第9章無線通信與收音機(4稿)

1、第9章無線通信與收音機無線通信技術在當今的信息時代起著極其重要的作用。無線通信是以電磁波的形式遠距離傳送信息的技術，調制、解調與變頻是解決無線通信的三個關鍵的問題。無線通信中，除采用前面所講述的各種放大電路外，還要涉及到信號的轉換，即頻率變換電路。本章在介紹了無線通信基本原理和過程之后，以收音機為例，分析無線通信中接收機的電路結構和組成原理。9.1 無線通信概述無線通信包括大面積的廣播和點對點的通信，無線電廣播是無線通信中最常見的應用之一。下面以無線電廣播與接收為例，介紹其工作過程。無線電廣播系統(tǒng)通常包括發(fā)送系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和接收系統(tǒng)三個組成部分，如圖9-1所示。其中，發(fā)送系統(tǒng)主要由信息源和發(fā)送

2、設備組成；傳輸系統(tǒng)主要指傳輸媒介或傳輸信道，這里指無線電波的某一頻段；接收系統(tǒng)包括接收設備和受信器。發(fā)送系統(tǒng)信息源發(fā)送設備受信器接收設備接收系統(tǒng)電磁波傳輸系統(tǒng)圖9-1 無線電廣播系統(tǒng)組成框圖9.1.1無線廣播的發(fā)送無線電廣播傳送的信息是頻率處于2020000Hz之間的聲音信號。為了能以電信號的形式發(fā)送這些信息，發(fā)送端必須首先經過聲電轉換（如話筒）將聲波轉換成電信號，即音頻信號。但是，音頻信號的頻率太低，它不能直接通過發(fā)射天線以電磁波的形式有效地輻射出去。電磁波的理論和實踐表明，只有波長與發(fā)射天線幾何尺寸可以比擬的電磁波，才能通過發(fā)射天線有效地輻射出去。而音頻電磁波信號的波長在1.5×

3、1041.5×107m之間，顯然，要制造如此長度的天線是不現實的。即使有這樣的天線，各個電臺都用音頻頻段來發(fā)射信息，在接收端也無法將欲接收的電臺信號選擇出來。解決這一矛盾的有效辦法是，發(fā)送端的各個電臺采用不同頻率的高頻振蕩信號作為“運載波”，將音頻信號“裝載”在高頻振蕩信號之上，然后，將這個載有音頻信號的高頻振蕩信號通過發(fā)射天線以電磁波的形式有效地發(fā)射出去。把音頻“裝載”在高頻振蕩信號之上的過程稱為調制，音頻信號稱為調制波，高頻振蕩信號稱為載波，經音頻信號調制之后的高頻振蕩信號稱已調波。為了進行調制，發(fā)送設備中應設置一個頻率穩(wěn)定性很高的高頻振蕩電路來產生高頻載波，音頻信號與高頻載波經

4、調制器調制之后，變換為已調高頻信號（也稱射頻信號），再通過功率放大器放大后以足夠的強度送入發(fā)射天線發(fā)射出去。綜上所述，發(fā)送過程要完成三項基本任務，這就是聲電轉換、調制和發(fā)射，發(fā)送系統(tǒng)的基本組成框圖如圖9-2所示。高頻電磁波發(fā)射天線高頻振蕩高頻放大器調制器高頻功放圖9-2 發(fā)射系統(tǒng)框圖（調幅發(fā)送）音頻放大器話筒 9.1.2無線廣播的接收接收系統(tǒng)的主要任務是從眾多的電磁波信號中，有選擇地接收所需電臺的信號，并經過一系列的加工處理，最終還原出發(fā)送端所發(fā)送的聲音信息。接收系統(tǒng)框圖如圖9-3所示。高頻電磁波揚聲器接收天線選頻加工處理檢波音頻放大圖9-3 接收系統(tǒng)框圖（調幅接收）載有音頻信息的高頻無線電波

5、被接收天線截獲，并轉換成高頻電信號，通過選頻電路從眾多的電臺信號中選出所要收聽的某一電臺信號，經加工處理之后送到解調電路（此處為撿波），由解調電路從高頻已調波中“取出”發(fā)送端所“裝載”的音頻信號，再經音頻放大器放大后，推動楊聲器工作，還原出聲音。從已調波信號中取出原調制信號的過程稱為解調。由上可見，接收過程也要完成三項基本任務，這就是選頻接收、解調和電聲轉換。實際的接收系統(tǒng)，為了提高各項性能指標，在選頻與解調電路之間的加工處理均采用“超外差” 接收機的本振頻率始終超過外來信號一個固定的差頻。的方式，通過變頻電路，將選擇出的某一高頻已調波信號變換成固定的中頻已調波信號，然后再設置增益高、選擇性好

6、的中頻放大電路，經選頻、放大之后，送至解調電路進行解調。9.1.3無線電波段的劃分無線電波是無線通信中信息傳輸的主要載體，也稱傳輸介質，它是一種電磁波，在電磁波譜中占有較寬的波長范圍，波長從幾百微米到幾萬米之間。為了合理、充分地利用無線電頻譜資源，減少各頻率間的相互干擾，國際無線電組織制定了“國際無線電規(guī)則”，將無線電頻率段按照用途進行了分配。表9-1為無線電波波段（頻段）劃分及用途范圍簡表。表9-1 無線電波波段劃分及用途波段名稱波長范圍頻率范圍頻段名稱主要用途超長波10000m以上30kHz以下甚低頻VLF水下通信(如潛艇通信);遠距離通信;超遠距離導航長波10000m1000m30k30

7、0kHz低頻LF越洋通信;中距離通信;地下巖層通信;遠距離導航中波1000m100m300k3MHz中頻MF無線廣播;海上導航短波100m10m3M30MHz高頻HF短波廣播;遠距離短波通信 超短波米波10m1m30M300MHz甚高頻VHF電離層散射(30M60MHz);流星余跡通信;人造電離層通信(30M144MHz);對空間飛行體通信;調頻廣播;電視;雷達;導航;移動通信分米波1m0.1m300M3GHz特高頻UHF小容量微波中繼通信;(352M420MHz); 中容量微波通信(1700M2400MHz);對流層散射通信(70010000MHz) 微波厘米波10cm1cm3G30GHz超

8、高頻SHF大容量微波中繼通信(3600M4200MHz,5850M8500MHz);數字通信;衛(wèi)星通信;國際海事衛(wèi)星通信(1500M1600MHz);波導通信毫米波10mm1mm30G300GHz極高頻EHF再入大氣層時的通信;波導通信亞毫米波1mm以下300GHz以上理論和技術已趨于成熟，正在開發(fā)階段9.1.4無線電波的傳播無線電波在空間以光速傳播，為3.0×108m/s，它的波長、頻率f和波速c之間的關系為（9-1）無線電波與光波一樣，具有直射、繞射、反射和折射等現象。無線電波在空間的傳播方式主要有地面波、空間波和天波三種。地面波是指以繞射方式沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?；空間波是指根

9、據直射或反射現象，直接從發(fā)射端傳播到接收端或從地球表面反射到達接收端的電磁波；天波是指向空間輻射，利用電離層的折射或反射而返回地面的電磁波。三種傳播方式的示意圖如圖9-4所示。圖9-4 無線電波的幾種傳播方式不同波段的無線電波其傳播特點和用途如下：（1）長波和中波的傳播長波和中波因頻率較低，可利用地面波傳播。地面的電性能不易隨時間而變化，通過地面波形式傳播的長波、中波比較穩(wěn)定，但傳播距離相對較近。長波和中波還可通過天波的形式傳播，由電離層反射而到達地面。但白天電離層的自由電子密度大，對長波、中波吸收作用強，因此衰減嚴重，所以白天長波和中波是靠地面波傳播的。夜間電離層的自由電子密度減小，對長波、

10、中波的吸收作用大大下降，可以傳播到遠方。許多白天收不到的遠地電臺夜晚可清楚收到，就是這個道理。中波主要用于近距離（幾千公里左右）無線廣播，也可用于海上通信、無線電導航及航空通信等。長波主要用于發(fā)射標準時間信號，水中的電磁波的波長越長損耗越小，因此長波也適于水下通信。（2）短波的傳播短波沿地面?zhèn)鞑r，衰減很快，傳播距離很短，但電離層對短波的衰減很小，借助于電離層的反射或折射可以傳播到地球表面的任何地方，因此短波是靠天波傳播的。由于電離層的高度和厚度隨晝夜及季節(jié)的不同而變化，無線電波通過電離層反射次數也不同，使得接收場強出現不穩(wěn)定現象，因此短波傳播不如中波穩(wěn)定，一般要在接收設備中采取彌補措施。短波

11、傳播距離遠，主要用于國際無線電廣播、遠距離無線電報、傳真及衛(wèi)星通信等。（3）超短波的傳播超短波穿透性強，受電離層的反射作用弱，在地面?zhèn)鞑r不易繞射，衰減較大，因此，主要以空間波的形式在直視距離內傳播。缺點是傳播距離取決于發(fā)射、接收天線的高度，一般僅為幾十公里；優(yōu)點是發(fā)射天線尺寸小，便于集中能量定向發(fā)射，節(jié)省發(fā)射功率，而且受干擾小，保密性強，多路通信容量大等。它主要用于電視、調頻廣播、多路通信、雷達及導航等方面。9.2 調幅與幅度檢波調制與解調是無線通信中重要的技術手段。信號調制與解調的方式有多種，按照調制信號所控制的高頻載波參數（振幅、頻率及相角）的不同，可分為調幅（AM）、調頻（FM）和調相

12、（PM）三種基本方式，其中調頻和調相又統(tǒng)稱為“調角”。按照調制信號的不同又分為模擬信號調制和數字信號調制等。解調是調制的逆過程，即是把調制信號從已調波中取出來的過程。與調制方式相對應，解調方式也有幅度解調（又稱檢波）、頻率解調（又稱鑒頻）和相位解調（又稱鑒相）三種。本節(jié)主要討論調幅與檢波的過程。9.2.1調幅原理調幅是指用調制信號去控制高頻載波的振幅，使之按照調制信號的變化規(guī)律而變化的過程。調制信號通常是比較復雜的，含有多種頻率成分，為了分析方便，以單一頻率的正弦波作為調制信號來分析調幅原理和調幅波的特點。如圖9-5所示，設高頻載波信號為uc=Ucmcosct，調制信號為u=Umcost，（c

13、>>）。將這兩種信號同時輸入圖9-5(c)所示的二極管調幅電路中，則輸出信號為包絡隨u而變化的高頻調幅波信號ua，其波形如圖9-5(d)所示。圖9-5 調幅原理該波形含有許多新的頻率成分，電路實質上實現的是頻率變換的過程。頻率變換是指，當信號通過電路后，除了原來的頻率成份外，還產生了新的頻率成份。所有的調制、解調及倍頻、變頻、整流等電路其實都是頻率變換電路。非線性元件具有頻率變換的作用，這里的二極管就是非線性元件。我們知道，二極管的伏安特性是非線性的，可用級數形式表示為（9-2）式中ak為由伏安特性曲線形狀決定的常數，u為加在二極管兩端的電壓，iD為流過二極管的電流，k=2后面的各

14、項表征了二極管的非線性。為了討論方便，通常僅取前三項來分析其非線性變換作用。即（9-3）由于調制信號u和載波信號uc串聯(lián)后加入調幅電路，因此u=u+uc= Ucmcosct+ Umcost代入上式，則有（9-4）利用三角公式變換并整理后上式變?yōu)椋?-5）式中第一項為直流分量；第二項為原輸入信號頻率分量，即基波分量；第三項為輸入信號的二次諧波分量；第四項為兩輸入信號的和頻分量與差頻分量。可見輸出信號中出現了原輸入信號中所沒有的頻率分量，這些新增頻率分量就是由于二極管的非線性所引起的。如果調幅電路輸出端的LC并聯(lián)諧振回路調諧在c上，由于c>>，只要回路Q值合適，則回路可選出c及其附近

15、c 和 c 的頻率分量，則回路壓降近似為（9-6）式中Z0為LC回路諧振阻抗。利用三角公式上式可進一步變換為 （9-7）式中，。ma被稱為調幅系數或調幅度，反映載波的振幅隨調制信號變化的大小程度，正常情況下ma一般在01之間，無線電廣播中的ma一般為0.3左右。9.2.2調幅波的特性圖9-6 調幅波的頻譜（1）調幅波頻譜由式9-7可知，單一頻率正弦信號的調幅波包含有三個頻譜分量，即載頻c、下邊頻（c）和上邊頻（c）。接照它們的相對振幅與頻率之間的關系，可繪出頻譜圖如圖9-6（a）所示（圖中用0代替c）。實際的調制信號是多頻率的復雜信號，不僅頻率處于某一個頻率范圍，而且各頻率分量的振幅也各不相同

16、，隨時間也是變化的。因此，復雜信號調幅波的頻譜示意圖如圖9-6（b）所示，它包含了載頻和上、下兩個邊帶。由圖可以看出，調幅波的頻帶寬度為調制信號最高頻率的兩倍，即BW=2max。由頗譜圖可以看出，載波分量幅度恒定，與調幅系數無關，邊頻分量的幅度與調幅系數有關。因此，邊頻分量攜帶著調制信號的信息。此外，還可以看出，調幅過程實際上是一種頻譜搬遷的過程。經過調制，調制信號的頻譜被搬到載頻兩旁附近，成為上、下兩個邊帶。（2）調幅波的功率調幅波是通過發(fā)射天線向外發(fā)射的，因此，發(fā)射天線就是發(fā)射機的負載。設其等效電阻為R，則調幅波的三個頻率分量在載頻c一周期內送給負載的平均功率分別為載波功率（9-8）邊頻功

17、率 （9-9）調幅波的總功率為 （9-10）式9-10表明，調幅波的功率與調幅系數ma有關，未調制時ma=0 ，調幅波的功率等于載波功率。隨著調幅系數ma的增大，調幅波的功率增加。由于載波幅度與ma無關，所以載波功率Pc不變，增加的只是邊頻功率。上、下邊頻的總功率為 （9-11）由前面的討論可知，調幅波中攜帶信息的是邊頻分量。在最大調制ma=1的情況下，調幅波的總功率為 ，邊頻功率為，僅占總功率的三分之一。而在無線電廣播發(fā)射機中調幅系數平均不到30%，此時邊頻功率只占平均總功率的5%左右?？梢姡{幅發(fā)射機發(fā)射功率的利用率是很低的。由于載波本身并不攜帶信息，但它的發(fā)射功率卻占了整個發(fā)射功率的絕大

18、部分。從傳送信息的角度來看，這部分功率是沒有用的，而且已調幅波上、下邊帶信息完全相同，只傳送其中一個邊帶即可達到傳送信息的目的，因而可以采用只發(fā)送一個邊帶的方式，這種發(fā)送方式稱為單邊帶發(fā)射。顯然它可以節(jié)省載波功率和另一個邊帶的功率，同時還可節(jié)省50% 的頻帶寬度。單邊帶發(fā)送雖然節(jié)省功率和頻帶，但它的收發(fā)設備復雜。通常的無線電廣播仍采用雙邊帶發(fā)送方式，電視廣播采用的是單邊帶方式發(fā)送。9.2.3調幅電路根據調幅原理，利用非線性元器件的頻率變換作用和選頻電路的選頻特性，可以實現調幅。實際的小功率發(fā)射機中，常采用晶體管作為非線性器件進行調幅。晶體管調幅電路有基極調幅、集電極調幅和發(fā)射極調幅三種基本形式

19、。下面以基極調幅電路為例說明其工作原理。基極調幅電路如圖9-7所示，圖中Tr1為高頻變壓器，其次級線圈上的高頻載波電壓uc通過電容C1直接加到晶體管T的b-e結；Tr2是低頻變壓器，其次級的低頻調制信號電壓u也加到晶體管的b-e結，因此，晶體管發(fā)射結所加的信號電壓為ube=uc+u 。圖9-7 基極調幅電路適當調節(jié)偏置電路參數，使晶體管工作在特性曲線的非線性區(qū)，則晶體管基極偏壓隨ube 的變化而變化，在集電極LC回路中將出現幅度隨ube變化的高頻電流脈沖（因ua幅度不變，實際上是隨u變化），即 （9-12）由前面的分析知，iC中將出現和c的各種組合頻率分量，即c、c +、c及2c、2。調整集電

20、極的LC選頻回路，使其諧振在載波頻率c上，則LC回路對c、c +、c三個頻率分量將產生較大的壓降，于是在L2上便可獲得調幅波電壓ua。其工作波形如圖9-7（b）所示。小功率調幅發(fā)射機電路如圖9-8所示。圖中T1、L1和C1、C2等組成電感三點式高頻振蕩電路，用來產生一定頻率的高頻載波，T2等組成基極調幅電路。高頻載波由變壓器Tr1耦合加到T2的b-e結，低頻調制信號u由C3耦合到T2的發(fā)射結，經T2發(fā)射結進行頻率變換，T2集電極LC選頻回路選頻后，通過變壓器耦合送至發(fā)射天線。圖9-8 調幅電路實例9.2.4檢波對調幅波的解調稱為幅度撿波。目的是從高頻調幅波中檢出與調幅波包絡變化規(guī)律一致的低頻調

21、制信號。檢波的過程也是一種頻率變換過程，也必須使用非線性元器件來實現。另一方面，為了從非線性器件所產生的許多頻率成分中檢出低頻調制信號，檢波電路的負載應具有低通濾波特性。因此，檢波電路通常由非線性的檢波器件和具有低通濾波特性的負載電路組成。檢波電路常見的有小信號平方律檢波、大信號線性檢波和乘法檢波三種。小信號（ua<0.2V）平方律檢波是利用非線性器件伏安特性的非線性段來檢波的，檢出的調制信號幅度與調幅波振幅成正比，故稱平方律檢波。這種檢波的非線性失真鉸大，效率低，一股多用于儀表電路中。大信號線性檢波，輸入調幅波幅度大于0.5V以上，使調幅波的包絡處于非線性器件的線性區(qū)域，使檢波輸出的振

22、幅與調幅波的振幅成線性關系，因而失真小，被廣泛應用于接收機中。下面以大信號線性檢波為例分析檢波原理。大信號線性二極管檢波電路如圖9-9（a）所示，圖（b）為它的工作波形。圖中D為檢波二極管，一般選用正向電阻小，反向電阻大，結電容小的點接觸型鍺二極管（如2AP9、2AP10等）；C和R為具有低通濾波特性的檢波負載。當大信號的調幅波ua輸入到檢波電路時，由圖（b）可見，調幅波右半邊的包絡線全部進入二極管伏安特性的線性區(qū)域，流過二極管的電流iD與ua成線性關系。在調幅波正半周，二極管D導通時，iD一方面給C充電，另一方面給負載RL提供電流。由于D的正向導通電阻很?。ㄟh小于R），C上電壓 uC很快充到

23、接近高頻電壓的峰值。ua峰值過后，uC對二極管D來說是反偏電壓，因此，在ua由峰值下降到ua<uC時，D截止，電容C通過R放電，繼續(xù)給負載提供電流。由于放電時間常數遠大于高頻電壓的周期，在ua的下一個正半周到來之前，uC下降不多，只有當ua>uC后，D才重新導通，又使C充電到接近ua的峰值。如此反復循環(huán)，便得到了與ua包絡線形狀相似的鋸齒狀輸出電壓uO。（見圖（b）。實際上，由于高頻電壓的頻率很高，遠大于調制信號的頻率，因此，只要合理地選擇RC時間常數，輸出電壓中的鋸齒是很細微的，可以忽略不計，也就是說，高頻載波及其高次諧波成分均被RC電路濾除掉。再用耦合電容將輸出電壓中的直流分量

24、隔離，輸出即為低頻調制信號電壓。圖9-9 大信號線性二極管檢波原理圖9-10 對角線失真由上述分析可知，RC電路參數的選擇，是影響檢波性能的重要因素。要提高檢波輸出電壓的光滑度，RC值應取大一些好，但若RC太大，放電過程緩慢，致使C上的電壓跟不上調幅波包絡的變化，就會產生如圖9-10所示的對角線失真。因此，RC取值應全面考慮，合理選擇，通常要求 T>>RC>>TC。在一般接收機中，R通常取210K，C通常取5l00PF0.01F。大信號線性檢波的非線性失真小，電路結構簡單，收音機中普遍采用。圖9-11是超外差式調幅收音機中經常采用的大信號二極管檢波電路。圖中，465kH

25、z的中頻調幅信號ui通過中頻變壓器Tr加到檢波電路輸入端；D為檢波二極管；C1、R、C2組成型低通濾波電路，濾除中頻及其高次諧波；Rw為檢波負載電阻兼音量控制；C3為隔直耦合電容。圖9-11 實用大信號檢波電路9.3 調頻與鑒頻9.3.1調頻調頻是指用調制信號控制高頻載波的瞬時角頻率,使之隨調制信號的變化規(guī)律而變化的調制方式。(1)調頻波圖9-12為載波、調制波及已調頻波的波形。從圖中可以看出，調頻波的振幅不變，瞬時角頻率是隨調制信號而變化的。當調制信號增大時，調頻波的瞬時角頻率增加，即波形變密，當調制信號達到正峰值時，調頻波角頻率增至最大值；反之，當調制信號減小時，調頻波的瞬時角頻率減小，即

26、波形變疏，當調制信號減小到負的最大值時，調頻波角頻率達最小值。只有調制信號通過零點時，調頻波的角頻率才等于載波角頻率，這一角頻率也稱為調頻波的中心角頻率0。圖9-12調頻波設載波信號為，調制波為。調頻后調頻波的瞬時角頻率(t)可表示為 （9-13）式中為比例系數，c表示調頻波瞬時角頻率的最大偏移量，簡稱最大頻偏。由上式可以看出，調頻波的最大頻偏與調制信號的振幅成正比()，而與調制信號的角頻率無關。根據角頻率與相角之間的關系即由式9-13可得 （9-14）設初相角，由此得調頻波的數學表達式為 （9-15）式中稱為調頻系數（為調制信號頻率），可為任意值。(2)調頻波的頻譜及帶寬利用三角公式將調頻波

27、表達式展開得（9-16）由此可知，調頻波是兩個不同的雙邊帶信號的疊加，其等效調制電壓和都相當復雜，它們的頻譜可利用傅氏級數展開求得。分析表明，一個單頻率正弦信號調制的調頻波，其頻譜中含有載頻分量和、無窮多對上、下邊頻分量，邊頻分量與載頻分量間隔都是調制頻率的整數倍；載頻分量與各次邊頻分量的幅度大小與有關。越大，幅度較大的邊頻分量數越多。但是對于一定的值，高到一定次數的邊頻分量其幅度已小到可以忽略的程度，將這些邊頻分量濾除之后對調頻波形不會產生顯著影響，因此，調頻信號的頻帶寬度實際上是有限的。圖9-13畫出了幾種不同值時調頻波的頻譜。圖9-13 不同mf值時的調頻波頻譜（不變）理論分析表明，如果

28、將小于未調制載波振幅10%的邊頻分量略去不計，則頻譜寬度BW可由式近似求出。由于，上式也可表示為： （式9-17）根據的不同，調頻制可分為寬帶與窄帶兩種。當，即時為寬帶調制，式9-17變?yōu)椋核砻鲗拵д{頻的頻譜寬度為最大頻偏的2倍。當,即時為窄帶調制，此時式9-17變?yōu)? 它表明窄帶調制的頻帶寬度為最高調制頻率的2倍，與調幅波的頻帶寬度相同。在調頻廣播中，國家標準規(guī)定,由式9-17可知，BW=2×(75+15)=180kHz。為留有裕量，國家標準規(guī)定調頻廣播電臺載頻間隔為200kHz。通過以上討論可知，調頻波是等幅的疏密波，調制信號的信息由其頻偏攜帶。由于其幅度不攜帶任何信息，在傳輸

29、過程中，各種干擾引起的幅度變化，可在解調之前通過限幅措施加以消除，所以調頻波具有較強的抗干擾能力。但調頻波頻帶較寬，相同頻率范圍內能設置的電臺數目遠少于調幅廣播，因而調頻廣播一般使用超短波頻段（如87108MHz）。(3)調頻電路調頻電路通常有直接調頻和間接調頻兩大類。直接調頻是指用調制信號電壓，直接去控制高頻振蕩的頻率（實際上是改變振蕩電路中決定其振蕩頻率的元件參數）實現調頻；間接調頻則是利用頻率和相位之間的關系，將調制信號進行適當地處理之后，再用它對高頻振蕩進行調相，以達到調頻的目的。兩種調頻方式各有優(yōu)點，直接調頻穩(wěn)定性稍差，但線路簡單，且易獲得較大的頻偏；間接調頻穩(wěn)定性較好，但卻不易獲得

30、較大的頻偏。二者在調頻發(fā)射機中都有使用。直接調頻電路實際上是在一個頻率可調高頻振蕩電路中，加入某種壓控電抗元件（如變容二極管、電抗管等）構成的。目前變容二極管是一種比較理想和應用廣泛的壓控電抗器件。變容二極管的結電容可隨反偏電壓的變化而變化，如果將調制信號電壓疊加于變容二極管原來固定的的反偏電壓上，則它的結電容將隨調制信號的變化變化。將變容二極管接入高頻振蕩的諧振回路，調制電壓施加于變容二極管，則可實現振蕩頻率隨調制信號而變化的目的。變容二極管調頻電路的實例如圖9-14(a）所示，圖（b）是它的高頻等效電路。由圖可以看出，該電路實際是電容三點式高頻振蕩電路，變容二極管的結電容Cj充當振蕩回路中

31、的可變電容。當加于變容二極管上的反偏調制電壓變化時，Cj的大小隨之變化，振蕩頻率即隨之變化，輸出為調頻波。該電路的振蕩頻率為 （式9-18）式中C為 （式9-19）（b）等效電路圖9-14 變容二極管調頻電路（a）調頻電路原理圖9.3.2鑒頻調頻信號的解調稱為頻率檢波，簡稱鑒頻。其作用是從高頻調頻波中檢出低頻凋制信號。把瞬時頻率隨時間變化的規(guī)律變換成電壓隨時間變化的函數。能夠完成該任務的電路稱為鑒頻器。uuiu2變調頻為調頻調幅振幅檢波圖9-15 鑒頻器方框圖與調幅波不同，鑒頻不能直接應用二極管檢波電略。這是因為普通調幅波的振幅包絡線是按調制信號作線性變化，可利用二極管的單向導電性并經過電容器

32、濾波把包絡線所代表的原調制信號取出來；而調頻波振幅是固定不變的，其載波頻率按調制信號作線性變化。所以如果用二極管檢被電路對調頻波進行檢波，得到的只會是一個與調頻波振幅成比例的直流電壓，檢不出原調制信號。為了獲得不失真的調頻信號，大多數鑒頻電路都是先采用調制波變換，即把等幅的調頻波變換成幅度也按頻率變化規(guī)律改變的調頻調幅波，然后再用振幅檢波器把幅度變化取出來，這樣便恢復了原調制信號。前者是調制波變換電路，通常由諧振回路組成；后者是幅度圖9-16 鑒頻器的波形變換撿波電路，通常由二極管檢波電路組成。如圖9-15所示，其波形變換情況如圖9-16所示。鑒頻電路的主要特性表現在它的輸出電壓的大小與輸入調

33、頻波瞬時頻率間的關系上，稱為鑒頻特性，其曲線常稱為S鑒頻曲線，如圖9-17所示。它是在鑒頻器輸入高頻電壓的幅度保持不變，僅僅改變它的頻率時，測量鑒頻器輸出電壓幅度而得到的。其中fc為調頻信號的中心頻率，即載波頻率。S曲線只是在某一范圍內近似為直線。超過這范圍便會產生解調失真。衡量鑒頻特性的主要指標有：靈敏度：指S鑒頻曲線在中心頻率fc附近，輸出電壓u與頻偏f的比值，即，也就S曲線在fc點的斜率，它表示單位頻率偏移所產生輸出電壓的大小。靈敏度又稱鑒頻跨導。顯然，鑒頻器的鑒頻靈敏度越高越好。圖9-17 S鑒頻曲線線性范圍：指鑒頻特性近似于直線的頻率范圍，即圖9-17中S鑒頻曲線兩彎曲點之間的頻率范

34、圍，又稱頻帶寬度B。此范圍不應小于調頻信號的最大頻偏，否則將產生嚴重失真。非線性失真：為了從調頻信號中無失真地解調出原調制信號，要求在頻帶寬度以內鑒頻特性是一條直線，但實際上只是近似為直線，或多或少存在著非線性失真。另外，希望對寄生調幅有一定的抑制能力。鑒頻器有多種形式，下面介紹常用的斜率鑒頻器、相位鑒頻器和比例鑒頻器。（1）斜率鑒頻器圖9-18 斜率鑒頻器原理圖斜率鑒頻器也稱振幅鑒頻器，圖9-18是最簡單的斜率鑒頻器原理電路。圖中三極管與LC諧振回路組成調制波變換電路，其作用是變調頻信號ui為調頻調幅信號u2。二極管部分為幅度檢波電路，從調頻調幅波中取出所需要的原調制低頻信號u。為了完成把調

35、頻信號變換成調頻調幅波，需要使調諧放大器工作在失諧狀態(tài)，即LC諧振回路的諧振頻率f0要偏離調頻信號的中心頻率fc，利用調諧放大器幅頻特性曲線通頻帶以外的傾斜部分，使輸入調制信號ui頻率改變時，回路的輸出電壓幅度也隨之改變，如圖9-19所示。tff0fcf2f1Ouf1fcf2u圖9-19 斜率鑒頻過程由于這種斜率鑒頻器回路諧振曲線的傾斜部分不完全是直線，也就是說幅頻特性線性范圍較窄，當輸入調頻波的頻偏較大時，非線性失真將明顯增大，使應用受到限制。為了減小失真，可采用兩個失諧回路構成平衡斜率鑒頻器，或稱雙失諧回路（雙斜率）鑒頻器，如圖9-20所示。類似地9-18又可稱單失諧回路（單斜率）鑒頻器。

36、圖9-20 平衡斜率鑒頻器在分析單失諧回路鑒頻器時我們看到，如果要想增大鑒頻器的工作頻帶，將使失真增大，造成輸出信號正、負半同不對稱。這種情況類似放大器工作點不合適造成的失真（我們知道在放大器中可通過采用推挽電潞來減小此種失真）。從單失諧回路鑒頻器發(fā)展到雙失諧回路鑒頻器，就類似于放大器從單邊電路發(fā)展到推挽電路。平衡斜率鑒頻器也分為調制波變換電路和振幅檢波電路兩部分。該變換電路由兩個單失諧回路斜率鑒頻器連接起來組成，初級回路調諧于調頻信號的中心頻率fc，次級的兩個回路分別凋諧于f1和f2，并要求f1fc=fcf2。調頻信號在兩個次級回路兩端產生的電壓u1和u2的幅度為U1和U2，并假設兩個二極管

37、檢波電路的參數一致，幅度檢波效率近似為，那么從圖9-20可見，鑒頻器輸出的低頻信號為U=U1U2。圖9-21 平衡斜率鑒頻器鑒頻特性曲線上面的關系用圖形表示如圖9-21所示。圖中，次級兩回路的諧振曲線用虛線表示，它們代表檢波輸入高頻電壓振幅U1和U2隨頻率f的變化。如將U1和U2兩曲線相減，便得到圖中實線所示的S鑒頻曲線，即完成了鑒頻功能。與放大器推挽電路類似，當一邊鑒頻輸出波形有失真，對稱的另一邊鑒頻輸出也必定有失真，并且方向相反，相互抵消。因此，在上、下電路完全對稱的條件下，平衡斜率鑒頻器輸出的低頻電壓為單個鑒頻器輸出的二倍，在輸出中沒有直流分量偶次諧波失真，鑒頻特性的直線性和線性工作范圍

38、都比單失諧斜率鑒頻器有顯著改善。但由于調諧比較困難，目前平衡斜率鑒頻器主要應用于工作頻帶要求較寬，失真要求很小的微波多路通信接收機中。（2）相位鑒頻器相位鑒頻器與斜率鑒頻器的工作原理都是先把調頻波變換為調頻調幅波，然后再進行幅度檢波。但是變換的方法有所不同，斜率鑒頻是利用電路的振幅頻率特性變調頻波為調頻調幅波，而相位鑒頻器是利用電路的相位頻率特性變調頻波為調頻調幅波。相位鑒頻器克服了斜率鑒頻器調整比較困難的缺點。其原理電路如圖9-22（a）所示，圖（b）是其高頻等效電路。該電路由兩部分組成，第一部分是由L1、C1、L2、C2、C5和L3組成的頻幅變換電路，它將輸入的調頻信號通過相位變化（移相）

39、，變成相位隨頻率變化的一對信號；第二部分是由D1、D2、R1、R2、C3、C4組成的平衡式幅度檢波電路，檢出調制信號。圖9-22 相位鑒頻器頻、幅變換過程圖中L1C1和L2C2組成雙調諧回路，C5是兩個諧振回路之間的耦合電容（弱耦合）。兩個諧振回路均諧振于載波頻率fc（即調頻波的中心頻率）上。C3C5對高頻短路。高頻扼流圈L1上的電壓為輸入調頻電壓，即。當電路工作時，從諧振回路次級可獲得對稱的兩個電壓，因此，加在兩個檢波器的輸入電壓分別為 （式9-20）根據諧振回路的相頻特性，隨著調頻波瞬時頻率的變化，和的相位差亦隨之變化，則合成矢量、的幅度也隨之變化，這就實現了調頻波到調頻調幅波的轉換。下面

40、分三種情況討論式9-20各矢量之間的關系。i）當，即調頻波的瞬時頻率等于中心頻率（即載頻）時，初級線圈L1上的電流滯后于90o相角，次級線圈L2兩端的感應電動勢滯后90o相角，又由于次級同路諧振電流與同相，而在C2上的壓降又滯后90o相角。所以，與的相位相差900，它們的相位關系如圖9-23（a）所示。由式9-20可畫出合成矢量如圖9-24（a）所示，此時。ii）當，即調頻波的瞬時頻率大于中心頻率時，、的相位關系與時的情況相同。但由于此時次級回路失諧，呈電感性，滯后一定的相角，而C2兩端電壓又滯后90o相角，結果使與的相位差小于900。它們之間的相位關系如圖9-23（b）所示。其合成矢量如圖9

41、-24（b）所示，由圖可見。iii）當，即調頻波的瞬時頻率小于中心頻率時，、的矢量關系仍不變，只是次級回路因失諧而呈電容性，超前一個相角，滯后90o相角，如圖9-23（c）所示。合成矢量關系如圖9-24（c）所示，可見。綜上所述，調頻信號的瞬時頻率變化通過頻幅變換電路的相位變化，轉換成了頻、幅變換電路輸出電壓、幅度的變化，即實現了調頻波到調頻調幅波的轉換。隨f變化的矢量圖圖9-24 圖9-23 初、次級回路電流、電壓相位關系幅度檢波過程兩個調頻、調幅信號和分別加到圖中兩個振幅檢波器上，其檢波原理與調幅波的檢波完全相同。設兩個檢波器的電壓傳輸系數為k，則二檢波器輸出電壓分別為，。鑒頻器的輸出電壓

42、為（式9-21）由上式可畫出鑒頻器輸出電壓與輸入信號頻率之間的關系曲線（即鑒頻特性曲線）如前圖9- 所示。由圖可以看出，當時，輸出電壓；當時；當時，。這與前面頻幅變換過程的結論是一致的。但當過分偏離時，由于回路失諧嚴重，、都將減小，故曲線呈彎曲狀。相位鑒頻器具有鑒頻靈敏度高、線性好等優(yōu)點，缺點是工作頻帶不夠寬，抑制寄生調幅能力差，使用時必須增加限幅電路。（3）比例鑒頻器圖9-25 對稱式比例鑒頻器比例鑒頻器有對稱與不對稱兩種形式。對稱式比例鑒頻電路如圖9-25（a）所示，圖（b）是它的高頻等效電路。由圖可以看出，它與相位鑒頻器的主要區(qū)別是平衡檢波電路結構不同：檢波二極管連接方向不同，為構成直流

43、通路而反向連接，R1、R2上的電壓降相同，即UR1=UR2；輸出取自C3、C4分壓的點D與地之間；A、B間并聯(lián)一大電容Co，使檢波過程中VAB基本保持不變。該電路的頻幅變換過程與相位鑒頻器的頻幅變換過程完全相同，兩個幅度檢波電路的輸入調頻調幅電壓也是，其輸出分別為，。由于電路對稱，所以有由電路知，所以可得（式9-22）鑒頻器輸出電壓（式9-23）上式表明，鑒頻器的輸出電壓uO取決于，而不取決于本身的大?。║AB基本保持不變），因而，隨著調頻信號瞬時頻率的變化，一個增大，而另一個減小，二者的比值即隨頻率的變化而變化，輸出電壓uO亦隨之改變，這樣就檢出了調制信號，完成了鑒頻作用。當出現寄生調幅干擾

44、時，由于U1、U2同時按寄生調幅規(guī)律變化，因而也同時按寄生調幅規(guī)律變化，即同時增大或同時減小，但二者的比值不受影響，此外，由于C0容量較大，使UAB保持穩(wěn)定，基本不受幅度干擾的影響，因而比例鑒頻器具有限幅作用。比例鑒頻器的鑒頻曲線，其形狀與相位鑒頻器的鑒頻曲線形狀相似。9.4 變頻在無線電通信技術中，首先要將接收到的高頻信號改變其載波頻率。不論接收到的是什么頻率的信號，都要轉變成一個固定的中頻載波。如在調幅收音機中，需要把高頻調幅波變換成465kHz的中頻調幅波；在電視接收機中，通常需要把高頻的圖像調幅信號變換成38MHz的中頻調幅信號；把高頻調頻伴音信號變換成31.5MHz的第一伴音中頻信號

45、等。凡是這種進行載波頻率“搬遷”式的變換過程,都稱為變頻。在變頻過程中,原調制參數不能變,即對于調幅波,其包絡線的形狀不變,僅載波頻率發(fā)生變化；對于調頻波其調制頻率和頻偏不改變,僅載波頻率變化。變頻的作用是：對于一個波段內任何載波頻率的信號，由于都轉變成了固定的中頻信號，后面就可以用同一套放大電路進行處理了，大大簡化了后級電路。9.4.1變頻原理圖9-26 晶體管變頻電路原理與調制、解調一樣，變頻也是一個頻譜變換過程，因而必須利用非線性器件來實現。常用的有二極管變頻、晶體管變頻等。晶體管變頻原理電路如圖9-26所示，該電路是利用晶體管發(fā)射結的非線性作用進行頻率變換；再利用晶體管集電極LC選頻回

46、路進行選頻來實現整個變頻過程的。要實現變頻，一般需要兩個輸入信號，一個是需要進行變頻的高頻已調信號，如調幅波設， 另一個是為產生所需頻率而提供的高頻等幅正弦波振蕩信號uL，設當這兩個信號同時作用于晶體管發(fā)射結時，由于發(fā)射結伏安特性的非線性，在集電極電流iC中，將產生兩輸入信號頻率的多種組合頻率分量，包括C、L、L+C、L-C等。由于集電極負載為LC選頻回路，它諧振在L-C上，因此，只有L-C 及其附近的頻率成分能在回路兩端造成較大的壓降，其余頻率成分都被抑制?？赏茖С霾铑l信號的電流為（式9-24）設LC回路的諧振阻抗為Z0，則回路中差頻信號產生的壓降為（式9-25）式中a2為反映發(fā)射結的非線性

47、系數。式9-25表明，通過變頻，使高頻已調波的載波頻率由C下降為L-C，但調制規(guī)律（此處為載波幅度變化規(guī)律）并沒有改變，這樣就實現了變頻的目的。信號ua一般來自于天線和接收回路，uL一般來自于接收機內的本機振蕩（簡稱本振）電路。 9.4.2變頻電路從以上變頻原理分析可以看出，變頻電路應由非線性元件、高頻振蕩信號產生電路（即本機振蕩電路）和選頻電路三個基本部分組成。其中，非線性元件主要起頻率變換作用；高頻振蕩電路提供變頻所需要的高頻等幅振蕩信號；選頻電路則起選出差頻（或和頻）信號的作用。常用的晶體管變頻電路有兩種類型：一種是用一只晶體管同時實現高頻振蕩和變頻的自激式變頻電路 ；一種是用一只晶體管

48、產生本機振蕩信號，另一只晶體管完成變頻（常稱為混頻）作用的他激式變頻電路。前者電路結構簡單，廣泛用于普通調幅收音機中，缺點是本振與混頻互相牽制，穩(wěn)定性稍差；后者結構復雜，但穩(wěn)定性好，一般用于高檔收音機中。根據本機振蕩信號注入晶體管電極的不同，變頻電路又分基極注入、射極注入等不同形式。在調幅收音機中多用射極注入式變頻電路。圖9-27 超外差式收音機變頻電路圖9-27為普通調幅收音機中的變頻電路。由圖可知，它屬于射極注入式自激變頻電路。其中Tr1為磁性天線，L1、C1a、C2組成輸入選頻回路，其作用是從眾多電臺信號中選出欲收聽的某電臺的高頻調幅信號，并由Tr1的次級送到晶體管的基極回路，晶體管（稱

49、混頻管或變頻管）又與Tr2、 C1b、C5、C6等組成變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路，產生本機振蕩信號，本機振蕩信號經電容C4耦合，注入變頻管的發(fā)射極。由于晶體管的靜態(tài)工作點設置較低，發(fā)射結處于非線性工作狀態(tài)，因而可完成兩個輸入信號頻率的變換作用，產生如差頻等頻率分量，經集電極的C7、L5構成的選頻回路，選出差頻信號fL-fC，并由Tr3次級送往下一級電路。調幅收音機中規(guī)定fL-fC=465kHz稱為中頻。因而中頻變壓器Tr3與C7組成的選頻回路應調諧在465kHz。為了使天線接收到任一電臺信號，都變換成465kHz的中頻信號，天線輸入回路和本機振蕩回路中的電容C1a、C1b采用同軸可調的雙連

50、電容，以使兩個調諧回路的諧振頻率同時變換，從而使整個波段內fL-fC都能等于或逼近于465kHz。調頻收音機變頻后的中頻信號為10.7MHz。另外，模擬乘法電路具有乘法功能，即輸出信號是兩個輸入信號的乘積，利用它也可以實現頻率變換。電視與音響集成電路中頻率變換功能，一般都采用模擬乘法器來實現。9.5 超外差式收音機9.5.1電路結構特點超外差式調幅收音機的一般電路結構框圖如圖9-28所示，它主要由輸入回路、變頻級、中放級、檢波級和音頻放大級（包括音頻電壓放大和功率放大）及揚聲器、電源等部分組成。uBuA輸入回路混頻中放本振檢波低放功放天線uCuDuEuFucuctuAttuBtuCuDttuE

51、tuF變頻器圖9-28 超外差式調幅收音機電路結構框圖由天線感應得到的各電臺高頻已調幅無線電信號，通過輸入調幅回路選擇出欲接收的某電臺信號，送入變頻級。同時，機內的本機振蕩電路，產生頻率高于被選電臺載波頻率465kHz的高頻等幅振蕩信號，也送入變頻級。二信號經變頻后，由變頻級的選頻負載（調諧回路）獲得對應的中頻（465kHz）調幅信號。這種中頻調幅信號，經中頻放大級放大到足夠幅度后，送入檢波級進行幅度檢波，檢出的音頻調制信號，再經音頻電壓及功率放大，獲得一定功率后去推動揚聲器，還原為電臺所發(fā)送的聲音。由上可知，超外差式收音機工作的主要特點是采用了“變頻”措施，即將外來電臺的高載頻調幅波變頻成中

52、載頻調幅波，再經中頻放大電路放大后檢波而獲得音頻信號。采用變頻措施的原因是：第一，天線接收到的高頻無線電信號若直接送入高頻放大電路放大，由于放大電路對接收信號頻段的高端和低端放大倍數不均勻，從而使接收信號頻段的靈敏度不均勻（多波段收音機更為突出）；第二，若接收遠地電臺信號時，由于信號場強較弱，勢必要靠增加高頻放大的級數來提高靈敏度，這不僅會帶來高放級間統(tǒng)調的困難，而且，由于頻率高（特別是短波），高放級的增益不容易做得很高，否則會產生自激使工作不穩(wěn)定；第三，采用變頻措施使外來電臺高載頻信號一律變成固定的中載頻信號，不僅使上述矛盾迎刃而解，而且使收音機的技術指標獲得很大提高：由于變頻后得到載頻比較

53、低，容易獲得穩(wěn)定而較高的中頻放大倍數，使整機的靈敏度可以做得較高；由于采用了固定的中載頻，其選頻電路易做得較好，便于統(tǒng)一調諧，可使整機的選擇性得到提高；由于外來信號經變頻后，都變成了固定的中頻信號，容易解決不同頻段的電臺信號放大倍數不均勻的問題，即各電臺基本可獲得一致的放大量，且失真度比較小。超外差式收音機的主要缺點是統(tǒng)調較為復雜，抗“鏡像干擾”和“中頻干擾”的能力較差。9.5.2性能指標超外差式收音機質量的優(yōu)劣是用其性能指標來衡量的，下面介紹主要的幾種。(1)靈敏度靈敏度是指收音機接收微弱電臺信號的能力，通常用收音機正常工作時（指輸出功率和信噪比滿足一定要求），天線上感應的最小信號（場強或電

54、勢）值來表示。在使用磁性天線時，用電場強度來表示，單位是mv/m,如中波段收音機的靈敏度不劣于2mv/m；使用外接天線或拉桿天線時，用電勢來表示，單位是v。這些數值越小，表示收音機的靈敏度愈高。(2)選擇性選擇性是指收音機抑制鄰近電臺干擾、選擇有用電臺信號的能力。超外差式收音機的選擇性，除與天線輸入回路選擇能力有關外，主要是由中頻放大級的選頻特性來決定。由于調幅廣播電臺的中心頻率是按±9kHz的間隔分布，故選擇性通常用輸入信號失諧±9kHz時，靈敏度的衰減程度來衡量。如收音機調諧時的靈敏度為E1 ，失諧±9kHz時的靈敏度為E2 ，則其選擇性為，一般收音機的選擇性

55、要求在于20dB。(3)頻率覆蓋范圍頻率覆蓋范圍簡稱波段，即收音機所能接收的頻率范圍（指載波頻率范圍）。普通調幅收音機僅有中波段，其頻率范圍為5351605kHz。有些收音機除中波段外，還有一或二個短波段。只有一個短波段的收音機，短波范圍在412MHz；有兩個短波段的則分別為2.35.5MHz和5.512MHz或48MHz和812MHz。高擋收音機短波段有多個。調頻收音機的波段為87108MHz。(4)中頻頻率中頻頻率是指高載頻無線電信號經變頻后的中載頻頻率。我國規(guī)定調幅收音機的中頻頻率為465kHz（調頻收音機中頻為10.7MHz）。一般允許有一定的偏差，普通收音機為465±4kH

56、z；高擋機為465±2kHz。其他國家中頻頻率有用455kHz。(5)輸出功率輸出功率是指收音機輸出的音頻信號強度的特性，一般指額定輸出功率，即在允許的失真度范圍內輸出功率的標稱值。通常用瓦（W）或毫瓦（mW）表示。(6)失真度收音機的失真度主要指非線性失真度，它主要是衡量輸入信號（波形或頻率）經放大后失去真實程度的大小。失真度小的收音機，音質優(yōu)美動聽；失真度大的收音機聽起來嘶啞、悶塞，很不自然。一般收音機要求失真度<10%。(7)電源消耗收音機一般使用干電池或機內穩(wěn)壓電源，電源消耗也是一個重要指標，一般分無信號時的靜態(tài)消耗和有信號時的標稱消耗（或最大消耗）兩種，當然，消耗越小越好。24 圖9-29 超外差式中波段晶體管收音機電路圖9.5.3實際電路分析圖9-29是常見的中波波段超外差式調幅收音機的典型電路，下面分析各部分電路的工作原理。圖9-30 輸入回路