微波探測聲音方法的實(shí)現

　　1 實(shí)驗原理

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

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

　　調制的作用是使載波的振幅Vcm隨調制信號vΩ而相應的變化，從而得到調幅波。調幅波振幅變化的軌跡即波峰點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)為包絡(luò )線(xiàn)。調幅波包絡(luò )線(xiàn)的瞬時(shí)值為：

　　式(4)中，VΩm/Vcm稱(chēng)為調幅指數，用ma表示。

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

　　這表明單音信號(即調制信號是正弦信號)的調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。

　　調幅信號的解調是振幅調制的反過(guò)程，是從高頻已調信號中取出調制信號，常將這種解調稱(chēng)為檢波。實(shí)現這種解調作用的電路稱(chēng)為振幅檢波器。檢波器由高頻輸入回路、非線(xiàn)性器件和低通濾波器三部分組成。因振幅調制信號由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒(méi)有調制信號本身的頻率分量Ω，但載頻ω0與上邊頻(ω0+Ω)或下邊頻(ω0-Ω)之差可得到Ω。為了取出原調制信號頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調信號，通過(guò)非線(xiàn)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。

2 實(shí)驗裝置與基本器件

　　本實(shí)驗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(xiàn)投射到待測聲源處，作為載波的微波被聲源處的音頻信號調制后被反射回來(lái)，由天線(xiàn)接收(發(fā)射、接收天線(xiàn)為同一天線(xiàn))，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。實(shí)驗裝置中所用到的振蕩器、隔離器、環(huán)形器、角錐天線(xiàn)和晶體檢波器均為實(shí)驗室中常見(jiàn)的3厘米波段(X波段)的微波器件。

　　3 電路結構

　　本實(shí)驗所用的前置放大電路如圖2所示。它包括兩級，第一級由OP07構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很微弱，為了達到較好的放大效果，實(shí)驗中加了一級弱電流放大電路。根據運放電路的相關(guān)知識可知，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為

倍;第二級用NE5532運放構成一個(gè)低噪聲的電壓放大電路。NE5532是一種高速低噪聲運算放大器。它的帶寬為10 MHz，相比大多數標準運算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，更高輸出驅動(dòng)能力和小信號帶寬。

　　自動(dòng)增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當輸入信號幅度較大時(shí)，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數減小，當輸入信號幅度較小時(shí)，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數增加。

　　圖3中，輸入信號從運放F1的同相端輸入，二極管VD對運放F1的輸出信號整流后，經(jīng)一個(gè)∏形濾波電路得到一個(gè)負向AGC電壓，這一電壓經(jīng)過(guò)運放F2放大后送往場(chǎng)效應管3DJ6的柵極。當輸入信號幅值較大時(shí)，相應地得到較大的AGC電壓，運放F2輸出較大的負壓至場(chǎng)效應管3DJ6的柵極，增大了場(chǎng)效應管3DJ6的源漏極間的電阻，從而減小了運放F1的放大倍數;反之，當輸入信號的幅值較小時(shí)，AGC電壓也很小，運放F2輸出也很小，場(chǎng)效應管3DJ6的源漏極間的電阻很低，使運放F1得到較大的放大倍數。

　　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，外接元件少，總的諧波失真小，對低電壓信號的放大效果良好，且驅動(dòng)能力強，輸出信號可直接驅動(dòng)8 Ω的揚聲器。

4 實(shí)驗結果及分析

　　根據所設計的實(shí)驗方案，我們在實(shí)驗室制作了相關(guān)電路和進(jìn)行了實(shí)驗測試。實(shí)驗結果如圖5示：

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

　　5 結束語(yǔ)

　　通過(guò)在實(shí)驗室中的實(shí)驗實(shí)測，由接收電路得到的信號能較好地還原原來(lái)的音頻信號，證明本實(shí)驗方法可行。本實(shí)驗可作為一種趣味性或演示性實(shí)驗開(kāi)設，對拓展學(xué)生的知識面、提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加深學(xué)生對有關(guān)知識的理解有很好的幫助。