無線電接收和發(fā)射設(shè)備的培訓(xùn)講義

1、內(nèi) 容 提 要 無線電接收與發(fā)射設(shè)備是高頻電子線路的綜合應(yīng)用，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)、播送與電視系統(tǒng)、無線平安防范系統(tǒng)、無線遙控和遙測系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、無線電制導(dǎo)系統(tǒng)等必不可少的設(shè)備。 本章介紹了以CXA1019芯片和CXA1238芯片構(gòu)成的多波段收音機(jī)的組成和電路分析。同時(shí)介紹了數(shù)字調(diào)諧收音機(jī)的根本原理和線路分析。介紹了調(diào)頻發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，電路組成和線路分析。 無線電接收與發(fā)射設(shè)備是高頻電子線路的綜合應(yīng)用，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)、播送與電視系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、無線電制導(dǎo)系統(tǒng)等必不可少的核心設(shè)備。 無線電收發(fā)系統(tǒng)按照調(diào)制方式可分為調(diào)幅AM收發(fā)系統(tǒng)、調(diào)頻FM收

2、發(fā)系統(tǒng)、調(diào)相PM收發(fā)系統(tǒng)以及它們的組合調(diào)制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)上述三種根本調(diào)制方法可采用模擬調(diào)制，亦可采用數(shù)字調(diào)制方法。本章側(cè)重介紹模擬的調(diào)頻收發(fā)系統(tǒng)。10.1 概 述以調(diào)頻播送為例，其接收和發(fā)射的典型框圖如下圖。調(diào)頻接收機(jī)原理圖調(diào)頻發(fā)射機(jī)原理圖 無線電接收機(jī)經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模集成電路四個(gè)階段。它們的原理框圖大同小異。這里我們以調(diào)頻播送接收機(jī)為例進(jìn)行介紹，其原理框圖如下圖。它屬于典型的超外差收音機(jī)，由接收天線、高頻帶通濾波器、高頻放大器、本地振蕩器、混頻、陶瓷濾波器、寬帶中頻放大器、鑒頻器檢波器、音頻放大器、AFC電路和揚(yáng)聲器等組成。目前已將高放、本振混頻、中放、鑒頻、AFC

3、、低放和功放全部集成在一塊集10.2 無線電接收機(jī)成電路內(nèi)。例如CXA1019大規(guī)模集成電路20世紀(jì)80年代就進(jìn)入我國市場，90年代已被推廣使用。后來又在CXA1019的根底上做了改進(jìn)，CXA1191和CXA1619就是它的改進(jìn)型。因其改進(jìn)的局部很小，且靈敏度還不如CXA1019高，所以我們還是以CXA1019為例深入介紹。先介紹一下接收機(jī)的性能指標(biāo)。10.2.1 無線電接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)信噪比 信噪比是指在一定的輸入信號電平下，接收機(jī)的輸出端的信號電壓與噪聲電壓之比。 靈敏度 接收機(jī)的靈敏度是指在規(guī)定的音頻輸出信雜比下，產(chǎn)生標(biāo)稱輸出功率所需要的最小輸入信號電平。 接收機(jī)抗干擾指標(biāo) 雙信號選

4、擇性 雙信號選擇性是指接收機(jī)在有信號存時(shí)，對臨近信道干擾信號的抑制能力。 它反響了接收機(jī)的實(shí)際抗干擾性能，故又稱為有效選擇性。 中頻抑制 中頻抑制是指為產(chǎn)生相同的音頻輸出電壓或功率，接收機(jī)中頻頻率上的輸入信號電平與調(diào)諧頻率上信號電平之比。 鏡像抑制 單信號鏡像抑制是指為產(chǎn)生相同的音頻信號輸出電壓或功率，接收機(jī)鏡像頻率上的輸入信號與調(diào)頻頻率上的輸入信號之比。 俘獲比 俘獲比是指接收機(jī)在接收同頻信號時(shí)，抑制較弱信號選擇較強(qiáng)信號的能力。 調(diào)幅抑制 調(diào)幅抑制表示調(diào)頻接收機(jī)對輸入信號中調(diào)幅成分的抑制能力。 整機(jī)電壓諧波失真 整機(jī)電壓頻率特性是指輸出端上的負(fù)載電壓與調(diào)制頻率的關(guān)系。 去加重 國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為50

5、s。 中頻頻率 國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求為10.7MHz 。 整機(jī)電壓頻率特性 整機(jī)電壓頻率特性是指輸出端上的負(fù)載電壓與調(diào)制頻率的關(guān)系。整機(jī)電壓諧波失真 整機(jī)電壓諧波失真是指用一正弦波調(diào)制的信號加到接收機(jī)上時(shí)，接收機(jī)輸出端出現(xiàn)的各次諧波分量的均方根值與總輸出電壓之比。 最大有用功率 整機(jī)電壓諧波失真為10時(shí)的輸出功率稱為最大有用功率。 頻率范圍 在保證整機(jī)性能技術(shù)指標(biāo)的前提下，接收機(jī)能接收的頻率范圍。根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC推薦的播送波段接收頻率范圍為： 長波：150400kHz 中波：5351605kHz 短波：2.326.1MHz 米波：41223MHz 分米波：470960MHz10.2.2 CXA

6、1019芯片構(gòu)成的多波段收音機(jī) CXA1019的內(nèi)部電路方框圖如圖。該電路包括AM/FM收音機(jī)從無線輸入、高放、混頻、本振、中放、檢波、直至音頻功率放大器的全部功能。 CXA1019內(nèi)設(shè)波段轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，所以，只需簡單控制第15腳的上下電平就可以改變調(diào)頻或調(diào)幅兩種接收狀態(tài)。電路內(nèi)還設(shè)有調(diào)幅AGC和調(diào)頻AFC功能。 CXA1019P(M)電路使用的電源電壓范圍也較寬，從2V8.5V均可得到穩(wěn)定的點(diǎn)性能。它的功耗很小，在3V工作的情況下，F(xiàn)M波段的靜態(tài)電流為7mA，AM波段為3.5mA，而輸出功率比較大，在6V電源電壓下，8負(fù)載阻抗，輸出功率可達(dá)500mW。 CXA1238S是日本索尼公司在20世

7、紀(jì)80年代后期正式推出的集調(diào)幅、調(diào)頻、鎖相環(huán)立體聲譯碼等電路為一體的收音機(jī)集成電路。它在電路總體功能上完全替代了原來流行的TA三片機(jī)電路，即TA7335P、TA7640P、TA7343P。與索尼公司的另一塊單片集成電路CXA20029相比較，功能根本相同，但結(jié)構(gòu)更為簡單，由四面引出48腳扁平封裝改為30腳雙列直插封裝。這樣在很大程度上方便了整機(jī)設(shè)計(jì)和工藝制造，外圍元件也相應(yīng)地減少了，特別是省了本錢較高的76kHz晶體。其圖見下頁。 CXA1238芯片構(gòu)成的多波段收音機(jī)CXA1238S的內(nèi)部電路方框圖主要特點(diǎn)： 耗電?。?當(dāng)電源電壓為6V時(shí)，調(diào)幅靜態(tài)電流為85mA;調(diào)頻靜態(tài)電流約為11mA。 電

8、源電壓適應(yīng)范圍寬： 在210V范圍內(nèi)電路均能正常工作。 具有調(diào)諧指示LED驅(qū)動(dòng)電路。 具有立體聲指示LED驅(qū)動(dòng)電路。 具有FM靜噪功能。 10.2.4 數(shù)字調(diào)諧收音機(jī)數(shù)字調(diào)諧器(DTS)的根本原理 PLL頻率合成數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)主要是由壓控振蕩器(VCO)，相位比較器(PLD)、低通濾波器(LPF)、可編程分頻器、標(biāo)準(zhǔn)晶體根本振蕩器、參考分頻器、中央控制器(CPU)等局部組成，根本方框圖如下。PLL頻率合成數(shù)學(xué)調(diào)諧方框圖 壓控振蕩器(VCO)實(shí)際上就是收音機(jī)的本振。由于基準(zhǔn)參考頻率fr較低例如FM為25kHz,AM為9kHz，并且每個(gè)波段有各種不同的信號頻率點(diǎn)，所以VCO的輸出頻率fout必須經(jīng)過

9、分頻比可變的可編程分頻器進(jìn)行分頻，其分頻模數(shù)由微處理器(CPU)根據(jù)操作指令控制。 可編程分頻器輸出的信號頻率fs送到相位比較器，與晶振分頻后得到的參考頻率fr進(jìn)行相位比較:當(dāng)fs超前fr時(shí)，輸出高電平；當(dāng)fs滯后fr時(shí)輸出低電平。輸出的誤差信號經(jīng)LPF積分平滑后，變換成直流控制電壓，改變VCO的振蕩頻率，再通過預(yù)置分頻和可編程分頻器，使fs再一次與fr比較。 經(jīng)過一段時(shí)間的頻率牽引過程，最后使得fs與fr同頻且相位相差很小，此時(shí)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，相位比較器輸出為高阻態(tài)，本振頻率fout十分穩(wěn)定。直接分頻方式 主要用在振蕩頻率低，分頻比N較小的調(diào)幅波段，方框圖見圖。 可編程分頻器的分頻比為1/

10、N。 本振頻率f0與基準(zhǔn)參考頻率fr的關(guān)系式為f0=Nfr。1編程分頻器直接分頻方式吞咽脈沖Pulse Swallow計(jì)數(shù)方式 調(diào)頻(FM)波段或者TV接收頻段的本振頻率高，不宜采用直接分頻方式，通常用預(yù)置和吞咽計(jì)數(shù)方式以降低主計(jì)數(shù)器的工作頻率及分頻比。 圖為這種可編程分頻計(jì)數(shù)器的示意圖。吞咽脈沖計(jì)數(shù)方式 高頻本振信號先由預(yù)變換器進(jìn)行預(yù)分頻，預(yù)變換器有兩種分頻模數(shù)：P和P+1。它受控于吞咽計(jì)數(shù)器的分頻比切換信號(PSG)，當(dāng)PSG為高電平時(shí)，分頻比為1/P+1，低電平時(shí)為1/P。吞咽計(jì)數(shù)器的分頻模數(shù)為M,可編程主計(jì)數(shù)器的分頻模數(shù)為N。初始狀態(tài)時(shí)，控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換鎖存器將分頻模數(shù)M和N分別預(yù)置到

11、吞咽計(jì)數(shù)器和主計(jì)數(shù)器，預(yù)置分頻器置入高分頻模數(shù)P+1。 FM本振信號f0經(jīng)1/P+1預(yù)分頻后送至吞咽計(jì)數(shù)器和主計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)。 當(dāng)吞咽計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到M次時(shí)，輸出一個(gè)控制信號，使得預(yù)置分頻器控制端子PSG轉(zhuǎn)為低電平，分頻模數(shù)隨即變?yōu)镻。 此時(shí)，吞咽計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，而主計(jì)數(shù)器那么繼續(xù)對f0/P計(jì)數(shù)。 假設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)周期為N，那么，當(dāng)主計(jì)數(shù)器計(jì)完剩下的N-M次數(shù)時(shí)，便輸出一個(gè)脈沖信號。 同時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路把分頻模M、N重新置入吞咽計(jì)數(shù)器和主計(jì)數(shù)器，并將PSG轉(zhuǎn)為高電平，使預(yù)置分頻器切換到P+1。從而使計(jì)數(shù)系統(tǒng)又回到初始狀態(tài)，開始進(jìn)行第二個(gè)計(jì)數(shù)周期。從上圖可以看出這種吞咽計(jì)數(shù)方式的可編程分頻器的關(guān)系式為：

12、吞咽計(jì)數(shù)方式的可編程分頻器總分頻比2 相位比較器相位比較器也叫鑒頻器。 它的作用相當(dāng)于一個(gè)乘法器。 參考信號反響信號相位比較器輸出實(shí)際輸出當(dāng)那么11式為相位比較器的鑒頻特性，它具有正弦形式，如下圖。在捕捉帶的小范圍內(nèi)1式可簡化為：ud0Kd(r-s) 當(dāng)r-s較小時(shí)，相位比較器等效于相位減法器，具有線性。這時(shí)，比較器輸出電壓的大小表示ur(t)和us(t)兩路信號的相位差，輸出的正負(fù) 極性代表ur(t)和us(t) 的超前或滯后的關(guān)系。 相位比較器的鑒頻特性3 低通濾波器 實(shí)際應(yīng)用中，通常用有源濾波器來改善比例積分器的濾波特性，使之近似于理想狀態(tài)。 A為直流放大器的放大倍數(shù)，時(shí)間常數(shù)T1=R1

13、C,T2=R2C DTS中，低通濾波器決定鎖相環(huán)路的頻率階躍相應(yīng)。對于濾波器的時(shí)間常數(shù)的選取，應(yīng)考慮鎖相環(huán)路的捕獲時(shí)間對整機(jī)信噪比的影響。環(huán)路捕獲性能越好，鎖定時(shí)間越短，整機(jī)的信噪比相應(yīng)變差，這二者是相互矛盾的。有源低通濾波器 式中，f0為本振頻率；UD為變?nèi)荻O管上反向控制電壓；Kd為相位比較起的鑒相靈敏度；N為最高本振頻率與參考頻率的比值，即 ；n為環(huán)路無阻尼時(shí)的自然角頻率；為阻尼系數(shù)(一般取0.5左右)。 所以，濾波器的時(shí)間常數(shù)T1和T2應(yīng)兼顧這兩方面的特性來選取，可以根據(jù)以下公式來計(jì)算，式中，Kv為壓控振蕩器VCO的靈敏度，可由下式?jīng)Q定10.3 調(diào)頻發(fā)射機(jī) 發(fā)射機(jī)按調(diào)制方式可分為調(diào)幅(

14、AM)、調(diào)頻(AF)、調(diào)相(PM)和脈沖調(diào)制四大類，他們又有模擬和數(shù)字之分。這里只討論調(diào)頻發(fā)射機(jī)?，F(xiàn)以調(diào)頻播送發(fā)射機(jī)為例介紹它的組成和工作原理。其原理方框圖如下圖。它由調(diào)制器、前置功放、末級功放含保護(hù)電路和直流穩(wěn)壓電源等部分組成。FM發(fā)射機(jī)原理方框圖10.3.1 調(diào)頻發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)發(fā)射頻率f0和頻率范圍 所謂發(fā)射頻率f0是指載波頻率，頻率范圍是指可以變動(dòng)的范圍。 發(fā)射功率 發(fā)射功率是指接上負(fù)載后實(shí)際輸出的功率。 輸出阻抗 對調(diào)頻播送而言，一般要求輸出阻抗為50；對電視差轉(zhuǎn)而言一般要求75。 殘波輻射 殘波輻射是指雜波與輸出功率之比。 音頻輸入阻抗和電平 音頻輸入端要求的阻抗和輸入電平。 信雜

15、比 信雜比是指已調(diào)波在規(guī)定頻偏的情況下經(jīng)理想解調(diào)后有用信號功率與載波功率之比。 失真度 失真度是指已調(diào)波在規(guī)定頻偏的情況下經(jīng)理想解調(diào)后單音頻信號的失真度。 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)是指已調(diào)波在規(guī)定頻偏的情況下經(jīng)理想 解調(diào)后輸出音頻的幅頻響應(yīng)。 效率 效率是指輸出功率與電源消耗的總功率之比。 一般用表示。 10.3.2 FM調(diào)制器1.中小規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器 由中小規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器原理方框圖如圖。 它由三分組成，即為頻 率合成器；為音頻處器；為FM波的緩沖放大器。頻率合成器的作用是產(chǎn)生一個(gè)振蕩頻率穩(wěn)定度極高的FM波信號，它是調(diào)制器的核心部件。 音頻處理器的作用是將各種各樣的音頻信號經(jīng)過

16、處理后，變成輸出阻抗和電平根本一樣的信號，再將這些信號加至壓控振蕩器的變?nèi)荻O管上。 射頻緩沖放大器起緩沖、放大、匹配和濾波的作用。中小規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器原理方框圖 1線路分析頻率合成器局部 它產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定度與參考晶體振蕩器相同的高頻振蕩。音頻信號處理器局部 音頻信號處理器如下圖。 IC1和其外圍電路組成平衡轉(zhuǎn)換為不平衡及放大電路。 RP1是調(diào)節(jié)共模抑制比用的，抑制像交流聲之類的共模信號，從而提高共模抑制KCMR 。 單聲道平衡輸入信號經(jīng)過共模抑制電阻網(wǎng)絡(luò)送到運(yùn)放IC1進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)成單端信號，再經(jīng)RP4 調(diào)節(jié)至適當(dāng)電平輸出，使之在1kHz 0dBm輸入時(shí)頻偏為75kHz，然后再把這

17、個(gè)電平送給由C10 (1000pF) 和電阻R12 (51k)組成的50預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)，使音頻高端信號得到提升。目的是減少發(fā)射與接收時(shí)高音頻端的調(diào)頻噪聲的影響。 單聲道不平衡輸入信號經(jīng)RP2(10k)調(diào)節(jié)到適當(dāng)電平輸出，使之能在1kHz300mV輸入時(shí)，頻偏為75kHz ，再將這個(gè)信號送到預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)。 立體聲復(fù)合信號經(jīng)過立體聲編碼后的信號RP3(1k) 調(diào)節(jié)到適當(dāng)電平輸出，使之能在1kHz 300mV輸出時(shí)，頻偏為75kHz ，將這個(gè)適當(dāng)電平直接送到后面調(diào)制振蕩器的變?nèi)荻O管上。射頻緩沖放大器局部 射頻緩沖放大電路的原理圖如下圖。 它由三級緩沖放大和一級輸出放大器組成。 來自壓控振蕩器的FM信號，

18、經(jīng)過三級緩沖放大(由VT1、VT2 和VT3組成，主要起緩沖隔離和電流放大作用)以減輕振蕩級的負(fù)載，提高頻率穩(wěn)定度。輸出放大器由VT4，VT5和VT6組成。鎖相指示電路由運(yùn)放IC1、VT7、VT8和鎖相指示綠色發(fā)光二極管組成。音頻處理器原理圖射頻緩沖放大器2.大規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器 前面介紹利用中小規(guī)模集成塊構(gòu)成的調(diào)頻調(diào)制器，其外圍電路復(fù)雜，且性價(jià)比不太高。 近幾年來已研制成大規(guī)模集成塊構(gòu)成的調(diào)頻調(diào)制器。 現(xiàn)有的大規(guī)模PLL芯片已經(jīng)可以將壓控振蕩器(VCO)、可編程分頻器、鑒頻鑒相器(FDPD)、低通有源濾波器(LPF)全部集成在一個(gè)芯塊內(nèi)，MC145152為并入數(shù)據(jù)的大規(guī)模PLL芯片，

19、廣泛地應(yīng)用FM發(fā)射機(jī)的調(diào)制器中。 外部穩(wěn)定參考源由OSCin輸入，經(jīng)12位分頻將輸入頻率R,然后送入FDPD。R值由RA0、RA1、RA2上的電平?jīng)Q定，只有8個(gè)值可選，之所以從分頻器取得fr是因?yàn)閒r通常很低，不便直接由石英振蕩器產(chǎn)生。該芯片A1亦可有石英振蕩器功能。 這時(shí)將石英片接于OSCout和OSCin并接入分壓電容即可。 MC145152內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖10.3.3 前級功率放大器 前置功放單元是由三個(gè)功率放大晶體管組成的三級寬帶放大器構(gòu)成，其圖見下頁。 第一級由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和VT1(FA531)及其直流偏置電路組成。 第二級由VT2(3DA92C)功放管及前后級間匹配網(wǎng)絡(luò)、直流電路組成，工

20、作在甲乙類。 第三級由VT3(3DA825C)功放管及級間匹配網(wǎng)絡(luò)及直流偏置電路組成。工作在乙類。 前置盒三級功放中的基級直流偏置電路形式一樣，均為并聯(lián)饋電方式。為使晶體管工作在甲類或甲乙類狀態(tài)，采用分壓式供電與發(fā)射極共用一個(gè)電源。10.3.4 末級功率放大器 現(xiàn)以50W功放為例，說明末級功放的工作原理。原理框見圖所示。其輸入阻抗為50，電平為10W；輸出為50W，阻抗為50。所提供直流電壓為24V。50W末級功放原理方框圖下面從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行詳細(xì)介紹：1.工作狀態(tài)的選取 為了提高效率，末級功放一般采用丙類放大，且選取導(dǎo)通角為=70。 2.末級功放管參數(shù)的計(jì)算 近似計(jì)算，可以認(rèn)為集電極最小瞬時(shí)電

21、壓為飽和導(dǎo)通壓降：Uces=0.7V,于是Uc1m=Vcc-Uces=24-0.7=23.3V。3.功放管的選取 末級選取BLW78，基級輸入阻抗約為1.5，轉(zhuǎn)換到輸入端阻抗為50。根據(jù)以上分析，負(fù)載阻抗RL50也要轉(zhuǎn)換為末級所需要的阻抗RP5.1。4.集電極電源電路和基級偏置電路 對于集電極電源電路，要求調(diào)制信號經(jīng)過放大后不至于使信雜比惡化，所以對電源的波紋要有一定的要求。在供電電路中要考慮把直流回路與基波回路分開，常采用并饋方式，如圖，圖中L、C用來抑制射頻和去耦，使Ic0只通過晶體管。集電極“并饋供電回路 對于集電極電源電路，要求調(diào)制信號經(jīng)過放大后不至于使信對于基極偏置電路一般不采用獨(dú)立

22、的偏置電路，而采用自給偏置電路。最常用的有兩種。圖a是利用基極電流的直流分量在基區(qū)體內(nèi)阻rbb上產(chǎn)生的偏置電壓。 由于rbb很小所以偏置電壓很小，接近乙類90工作狀態(tài)。所以常采用圖b方法，利用基極電流的直流分量在Rb上產(chǎn)生偏壓，調(diào)節(jié)Rb即可改變通角，使之滿足=70。晶體管功放的基級偏置電路5.寬帶匹配網(wǎng)絡(luò) 寬帶放大器和窄帶放大器沒有本質(zhì)的區(qū)別，就晶體管工作狀態(tài)以及集電極電路、偏置電路等而言，兩者是完全一致的，區(qū)別僅在于輸入、輸出電路及級間匹配電路，即要實(shí)現(xiàn)寬帶放大，必須采用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。 輸入、輸出匹配電路兩者沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別，都是阻抗變換及匹配網(wǎng)絡(luò)。 輸入電路就是將晶體管的基極輸入阻抗轉(zhuǎn)換到放大器的輸入阻抗。 輸出電路就是將放大器的輸出阻抗轉(zhuǎn)換到晶體管BLW78希望得到的負(fù)載電阻。 在寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)中，常采用傳輸線變壓器、多節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)、微帶等多種形式，前者適用于小功率放大匹