输入接在中频滤波器的输出，仔细调节压控频率调节电位器，使下变频器输出的中频信号频率为70MHZ。并测量实验内容所列各信号频率及幅度。如输出中频信号幅度太小，或无中频信号，则可慢慢减小可变衰减器衰减（但衰减器衰减不能太小，否则会产生非线性干扰）。四、实验思考1若电调衰减器衰减过大，则对下变频器工作有何影响？2. 为什么要微调压控振荡器的频率？3. 做下变频器实验应将其它各模块电路调整正常。实验十 微波上、下变频系统一、实验目的1.掌握微波上、下变频系统电路连接；2.掌握微波上、下变频系统测试方法。二、实验内容1正确进行系统电路连接；搞清信号流向及频率的变化。2调整压控振荡器频率观察频谱仪，使频谱应呈现70MHz线谱；3若频谱仪接收不到70MHz线谱，说明系统有故障或电源开关，旋钮位置不当，或参数设置不当，应仔细分析调整。4系统工作正常，逐级在测试点上，在线测试各点频谱。三、相关部件及仪表连接图中滤波器的作用是取出上变频后的下边带信号，抑制上边带，电调衰减器作用是模拟信道，因为信道对信号存在衰减，在实验中它起到防止低噪声放大器过载的作用，因此电调衰减器的衰减不宜过小，压控振荡器的频率可调整，正常工作时它的频率应与锁相源频率相等。此时频谱仪接收到的信号则为70MHZ，实验时我们可改变压控振荡器频率，当频谱仪测到的信号频率为70MHZ，则压控振荡器频率便调整准确。中频滤波器是为了抑制载漏和微波信号漏出。上述的上、下变频系统完全能模拟微波传输系统的射频部分，系统中各部件输入输出信号在相应的部件实验中均测量过，若要测量系统中某一点的信号，测量方法请参考部件测量中该部件同一点信号的测量方法即可。RZ9904型微波通信系统实验箱最大优点是可进行在线测量，即不断开电路，便能测量出各部件输入输出信号的电平及频率。因此我们在做微波上、下变频系统实验时，能充分体会到这一优点。实验十一 电视信号微波传输系统一、实验目的 1.掌握电视信号微波传输系统电路连接； 2.掌握电视信号微波传输系统调整。二、电路连接电视信号传输系统有两种接法：（1）有两台微波实验箱（A）、（B）可进行现场图像、声音信号采集，远距离微波信号双向传输和现场图像、声音再现；电视信号双向传输，电路连接如下：两台实验箱，在无阻挡情况下，最大传输距离可达1KM。(2)只有一台微波实验箱，只能进行单向传输，电路连接如下：由于收发模块距离很近，收发天线可以拔去，若接收不到信号，则在接收天线接线柱上连接一条很短的导线。三、系统调整给收发部件加上电源；选择频道。做双向传输系统时，AB与BA两个传输方向应选择频率相距较远的频道，这样可减小两个方向间相互干扰。若做单向传输，则可任选一频道即可，但收发频道数应相同。对接收机进行调整，调出图像和伴音信号。四、电视信号收发模块主要技术指标1工作频率为S波段（2.4-2.5GHz）有5个频点可选。用模块顶部拨动开关的位置组合进行选择。2发射机输出功率100mw3频率稳定度510-64接收机噪声系数4db5视频输入/输出电平 1V(75)6. 视频调制方式 FM7. 音频输入/输出电平 2.2V(P-P) (600不平衡)8. 音频调制方式 FM-FM 副载波5-7MHz9. 频带宽度：27MHZ10. 微分增益3%11. 微分相位2o12. 传输距离1KM13接收机为二次变频，一中频为0.95-1.45GHZ，二中频70MHZ五、实验注意事项1电路连接应正确，特别注意摄像头及DVD、VCD电视机的视频、音频线不要接错。2频道开关位置一定要正确，在双向传输时，AB方向发收频道位置保持一致，而BA方向发、收频道位置也应一致，并且两方向应选接较远的频道以便减小干扰。3 电视机应用AV接口。 实验十二 微波话音传输系统一、实验目的 1.掌握微波电话传输系统的电路连接； 2.体会微波电话传输质量并掌握系统调整。二、电路连接电路连接如下图所示：三、系统调整及通话实验微波电话传输系统是双工通信，因此必须要两台实验箱才能实现。将电话机插入电话插口，语音信号发、语音信号收分别接到微波发射系统与微波接收系统的音频输入和音频输出端口，接通双方收发信机电源。摘机拨1号键，对方听到振铃，对方摘机后双方便可通话。拨#号键则复位。四、注意事项1、微波系统AB与BA两个传输方向应选择频率相距较远的频道，以便减小干扰，提高通信质量。2、远距离传输时应注意A、B实验箱之间应没有阻挡物体。3、音频输入有L、R两个声道，同一传输方向应选择同一声道，不同传输方向可选择同一声道，也可选择不同声道。4、两台实验箱应拉开一定距离，以免声音环路自激。实验十三 微波可视电话传输系统一、实验目的1掌握微波可视电话传输系统电路连接；2掌握微波可视电话传输系统的调整作用。二、电路连接电路连接如下图：三、系统调整及可视电话通信实验可视电话传输系统，也必须有两台实验箱才能实现。按上图将电睡连接好，接通双方收发信机电源。将电视摄像头对准通话人，距离1-2米为宜，则在对方监视器中能看到发话人的影像。拨号通话过程仍