无线电接收与发射设备.ppt

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 10.2.2 CXA1019芯片构成的多波段收音机 10.2.3 CXA1238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 10.3.2 FM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 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。 ,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。 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。 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。 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50s。,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：150400kHz 中波：5351605kHz 短波：2.326.1MHz 米波：41223MHz 分米波：470960MHz,10.2.2 CXA1019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，8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。,10.2.3 CXA1238芯片构成的多波段收音机,CXA1238S的内部电路方框图,主要特点： 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。 电源电压适应范围宽： 在210V范围内电路均能正常工作。 具有调谐指示LED驱动电路。 具有立体声指示LED驱动电路。 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。,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,吞咽脉冲（Pulse Swallow）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,总分频比,（2） 相位比较器 相位比较器也叫鉴频器。 它的作用相当于一个乘法器。,参考信号,反馈信号,相位比较器输出,实际输出,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：ud0Kd(r-s),当r-s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） 低通滤波器 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=R2C,DTS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 ；n为环路无阻尼时的自然 角频率；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,，,式中，Kv为压控振荡器VCO的灵敏度，可由下式决定,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,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。 发射功率 发射功率是指接上负载后实际输出的功率。 输出阻抗 对调频广播而言，一般要求输出阻抗为50；对电视差转而言一般要求75。 残波辐射 残波辐射是指杂波与输出功率之比。 音频输入阻抗和电平 音频输入端要求的阻抗和输入电平。 ,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。 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。 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。 效率 效率是指输出功率与电源消耗的总功率之比。 一般用表示。,10.3.2 FM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，即为频 率合成器；为音频处器； 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。 射频缓冲放大器起缓冲、放大、匹配和滤波的作用。,中小规模集成块构成的FM调制器原理方框图,（1）线路分析,频率合成器（部分）,它产生一个频率稳定度与参考晶体振荡器相同的高频振荡。,音频信号处理器（部分）,音频信号处理器如图所示。 IC1和其外围电路组成平衡转换为不平衡及放大电路。 RP1是调节共模抑制比用的，抑制像交流声之类的共模信号，从而提高共模抑制KCMR 。 单声道平衡输入信号经过共模抑制电阻网络送到运放IC1进行放大并转成单端信号，再经RP4 调节至适当电平输出，使之在1kHz 0dBm输入时频偏为75kHz，然后再把这个电平送给由C10 (1000pF) 和电阻R12 (51k)组成的50预加重网络，使音频高端信号得到提升。目的是减少发射与接收时高音频端的调频噪声的影响。,单声道不平衡输入信号经RP2(10k)调节到适当电平输出，使之能在1kHz300mV输入时，频偏为75kHz ，再将这个信号送到预加重网络。,立体声复合信号（经过立体声编码后的信号）RP3(1k) 调节到适当电平输出，使之能在1kHz 300mV输出时，频偏为75kHz ，将这个适当电平直接送到后面调制振荡器的变容二极管上。,射频缓冲放大器（部分）,射频缓冲放大电路的原理图如图所示。 它由三级缓冲放大和一级输出放大器组成。,来自压控振荡器的FM信号，经过三级缓冲放大(由VT1、VT2 和VT3组成，主要起缓冲隔离和电流放大作用)以减轻振荡级的负载，提高频率稳定度。输出放大器由VT4，VT5和VT6组成。锁相指示电路由运放IC1、VT7、VT8和锁相指示绿色发光二极管组成。,音频处理器原理图,射频缓冲放大器,2.大规模集成块构成的FM调制器,前面介绍利用中小规模集成块构成的调频调制器，其外 围电路复杂，且性价比不太高。 近几年来已研制成大规模集 成块构成的调频调制器。 现有的大规模PLL芯片已经可以将 压控振荡器(VCO)、可编程分频器、鉴频鉴相器(FDPD)、低 通有源滤波器(LPF)全部集成在一个芯块内，MC145152为并 入数据的大规模PLL芯片，广泛地应用FM发射机的调制器 中。,外部稳定参考源由OSCin输入，经12位分频将输入频率R,然后送入FDPD。R值由RA0、RA1、RA2上的电平决定，只有8个值可选，之所以从分频器取得fr是因为fr通常很低，不便直接由石英振荡器产生。该芯片A1亦可有石英振荡器功能。 这时将石英片接于OSCout和OSCin并接入分压电容即可。,MC145152内部结构图,10.3.3 前级功率放大器,前置功放单元是由三个功率放大晶体管组成的三级宽带放大器构成，其图见下页。 第一级由输入匹配网络和VT1(FA531)及其直流偏置电路组成。 第二级由VT2(3DA92C)功放管及前后级间匹配网络、直流电路组成，工作在甲乙类。 第三级由VT3(3DA825C)功放管及级间匹配网络及直流偏置电路组成。工作在乙类。 前置盒三级功放中的基级直流偏置电路形式一样，均为并联馈电方式。为使晶体管工作在甲类或甲乙类状态，采用分压式供电与发射极共用一个电源。,10.3.4 末级功率放大器,现以50W功放为例，说明末级功放的工作原理。原理 框见图所示。其输入阻抗为50，电平为10W；输出为 50W，阻抗为50。所提供直流电压为24V。,50W末级功放原理方框图,下面从设计角度进行详细介绍：,1.工作状态的选取,为了提高效率，末级功放一般采用丙类放大，且选取导 通角为=70。,2.末级功放管参数的计算,近似计算，可以认为集电极最小瞬时电压为饱和导通压 降：Uces=0.7V,于是Uc1m=Vcc-Uces=24-0.7=23.3V。,3.功放管的选取,末级选取BLW78，基级输入阻抗约为1.5，转换到输 入端阻抗为50。根据以上分析，负载阻抗RL50也要 转换为末级所需要的阻抗RP5.1。,4.集电极电源电路和基级偏置电路,对于集电极电源电路，要求调制信号经过放大后不至于使 信杂比恶化，所以对电源的波纹要有一定的要求。在供电电 路中要考虑把直流回路与基波回路分开，常采用并馈方式， 如图，图中L、C用来抑制射频和去耦，使Ic0只通过晶体管。,集电极“并馈”供电回路,对于集电极电源电路，要求调制信号经过放大后不至于 使信对于基极偏置电路一般不采用独立的偏置电路，而采用 自给偏置电路。最常用的有两种。图（a）是利用基极电流 的直流分量在基区体内阻rbb上产生的偏置电压。 由于rbb 很小所以偏置电压很小，接近乙类（90）工作状态。 所以常采用图（b）方法，利用基极电流的直流分量在Rb上 产生偏压，调节Rb即可改变通角，使之满足=70。,晶体管功放的基级偏置电路,5.宽带匹配网络,宽带放大器和窄带放大器没有本质的区别，就晶体管工 作状态以及集电极电路、偏置电路等而言，两者是完全一 致的，区别仅在于输入、输出电路及级间匹配电路，即要 实现宽带放大，必须采用宽带匹配网络。,输入、输出匹配电路两者没有实质区别，都是阻抗变换 及匹配网络。 输入电路就是将晶体管的基极输入阻抗转换 到放大器的输入阻抗。 输出电路就是将放大器的输出阻抗 转换到晶体管BLW78希望得到的负载电阻。,在宽带匹配网络中，常采用传输线变压器、多节LC网 络、微带等多种形式，前者适用于小功率放大匹配网络，对 于大功率放大器，有磁心发热以及体积大等问题，故很少采 用。,10.3.5 直流稳压电源,50W调频发射机直流稳压电源如图。B为电流变压器，IC(AN7824)是基准电源，其值为24V，VT(3DD8B)为调整管。其输出电压23.3V左右。VD1为