无线电收发信机基础.pdf无线电发射机(Radio Transmitter)是实现信号在无线信道中有

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详细说明：无线电发射机(Radio Transmitter)是实现信号在无线信道中有效传输的通信设备之一。它的作用是将要传输的基带信号通过调制，放大、变频等一系列处理，最终使信号通过天线以高频电磁波的形式进入到无线空间。这里给出关于无线通信系统发射机和接收机的一些基础知识参考资料。偏移(对于调相)与调制信号频率之间的关系。要求在300~3400Hz的频率范围内调制特性平坦(无加重网络时,而在3400z以上,要求调制频率特性山线迅速下降,以便使话音中无用的高音分量受到充分的抑制。调制线性是指在使用规定的调制频率(1000H乙a)时,已调波的振幅、或频率、或相移随调制信号电平变化的线性度。调制线性好,可以减少所传送信号的非线性失真。线性程度常用调制非线性失真系数来表示 2.53短波单边带发射机图2-20是一个SSB发射机的组成框图。信号在发射机中完成了两次频谱搬栘过程。第一次搬移山相乘器和边带滤波器完成,边带滤波输出巾频频率为500kH的SSB信号至两级中放:第二次搬移在中放后的相乘器和调谐放大电路中进行,500kHz的单边带信号与波道晶振的输出在环形调制器中相混频,改变调谐放大器的中心频率可以选择其和频或差频。宽带放大器的通带范围是发射机的整个工作频率范围,不需调谐。信号经高频功率放大后通过天线调谐回路加到仄线。必须强调,发射机中用以放大单边带信号的各级放大器都应工作在线性状态。为了防止因信号幅度过人而出现非线性失真现象,发射机还附加有自动功率控制 (APC)电路。自动激励控制电路分别从第一、二宽放和功放电路中取出信号幅度信息,从而控制第一中频放大器的输入信号幅度。自动激励控制的作用类似于接收机中的自动增益控刖(AGC),当发射机的输出功率増大或减小时,通过控制中放电路的增益或衰减可以减小输岀功率的变化,这能使发射杋输岀功率稳定;冋时也可保护功放管不因信号太强而被烧坏。天线调谐功率放大宽带放大调谐放大调谐放大相乘器中频放大激励自控波道晶振中频放大边代滤波相乘器跟随器低频放大低频放大跟随器晶体振荡音频振荡电键图220单边带发射机组成框图 2.54调频发射机调频发射机有多种组成方案,如放大倍频方案、混频方案等,一般说来,放大倍频方案杂散辐射较少且简单经济,因而获得广泛的应用图2-21是一个放大倍频的方案。话音加工电路包括预加重、频偏控制、放大、滤波等电路。话音信号经预加重和频偏控制电路后,送到调制去调制晶体振荡器的输出频率。山于采用了晶体振涝器,其中心频率比较稳定,但频率较低,且频偏也小,因此调制之后用于级二倍频电路,将载波频率提髙到射频频率,同时频偏也増大到原来的8倍。语音晶振倍放功率加工调制频大放大图2-21FM发射机的放大倍频方案晶体振荡器提供发送载波的基波振荡信号,其频率准确度及稳定度决定着发射机的频率准确度和稳定度。瞬时频偏控制电路(IDC限制输入音频调制信号的电平,以防止调制频偏过大;调制器实现频率调制;倍频器的级数和倍频次数视设计要求的不同而不同,但每级的倍频数一般超过三。有的发射机需要有自动功率控制(APC)功能,因此,在放大级与功放级之间加有APC电路,它可依据预置的输出功率级别来控制功率放大器的输出功率。图2-22是一种既有倍频又有混频的方案,混频与倍频由锁相环完成。已调频信号(载波 21.4MHz)终11384分频后变成55.73kHz,即鉴相器的比相工作频率,比相结果的误差电压经过低通滤波器滤除干扰后,去控制压控振荡器(VCO)。VCO输出的髙频信号,一路从反馈支路经缓冲放大后,与来自频率合成器的载频混频后降全7.13MHz,冉分频(1/128) 送到鉴相器作比相信号;另一路送入激励级去推动功率放大级。设压控振汸器的输出频率(也就是发射机的上作频率)为fs,则有 =5573(kHz) 128 fs fL+7. 13(MHz 用锁相环取代倍频器的优点是可以大大降低发射机的各种杂波成份和噪声,从而改善发射机的邻道干扰和寄生辐射。 55.73kHz 锁相环 ∑ 晶口调口分振制频鉴相激凵功励放 F 21 4MHZ LpF 分|混|放频频大放大 1/128 来自频率合成预加重图2-22锁相倍频混频式FM发射机组成框图 26无线电接收机尢线电接收机( Receiver)是用于接收尢线电信号的通信设备。由于来自于空间的电磁波已经很微弱,且夹杂着大量的干扰与噪声,因此无线电接收机必须具有放大信号、选择信号、排除干扰以及对信号进行解调的能力。无线电接收机的类型大致有三种,分别是直放式、超外差式和超再牛式,其中超外差式( Superhet接收机的接收性能最好,工作也最稳定,因而在通信、广播和电视接收机中被大量采用 2.6.1超外差接收技术超外差接收机工作原理 2.超外差接收机的增益分配 3.超外差接收机的抗干扰 4.接收机的灵敏度 2.6.2无线电接收机的组成方案高频头 2.变频次数 3.白动增益控制(AGC) 2.6.3短波单边带接收机 2.64调频接收机 26.1超外差接收技术直放式无线电接收机早期的无线电接收机多采用如图2-23的方案,这种接收机称为直放式无线电接收机其特点是接收机鮮调器之前的各级电路都工作在信号的发射频率(射频)上,接收机的放大能力和选择能力全部山射频放大器和射频选择回路提供。这种方案现存很少采用,其原因有预选器高频放大高频放大检波器低频放大图2-23直放式接收机组成框 ◆接收机的増益不能做得很髙,因为晶体管的放人能力随工作频率的升高而降低,并且电路的稳定性较差 ◆接收机的选拌性能差,接收机对干扰的抑制能力主要是由接收机中的滤波器决定的,由于滤波器的通频带与中心频率成正比,当回路中心频率(等于信号频率)太高时,山于回路通带太宽,远大于信号频带宽度,对信号频率附近的十扰就无法滤除 ◆电路结构复杂,调整困难。因为当接收杋改变工作频率时,各级电路都必须重新调诮。在接收机工作频率髙、接收信号微弱以及外界干扰众多的情况下,这些缺点显得更为突出此现代的尢线电接收机几乎都采用超外差接收方案。 2.超外差接收机的增益分配接收机的増益主要指接收机解调器以前各部分总増益,这是因为解调器后的低频电跻的增益由负载的功率米决定,而且在技术上也较易实现,无须专门考虑。接收机所需増益的大小由它所接收的信号强度以及解调器对输入信号电平的要求来决定。例如,某一接收忛所能正常接收的信号最低电平(灵敏度)为1μV,而解调器要求输入电平为V,则接收机总增益应为 AV=20log[l(V)/luv]=120(dB) 不同的解调器对其输入电平的要求不同。如调幅波的解调大多采用大信号包络检波,要求解调器的输入电平为Iⅴ左石:调频波解调时为了达到限幅门限,要求输入信号电平大于 3V;单边带信号的解调要求解调器的输入信号电平在100mV左右。在总增益确定的情况下, 接收机各部分的增益分配应从以下三个方面来考虑: ◆从接收机的稳定性考虑接收机各部分电路的工作频率不相同,有的工作在信号频率上,如高放、混频级电路;有的工作在较低的频率上,如各级中放。放大器的工作频率越高, 其稳定性越差,如果高频部分的增益过高,很容易引起自激。因此接收机内髙频部分电路的增益不宜过高; ◆从接收杋抗干扰方面来考虑进入接收机的干扰是通过预选器和各级滤波器逐步滤除的,越靠近前端,干扰成分越多,幅度越强。因此希望前端电路尽可能工作在线性区,以避免干扰在被滤除之前与信号混合,造成对有用信号的干扰。从这一点考虑,前端电路的增益要适当小些,以保证后面各级电路工作在线性状态。 ◆从接收机的内部噪声的影响考虑接收机中各级电路均会产生噪声,如果信号仁经过各级电路时的的幅度较小,则这些噪声会产生较大的影响。前端电路的增益高,后面各级电路的噪声影响就小,接收机的灵敏度就髙,从这一点讲,提高接收机的前端增益有助于提高接收机接收微弱信号的能力。综上所述,接收杋前端电路的増益的髙低选择应根据貝体情况而定。一般来说,如果接收点的外界干扰大,其影响超过接收机内部的噪声,这时即使有很高的灵敏度,接收机也无法收到小信号,相反过大的外界干扰会在接收机内部电路的非线性作用下与信号混合,使信号无法被接收,因此前端增益宜小;而在外界干扰较小的场合,增加前端电路的增益,有助于提高接收机的灵敏度。 3超外差接收机的抗干扰接收机天线上感应的电流,其频凇成份很多,既有信号成份,又有其它频率成份。除了所要接收的信号外,其它所有的分量均被看作是干扰。有的干扰与信号频率相同,接收机中的各个滤波器无法将其滤除,就会直接干扰信号;有的虽然与信号频率相差较远,但如果能够通过高频选择回路加到高放或变频器,在高放管和变频管的非线性作用卜,十扰分量之间、干扰与信号之间以及干扰与本振之间等相互组合而进入接收机的中频通道,也会对接收信号形成干扰i;按收机的主要功能之·就是消除或削弱这些干扰对接收信号的影响,改善接收效果。接收机中可能出现的干扰现象有如下几种: ◆组合干扰干扰电压与木机振荡电压同时作用丁混频管上,通过混频管的非线性作用, 产牛这两者的任意次谐波的组合频率。一日组合频率落入中频通道,就会形成对接收机的干扰,这种干扰称为组合干扰。下列关系式是形成组合干扰的条件: IB/2<|ml±nL|+B/2 式中,m、n任意正整数 f1—干扰频率 L一接收机本振频率 f接收机中频频率 B——接收机中频通道带宽组合的阶数越高,组合分量就越小,因此一般对m+n>5—的组合分量可以忽略不计。在各种组合干扰中,对接收机影响较大的是中频( (intermediate frequency)干扰和镜频( mirror frequency)千扰。中频干扰是指频率=il-B/2的干扰,相当于式(24)中m=1,n=0的情况。镜频干扰的频率为fm,它比接收机的本振频率髙一个中频,即f-圠=+B/2。由于接收札接收的信号频率③s比木振频率低一个中频,丶s与i对亍木振来说灴为镜象,故称〔为镜象频率。由于存在组合干扰,所以当接收机调谐在某一信号频率点进行接收时,其它电台的信号也可能与本机振荡相互作用而进人中频通道,好象接攻机除了调谐好的信号通道外,还有若干通道也能让电台干扰窜入,所以这种干扰也称为接收机寄生通道或寄生响应。 ◆互调干扰(简称互调)调干扰通常是指两个或多个电台干扰司时作用于接收机的输入端,由于前端电路的非线性作用,产生这些频率间的组合频率。若其中某些组合频率等于或接近于有用信号频率,就会对接收机形成干扰。这一类干扰称之为互调干扰。例如有两个干扰,其频率分別为f和,即使这两个干扰远离接收机调谐的信号频率 fs,但只要晑放级存在非线性,或因干扰幅度很大而进入髙放管的非线性区,那么,在高放级的输出电流中就公有这两个干扰频率的组合频率分量,即频率w为 cmflntL I的分量。若这个分量的频率与信号频率相近,即|+mf+nL|fs,那么这些组合频率分量将与信号一起变成中频,通过接收机后面的中频通道形成干扰 ◆强信号〔或干扰阻塞当一个功率较强的信号(或干扰)进入接收机前端电路时,由于信号 (或干扰)幅度超过了器件的动态范围,或者改变了器件的工作状态,使接收机对冇用信号的放大作用明显减小,接收机输出音频信号的幅度将随输人信号(或干扰)幅度的增大而减小。这种现象称为强信号(或干扰)阻塞,也称为阻塞干扰。 ◆交叉调制干扰交叉调制干扰是指受调制的强干扰与有用信号同时感应到接收机输入端时,由于前端电路的非线性作用,干扰的调制边带转移到有用信号载波上的现象(图225)。信号边带千扰边带千扰质变频后f∫解调后0 图225交调干扰的形成 ◆倒易混频在以频率合成器为本振源的接收机中,当信号频率附近存在着强干扰吋,由于频率合成器输出频率的两个噪声边带和外来强干扰在器件的非线性作用下产生差频,落到中放的通频带内,使输出噪声增强,信噪比下降。这种现象称为倒易混频。如图2-26所示,图中Ⅱ为木振信号,Gs是有用信号,经混频后产生中频信号n。in是离有用信号较近的强干扰信号,而仉两侧存在着边带噪声。当f与边带噪声中的某一部分分量混频后,正好落在中频通带内形成中频噪声,结果使输岀信噪比下降。由此可见,干扰本身不在中频通带内,但由于它们的存在产生∫倒易混频现象,将本振源内的边带噪声搬到了中频通带内。这种混频相当于以强干扰信号作为本振而将本振源的边带噪声当作输人信号,正好与原来的混频相颠倒,所以称为倒易混频。 ◆邻近波道千扰如果千扰频率和信号频率相距较近,接收机的髙频滤波器和中频滤波器不能将其滤除,就会加到检波器上而形成对信号的干扰(如图2-27所示)。这种十扰称为邻近波道干扰。 f f 本振千扰频载接收信号本振进带图226倒易混频信号远端千扰邻近波道千扰 J了图227邻近波道千扰由于高频滤波器的工作频率高,通频带宽,而中频回路工作频率低,通频带窄,因此, 接收杋对鸰近波道干扰的抑制主要依靠中频滤波器。衡量接收杋抑制邻近波道干扰的能力的技术指标是接收机的矩形系数,也就是接收机中频滤波器的矩形系数滤波器的矩形系数实际上就是两个通频带之比,其中一个是3dB带宽B3dB,另一个是 60dB的带宽B60dB(也可以是40B带宽),它的矩形系数为 Kr60db=B60dB/B3dB 矩形系数越小越好,在理想情况下,接收机的矩形系数Kr=1。在设计接收机中频滤波器的通频带时,首先应考虑使信号全部通过中频滤波器。由丁接收的中频信号从发射机开始经过了多次变频,各级本振都或多或少地存在着频率不稳定的现象,因此中频信号的频率是不稳定的,接收机的中频电路必须要考虑在这种情况下也能让信号通过,因此接收机中频滤波器的带宽既与信号带宽有关,乂与收、发设备的频率稳定度有关设信号频带宽度为Δ『s,信号载波频率的最大偏栘为Δ〔,接收札木振的最大频率偏移为Δ,接收杋中频回路的中心频率的最大偏移为Δ玒;则接攻机的中频通带带宽应为 B=△fs+2(△tc+△f)+2△ 实际上,接收杋与发射机同时发生向相反方向最大偏移的可能性柲小因此上式可以改与为 B=△fs+2k(△fc+△f+△f 式中,k取0.30.7 目前接收机的中频通道多采用晶体滤波器、陶瓷滤波器、机械滤波器和由LC回缃成的集中参数滤波器。在有些能接收各种不同带宽信号的接收机中,中频通带可以由“通频带选择”开关选择,其目的同样是为」尽可能地减小接收机的带宽。通过以上分析可知,接收机内部电路的非线性是这些干扰现象存在的内因,而外界干扰的存在则是这些干扰现象的外因。因此,接收机抑制这些干扰的措施也应从这两方面着手: ①提高接收机前端电路的选择性,使干扰在进入接收机高放、混频级之前受到较人的抑制。通常接收杋多采用LC谐振回路作为髙放选择回路和预选器回路,为了提高谐振回路的有载Q值,要求回路的前级电路有较高的输岀阻抗,而回路的贠载电路有较高的输入阻抗,也可以采用部分接人的方法提高回冋路的有载Q值。有的接收机前端电路中还带有同定的中频陷波器或低通滤波器,可以提高接收机对中频干扰和镜频干扰的抑制能力 ⑨②髙放增益不宦太大,釆用自动増益控制(AGC)以降低强信号、强干扰时混频器的输入电平。有些接收机甚至在前端电路中加有衰减器,以保证前端各级电路工作在线性状态; ③高放、混频级采用具有平方律特性的优良器件(如结型场效应管)厂并设计合适的工作状态,使三次组合分量最小。由于前端电路的滤波作用,能够进入到高放、混频级的干扰的频率接近信号频率,它们的二阶互调分量和二次谐波分量都落在接收机的通带以外, 具有平方律特性的器件只能产生二阶工调分量和二次谐波分量,三阶、五阶互调分量很少,因而不会受到互调干扰的影响 ④电路中采用交流负反馈,减小放大器的非线性特性,扩大电路的动态范围; ⑤接收机采用抗干扰性能强的方案。如提高中频频率以减小镜象干扰,在灵敏度满足要求的前提下取消高频放大器等; ⑥选择合适的工作频率。在外界强干扰频率已知的情况下,选择合适的工作频率,消除形成上述扰的条件选择合适的接收机中频带宽,既要保证信号能通过中频电路,又要尽可能地抑制邻近信道频率的于扰。 4.接收机的灵敏度接收机的灵敏度( Sensitivity)指标反映了接收杌接收微弱信号的能力。灵敏度的定义是: 在保持接收输出达到额定的信号功率和额定的信噪比条件下,天线端所需的信号最小电动势。这个数值越小,表示接收机的灵敏度越高。一般广播收音机的的灵敏度为50μV≈200 uV,而通信接收机则要求为几个μV甚至小于1uV。与接收机灵敏度有关的两个因素是接收机的内部噪声和接收机的总增益,其中接收机内部噪声是影响接收杋灵敏度的关键因素,而接收机前端电路的噪声系数决定了接收机的整机噪声系数,因此要提高接收机的灵敏度,就必须减少接收机前端电路的内部噪声,其具体措施有 ①采用有高放的接收机方案; ②前端电路选用低噪声管,例如低噪声系数的场效应管; ③选择合适的三极管工作点 ④选用等效电阻小的人线 ⑤降低前端电路的工作温度。在设计接收机或选用接收机吋;对灵敏度的要求应根据具体情况而定,并不是灵敏度越髙越好。在接收信号比较强,而环境噪声乂比较大的玚合,接收机旳灵敏度宜选取得低一些, 如在城市中使用的收音机、电视机等;而在接收信号较弱十且外部噪声又较小的场合,接收札的灵敏度宜选得高一些。 262无线电接收机的组成方案各种无线电接收机狳了工作频率、解调器以及中频带宽等方面有所个同外,其基本的组成大同小异。有些用于接收数据的接收机(如数字无线电话、无线寻呼机)和接收图像的接收杋(如电视机):其前端电眳和中频电路也有很多相似之处。前端电路(俗称高频头)与中频电路的组成方案对接收机的接收性能有至关重要的作用,这里就几种流行的高频头及中放电路方案及设计思想作简单介绍。高频头扃频头是指接收杋从天线输人端到第一级混频器这部分的电路。目前常见的接收机高频头大都在第一混频器前装有一到两级高频放大器。由于接收的信号首先在高频放大器中被放大,因此后面各级电路(特别是混频器)的內部噪声对信号的影响就大大减弱,只要第一级高放的内部噪声足够小,则接收机就可以获得较高的灵敏度,这是接收札加高放的主要目的另外,在接收机的预选器与变频器之间加了放人器这样一个单向的电路,变频器中本振信号就不易通过晑放耦合到天线上,本振的反向辐射可以被有效地扣制,可避兔对周围接收机的千扰。接收机抗多频干扰的能力也是接收机的一个重要指标。无论是放大器还是混频器都有个最大输入电压,输入信号一旦超过这个电压广信号中的各个频率成份会在这些器件的非线性作用下产生大量的不可控制的多频干扰。显然,有高放的高频头对器件的最大输入电压要求更髙。例如,一个晶体管混频器的最大输入电压为100mV,在无高放方案中,接收机的第一级有源电路就是混频器,因.此接收机的最大允许输入申压为100mV,也就是说,它在输入信号(包括各和干扰);的电压小于100mV时能正常混频+如果采用有高放的高频头方案,设高放的电压增益为20dB,财接收机正常上作的输入信号电压必须小于10mV;如果仍要求接收机的最人输入电压为100mV,则混频器的最人输入应扩大至Ⅳ。可见,接收机的提高灵敏度与提髙抗多频干扰能力之问存在着矛盾。下面的几种方法有助于解决这个矛盾:

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