無線電接收與發(fā)射設備

無線電接收與發(fā)射設備第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三內容提要無線電接收與發(fā)射設備是高頻電子線路的綜合應用，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)、廣播與電視系統(tǒng)、無線安全防范系統(tǒng)、無線遙控和遙測系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、無線電制導系統(tǒng)等必不可少的設備。本章介紹了以CXA1019芯片和CXA1238芯片構成的多波段收音機的組成和電路分析。同時介紹了數字調諧收音機的基本原理和線路分析。介紹了調頻發(fā)射機的主要技術指標，電路組成和線路分析。第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三無線電接收與發(fā)射設備是高頻電子線路的綜合應用，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)、廣播與電視系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、無線電制導系統(tǒng)等必不可少的核心設備。無線電收發(fā)系統(tǒng)按照調制方式可分為調幅（AM）收發(fā)系統(tǒng)、調頻（FM）收發(fā)系統(tǒng)、調相（PM）收發(fā)系統(tǒng)以及它們的組合調制系統(tǒng)。實現(xiàn)上述三種基本調制方法可采用模擬調制，亦可采用數字調制方法。本章側重介紹模擬的調頻收發(fā)系統(tǒng)。10.1概述第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三以調頻廣播為例，其接收和發(fā)射的典型框圖如圖所示。調頻接收機原理圖調頻發(fā)射機原理圖第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三無線電接收機經歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模集成電路四個階段。它們的原理框圖大同小異。這里我們以調頻廣播接收機為例進行介紹，其原理框圖如圖所示。它屬于典型的超外差收音機，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電路和揚聲器等組成。目前已將高放、本振混頻、中放、鑒頻、AFC、低放和功放全部集成在一塊集10.2無線電接收機第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三成電路內。例如CXA1019大規(guī)模集成電路20世紀80年代就進入我國市場，90年代已被推廣使用。后來又在CXA1019的基礎上做了改進，CXA1191和CXA1619就是它的改進型。因其改進的部分很小，且靈敏度還不如CXA1019高，所以我們還是以CXA1019為例深入介紹。先介紹一下接收機的性能指標。第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.2.1無線電接收機的主要技術指標信噪比信噪比是指在一定的輸入信號電平下，接收機的輸出端的信號電壓與噪聲電壓之比。

靈敏度接收機的靈敏度是指在規(guī)定的音頻輸出信雜比下，產生標稱輸出功率所需要的最小輸入信號電平。

接收機抗干擾指標①雙信號選擇性雙信號選擇性是指接收機在有信號存時，對臨近信道干擾信號的抑制能力。它反應了接收機的實際抗干擾性能，故又稱為有效選擇性。第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三②中頻抑制中頻抑制是指為產生相同的音頻輸出電壓或功率，接收機中頻頻率上的輸入信號電平與調諧頻率上信號電平之比。③鏡像抑制單信號鏡像抑制是指為產生相同的音頻信號輸出電壓或功率，接收機鏡像頻率上的輸入信號與調頻頻率上的輸入信號之比。④俘獲比俘獲比是指接收機在接收同頻信號時，抑制較弱信號選擇較強信號的能力。⑤調幅抑制調幅抑制表示調頻接收機對輸入信號中調幅成分的抑制能力。整機電壓諧波失真整機電壓頻率特性是指輸出端上的負載電壓與調制頻率的關系。

第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三去加重國標標準為50μs。

中頻頻率國標標準要求為10.7MHz。

整機電壓頻率特性整機電壓頻率特性是指輸出端上的負載電壓與調制頻率的關系。整機電壓諧波失真整機電壓諧波失真是指用一正弦波調制的信號加到接收機上時，接收機輸出端出現(xiàn)的各次諧波分量的均方根值與總輸出電壓之比。

第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三最大有用功率整機電壓諧波失真為10％時的輸出功率稱為最大有用功率。

頻率范圍在保證整機性能技術指標的前提下，接收機能接收的頻率范圍。根據國際電工委員會（IEC）推薦的廣播波段接收頻率范圍為：長波：150~400kHz中波：535~1605kHz短波：2.3~26.1MHz米波：41~223MHz分米波：470~960MHz第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.2.2CXA1019芯片構成的多波段收音機CXA1019的內部電路方框圖如圖。該電路包括AM/FM收音機從無線輸入、高放、混頻、本振、中放、檢波、直至音頻功率放大器的全部功能。第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三CXA1019內設波段轉換開關電路，所以，只需簡單控制第15腳的高低電平就可以改變調頻或調幅兩種接收狀態(tài)。電路內還設有調幅AGC和調頻AFC功能。CXA1019P(M)電路使用的電源電壓范圍也較寬，從2V~8.5V均可得到穩(wěn)定的點性能。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，8Ω負載阻抗，輸出功率可達500mW。第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三CXA1238S是日本索尼公司在20世紀80年代后期正式推出的集調幅、調頻、鎖相環(huán)立體聲譯碼等電路為一體的收音機集成電路。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，功能基本相同，但結構更為簡單，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設計和工藝制造，外圍元件也相應地減少了，特別是省了成本較高的76kHz晶體。其圖見下頁。10.2.3

CXA1238芯片構成的多波段收音機第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三CXA1238S的內部電路方框圖第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三主要特點：①耗電?。寒旊娫措妷簽?V時，調幅靜態(tài)電流為85mA;調頻靜態(tài)電流約為11mA。②電源電壓適應范圍寬：在2～10V范圍內電路均能正常工作。③具有調諧指示LED驅動電路。④具有立體聲指示LED驅動電路。⑤具有FM靜噪功能。第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.2.4數字調諧收音機數字調諧器(DTS)的基本原理PLL頻率合成數字調諧系統(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、標準晶體基本振蕩器、參考分頻器、中央控制器(CPU)等部分組成，基本方框圖如下。PLL頻率合成數學調諧方框圖第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三壓控振蕩器(VCO)實際上就是收音機的本振。由于基準參考頻率fr較低（例如FM為25kHz,AM為9kHz），并且每個波段有各種不同的信號頻率點，所以VCO的輸出頻率fout必須經過分頻比可變的可編程分頻器進行分頻，其分頻模數由微處理器(CPU)根據操作指令控制。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進行相位比較:當fs超前fr時，輸出高電平；當fs滯后fr時輸出低電平。輸出的誤差信號經LPF積分平滑后，變換成直流控制電壓，改變VCO的振蕩頻率，再通過預置分頻和可編程分頻器，使fs再一次與fr比較。第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三經過一段時間的頻率牽引過程，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。第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三①直接分頻方式主要用在振蕩頻率低，分頻比N較小的調幅波段，方框圖見圖?？删幊谭诸l器的分頻比為1/N。本振頻率f0與基準參考頻率fr的關系式為f0=Nfr。（1）編程分頻器直接分頻方式第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三②吞咽脈沖（PulseSwallow）計數方式調頻(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，通常用預置和吞咽計數方式以降低主計數器的工作頻率及分頻比。圖為這種可編程分頻計數器的示意圖。吞咽脈沖計數方式第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三高頻本振信號先由預變換器進行預分頻，預變換器有兩種分頻模數：P和P+1。它受控于吞咽計數器的分頻比切換信號(PSG)，當PSG為高電平時，分頻比為1/P+1，低電平時為1/P。吞咽計數器的分頻模數為M,可編程主計數器的分頻模數為N。初始狀態(tài)時，控制器的數據轉換鎖存器將分頻模數M和N分別預置到吞咽計數器和主計數器，預置分頻器置入高分頻模數P+1。FM本振信號f0經1/P+1預分頻后送至吞咽計數器和主計數器同時計數。當吞咽計數器計數到M次時，輸出一個控制信號，使得預置分頻器控制端子PSG轉為低電平，分頻模數隨即變?yōu)镻。第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三此時，吞咽計數器停止計數，而主計數器則繼續(xù)對f0/P計數。假設一個計數周期為N，那么，當主計數器計完剩下的N-M次數時，便輸出一個脈沖信號。同時，數據轉換電路把分頻模M、N重新置入吞咽計數器和主計數器，并將PSG轉為高電平，使預置分頻器切換到P+1。從而使計數系統(tǒng)又回到初始狀態(tài)，開始進行第二個計數周期。從上圖可以看出這種吞咽計數方式的可編程分頻器的關系式為：吞咽計數方式的可編程分頻器總分頻比第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三（2）相位比較器相位比較器也叫鑒頻器。它的作用相當于一個乘法器。參考信號反饋信號相位比較器輸出實際輸出當則（1）第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三（1）式為相位比較器的鑒頻特性，它具有正弦形式，如圖所示。在捕捉帶的小范圍內（1）式可簡化為：ud0≈Kd(φr-φs)當φr-φs較小時，相位比較器等效于相位減法器，具有線性。這時，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，輸出的正負極性代表ur(t)和us(t)的超前或滯后的關系。相位比較器的鑒頻特性第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三（3）低通濾波器實際應用中，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，時間常數T1=R1C,T2=R2CDTS中，低通濾波器決定鎖相環(huán)路的頻率階躍相應。對于濾波器的時間常數的選取，應考慮鎖相環(huán)路的捕獲時間對整機信噪比的影響。環(huán)路捕獲性能越好，鎖定時間越短，整機的信噪比相應變差，這二者是相互矛盾的。有源低通濾波器第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三式中，f0為本振頻率；UD為變容二極管上反向控制電壓；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；ωn為環(huán)路無阻尼時的自然角頻率；ε為阻尼系數(一般取0.5左右)。所以，濾波器的時間常數T1和T2應兼顧這兩方面的特性來選取，可以根據以下公式來計算，式中，Kv為壓控振蕩器VCO的靈敏度，可由下式決定第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.3調頻發(fā)射機發(fā)射機按調制方式可分為調幅(AM)、調頻(AF)、調相(PM)和脈沖調制四大類，他們又有模擬和數字之分。這里只討論調頻發(fā)射機?，F(xiàn)以調頻廣播發(fā)射機為例介紹它的組成和工作原理。其原理方框圖如圖所示。它由調制器、前置功放、末級功放（含保護電路）和直流穩(wěn)壓電源等部分組成。FM發(fā)射機原理方框圖第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.3.1調頻發(fā)射機的性能指標①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的范圍。②發(fā)射功率發(fā)射功率是指接上負載后實際輸出的功率。③輸出阻抗對調頻廣播而言，一般要求輸出阻抗為50Ω；對電視差轉而言一般要求75Ω。④殘波輻射殘波輻射是指雜波與輸出功率之比。⑤音頻輸入阻抗和電平音頻輸入端要求的阻抗和輸入電平。第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三⑥信雜比信雜比是指已調波在規(guī)定頻偏的情況下經理想解調后有用信號功率與載波功率之比。⑦失真度失真度是指已調波在規(guī)定頻偏的情況下經理想解調后單音頻信號的失真度。⑧頻率響應頻率響應是指已調波在規(guī)定頻偏的情況下經理想解調后輸出音頻的幅頻響應。⑨效率效率是指輸出功率與電源消耗的總功率之比。一般用η表示。第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.3.2FM調制器1.中小規(guī)模集成塊構成的FM調制器由中小規(guī)模集成塊構成的FM調制器原理方框圖如圖。它由三分組成，即Ⅰ為頻率合成器；Ⅱ為音頻處器；Ⅲ為FM波的緩沖放大器。頻率合成器的作用是產生一個振蕩頻率穩(wěn)定度極高的FM波信號，它是調制器的核心部件。音頻處理器的作用是將各種各樣的音頻信號經過處理后，變成輸出阻抗和電平基本一樣的信號，再將這些信號加至壓控振蕩器的變容二極管上。射頻緩沖放大器起緩沖、放大、匹配和濾波的作用。第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三中小規(guī)模集成塊構成的FM調制器原理方框圖第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三（1）線路分析①頻率合成器（Ⅰ部分）

它產生一個頻率穩(wěn)定度與參考晶體振蕩器相同的高頻振蕩。②音頻信號處理器（Ⅱ部分）音頻信號處理器如圖所示。IC1和其外圍電路組成平衡轉換為不平衡及放大電路。RP1是調節(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過共模抑制電阻網絡送到運放IC1進行放大并轉成單端信號，再經RP4調節(jié)至適當電平輸出，使之在1kHz0dBm輸入時頻偏為±75kHz，然后再把這個電平送給由C10(1000pF)和電阻R12(51kΩ)組成的50μ預加重網絡，使音頻高端信號得到提升。目的是減少發(fā)射與接收時高音頻端的調頻噪聲的影響。第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三單聲道不平衡輸入信號經RP2(10kΩ)調節(jié)到適當電平輸出，使之能在1kHz300mV輸入時，頻偏為±75kHz，再將這個信號送到預加重網絡。立體聲復合信號（經過立體聲編碼后的信號）RP3(1kΩ)調節(jié)到適當電平輸出，使之能在1kHz300mV輸出時，頻偏為±75kHz，將這個適當電平直接送到后面調制振蕩器的變容二極管上。③射頻緩沖放大器（Ⅲ部分）射頻緩沖放大電路的原理圖如圖所示。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，經過三級緩沖放大(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。鎖相指示電路由運放IC1、VT7、VT8和鎖相指示綠色發(fā)光二極管組成。第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三音頻處理器原理圖射頻緩沖放大器第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三2.大規(guī)模集成塊構成的FM調制器前面介紹利用中小規(guī)模集成塊構成的調頻調制器，其外圍電路復雜，且性價比不太高。近幾年來已研制成大規(guī)模集成塊構成的調頻調制器。現(xiàn)有的大規(guī)模PLL芯片已經可以將壓控振蕩器(VCO)、可編程分頻器、鑒頻鑒相器(FDPD)、低通有源濾波器(LPF)全部集成在一個芯塊內，MC145152為并入數據的大規(guī)模PLL芯片，廣泛地應用FM發(fā)射機的調制器中。第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三外部穩(wěn)定參考源由OSCin輸入，經12位分頻將輸入頻率÷R,然后送入FDPD。R值由RA0、RA1、RA2上的電平決定，只有8個值可選，之所以從分頻器取得fr是因為fr通常很低，不便直接由石英振蕩器產生。該芯片A1亦可有石英振蕩器功能。這時將石英片接于OSCout和OSCin并接入分壓電容即可。MC145152內部結構圖第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.3.3前級功率放大器前置功放單元是由三個功率放大晶體管組成的三級寬帶放大器構成，其圖見下頁。第一級由輸入匹配網絡和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絡、直流電路組成，工作在甲乙類。第三級由VT3(3DA825C)功放管及級間匹配網絡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)射極共用一個電源。第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.3.4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50Ω，電平為10W；輸出為50W，阻抗為50Ω。所提供直流電壓為24V。50W末級功放原理方框圖下面從設計角度進行詳細介紹：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，且選取導通角為φ=70°。第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三2.末級功放管參數的計算近似計算，可以認為集電極最小瞬時電壓為飽和導通壓降：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1.5Ω，轉換到輸入端阻抗為50Ω。根據以上分析，負載阻抗RL＝50Ω也要轉換為末級所需要的阻抗RP＝5.1Ω。4.集電極電源電路和基級偏置電路對于集電極電源電路，要求調制信號經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。第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三集電極“并饋”供電回路對于集電極電源電路，要求調制信號經過放大后不至于使信對于基極偏置電路一般不采用獨立的偏置電路，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)體內阻rbb′上產生的偏置電壓。由于rbb′很小所以偏置電壓很小，接近乙類（φ≈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上產生偏壓，調節(jié)Rb即可改變通角φ，使之滿足φ=70°。第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三晶體管功放的基級偏置電路5.寬帶匹配網絡寬帶放大器和窄帶放大器沒有本質的區(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，即要實現(xiàn)寬帶放大，必須采用寬帶匹配網絡。第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三輸入、輸出匹配電路兩者沒有實質區(qū)別，都是阻抗變換及匹配網絡。輸入電路就是將晶體管的基極輸入阻抗轉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換到晶體管BLW78希望得到的負載電阻。在寬帶匹配網絡中，常采用傳輸線變壓器、多節(jié)LC網絡、微帶等多種形式，前者適用于小功率放大匹配網絡，對于大功率放大器，有磁心發(fā)熱以及體積大等問題，故很少采用。第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10.3.5直流穩(wěn)壓電源50W調頻發(fā)射機直流穩(wěn)壓電源