第10章无线电发射与接收

第10章无线电接收与发射设备10.1概述10.2无线电接收机10.2.1无线电接收机的主要技术指标10.2.2CXA1019芯片构成的多波段收音机10.2.3CXA1238芯片构成的多波段收音机10.2.4数字调谐收音机10.3调谐发射机10.3.1调频发射机的性能指标10.3.2FM调制器10.3.3前级功率放大器10.3.4末级功率放大器10.3.5直流稳压电源内容提要无线电接收与发射设备是高频电子线路的综合应用，是现代通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等必不可少的设备。本章介绍了以CXA1019芯片和CXA1238芯片构成的多波段收音机的组成和电路分析。同时介绍了数字调谐收音机的基本原理和线路分析。介绍了调频发射机的主要技术指标，电路组成和线路分析。无线电接收与发射设备是高频电子线路的综合应用，是现代通信系统、广播与电视系统、报警系统、遥控遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等必不可少的核心设备。无线电收发系统按照调制方式可分为调幅（AM）收发系统、调频（FM）收发系统、调相（PM）收发系统以及它们的组合调制系统。实现上述三种基本调制方法可采用模拟调制，亦可采用数字调制方法。本章侧重介绍模拟的调频收发系统。10.1概述以调频广播为例，其接收和发射的典型框图如图所示。调频接收机原理图调频发射机原理图无线电接收机经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路四个阶段。它们的原理框图大同小异。这里我们以调频广播接收机为例进行介绍，其原理框图如图所示。它属于典型的超外差收音机，由接收天线、高频带通滤波器、高频放大器、本地振荡器、混频、陶瓷滤波器、宽带中频放大器、鉴频器（检波器）、音频放大器、AFC电路和扬声器等组成。目前已将高放、本振混频、中放、鉴频、AFC、低放和功放全部集成在一块集10.2无线电接收机成电路内。例如CXA1019大规模集成电路20世纪80年代就进入我国市场，90年代已被推广使用。后来又在CXA1019的基础上做了改进，CXA1191和CXA1619就是它的改进型。因其改进的部分很小，且灵敏度还不如CXA1019高，所以我们还是以CXA1019为例深入介绍。先介绍一下接收机的性能指标。10.2.1无线电接收机的主要技术指标信噪比信噪比是指在一定的输入信号电平下，接收机的输出端的信号电压与噪声电压之比。灵敏度接收机的灵敏度是指在规定的音频输出信杂比下，产生标称输出功率所需要的最小输入信号电平。接收机抗干扰指标①双信号选择性双信号选择性是指接收机在有信号存时，对临近信道干扰信号的抑制能力。它反应了接收机的实际抗干扰性能，故又称为有效选择性。②中频抑制中频抑制是指为产生相同的音频输出电压或功率，接收机中频频率上的输入信号电平与调谐频率上信号电平之比。③镜像抑制单信号镜像抑制是指为产生相同的音频信号输出电压或功率，接收机镜像频率上的输入信号与调频频率上的输入信号之比。④俘获比俘获比是指接收机在接收同频信号时，抑制较弱信号选择较强信号的能力。⑤调幅抑制调幅抑制表示调频接收机对输入信号中调幅成分的抑制能力。整机电压谐波失真整机电压频率特性是指输出端上的负载电压与调制频率的关系。去加重国标标准为50μs。中频频率国标标准要求为10.7MHz。整机电压频率特性整机电压频率特性是指输出端上的负载电压与调制频率的关系。整机电压谐波失真整机电压谐波失真是指用一正弦波调制的信号加到接收机上时，接收机输出端出现的各次谐波分量的均方根值与总输出电压之比。最大有用功率整机电压谐波失真为10％时的输出功率称为最大有用功率。频率范围在保证整机性能技术指标的前提下，接收机能接收的频率范围。根据国际电工委员会（IEC）推荐的广播波段接收频率范围为：长波：150~400kHz中波：535~1605kHz短波：2.3~26.1MHz米波：41~223MHz分米波：470~960MHz10.2.2CXA1019芯片构成的多波段收音机CXA1019的内部电路方框图如图。该电路包括AM/FM收音机从无线输入、高放、混频、本振、中放、检波、直至音频功率放大器的全部功能。CXA1019内设波段转换开关电路，所以，只需简单控制第15脚的高低电平就可以改变调频或调幅两种接收状态。电路内还设有调幅AGC和调频AFC功能。CXA1019P(M)电路使用的电源电压范围也较宽，从2V~8.5V均可得到稳定的点性能。它的功耗很小，在3V工作的情况下，FM波段的静态电流为7mA，AM波段为3.5mA，而输出功率比较大，在6V电源电压下，8Ω负载阻抗，输出功率可达500mW。CXA1238S是日本索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环立体声译码等电路为一体的收音机集成电路。它在电路总体功能上完全替代了原来流行的TA三片机电路，即TA7335P、TA7640P、TA7343P。与索尼公司的另一块单片集成电路CXA20029相比较，功能基本相同，但结构更为简单，由四面引出48脚扁平封装改为30脚双列直插封装。这样在很大程度上方便了整机设计和工艺制造，外围元件也相应地减少了，特别是省了成本较高的76kHz晶体。其图见下页。10.2.3CXA1238芯片构成的多波段收音机CXA1238S的内部电路方框图主要特点：①耗电小：当电源电压为6V时，调幅静态电流为85mA;调频静态电流约为11mA。②电源电压适应范围宽：在2～10V范围内电路均能正常工作。③具有调谐指示LED驱动电路。④具有立体声指示LED驱动电路。⑤具有FM静噪功能。10.2.4数字调谐收音机数字调谐器(DTS)的基本原理PLL频率合成数字调谐系统主要是由压控振荡器(VCO)，相位比较器(PLD)、低通滤波器(LPF)、可编程分频器、标准晶体基本振荡器、参考分频器、中央控制器(CPU)等部分组成，基本方框图如下。PLL频率合成数学调谐方框图压控振荡器(VCO)实际上就是收音机的本振。由于基准参考频率fr较低（例如FM为25kHz,AM为9kHz），并且每个波段有各种不同的信号频率点，所以VCO的输出频率fout必须经过分频比可变的可编程分频器进行分频，其分频模数由微处理器(CPU)根据操作指令控制。可编程分频器输出的信号频率fs送到相位比较器，与晶振分频后得到的参考频率fr进行相位比较:当fs超前fr时，输出高电平；当fs滞后fr时输出低电平。输出的误差信号经LPF积分平滑后，变换成直流控制电压，改变VCO的振荡频率，再通过预置分频和可编程分频器，使fs再一次与fr比较。经过一段时间的频率牵引过程，最后使得fs与fr同频且相位相差很小，此时环路处于锁定状态，相位比较器输出为高阻态，本振频率fout十分稳定。①直接分频方式主要用在振荡频率低，分频比N较小的调幅波段，方框图见图。可编程分频器的分频比为1/N。本振频率f0与基准参考频率fr的关系式为f0=Nfr。（1）编程分频器直接分频方式②吞咽脉冲（PulseSwallow）计数方式调频(FM)波段或者TV接收频段的本振频率高，不宜采用直接分频方式，通常用预置和吞咽计数方式以降低主计数器的工作频率及分频比。图为这种可编程分频计数器的示意图。吞咽脉冲计数方式高频本振信号先由预变换器进行预分频，预变换器有两种分频模数：P和P+1。它受控于吞咽计数器的分频比切换信号(PSG)，当PSG为高电平时，分频比为1/P+1，低电平时为1/P。吞咽计数器的分频模数为M,可编程主计数器的分频模数为N。初始状态时，控制器的数据转换锁存器将分频模数M和N分别预置到吞咽计数器和主计数器，预置分频器置入高分频模数P+1。FM本振信号f0经1/P+1预分频后送至吞咽计数器和主计数器同时计数。当吞咽计数器计数到M次时，输出一个控制信号，使得预置分频器控制端子PSG转为低电平，分频模数随即变为P。此时，吞咽计数器停止计数，而主计数器则继续对f0/P计数。假设一个计数周期为N，那么，当主计数器计完剩下的N-M次数时，便输出一个脉冲信号。同时，数据转换电路把分频模M、N重新置入吞咽计数器和主计数器，并将PSG转为高电平，使预置分频器切换到P+1。从而使计数系统又回到初始状态，开始进行第二个计数周期。从上图可以看出这种吞咽计数方式的可编程分频器的关系式为：吞咽计数方式的可编程分频器rfMNPMPf)()1(0总分频比MPNMNPMPffDr)()1(0（2）相位比较器也叫鉴频器。它的作用相当于一个乘法器。)sin()(rrrmrtUtu)cos()(sssmsUtu)()(sin2)()(sin2)()()(srsrsmrmmsrsrsmrmmsrmdtUUKtUUKtutuKtu)()(sin)()(sin2)()()(srsrdsrsrsmrmmsrmdtKtUUKtutuKtu)sin()(0srmdKtu参考信号反馈信号相位比较器输出实际输出sr当则（1）（1）式为相位比较器的鉴频特性，它具有正弦形式，如图所示。在捕捉带的小范围内（1）式可简化为：ud0≈Kd(φr-φs)当φr-φs较小时，相位比较器等效于相位减法器，具有线性。这时，比较器输出电压的大小表示ur(t)和us(t)两路信号的相位差，输出的正负极性代表ur(t)和us(t)的超前或滞后的关系。相位比较器的鉴频特性（3）实际应用中，通常用有源滤波器来改善比例积分器的滤波特性，使之近似于理想状态。A为直流放大器的放大倍数，时间常数T1=R1C,T2=R2CDTS中，低通滤波器决定锁相环路的频率阶跃相应。对于滤波器的时间常数的选取，应考虑锁相环路的捕获时间对整机信噪比的影响。环路捕获性能越好，锁定时间越短，整机的信噪比相应变差，这二者是相互矛盾的。有源低通滤波器式中，f0为本振频率；UD为变容二极管上反向控制电压；Kd为相位比较起的鉴相灵敏度；N为最高本振频率与参考频率的比值，即；ωn为环路无阻尼时的自然角频率；ε为阻尼系数(一般取0.5左右)。所以，滤波器的时间常数T1和T2应兼顾这两方面的特性来选取，可以根据以下公式来计算21ndvNKKTnT/22，式中，Kv为压控振荡器VCO的灵敏度，可由下式决定minmaxminmax)(2DDvUUffKrffNmax010.3调频发射机发射机按调制方式可分为调幅(AM)、调频(AF)、调相(PM)和脉冲调制四大类，他们又有模拟和数字之分。这里只讨论调频发射机。现以调频广播发射机为例介绍它的组成和工作原理。其原理方框图如图所示。它由调制器、前置功放、末级功放（含保护电路）和直流稳压电源等部分组成。FM发射机原理方框图10.3.1调频发射机的性能指标①发射频率f0和频率范围所谓发射频率f0是指载波频率，频率范围是指可以变动的范围。②发射功率发射功率是指接上负载后实际输出的功率。③输出阻抗对调频广播而言，一般要求输出阻抗为50Ω；对电视差转而言一般要求75Ω。④残波辐射残波辐射是指杂波与输出功率之比。⑤音频输入阻抗和电平音频输入端要求的阻抗和输入电平。⑥信杂比信杂比是指已调波在规定频偏的情况下经理想解调后有用信号功率与载波功率之比。⑦失真度失真度是指已调波在规定频偏的情况下经理想解调后单音频信号的失真度。⑧频率响应频率响应是指已调波在规定频偏的情况下经理想解调后输出音频的幅频响应。⑨效率效率是指输出功率与电源消耗的总功率之比。一般用η表示。10.3.2FM调制器1.中小规模集成块构成的FM调制器由中小规模集成块构成的FM调制器原理方框图如图。它由三分组成，即Ⅰ为频率合成器；Ⅱ为音频处器；Ⅲ为FM波的缓冲放大器。频率合成器的作用是产生一个振荡频率稳定度极高的FM波信号，它是调制器的核心部件。音频处理器的作用是将各种各样的音频信号经过处理后，变成输出阻抗和电平基本一样的信号，再将这些信号加至压控振荡器的变容二极管上。射频缓