“通信电子线路”综合实验装置的开发

苗 澎， 田 玲， 唐 路， 李 芹， 陈莹梅

(东南大学 信息科学与工程学院， 江苏 南京 210096)

0 引言

“通信电子线路”课程是为电子通信类专业本科三年级学生开设的一门专业基础课，它既是通信的入门课程，又是电路与系统的专业课程，是通信专业本科生必须攻读的专业基础课程。该课程是在学生先修了“电路基础”、“电子线路”和“信号与系统”课程之后而作为选修的一门课程，其主要任务是通过课题教学、练习以及实验使学生了解和熟悉通信系统的组成电路，初步掌握通信电路的设计方法[1]。

由于该门课程的实验教学和理论课教学存在着脱节滞后的状况，其硬件实验装置尚无统一规范，目前各院校使用的通信电子线路实验装置差别很大，不一定都适合该课程教学大纲的要求。虽然已有NI公司推出虚拟仪器软件无线电系统实验模块，用软件方式可以编程定义无线电模块工作模式和参数，从而解决硬件实验装置的不足但其高昂的价格令人望而止步，难以满足本科生实验数量上的要求。因此，非常有必要设计开发一套通信电子线路实验装置，紧密结合教学大纲，从实践环节帮助学生巩固所学的理论知识。

自从我校为信息工程专业三年级本科生开设的“通信电子线路”配套的实验课程—“电子电路与综合实验”以来，实验装置进行了多次改革，特别是最近自主设计开发的“通信电子线路”综合实验装置，取得了较好的实践效果，受到了学生热烈响应和用人单位重视，这说明该实验装置适应了当今电子通信技术发展的需要。本文就此装置在“通信电子线路”教学实践中发挥的作用开展讨论[2～3]。

2 实验装置设计简介

“通信电子线路”综合实验装置设计开发的基本步骤为：首先根据教学内容确定电路的结构和性能指标, 设计仿真电路原理图；然后根据芯片数据手册和仿真结果对电路参数进行优化；最后借助频谱仪、信号源和示波器等仪器，观察测量结果再进行电路优化，这是一个循序渐进的过程。

该实验装置由11个单元模块构成，即电源模块、PLL锁相环模块、调谐放大器模块、基于PLL的调频和解调模块、FM移相乘积解调模块、AM/DSB同步检波模块、AM波调制模块、AM包络检波模块、DSB/混频器模块和滤波器模块。这些模块可以单独进行实验，也可以组合完成系统级电路实验。

下面以我们针对本课程的教学所设计的几个实验为例，介绍其在“通信电子线路”实验教学中的应用。

3 实验案例

3.1 调幅AM/DSB调制实验

振幅调制是使高频载波信号的振幅按调制信号的规律变化。如果载波信号为uc(t) =UCmcosωct=UCmcos2πfct，其中ωc= 2πfc为载波角频率，fc为载波频率。假设调制信号为单音频，即调制信号uΩ(t)=UΩmcosΩt=UΩmcos2πFt，且F<

UAM(t) =Ucm(1+kaUΩm/UcmcosΩt)cosωct

=Ucm(1+MacosΩt)cosωct

(1)

其中Ma是调幅信号的调幅系数，式(1)反映了调幅信号振幅变化的规律，因此也称之调幅信号的包络函数，式中ka是取决于调幅电路的比例常数。

标准AM电路如图1所示，其中乘法器和求和电路由MC1496芯片实现，输入信号分别为调制信号和载波信号，输出为AM已调波信号。

图1 标准AM调制电路

抑制载频的双边带调制为DSB，单音调制的DSB波形的表达式为

Um(t)=AMUΩ(t)UcmcosωctcosΩt

=0.5MaUcm[cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t]

(2)

由式(2)可知DSB调制将调制信号uΩ(t)和载波信号uc(t)通过相乘器直接相乘就可以得到。

载波抑制双边带DSB电路如图2所示，其中乘法器和求和电路由MC1496芯片实现，输入信号分别为调制信号和载波信号，输出为DSB抑制载波信号。其与图1在电路实现的区别在于DSB抑制了乘法器输入端直流电平，从而抑制了载波分量的输出，输出频谱如图3所示。

图2 DSB调制电路

图3 DSB输出频谱

3.2 调幅AM/DSB解调实验

振幅解调是振幅调制的逆过程，从频谱搬移的角度看，相当于把调幅信号频谱搬回到对应零载频基带。调幅AM/DSB解调有两种方法：乘积解调(同步捡波)和包络检波。

3.2.1同步检波

同步检波要求在接收端能产生与原发射载波同频同相的载波信号。将式(1)AM已调波和本地载波相乘可得：

Uo1(t) =UAM(t) cosωct

=(1+MacosΩt)cosωctcosωct

= 0.5+0.5MacosΩt+0.5 cos2ωct

(3-a)

由式(3-a)可知，AM已调波经同步检波电路输出为3项：直流、基波和二次谐波分量。直流分量可由隔直电容滤除，二次谐波分量可由低通滤波器滤除。因此AM同频解调电路如图4所示。

图4 同步解调电路方框图

将式(2)DSB已调波和本地载波相乘，即UDSB(t) cosωct，经低通滤波器滤波后的输出分量为

Uo2(t) =0.5AMUcmUΩ(t)

(3-b)

由式(3-b)可知，DSB信号也可以用图4的同步解调电路解调。

3.2.2包络检波

AM波的振幅包络变化反映了调制信号的变化规律。包络检波是指从普通调幅AM中还原出原调制信号的过程。

包络检波电路通常采用二极管和RC滤波网络组成，其方框图如图5(a)所示。当输入的AM波的幅度足够大时，二极管起开关作用，则AM波经过二极管后，AM波的负半周被削去，只剩下幅度按调制信号规律变化的一连串正半周余弦脉冲，将这一串余弦脉冲经RC滤波网络滤除高频分量后，就可取出调制信号uΩ(t)分量，完成解调过程。RC滤波网络的充放电过程，就是其输出波形呈现过程如图5(b)所示。

(a)包络检波电路方框图

(b)包络检波输出波形图5 包括检测电路

实际的包络检波电路还要在包络检波输入和输出接缓冲电路，二极管采用专用的检波二极管保证其较小的导通内阻。充电时间常数要远小于放电时间常数。

3.3 调频与解调电路

调频是使载波信号的频率按基带调制信号的规律变化，而幅度保持不变的一种调制。FM波是用基带调制信号去调变载波的角频率。这时，载波的瞬时角频率可表示为ω(t) =ωc+kvΩ(t)，kv是和调频电路有关的比例常数，单位为rad/V。已调波的瞬时相角为

(4)

FM已调波表达为

(5)

对于vΩ(t)=VΩmcosΩt的单音信号进行频率调制，则FM波表达式为

VFM(t)=Vomcos[ωct+MfsinΩt+θ0]

(6)

因此调频电路可以用锁相环的压控振荡器VCO直接调频的方法产生调频波，这时锁相环处于开环状态，直接用调制信号控制VCO的电压控制端，如图6所示。

图6 直接调频电路

可以采用MC2833 FM直接调频芯片实现调频功能，其主要由麦克风放大器、可变电抗放大器和辅助放大晶体管构成。由输入话音信号控制可变电抗放大器的电抗即可实现直接FM功能。其电路如图7所示。

图7 由MC2833构成的直接FM电路

3.4 基于锁相环PLL的FM解调电路

若PLL的环路带宽较宽，当输入FM波时，就能使VCO精确地跟踪FM波的反映调制信号规律的瞬时频率变化，产生具有与输入FM波相同调制规律的输出调频波。只要VCO的频率控制特性是线性的，则VCO的控制电压，即环路滤波器的输出电压uC(t)，就是所需的不失真解调输出电压uΩ(t)。基于PLL的FM解调电路图如图8所示。

图8 基于锁相环PLL的FM解调

FM解调PLL芯片可采用NE564，其内部集成了相位比较器PD、限幅放大器LA、压控振荡器VCO及整流施密特触发器等器件。用户在片外设计滤波器环路、VCO振荡器频率和PLL锁定范围参数，就可以实现对FM波的解调。其中锁定范围是通过2脚相位比较器PD注入电流实现锁定控制。

NE564电路如图9所示。

图9 NE564锁相环内部框图

要尽量增大环路滤波器的带宽，以保证可以在较宽范围内跟踪输入FM波的变化。

4 实验装置

“通信电子线路”综合实验装置根据课程大纲现设计了11种单元实验电路，各个单元电路可以单独工作，也可以组合使用，如用AM/DSB产生调幅信号后，由混频器再进行频谱搬移，最后经调幅解调电路解调输出。

该实验装置电路板如图10所示。

图10 实验装置电路板照片

5 结语

根据“通信电子线路”课程的教学大纲和教学内容，本文设计开发了“通信电子线路”综合实验装置。

通过实验的开展，引导学生通过实验预习、动手与反复思考和总结，掌握通信电子线路的特点，学会观察与分析通信电路的基本设计方法，起到了良好的教学效果，有效地锻炼了学生的动手能力。