一種微波探測聲音方法的實現(xiàn)

摘要：提出了一種微波探測聲音(微波竊聽)的方法，并簡要介紹了它的原理和實現(xiàn)方式。通過微波振蕩器產(chǎn)生的微波，經(jīng)天線發(fā)射后投射到待測聲源處，被聲源處的音頻信號調(diào)制后反射回來，由天線接收后輸送到微波晶體檢波器檢波，再由小電流放大、電壓和功率放大等處理，還原出聲源處的聲音信號，達到探測聲音的目的。
關鍵詞：微波探聲；幅度調(diào)制；檢波

0 引言
    微波在現(xiàn)實生活中有多種用途，例如：微波通信、微波雷達、微波測速等。本文介紹一種以微波作為載波來實現(xiàn)探測聲音的實驗方法，并且在實驗室進行了測試。從實驗結(jié)果看，能達到利用微波探測聲音的目的。本實驗原理簡明，所用微波器件為實驗室常見的微波器件，電路結(jié)構簡單，易于實現(xiàn)。

1 實驗原理
    微波探測聲音的原理與廣播類似，它利用高頻的微波信號來“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(diào)制微波的聲頻信號為“調(diào)制信號”。經(jīng)過調(diào)制后的高頻信號為調(diào)幅波。
   
    式(1)和(2)中Ω、F分別為調(diào)制信號的角頻率和頻率。載波為遠高于調(diào)制信號頻率的正弦波。
    調(diào)制的作用是使載波的振幅Vcm隨調(diào)制信號vΩ而相應的變化，從而得到調(diào)幅波。調(diào)幅波振幅變化的軌跡即波峰點的連線稱為包絡線。調(diào)幅波包絡線的瞬時值為：
   
    式(4)中，VΩm／Vcm稱為調(diào)幅指數(shù)，用ma表示。
    語言、音樂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，可以分解為多個不同頻率的正弦波信號。典型的調(diào)幅波的頻率成分，可以由它的瞬時值表示式推導出來，即
   
    這表明單音信號(即調(diào)制信號是正弦信號)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)幅信號的解調(diào)是振幅調(diào)制的反過程，是從高頻已調(diào)信號中取出調(diào)制信號，常將這種解調(diào)稱為檢波。實現(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)制信號由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒有調(diào)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(diào)制信號頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調(diào)信號，通過非線性器件產(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。

2 實驗裝置與基本器件
    本實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(diào)制后被反射回來，由天線接收(發(fā)射、接收天線為同一天線)，再經(jīng)過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。實驗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驗室中常見的3厘米波段(X波段)的微波器件。

3 電路結(jié)構
    本實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，實驗中加了一級弱電流放大電路。根據(jù)運放電路的相關知識可知，輸入電流I1流經(jīng)R2和R3的流I2和I3的關系為，即輸出電流的放大倍數(shù)為倍；第二級用NE5532運放構成一個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(shù)標準運算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，更高輸出驅(qū)動能力和小信號帶寬。

    自動增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當輸入信號幅度較大時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數(shù)減小，當輸入信號幅度較小時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數(shù)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∏形濾波電路得到一個負向AGC電壓，這一電壓經(jīng)過運放F2放大后送往場效應管3DJ6的柵極。當輸入信號幅值較大時，相應地得到較大的AGC電壓，運放F2輸出較大的負壓至場效應管3DJ6的柵極，增大了場效應管3DJ6的源漏極間的電阻，從而減小了運放F1的放大倍數(shù)；反之，當輸入信號的幅值較小時，AGC電壓也很小，運放F2輸出也很小，場效應管3DJ6的源漏極間的電阻很低，使運放F1得到較大的放大倍數(shù)。

    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，對低電壓信號的放大效果良好，且驅(qū)動能力強，輸出信號可直接驅(qū)動8 Ω的揚聲器。

4 實驗結(jié)果及分析
    根據(jù)所設計的實驗方案，我們在實驗室制作了相關電路和進行了實驗測試。實驗結(jié)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(diào)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，接收解調(diào)后的信號能夠較清晰的還原為原來的聲音信號，此時輸出端接音頻喇叭能還原出聲源處的聲音。

5 結(jié)束語
    通過在實驗室中的實驗實測，由接收電路得到的信號能較好地還原原來的音頻信號，證明本實驗方法可行。本實驗可作為一種趣味性或演示性實驗開設，對拓展學生的知識面、提高學生的動手能力，加深學生對有關知識的理解有很好的幫助。