多级模块化无线收发机实验平台制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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——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。
技术介绍
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。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。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。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。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。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。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。因此，本专利技术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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，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。本专利技术具体概述如下：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。本专利技术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：(1)无线收发机发射端模块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、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VCO压控振荡器，VCO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。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。压控振荡器VCO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。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VCO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。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VCO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。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。(2)无线收发机接收端模块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。压控振荡本文档来自技高网...

【技术保护点】
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模块：(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VCO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。...

【技术特征摘要】
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模块：(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VCO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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉玺，刘寒颖，王俊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11