劉詩(shī)偉，林周福，梁生輝

(華南師范大學(xué)物電學(xué)院，廣東廣州 510006)

0 引言

微波在現(xiàn)實(shí)生活中有多種用途，例如:微波通信、微波雷達(dá)、微波測(cè)速等［1-2］。本文介紹一種以微波作為載波來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)聲音的實(shí)驗(yàn)方法，并且在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，能達(dá)到利用微波探測(cè)聲音的目的。本實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)明，所用微波器件為實(shí)驗(yàn)室常見的微波器件，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

微波探測(cè)聲音的原理與廣播類似，它利用高頻的微波信號(hào)來(lái)“載馱”所要傳送的聲頻信號(hào)，也就是高頻微波信號(hào)的振幅隨所傳送的聲頻信號(hào)的變化而變化。高頻微波信號(hào)為“載波”，調(diào)制微波的聲頻信號(hào)為“調(diào)制信號(hào)”。經(jīng)過(guò)調(diào)制后的高頻信號(hào)為調(diào)幅波。

設(shè)載波信號(hào)電壓瞬時(shí)值表示式為:

調(diào)制信號(hào)電壓的瞬時(shí)值表示式為:

式(1)和(2)中Ω、F分別為調(diào)制信號(hào)的角頻率和頻率。載波為遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)頻率的正弦波。

調(diào)制的作用是使載波的振幅Vcm隨調(diào)制信號(hào)vΩ而相應(yīng)的變化，從而得到調(diào)幅波。調(diào)幅波振幅變化的軌跡即波峰點(diǎn)的連線稱為包絡(luò)線［3-4］。調(diào)幅波包絡(luò)線的瞬時(shí)值為:

于是，可寫出調(diào)幅波的瞬時(shí)值表示式:

式(4)中，VΩm/Vcm稱為調(diào)幅指數(shù)，用ma表示。

語(yǔ)言、音樂(lè)等都不是單音頻信號(hào)，而是由很多不同頻率的波合成，它們不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)。對(duì)于非正弦的周期信號(hào)，可以分解為多個(gè)不同頻率的正弦波信號(hào)。典型的調(diào)幅波的頻率成分，可以由它的瞬時(shí)值表示式推導(dǎo)出來(lái)，即

這表明單音信號(hào)(即調(diào)制信號(hào)是正弦信號(hào))的調(diào)幅波由三部分頻率分量組成，即載波分量 ω0、上邊頻分量 ω0+Ω和下邊頻分量ω0－Ω。

調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)是振幅調(diào)制的反過(guò)程，是從高頻已調(diào)信號(hào)中取出調(diào)制信號(hào)，常將這種解調(diào)稱為檢波。實(shí)現(xiàn)這種解調(diào)作用的電路稱為振幅檢波器。檢波器由高頻輸入回路、非線性器件和低通濾波器三部分組成。因振幅調(diào)制信號(hào)由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒有調(diào)制信號(hào)本身的頻率分量Ω，但載頻ω0與上邊頻(ω0+Ω)或下邊頻(ω0－Ω)之差可得到Ω。為了取出原調(diào)制信號(hào)頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調(diào)信號(hào)，通過(guò)非線性器件產(chǎn)生新的頻率分量，其中就包含所需的Ω分量，再用低通濾波器濾除不需要的高頻分量，即可得所需的聲音信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與基本器件

本實(shí)驗(yàn)裝置與基本器件組成圖如圖1所示。微波振蕩器產(chǎn)生的微波，經(jīng)隔離器和環(huán)形器由天線投射到待測(cè)聲源處，作為載波的微波被聲源處的音頻信號(hào)調(diào)制后被反射回來(lái)，由天線接收(發(fā)射、接收天線為同一天線)，再經(jīng)過(guò)微波晶體檢波器檢波和電流、電壓及功率放大，最后還原出聲源處的音頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)裝置中所用到的振蕩器、隔離器、環(huán)形器、角錐天線和晶體檢波器均為實(shí)驗(yàn)室中常見的3厘米波段(X波段)的微波器件。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置與基本器件組成圖

3 電路結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)所用的前置放大電路如圖2所示。它包括兩級(jí)，第一級(jí)由OP07構(gòu)成的弱電流放大電路。由于一般情況下，檢波后得到的電流形式的音頻信號(hào)很微弱，為了達(dá)到較好的放大效果，實(shí)驗(yàn)中加了一級(jí)弱電流放大電路。根據(jù)運(yùn)放電路的相關(guān)知識(shí)可知，輸入電流 I1流經(jīng) R2和 R3的流I2和 I3的關(guān)系為，即輸出電流的放大倍數(shù)為倍［5-6］;第二級(jí)用NE5532運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)低噪聲的電壓放大電路。NE5532是一種高速低噪聲運(yùn)算放大器。它的帶寬為10 MHz，相比大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，更高輸出驅(qū)動(dòng)能力和小信號(hào)帶寬。

圖2 前置放大電路

自動(dòng)增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，AGC電壓控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)減小，當(dāng)輸入信號(hào)幅度較小時(shí)，AGC電壓控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)增加［7］。

圖3 自動(dòng)增益控制電路(AGC)

圖3中，輸入信號(hào)從運(yùn)放F1的同相端輸入，二極管VD對(duì)運(yùn)放F1的輸出信號(hào)整流后，經(jīng)一個(gè)∏形濾波電路得到一個(gè)負(fù)向AGC電壓，這一電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放F2放大后送往場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6的柵極。當(dāng)輸入信號(hào)幅值較大時(shí)，相應(yīng)地得到較大的AGC電壓，運(yùn)放F2輸出較大的負(fù)壓至場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6的柵極，增大了場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6的源漏極間的電阻，從而減小了運(yùn)放F1的放大倍數(shù);反之，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值較小時(shí)，AGC電壓也很小，運(yùn)放F2輸出也很小，場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6的源漏極間的電阻很低，使運(yùn)放F1得到較大的放大倍數(shù)。

圖4 功率放大電路

功放采用低電壓音頻功率放大器LM386，電路圖如圖4所示。其電路電壓增益可調(diào)，外接元件少，總的諧波失真小，對(duì)低電壓信號(hào)的放大效果良好，且驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輸出信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng) 8 Ω 的揚(yáng)聲器［8-9］。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室制作了相關(guān)電路和進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5示:

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由圖5可知，在圖5(a)中，聲源頻率為5 kHz的正弦波，接收解調(diào)后信號(hào)較好的還原回正弦信號(hào);在圖5(b)中，聲源為通常的聲音信號(hào)時(shí)，接收解調(diào)后的信號(hào)能夠較清晰的還原為原來(lái)的聲音信號(hào)，此時(shí)輸出端接音頻喇叭能還原出聲源處的聲音。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，由接收電路得到的信號(hào)能較好地還原原來(lái)的音頻信號(hào)，證明本實(shí)驗(yàn)方法可行。本實(shí)驗(yàn)可作為一種趣味性或演示性實(shí)驗(yàn)開設(shè)，對(duì)拓展學(xué)生的知識(shí)面、提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加深學(xué)生對(duì)有關(guān)知識(shí)的理解有很好的幫助。

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