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超外差式接收机

发布时间:2019-07-04 12:39 来源:未知 编辑:admin

  4.1.2 无线信号接收电路的主要技术指标 接收电路的主要技术性能指标如下: (1)信噪比 接收机输出信号中的有用信号功率电平与噪声信号功率电 平的比值,称为接收机信噪比,用符号 SNR(Signal-noise ratio)表示,信噪比是衡量接收机输出信号质量的重要指标 SNR ? S 有用信号功率电平 用分贝表示 ? N 噪声信号功率电平 信噪比分贝 ? 10 lg S N (2)接收灵敏度 接收机输出信号信噪比达到一定要求且输出功率不小于音 频额定功率的 50% 的情况下,输入端所需的最小信号电平称 为接收机的灵敏度。 请思考:提高增益,能否提高接收灵敏度? (3)选择性 常用的接收电路可分为: *直接放大式接收电路 *超外差式接收电路 *二次变频接收电路 *放大器顺序混合型接收电路 其中,直接放大式接收电路又可以分为: (1)直接检波式接收电路 (2)高放式接收电路 (3)超再生式接收电路 1、直接放大式接收电路 (1)直接检波式接收电路 直接检波式电路由接收天线、输入调谐电路、检波电路和 低放电路组成,如图所示。 输入调谐电路用来选择所要接收的信号,将调谐回路的谐 振频率调整到与待接收的信号频率相等,则只有该频率的信 号才在输入回路中形成较大的电压,然后进行检波和低放。 其特点是没有高频放大环节,是一种最简单的无线电接收电 路。这种电路适用于输入信号较强的情况 ,例如 接收本市无线电调幅广播时,就可以采用这种接收方案。 1、直接放大式接收电路 (1)直接检波式接收电路-实例 集成功率放大电路LM386组成调幅广播收音机的实际电路图。 元器件型号、数值如下: C1 型号为 CBM-223P ,这是一只双 联 可 变 电 容 , 图 4.2 仅 使 用 其 中 的 一 联 , VD1 为 2AP9 , C2=100pF , C3=10μF, C4=0.047μF, C5=10μF, C6=100μF, C7=0.1μF , C8=220μF, C9=0.1μF, R1=470kΩ , R2=10Ω, RP1=470kΩ,喇叭阻抗8Ω。 1、直接放大式接收电路 (2)高放式接收电路 高放式接收电路由天线、调谐电路、高频放大电路、检波电 路和低频放大电路组成。与直接检波式电路相比,增加了高频 放大电路,因此适用于输入信号相对较弱的场 合。 用于近距离无线遥控时,发射电路离接收电路较近,来自 接收天线的信号经调谐回路选择,选出特定频率的已调信 号,经高频放大电路放大,达到检波电路所要求的幅度,经 检波电路检出基带信号,最后经低频放大后输出。 1、直接放大式接收电路 (2)高放式接收电路-实例 电感L1为绕制在磁棒B上的线为可变电容,型号CBM223P(使用其中的一联),RL为耳机,A1为收音机集成电路 MK484。 L1和C1组成频率可 调的谐振回路,频率 调节范围即为中波广 播范围。 接收到的高频已调 信号输入MK484,经 高频放大并检波,从 3脚输出的即为音频 电路的特点是低电压、低功耗, 基带信号,经VT1组成 可用电池供电。 的共射极放大电路放 大,驱动耳机发声。 4.2 混频器原理及超外差式接收机 返回 传统直接式接收机的缺陷 ? 收音机、电视接收机等无线电接收设备( 以下简称接收机),需要接收许多电台发 送来的高频调制信号,若接收机将接收到 的这些信号直接放大还原,将会出现灵敏 度低、选择性差、接收机结构复杂等问题 ,其主要原因有以下几个方面。 传统直接式接收机的缺陷 ? 1、接收机要能接收所有电台,且还原出 来的声音、图像质量均好,若接收机把 接收到的高频信号直接放大还原,那么 ,接收机必须由几十套回路组成,这样 接收机的体积将呈几倍甚至十几倍的增 加,且电路设计制造和调整都困难。 传统直接式接收机的缺陷 ? 2、高频放大器增益较低,因为频率越高 ,放大器越不稳定,只有适当降低增益 ;对不同电台发出的高频信号难以实现 多级放大,因为每级放大器都需要调谐 ,不方便且选择性不高。因此,若接收 机采用直接放大高频信号的方式,不可 能使接收机灵敏度、选择性做得很好。 超外差式接收机发展历程 ? 超外差原理最早是由E.H.阿姆斯特朗于 1918年提出的。 ? 这种方法是为了适应远程通信对高频率 、弱信号接收的需要 ? 这种接收方式的性能优于高频(直接) 放大式接收,所以至今仍广泛应用于远 程信号的接收,并且已推广应用到测量 技术等方面。 超外差式接收机 输 入 调 谐 电 路 变频 电路 混 频 中 频 放 大 电 路 检 波 电 路 本振 前 置 放 大 电 路 低 频 放 大 电 路 AGC 超外差接收的优缺点 ? 优点: ? (1)对一个固定频率进行放大,容易获得较大且稳定 的放大倍数,因而能提高接收电路的灵敏度; ? (2)中频的频率是固定的,采用陶瓷滤波器、声表面 波滤波器等性能优良的器件,能显著提高接收电路的选 择性; ? (3)增加自动增益控制(AGC)电路,使电路能用 于接收各种不同强度的信号。 ? 缺点: ? 电路复杂,且存在一种特有的干扰——镜像干扰,在 讨论变频原理和电路时,我们将详细介绍什么是镜像干 扰。 4.2.2 外接天线与输入调谐电路的连接 1、直接耦合方式 直接将天线连接入输入回路。由于天线与地之间形成的电 容C0与LC回路相并联,使回路Q值下降并导致失谐,因此在实 际接收电路中很少使用。 4.2.2 外接天线与输入调谐电路的连接 2、电容耦合方式 天线与输入回路相连接的方式称为电容耦合 方式,如图所示,电容C1的容量一般取10~30P。 因电容C1的容量取 得小,与天线串联后减弱了 天线对输入回路的影 响。缺点是C1的容抗 随频率变化,高频端 传输系数大,低频端 传输系数下降,影响 低频端信号接收, 4.2.2 外接天线与输入调谐电路的连接 3、电感耦合方式 电感耦合利用绕在磁棒上的电感线将无线信号耦合给调 谐回路,如图所示。 电感耦合也存在传输系数随信号 频率变化的问题,低频信号传输系 数较大。不过电感耦合时传输系数 随频率变化比较缓慢,因此这种耦 合方式用得比较多。 4.2.2 外接天线与输入调谐电路的连接 4、电感-电容耦合方式 在电感耦合的同时再通过电容 C1实现无线信号耦合,所形 成的耦合方式称为电感-电容耦合方式,如图所示。 天 线 与调 谐 回 路之间既有 电容耦合,又有电感耦合, 电感耦合对低频信号传输有 利,电容耦合对高频信号有 利,综合的结果,可以在整 个接收范围内得到比较均匀 的传输系数。 4.2.2 外接天线与输入调谐电路的连接 三种耦合方式传输系数比较 电容耦合高频端传输系数大,低频端传输系数下降; 电感耦合低频信号传输系数较大,不过电感耦合时传输系 数随频率变化比较缓慢; 电感-电容耦合时传输系数变化最为平稳,因此,在一些高 性能的接收机中都采用这种耦合方式。 ? 混频的作用 ? 为使高频信号经频率变换后所携带的有 用信息保持不变,要求电路仅将高频信 号的各个频率分量搬移至新的频域,而 各分量的频率间隔和相对幅度保持不变 ,这个过程称为混频。 返回 休息1 休息2 4.5.1 混频器原理 1. 混频器的变频作用 混频器是频谱的线性搬移电路,是一个三端口网络 uc (t) t uc (fc) 混频器 uI (fI) uI (t) t uL (fL) uc的频谱 fc+F fc fc+F f uL的频谱 fc fL f uL (t) t uI的频谱 fI+F fI fI+F f 有两个输入信号: 高频调制波 uc ( f c ) 本地振荡信号 uL ( f L ) uI ( f I ) 一个中频输出信号: 两个输入信号与输出信号之间的关系: uI 输入信号 us 与输出信号 的包络形状相同,频谱结构相同,只是填充频谱不同,即,其中心 输出低中频 ? f L ? fc 频率:其中 f I ? f L ? f c fI ? ? ? f L ? fc 输出高中频 混频器是频谱的线性搬移电路,完成频谱线性搬移功能的关键 ?c 变化成 ? L ? ?c ? ?I 由 是获得两个输入信号的乘积项,具有这个乘积项,就可以实现所需 的频谱线性搬移功能。 非线形 带通滤 u c 混频器的一般结构框图 元件 波器 设输入已调波信号: uc ? ?Uc cos?t ?cos?c t uL 2Ωmax 本振信号: uL ? U L cos?Lt 那么两信号的乘积项为: ω I= ω L- ω c uI ? U cU L cos?t ?cos? c t cos? L t ? 1 ? U cU L cos?t ?cos(? L ? ? c )t ? cos(? L ? ? c )t ? 2 如果带通滤波器的中心频率为 ? I ? ?? L ? ?c ? ,带宽 B ? 2? max uc 1 uI ? U cU L cos?t cos( ? L ? ? c )t 2 1 ? U cU L cos?t cos? I t 2 ? ?U I cos?t ?cos? I t uc 乘法器 uL 2. 混频器的基本工作原理: 可见输出中频信号 u 的包络形状没有变化,只是填充频率 I 休息1 休息2 带通滤 波器 uI 返回 仿真 则经带通滤波器的输出为: uL uI ωc ωL ω L- ω c ω L+ ω c 3. 振幅调制、检波与混频器的相互关系 (1) 调幅(DSB为例) uΩ 乘法器 uo 带通滤波器 uDSB 休息1 休息2 2Ω max 仿线)检波 uDSB 乘法器 uo ωo 低通滤波器 uΩ (3)混频 uDSB = uc Ωmax 乘法器 带通滤波器 uI 仿线 uL ωc ω I=ω L-ω C ωL 2 Ωmax ω I=ω L-ω c 返回 5.5.2 混频器主要性能指标 (1)变频增益:变频电压增益: Au ? 变频功率增益 : GP ? 输 出 中 频电 压 振 幅 U I ? 输 入 高 频电 压 振 幅 U s (2)噪声系数: Fn ? Pc PI PI Pc Pni Pn 0 ? 输入端高频信号 /噪声功率比 输出端中频信号 /噪声功率比 因为混频器常作为超外差接收系统的前级,对接收机整机的噪 声系数影响大。 所以希望混频级的 Fn 越小越好。 (3) 失真与干扰 变频器的失真主要有 : 频率失真 非线)选择性 在混频器中,由于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干 扰信号, 为了抑制不需要的干扰,要求中频输出回路具有良好的选择 性,矩形系数趋近于1。 4.2.3 变频电路 2、典型变频电路识读 (1)自激式共射极变频电路 本振电压由变 频管自身产生 的,称为自激式 变频电路。 R1、R2是基极 静态偏臵电阻, C3为高频信号旁 路电容,B1为磁 棒。 L1、C1a、C2组成输入谐振回路,天线与该回路间采用电感 耦合方式,调节电容C1a,可选择中波范围内的各个频率,接 收到的已调信号uAM(t)经L2耦合输入VT1的发射结回路。 (1)自激式共射极变频电路 本振工作原理 本机振荡电路由 VT1、L4、C5、C1b、C6 和L3组成。 L4、C5、C1b、C6组成 谐振回路,决定本振频 率,L3为反馈线圈,这 是一种变压器反馈式振 荡电路,所形成的本地 振荡电压u0(t)输入VT1 发射极与基极之间,与 已调信号uAM(t)相串 联。 交流等效电路 (2)本振由晶体振荡电路产生的变频电路 与无线广播信号不同, 用于控制的接收电路常常 只需要接收固定频率的信 号,这种情况下,变频电 路的本机振荡可由晶体振 荡电路产生。 图所示的是用于接收28MHz调幅 信号的变频电路,这种变频电路 的本地振荡由独立的晶体管VT2产 生,因此属它激式变频电路。 本振电路由三极管VT2、晶振 BC1、电容C2(容量12pF)、C4 (容量30pF)、L4等组成,这是典 型的电容三点式振荡电路 4.2.3 变频电路 3、中频的选择 由于各种频率的中频放大电路已经规格化并形成产品,因 此设计制造超外差接收电路时,中频的选择应该尽可能符合 规范,以便选用通用的中频放大电路。常用的接收各种不同 无线电信号时所使用的中频频率如表所示。 但是无线接收(或收发)芯片采用超外差接收方式时,不 存在选用规范中频放大电路的问题,所使用的中频一般会在 说明书中标明。一些超外差式收音机集成电路还采用75kHz 或更低的频率作为中频。 4.2.3 变频电路 4、镜像干扰 本振频率为 f0 时,如果输入信号频率比本振频率低 465kHz , 即fc=f0-465kHz,经变频后即可得到频率为465kHz的中频信 号 输 出 。 但 是 要 注 意 , 频 率 比 本 振 频 率 高 465kHz 的 信 号 fc1=f0+465kHz 进入变频电路后与本振频率 f0 之差也是 465kHz , 也能产生 465kHz 的中频信号输出。 f0 信号是我们希望接收的, fc1并不是我们所希望的信号,后者就成为干扰。这种干扰就 称为镜像干扰,它是超外差式接收电路特有的干扰。 镜像干扰与输入回路的选择性有关,选择性好,镜像干扰 信号在输入回路受到抑制,就难以进入变频电路形成干扰。 但是,假如频率fc1处正好有另一个电台,其信号也很强,镜 像干扰就很难消除。 提高镜像干扰的方法:1、提高天线、中频放大电路的主要性能指标 (1)中频放大增益 检波时,输入信号应有 1V左右的幅度,因此中频放大电路 需要有较高的增益。用于接收广播信号的收音机,中放电路 增益需要 50~ 60dB ;用于遥控的接收机,增益常在 70dB 以上。 (2)选择性 为提高接收电路的选择性,中放电路也应具有抑制邻频干 扰信号的能力,这一能力即为中频放大电路的选择性。中频 放大电路的选择性是接收电路整机选择性的重要组成部分之 一,和放大电路增益指标一样,一级中频中频放大电路的选 择性常达不到要求,为了获得较好的选择性,也需要采用多 级中频放大。 4.2.4 中频放大电路 1、中频放大电路的主要性能指标 (3)通频带 是指中频放大电路能有效放大的信号频率宽度,是一个 反映电路频率特性的重要指标。为保证接收质量,中频放大 电路的通频带一定要稍宽于已调信号的带宽。根据第3章,可 以列出各种调幅波的频带宽度如表4.2所示,由表可知,不同 类型调幅波的带宽各有不同,因此,对于不同的调幅波,中 频通频带的要求也有所不同。 2、调谐式中频放大电路 常用的中频放大电路有调谐式和集中选频式放大电路两大 类,调谐式中频放大电路又分单调谐和双调谐中频放大电路, 首先介绍单调谐中频放大电路。 典型的单调谐中频放大电路如图 单调谐放大电路的主要特性指标如下: 2、调谐式中频放大电路 (1)增益 单调谐中频放大电路增益为 Au ? ? n1 n2Y fe g? 式中n1、n2为中频变压器初次 级绕组匝数比,称为接入系数 Au ? ? n1 n 2 Y fe g? ?? Y fe g? 2、调谐式中频放大电路 (2)通频带 调谐放大电路通频带定义为电压放大倍数下降到最大值的 0.707时所对应的频宽,用符号BW0.7表示,如图所示。 这一通频带是按增益下降 0.707(即下降3dB)来规定 的,因此表示为BW0.7。 单调谐放大电路通频带的 公式为 BW0.7 ? f0 QL f0为谐振回路的谐振频率, QL为回路等效品质因数,品质 因数高时幅频曲线尖锐,通频 带变窄。 2、调谐式中频放大电路 (3)矩形系数 中频放大电路的选择性常用矩形系数来表示。理想的中频放 大电路幅频特性应为宽度等于BW0.7的矩形,如图中粗实线所 示,但实际上中频放大电路的幅频特性如细实线所示。 为描述实际幅频特性与理想幅 频特性曲线的差异,引入矩形系 数的概念,定义中频放大电路的 矩形系数 K0.1 为电压增益下降到 其最大值 10% 时的频带宽度 BW0.1 与增益下降到最大值 0.707 时的 频带宽度BW0.7的比值,即 K 0 .1 ? BW 0.1 BW 0.7 理想幅频特性曲线,用放大电路增益公式 可以求出一级调谐放大电路的矩形系数K0.1=9.96。 3、集中滤波选频式中频放大电路 除了选择性较差之外,调谐式中放电路还存在电路元器件 多、调整麻烦等缺点,因此不宜集成化。采用集中放大和滤 波的集中滤波选频式中放电路则可克服这些缺点,能在获得 高增益的同时有良好的选择性,这种电路容易集成化,因此 已获得广泛的应用。 起放大作用的放大电路和起滤波选频作用的滤波器是相互 分离的,因此称为集中滤波选频式中频放大电路。由于常用 的陶瓷滤波器或声表面波滤波器与LC回路相比具有优良的选 频特性,因此集中式滤波选频电路在选择性上也就明显地优 于谐振式中频放大电路。 3、集中滤波选频式中频放大电路 (1)声表面波滤波器-结构与原理 声表面波滤波器简称SAWF,是英文Suface Acoustic Wave Filters的缩写。 原理:交变电信号输入时,输入换能器将其转换为声表面 波,这一声表面波沿压电晶片传播,到达输出端后经输出换 能器重新将声波转换为交变电压输出。由于特殊设计的压电 晶片只允许一定频率范围的声表面波通过,于是就只有该频 率范围的输入电信号才能在输入端转换为声波,经压电晶体 传播并在输出端重新转换为电信号,因此就使这样的器件具 有滤波特性,即只允许一定频率范围的信号通过。 3、集中滤波选频式中频放大电路 (1)声表面波滤波器-特性 典型的声表面波滤波器频率特性曲线如图所示,这是一种 用于电视图像信号中频放大的专用滤波器。这一频率特性十 分接近矩形,它允许频率在31.5MHz~38MHz范围内的信号顺 利通过(残留边带调制的电视图像信号正好在这一范围), 因此具有良好的选频特性。 3、集中滤波选频式中频放大电路 (2)陶瓷滤波器 –结构与原理 压电陶瓷片两面涂银层形成电极,底面的电极3是公共地电 极,正面的1为输入极,2为输出极,信号从1,3极之间输 入,2,3极之间输出。 原理:1,3脚间输入交变信号时,该电压被转换为压电陶 瓷的机械振动并传播至输出端,在输出端,这一机械振动重 新转换为交变电压从2,3脚之间输出。当输入信号的频率等 于压电陶瓷片的谐振频率时,由输入电压引起的机械振动最 强,从输出端重新转换出来的输出电压也最大。 3、集中滤波选频式中频放大电路 (2)陶瓷滤波器 –特性 图中所画的是用于调频广播中频放大电路的10.7MHz陶瓷滤 波器,其-3dB通频带宽度大于40kHz(即输出衰减3dB时的通 频带宽度)。 陶瓷滤波器和声表面波滤波器一样都具有体积小、成本 低、品质因数高、滤波特性和选择性好、性能稳定、无需调 谐、寿命长和不受周围电磁场等优点,已得到广泛的应用。 3、集中滤波选频式中频放大电路 (3)典型集中滤波选频式中放电路 由声表面波滤波器组成的集中滤波选频式中频放大电路如 图所示,图中ZF1为声表面波滤波器,VT1组成共射极宽带放大 电路,来自天线的射频信号与本振信号混频后从基极输入, 集电极输出,经电容耦合至声表面波滤波器ZF1,选频滤波后 输出放大了的中频信号。 3、集中滤波选频式中频放大电路 (3)典型集中滤波选频式中放电路 由陶瓷滤波器组成的中频放大电路如图所示,VT1和VT2是两级 共射极放大电路。混频后的信号经电容 C3 耦合从 VT1 基极输 入,经VT1放大后从集电极输出至陶瓷滤波器 CF1的输入端。经 过滤波器CF1的滤波选频,其输出端输出的是中频信号,这一 中频信号输入 VT2基极作进一步的放大。图中陶瓷滤波器的型 号为 3L465 ,其频率为 465kHz ,- 3dB 带宽 4kHz ,用于调幅广 播收音机。 4.2.5 AGC和AFC电路 1、AGC电路 由于不同频率电台的发射功率大小不等、接收机与与电台之 间的距离各不相同等原因,天线所接收到的信号强弱在很大 范围内变化,为了获得稳定的音量,需要让中频放大电路的 放大倍数随输入信号的强弱而自动变化。用来实现这一功能 的电路即为自动增益控制电路,简称 AGC ( Automatic Gain Control)电路。 由于最终的目的是达到音量的稳定输出,有些生产厂家也将 自 动 增 益 控 制 称 为 自 动 音 量 控 制 , 简 称 AVC ( Automatic Volume Control)。 1、AGC电路 一种常用的AGC电路如图所示。 流过R1的电流IR等于基极电流IB和流过R4、RP1的电流IP之和 IR ? IB ? IP 利用上式可以说明AGC的原理。 交流信号输出增加,经二极管VD1检波,A点电压UA下降,电 流IP即随之上升。电流IR是不变,IP的上升必然引起IB下降, 于是使VT1电流放大倍数下降,放大电路增益下降。 IR IB IP 2、AFC电路 超外式接收机收到某个调频台的信号后,由于本地振荡的 频率因温度升高等原因发生了漂移,本振频率与输入信号频 率之差偏离中频,接收信号质量就会下降,严重时甚至会丢 失。 为了解决这个问题,除了尽可能地保持本地振荡频率稳定 之外,一个行之有效的办法便是引入自动频率控制电路,简 称AFC(Automatic Frequency Control)电路,通过AFC电路的 自动控制作用,使本地振荡频率始终跟随输入信号频率变化, 能使两者之差始终等于或接近于中频。 2、AFC电路 实现频率自动控制的做法是从鉴频器的输出信号中检出其 直流成分,利用该直流电压调节本地振荡的频率,其工作原 理如图所示。 L1、C1是本地振荡电路的谐振回路,变容二极管Cj经电容 C2耦合与C1相并联,本地振荡的频率决定于L1及C1、Cj的并 联值。调节变容二极管Cj的电容量,就可以控制本振频率的 变化。来自鉴频器的信号经电阻R2和电容C3组成的低通电路 滤波后加在变容管Cj两端,这一电压起着调节Cj容量的作 用,因而也就控制了本振频率的变化。

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