1、第 5 章 无线接收技术 第 5 章 无线接收技术 5.1 基本概念基本概念 5.2 超外差式接收机超外差式接收机 5.3 解调解调 5.4 接收通道典型集成电路接收通道典型集成电路习题习题5 第 5 章 无线接收技术 5.1 基本概念基本概念 接收是发射的逆过程。接收设备主要由接收天线、接收机和接收终端三部分组成。接收天线将空间传播的电磁波变换为电信号，接收机对该电信号进行滤波、放大、变换，将其还原为与发射端相一致的基带信号，由接收终端恢复成原消息。接收天线作为接收设备的系统输入端，其作用就是感应空间电磁波并将其转换为相应的电信号。当天线处于空间所传电磁波的电磁场有效范围内时，天线上会感应出
2、电流，并在天线的输出端产生感应电势，可通过馈线将感应电势送入接收机。所以，接收天线可视为接收机的输入信号源。第 5 章 无线接收技术 接收设备的系统输出端是接收终端设备，接收终端把基带信号转换为与发送端消息源相同的消息。例如，通过扬声器把话音电信号转换为声音；通过荧光屏把图像信号转换为图像等。接收机对接收天线送入的感应电势进行选择、放大和变换，最终把载有消息的已调射频信号变换为适合终端设备的原始电信号，供终端设备恢复消息。经过频谱搬移的已调射频信号一般不能直接由终端设备变换为消息，需先经接收机处理，变换为原始电信号后才能为终端所用。此外，接收机还必须滤除在传输过程中叠加进来的噪声和干扰。第 5
3、 章 无线接收技术 5.1.1 接收机的基本工作原理接收机的基本工作原理接收机的基本功能是选择、放大和变换信号。对无线通信系统而言，在接收端除了发射端发射的电磁波外，还存在着各式各样的电磁波，有其它电台发射的信号，有各种电气设备发出的干扰，还有宇宙天体产生的辐射等。接收机所要接收的仅是其中之一的有用信号，而其它不需要的电磁波，会对有用信号形成干扰，称为干扰信号。接收机的首要任务之一就是选择有用信号，抑制干扰信号。由发射机发射的电磁波，经过一定距离的无线信道传播后，其强度将大大衰减，到达接收端时的能量已非常微弱。接收机必须对接收到的微弱信号进行放大，以获得所需要的信号电平。射频已调波不能直接在终
4、端转换为消息，需经过接收机对射频已调波进行变换，恢复原来的低频调制信号，这一过程称为解调(Demodulation)。解调后的信号为与发射端相一致的原始电信号。第 5 章 无线接收技术 接收机最基本的组成如图5-1所示，它由预选器、高频放大器、解调器及低频放大器组成。预选器用于从天线接收到的众多频率的信号中粗选出有用信号，初步滤除和抑制从天线进入的各种干扰和噪声，保证输入到高频放大器的信号是以有用信号为主的。经预选器后输出的有用信号的能量已经非常的微弱了，需要通过高频放大器来放大有用信号，并进一步抑制输入噪声及干扰，以满足解调器对输入信号电平幅度的要求。经高频放大器放大后的已调射频信号送入解调
5、器中还原为基带信号，基带信号再经过低频放大器放大，去推动终端设备，输出所需要的消息。这种将接收到的信号经高频放大器放大后立即进行解调的接收机被称为直检式接收机或高放式接收机。这种接收机的特点是结构简单，但其选择性比较差，尤其是波段工作的接收机，由于选频网络的中心频率在整个波段可变，使得其选择性及高频放大量很难满足实际通信的要求。第 5 章 无线接收技术 图5-1直检式接收机组成框图第 5 章 无线接收技术 直检式接收机存在的最大问题就是接收到的已调射频信号(RF)的载频可变，这给频率选择电路设计和高频放大设计带来了很大的困难。超外差式接收机利用变频器(MixerConvertor)将已调射频信
6、号的载频变换到一个固定的中频(IntermediateFrequency)上后，再在这个固定中频(IF)上对已调信号进行选频放大。我们把变频以后的射频信号放大器称为中频放大器。由于中频放大器的工作中心频率不变，所以可以较好地解决直检式接收机存在的问题，使接收机的选择性和放大量大大提高。这种经变频后在中频选择放大信号，且在固定中频上解调信号的接收机就称为超外差式接收机。在超外差式接收机中，混频器的非线性会带来组合频率干扰，而且由于混频器本身的噪声电平较高，也会使整机噪声系数提高。为此，一般在混频器前加上低噪声高频放大器。低噪声高频放大器又称为低噪声前置放大器（LNA），可利用它的调谐回路抑制由混
7、频器带来的相距有用信号频率较远的特定组合频率干扰,并且通过放大高频信号，来降低整机噪声系数。图5-2为典型的超外差式接收机组成框图。第 5 章 无线接收技术 图5-2超外差式接收机的组成框图第 5 章 无线接收技术 5.1.2 接收机的主要性能指标接收机的主要性能指标 1.工作频率范围工作频率范围接收机的工作频率范围主要取决于其应用场合，多数接收机都是工作在不同波段上的，当工作频率范围较宽时，往往要划分为几个波段。第 5 章 无线接收技术 2.灵敏度灵敏度灵敏度指接收机接收微弱信号的能力，能接受到的信号越弱，接收机的灵敏度越高。在讨论微弱信号时，我们要考虑到噪声的影响，即微弱信号的强弱是指相对
8、于一定的噪声而言的。对于接收机来说，只有在一定的输出信噪比下，才能保证输出正确的信号。例如，通话时为了能听清对方的话音，要求信噪比要达到1020dB以上。灵敏度的定义为：当接收机输出端满足一定的信噪比和输出一定的功率时，接收天线上所需的最小感应电动势称为接收机的灵敏度。的数值越小，灵敏度越高。接收机在不同工作频率上和接收不同信号时的灵敏度不相同。灵敏度与接收机的总增益和机内噪声有关，提高接收机的总增益和降低机内噪声都可以提高接收机的灵敏度。由于提高增益不仅会增加信号的功率，同时也会增加噪声的功率，所以降低机内噪声比提高增益对提高灵敏度来说更行之有效。第 5 章 无线接收技术 3.选择性选择性选
9、择性指从众多频率的信号中选择有用信号、抑制干扰信号的能力。接收机抑制干扰能力越强，选择性越好。选择性是体现抑制干扰能力的性能指标。由于接收机中干扰的情况比较复杂，故选择性的表示方法有多种形式，主要有谐振特性曲线、矩形系数及抗拒比。第 5 章 无线接收技术 谐振特性曲线如图5-3所示，它形象地给出了选择性回路离谐输出电压U与离谐频率偏移f的关系，但它不能给出明确的数据指标，因此谐振特性曲线多用来分析接收机的选择性能，而不用来直接表示设备的性能指标。由图可见，谐振特性曲线越尖锐，选择性越好，对带外干扰的抑制越强。但并不是谐振特性曲线越尖锐越好，因为还应兼顾到有用信号的通频带。理想的情况是谐振特性曲
10、线接近矩形，带内所有信号频率分量都不衰减，而带外衰减到零。第 5 章 无线接收技术 图5-3谐振特性曲线第 5 章 无线接收技术 图5-4矩形系数定义第 5 章 无线接收技术 用矩形系数来表示选择性特性曲线接近矩形的程度，如图5-4所示。矩形系数S定义为：带外衰减到某一程度时的频带宽度与通频带宽度之比，即（5-1-1）式中：S0.01衰减100倍时的矩形系数；2f0.01衰减100倍时的频带宽度；2f0.707通频带。式(5-1-1)和式(5-1-2)分别为衰减10倍的矩形系数和衰减100倍的矩形系数的定义。矩形系数S表示了接收机对邻道干扰抑制的能力。矩形系数S越小越好,且始终有S1。第 5
11、章 无线接收技术 在实际中，接收机给出的电性能指标中，不是直接给出S0.1或S0.01，而是给出f0.1或f0.1应小于多少kHz，f0.707应大于多少kHz。抗拒比表示接收机对某一特定干扰频率的抑制能力。在超外差式接收机中，存在两个特有的严重干扰：干扰频率等于或接近接收机中频的中频干扰;干扰频率和有用信号频率对于本振频率成镜像关系的镜频干扰。对中频干扰的抑制程度称为中频抗拒比di，定义为（5-1-3）式中：K0谐振点f0上的传输系数；Ki对中频fi的传输系数。第 5 章 无线接收技术 对镜频干扰的抑制程度称为镜频抗拒比dm，定义为式中：K0谐振点f0上的传输系数；Km对镜频fm的传输系数。
12、一般要求接收机的中频抗拒比和镜频抗拒比均大于60dB。第 5 章 无线接收技术 4.频率准确度与稳定度频率准确度与稳定度对接收机的频率准确度与稳定度的要求与发射机相同，要求接收机的频率准确度与稳定度越高越好。第 5 章 无线接收技术 5.失真度失真度失真度是一个低频性能指标，指接收机低频放大器输出的基带信号与原始电信号相比失真的程度，失真度越小越好。一般接收机输出存在频率失真、非线性失真及相位失真。频率失真指接收机对信号不同频率的振幅响应不同而引起的失真。在话音通信中，要求在基带信号带宽范围内振幅-频率特性的不均匀性小于10dB。非线性失真指由于非线性元件的作用，使基带信号中产生不应有的谐波分
13、量而造成的失真。对话音信号来说，要求其非线性失真系数小于10%。相位失真是由于基带信号各分量的相位关系发生变化而形成的失真，相位失真对图像、数据信号影响较大。除上述主要性能指标外，接收机还有其它一些性能指标参数，如动态范围、互调干扰、自动增益控制范围等。第 5 章 无线接收技术 5.2 超外差式接收机超外差式接收机 5.2.1 接收机中的放大器接收机中的放大器 在超外差式接收机中，有高频放大器、中频放大器及低频放大器，它们在接收机中的作用、特点、性能以及对它们的要求都不相同。1.高频放大器高频放大器高频放大器又称为低噪声前置放大器,处于预选器之后变频器之前，用于对已调射频信号进行选频放大。高频
14、放大器的作用是：第 5 章 无线接收技术(1)提高接收机的灵敏度。高频放大器一方面提高了整机的总增益，另一方面它降低了整机的噪声系数。在多级电路级联系统中，第一级噪声系数以及第一级功率增益对整个系统的噪声系数影响最大。由于混频器工作于非线性状态，其噪声电平较高,并且增益较小。当没有高频放大器时，混频器作为接收机的第一级，将会使整机噪声系数加大。高频放大器工作在小信号线性状态，本身噪声系数小，同时又具有一定的增益。它工作在混频器之前，可降低混频器噪声对整机的影响，从而提高整机的信噪比。第 5 章 无线接收技术(2)提高接收机的选择性，进一步抑制干扰。高频放大器采用小信号调谐放大器，放大器负载为调
15、谐回路，相当于有源选频网络。预选器一般由多级选频回路组成，在增加对干扰抑制的同时，每增加一级选频回路，有用信号的衰减也将进一步增加。高频放大器作为有源选频网络，在抑制干扰的同时可放大有用信号，保证有用信号不被或少被预选器衰减。由于高频放大器工作频率较高，故通频带较宽。其调谐回路主要用于抑制离谐振频率较远的中频干扰、镜频干扰，而对于离有用信号频率较近的邻道干扰基本没有抑制。第 5 章 无线接收技术(3)抑制变频器中本机振荡对外的反向辐射。当混频器直接与预选器相接时，注入混频器的本机振荡能量易通过输入回路经接收天线向外辐射，对邻近接收机造成干扰。高频放大器的单向性可起到隔离作用，抑制本地振荡的反向
16、辐射。目前的集成电路工艺，已使集成混频器本身的隔离度很高了，即便没有高频放大器，本振的反向辐射也很小。但对于二极管环行混频器而言，电路对称性稍有差别，就会产生各端口间的穿透。第 5 章 无线接收技术 由于高频放大器位于接收机最前端，故对其有较苛刻的要求。首先是低噪声性，作为接收机的第一级放大电路，要求其噪声越小越好。其次是增益要适当，仅从放大信号的角度看，似乎高频放大器的增益越高越好，但综合各方面因素考虑，其增益不宜太高。高频放大器增益增加后，输入到混频器的信号幅度将增加，这会加大混频器的非线性产物，并且由于输入端信号复杂，过大的增益容易引起放大器工作的不稳定，甚至产生强信号阻塞。因此，一般在
17、满足接收机灵敏度的前提下，应尽可能降低高频放大器的增益。作为有源选频网络，我们还希望高频放大器的选择性越高越好，由于其工作频率高，频率选择性不会产生不满足信号通频带要求的情况。此外还要求高频放大器具有高稳定性、大动态范围、高输入阻抗、失真小、高波段平稳度和具有一定的AGC功能等。若接收通道采用混频增益较高的有源混频器，有时则可省去高频放大器这级电路。第 5 章 无线接收技术 通常高频放大器采用高频小信号调谐放大器，它由放大器件和调谐回路两部分组成。为了满足放大要求，高频放大器多采用复合结构的放大电路，如共发-共基级联放大、共源-共栅级联放大等。场效应管因其噪声小、输入阻抗高、组合频率分量少而广
18、泛应用于高频放大器中。采用砷化镓器件有利于提高放大器的稳定性。图5-5为共源-共栅级联高频小信号放大器。第 5 章 无线接收技术 图5-5共源-共栅级联高频小信号放大器第 5 章 无线接收技术 2.中频放大器中频放大器中频放大器的主要作用是：提高整机增益，抑制邻道干扰。接收机射频增益主要依靠中频放大器提供。中频放大器工作频率固定并且较低，所以容易获得较高的稳定增益，且可采用较复杂的回路或带通滤波器。中频放大器对接收机的灵敏度和选择性两项性能指标起很重要作用。对中频放大器的要求是：第 5 章 无线接收技术(1)增益要高。与对高频放大器增益要求不同，对中频放大器的增益要求越高越好。已调射频信号经中
19、频放大后去解调器，被还原为基带信号，射频信号振幅能否满足解调需要主要依靠中频放大器。或者说在接收机中，主要由中频放大器来恢复经信道传输后大大衰减的射频信号能量。第 5 章 无线接收技术(2)选择性要好。中频放大器的选择性主要用于抑制频率很靠近有用信号的邻道干扰，在抑制干扰的同时还必须保证有用信号的不失真传输。中频放大器选择性好坏不能简单地用半功率点通频带来衡量，而应看其谐振特性曲线是否接近理想矩形，选择性特性曲线越接近矩形越好。(3)工作要稳定。为了获得大的增益，中频放大需要采用多级放大器。由于信号幅度大，放大器级数多，容易产生不稳定，因此中频放大器要有高的稳定性。第 5 章 无线接收技术(4
20、)AGC控制范围要大。接收机可能收到的信号的幅度变化范围很大，为了保证输出信号幅度基本平稳，对于主要提供增益的中频放大器来说，一定要具有一定范围的AGC控制功能。总之，中频放大器应该是一个矩形系数接近1、工作稳定的高增益放大器。第 5 章 无线接收技术 中频放大器同样为高频小信号调谐放大器，由放大器件和带通滤波器（或调谐回路）两部分组成。从电路形式上看中频放大器与高频放大器没什么两样，区别仅在于两者的工作频率不同。一般在中频放大器后的选频网络为较复杂的具有固定中心频率的带通滤波器，而高频放大器一般为可调谐的LC回路。图5-6为以MC1590为放大器件的中频放大器，其中L1，C2为输入调谐回路；
21、L3，C6为输出调谐回路。3脚、6脚通过电容接地，使放大器构成单端输入、单端输出电路。AGC电压从2脚输入，以调节放大器的增益，MC1590的AGC范围可达60dB以上。L2，C5，C7组成电源去耦滤波电路。第 5 章 无线接收技术 图5-6用MC1590构成的中频放大器第 5 章 无线接收技术 3.低频放大器低频放大器接收机最终经低频放大器输出基带信号。与高频放大器、中频放大器不同，低频放大器放大的是解调后的基带信号，其工作频率比较低，采用A类或B类推挽工作状态。对低频放大器的要求是能高保真地放大基带信号。图5-7为LM386音频功率放大器。第 5 章 无线接收技术 图5-7LM386音频功
22、率放大器第 5 章 无线接收技术 由于其电源电压范围宽、增益高、失真小、外接元件少等特点，而被广泛应用于各种音频放大中。其电源电压范围为518V可调。1脚、8脚用于增益控制，可通过调整1脚和8脚的串联电阻、电容改变增益。当1脚、8脚开路时，增益最小为20。其最大增益可达200。第 5 章 无线接收技术 5.2.2 混频器混频器混频是一种典型的线性频率变换过程，其基本作用是在参考信号的参与下，把输入信号的频率变换为另一个新的频率。这个参考信号又称为本机振荡信号，简称为本振信号，为一振幅较大的单一频率等幅波。混频器在通信电路中非常重要，它解决了信号频率与电路正常工作频率可能存在的不一致的问题。例如
23、，滤波性能优良的机械滤波器的中心工作频率最高在500kHz左右，根本无法满足短波以上无线电信号频率的要求。利用混频器把信号频率搬移到机械滤波器的工作频率上，就可以利用机械滤波器的优良滤波性能，来提高短波以上无线通信的抗邻道干扰能力。不仅在接收机中如此，在发射机中混频器具有同样的作用。利用混频器可改变振荡源的输出信号频率，在频率合成器中完成频率的加减运算。第 5 章 无线接收技术 混频器由非线性器件和带通滤波器组成，其组成框图如图5-8所示。输入为高频信号uS(t)和本振信号uL(t)，输出为中频信号uI(t)。为了获得高质量的本振信号，参考信号一般由单独的本机振荡器产生，比如晶体振荡器或频率合
24、成器。本振信号也可以由作为频率变换的非线性器件本身产生，一般把由非线性器件构成的既产生本振信号又实现频率变换的电路称为变频器。本书仅把输入高频信号uS(t)与输出中频信号uI(t)之间的频率变换称为变频，而把高频信号uS(t)和本振信号uL(t)共同作用产生的中频信号称为混频。第 5 章 无线接收技术 图5-8混频器组成框图第 5 章 无线接收技术 设输入信号uS(t)为uS(t)=Um(t)cosSt+(t)Um(t)、(t)分别表示包含在射频已调信号振幅和相位中的基带信号。当uS(t)和本振信号uL(t)=ULmcosLt同时加到非线性器件上时，非线性器件输出为第 5 章 无线接收技术（5
25、-2-2）第 5 章 无线接收技术 式中，L-S和L+S两个频率分量就是所需的中频，其中，L-S称为低中频，L+S称为高中频。可根据需要选择其中的一个作为中频。若选低中频L-S为中频频率，即I=L-S，则用带通滤波器选出L-S分量，并滤除其它频率分量。uI(t)=a2KULmUm(t)cos(L-S)t-(t)=a2KULmUm(t)cosIt-(t)（5-2-3）式中，K为带通滤波器的传输系数。第 5 章 无线接收技术 比较式（5-2-3）和式（5-2-1）可见，变频后射频已调信号的载频从高频变换为中频，而信号的振幅变化规律、相位变化规律都没有发生改变，即高频信号频谱被线性地从高频搬移到了中
26、频。理想的混频器可视为由模拟乘法器与带通滤波器组成，其组成框图如图5-9所示。其工作原理为：高频信号与本振信号相乘后得到它们的和频与差频，然后用带通滤波器选出所需要的中频。可实现混频器的电路很多，二极管、三极管、场效应管、差分对等都可构成混频器。虽然它们实现的方法各不相同，但基本原理都是利用器件的非线性特性来变换频率，由带通滤波器选出所需中频。第 5 章 无线接收技术 图5-9理想混频器的组成框图第 5 章 无线接收技术 1.三极管混频器三极管混频器 三极管混频器的最大优点是具有较大的变频增益，但会产生较严重的组合频率干扰。图5-10为三极管混频器，高频信号经L1、C1输入回路送入三极管的基极
27、，本振信号经变压器注入到发射极。混频后由集电极调谐回路选出所需的中频信号。这种输入信号由基极输入，本振信号由发射极注入的混频电路，可减小输入回路与本振回路之间的相互影响，防止互相干扰产生牵引现象。同时，该电路对本振信号来说是共基极电路，其输入阻抗较小，不易过激励，失真较小。这是一种常用的三极管混频电路，但它需要本振注入较大的功率。第 5 章 无线接收技术 图5-10三极管混频器第 5 章 无线接收技术 图5-11为收音机中常见的变频器电路，此处三极管既作为振荡管又作为混频管，一管两用，降低了成本。电路中有三个不同频率的信号：uS(t)、uL(t)和uI(t)，相应地有三个谐振回路。其中：C1、
28、C2和L1谐振于高频信号频率S；C4、C5、C6和L2组成本机振荡回路，谐振于本振频率L；C8和L3组成中频回路，谐振于固定中频I。输入信号由基极输入，本振信号由混频器自激振荡产生，通过变压器Tr2使集电极与发射极之间满足正反馈条件并维持振荡。C2、C5为同轴转动的双连可变电容器，保证在改变输入回路谐振频率的同时，也改变本振频率，以使中频始终为I=L-S，即实现本振对输入信号的跟踪。第 5 章 无线接收技术 图5-11三极管变频器第 5 章 无线接收技术 由式（5-2-2）可知，在混频器产生的各项中，只有2a2uLuS一项是混频真正需要的，故希望非线性器件的平方系数尽可能大，而其它各项系数越小
29、越好。场效应管因为其特性近似于平方律，因此用其构成混频器在减小组合频率干扰方面具有独特的优点。此外，它还具有动态范围大、噪声系数小、变频增益高等特点。场效应管混频器电路与三极管混频器电路工作原理基本相同。第 5 章 无线接收技术 2.二极管混频器二极管混频器二极管混频器具有组合频率少、噪声低、工作频率高、动态范围大、体积小、结构简单的优点，被广泛应用于通信电路中。二极管混频电路如图5-12所示，二极管可工作在连续的非线性状态，也可工作在开关状态。由于在理想开关状态下，非线性产物要少得多，所以二极管混频器通常工作在开关状态，由本振信号控制二极管的开关。二极管的开关特性可用频率为L的周期矩形脉冲序
30、列K(Lt)表示，将开关函数K(Lt)用傅里叶级数展开为(5-2-4)第 5 章 无线接收技术 图5-12二极管混频器(a)单管混频器；(b)平衡混频器；(c)环形混频器第 5 章 无线接收技术 若二极管导通时内阻为rd，电导gd=1/rd，则对于图5-12(a)所示的单管二极管混频器，通过二极管的电流为（5-2-5）第 5 章 无线接收技术 将上式各余弦乘积项积化和差，不难看出输出电流的各频率分量有：我们所需的差频L-S及和频L+S；高频信号频率S；本振频率L及其偶次谐波2L，4L，6L，；本振奇次谐波与S基波组合频率分量3LS,5LS,，7LS,，；本振奇次谐波与I基波组合频率分量3LI，
31、5LI，7LI，。与式（5-2-2）表示的一般非线性输出情况相比，二极管混频器的输出电流的非线性产物要少得多，这样就大大减少了可能的组合频率干扰。第 5 章 无线接收技术 图5-12(b)为二极管平衡混频器，与单管混频器相比，由于它的两个二极管电流反向，因此其输出少了本振频率L及其各次谐波，即输出频率分量更少了。二极管环形混频器如图5-12(c)所示。在uL正半周时，二极管VD2、3导通，1、4截止，列出回路方程：uL=i2rd+uS+(i2-i3)RLuL=(i3-i2)RL-uS+i3rd（5-2-6）消去uL，并考虑开关函数K(Lt)，得到此时的输出电流i：（5-2-7）第 5 章 无线
32、接收技术 在uL负半周时，二极管V1、V4导通，2、V3截止，同理可得此时的输出电流i：（5-2-8）则总的输出电流i为（5-2-9）第 5 章 无线接收技术 式中K(Lt)为双向开关函数：（5-2-10）输出电流i为（5-2-11）第 5 章 无线接收技术 即输出仅有本振奇次谐波与S基波组成的组合频率分量LS，3LS，5LS，7LS，其中，LS为所需要的中频。二极管环形混频器已形成完整的系列产品，它们由四只集成在一起的环形的二极管和两个传输线变压器共同组成，并封装在屏蔽盒内。二极管环形混频器的主要缺点是没有变频增益，且本振信号振幅要大。第 5 章 无线接收技术 3.集成混频器集成混频器由集成
33、模拟乘法器构成的有源混频器称为集成混频器，它具有变频增益高、对本振激励电平要求低、混频组合频率干扰少、输入线性动态范围宽、工作频带宽等优点，在现代通信中被广泛应用。图5-13为采用MC1596组成的混频器。高频信号uS(t)=USmcosSt由1、4脚输入，本振uL(t)=ULmcosLt加在7、8脚上，且满足UlmUSm。其输出频率分量与环形混频器相同，为nLS，n为奇自然数。输出由带通滤波器选出中频频率I=LS分量。第 5 章 无线接收技术 图5-13用MC1596组成的混频器第 5 章 无线接收技术 5.2.3 选频滤波器选频滤波器选频滤波网络在接收机中起着重要的作用，利用其选频特性，可
34、从含有各种干扰及噪声的环境中，选择出所需要的有用信号。在超外差式接收机中，几乎每一级都需要进行选频滤波，各级放大器的输入、输出一般都接有选频滤波网络，用于进行各式各样的选频放大。第 5 章 无线接收技术 理想选频滤波网络的频率特性如图5-14(a)所示，其幅频特性为以中心频率0为中心的理想矩形，相频特性为一过中心频率0点、斜率为负的直线。图5-14(b)为实际LC谐振单回路频率特性。理想选频网络的通频带BW为矩形宽度，实际选频网络的通频带BW定义为半功率点内的频带宽度，即BW=2f0.707。用矩形系数来表征实际幅频特性偏离理想矩形的程度，矩形系数越大，偏离矩形越远。理想幅频特性的矩形系数为1
35、。我们可以设计出非常接近理想的实际选频滤波器，但其代价不菲。一般根据需求和代价来选择所采用的滤波器。第 5 章 无线接收技术 无线通信中的选频网络一般分两类：一类是可调谐选频电路，如LC串联调谐回路、LC并联调谐回路、LC双调谐回路等；另一类是集中选择性滤波器，如LC集中选择性滤波器、机械滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器等。依据各自所能完成功能的不同，它们在接收机中的作用各不相同。可调谐选频电路主要应用于预选、高频放大的选频放大中；集中选择性滤波器主要应用于固定中频放大及预选分波段带通滤波中。第 5 章 无线接收技术 图5-14选频特性曲线(a)理想特性曲线；(b)LC回路特性曲
36、线第 5 章 无线接收技术 1.LC调谐回路调谐回路由于LC调谐回路调谐方便、便于匹配、结构简单，因此在通信设备中被广泛应用。LC回路可构成串联谐振回路和并联谐振回路，无论是串联还是并联，它们的选择性频率特性曲线都可表示为（5-2-12）第 5 章 无线接收技术 式中：H()LC回路传输函数的模，H0为=0点上的传输系数；()LC回路传输函数的相角；LC回路的一般失谐；QLC回路的品质因数。LC串联谐振回路的Q值为（5-2-13）式中：RSLC串联回路的等效串联电阻；0=LC回路的串联谐振角频率；=LC回路的特性阻抗。第 5 章 无线接收技术 LC并联谐振回路的Q值为（5-2-14）式中：Rp
37、LC并联回路的等效并联电阻；LC回路的并联谐振角频率；LC回路的特性阻抗。第 5 章 无线接收技术 LC谐振回路的频率特性曲线如图5-14(b)所示。由式（5-2-12）可求得LC谐振回路的通频带BW为（5-2-12）由上式可见，LC谐振回路的通频带与工作频率成正比，工作频率越高通频带越宽。第 5 章 无线接收技术 我国中波广播电台的频率范围为5351605kHz，若在此频率范围内回路的Q值不变为100，按上式计算，在频率低端535kHz处，回路通频带为5.35kHz；在频率高端1605kHz处，回路通频带为16.05kHz。这两者相差甚远，并且低端因通频带过窄可能造成信号失真，高端因通频带过
38、宽而不能有效抑制邻台干扰，可能产生串台现象。因此，单一LC调谐回路很难满足接收机的性能指标要求，一般需要多个、多级选频回路才能满足接收机的性能指标的要求。第 5 章 无线接收技术 2.LC集中选择性滤波器集中选择性滤波器由多个LC回路可组成集中选择性滤波器，其滤波性能远优于LC调谐回路。图5-15为由六个LC回路组成的LC集中选择性滤波器，若其通频带为BW=f2-f1，则通频带的中心频率为 LC集中选择性滤波器不利于集成，其稳定性及损耗也不如其它的集中选择性滤波器，目前已逐步被其它的集中选择性滤波器所代替。第 5 章 无线接收技术 图5-15LC集中选择性滤波器第 5 章 无线接收技术 3.机
39、械滤波器机械滤波器机械滤波器将中频电流转换成同频率的机械振动，机械振动通过一个类似阶梯状的结构，并由起弹簧作用的导线相互耦合的一些机械谐振板传递到输出端，输出端再将机械运动转换为中频电流。其工作原理是，先将电振荡变为机械振动（机械波），再经过一系列机械谐振子选择所需要的机械波通过，不需要的机械波因不能引起机械谐振子的振动而被衰减掉，然后再将留下的机械波（机械振动）转化为电振荡。机械滤波器中的关键元件是机械谐振子，可利用它的机械振动特性来选择信号。第 5 章 无线接收技术 图5-16机械滤波器(a)结构图；(b)电性能等效电路第 5 章 无线接收技术 在图5-16(a)中机电转换器由永久磁铁、线
40、圈和磁滞伸缩棒（端谐振子）三部分组成。当图中左端线圈中通过中频电流时，磁滞伸缩棒便随交变磁场的大小伸缩振动，从而将电振荡转换成机械振动。图中永久磁铁给磁滞伸缩棒提供了一个磁偏，以避免电机转换失真。图中右端磁滞伸缩棒随与其相接的圆柱体耦合子传递来的机械振动而振动，使输出线圈中的磁场因振动而随之改变，感应出与之相应的交变电流，从而得到滤波后的中频信号。机械滤波器的特点是：滤波性能优良，中心频率不高，通频带较窄，体积大。第 5 章 无线接收技术 4.石英晶体滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器是目前已有的多种中频滤波器中应用最广泛的一种。晶体滤波器可由128个单独的石英晶体组成，将它们适当安排在一起，
41、在电路中可起到电感、电容和电阻的作用，以达到一定的通带特性。单个晶体可等效为高Q值的串联谐振电路，已做到的晶体Q值可达50000以上，高Q值使其频响特性曲线极为尖锐。利用晶体的这一特性，将几个频差相差甚小的晶体进行不同组合，并辅以电容和电感作为并、串联元件，就可以得到边缘陡峭的、带宽满足要求的滤波器。在晶体滤波器中，可通过调整所接电容和电感，完善滤波器的性能。图5-17所示为桥式结构晶体滤波器和T型网络结构晶体滤波器。第 5 章 无线接收技术 图5-17晶体滤波器(a)桥式；(b)T型第 5 章 无线接收技术 5.陶瓷滤波器陶瓷滤波器压电陶瓷是人造的压电材料，它有与石英晶体完全相似的压电特性。
42、陶瓷滤波器工作频率范围比晶体滤波器要宽许多，低可到455kHz中频，而高频可工作在射频段，并且陶瓷滤波器对输入/输出阻抗要求不高，可非常方便地接入放大器中。陶瓷滤波器制造工艺简单，价格便宜,体积小，在现代通信中得到了广泛应用。但陶瓷滤波器温度稳定性差，插入损耗较大。第 5 章 无线接收技术 6.声表面波声表面波(SAW)滤波器滤波器声表面波滤波器是利用声波在压电材料的表面传播特性，实现滤波功能的。它具有良好的频率响应特性，工作频率高，体积小，易于集成化，越来越被广泛应用。图5-18(a)为声表面波滤波器的结构示意图，它主要由基片、叉指换能器、吸收材料等组成。当输入信号送入输入叉指换能器后，由于
43、压电效应作用，基片材料将产生弹性变形，形成随信号变化的声波。此声波存在于基片表面以下约10m处，沿垂直于电极轴的方向向两边传播，传向边缘一边的声波被吸收材料所吸收，声波仅以一个方向沿基片表面向输出端传播。第 5 章 无线接收技术 图5-18声表面波滤波器(a)结构；(b)均匀叉指换能器频响特性；(c)符号；(d)等效电路第 5 章 无线接收技术 5.2.4 接收机中的噪声与干扰接收机中的噪声与干扰在接收机中的信号，除了包含有用信号以外，还包含着各种干扰与噪声，干扰与噪声是除有用信号以外的一切不需要的信号和电磁骚动的总称。这些干扰与噪声对接收机正常接收信号，特别是微弱信号，将产生不利的影响。通信
44、系统中的许多性能指标都与干扰、噪声有关，如何抑制、消弱干扰与噪声,一直以来都是通信设计中的一大重要课题。干扰与噪声属于两个同义术语，它们之间没有本质的区别，很难进行区分。一般，干扰具有一定的作用时间，而噪声则是始终存在的。干扰多侧重具体情况，而噪声是总体上的概念。干扰与噪声的影响表现为使信号畸变，从而产生接收错误。信号在信道传输、接收处理的过程中其本身也会因形变而产生失真。噪声、干扰以及失真在接收过程中始终存在。第 5 章 无线接收技术 按干扰与噪声的来源来分，可分为内部和外部两大类。外部干扰与噪声主要有：无线电台干扰、天电干扰、工业干扰、宇宙噪声、大气噪声等。内部干扰与噪声主要有：元器件噪声
45、、非线性干扰等。就接收机来说，对外部干扰主要采用躲避、抑制的方法加以克服。比如，选择干扰与噪声较小的信道；提高接收机选择性；在接收机前端加天电干扰保护电路，抑制可能的强天电干扰脉冲等。对人为的干扰要加强管理和整治，降低电磁环境污染。有辐射的电气设备都应加以屏蔽。无线电信号要进行统一管理。第 5 章 无线接收技术 1.内部噪声内部噪声内部噪声是设备内固有的，在接收机中主要由电阻、有源器件、谐振电路等产生。电阻内部带电微粒在一定温度下，总是处于无规则的热运动状态，产生起伏的电流脉冲。大量的带电微粒所产生的许多个起伏电流脉冲相叠加，就形成了电阻热噪声电流，同时在电阻两端形成噪声电压，并具有一定的噪声
46、功率。噪声脉冲电流的瞬时极性、大小及出现时间都是随机的，是时间的随机函数。电阻热噪声具有极宽的频谱范围，在0Hz到1013Hz的频率范围内均匀分布，因这种频谱与白色光光谱相似，故又称为白噪声。第 5 章 无线接收技术 晶体管噪声主要有热噪声、散弹噪声、闪烁噪声(1/f噪声)及分配噪声等。晶体管噪声的产生机理与电阻热噪声相同，它存在于晶体管各电极引线和体电阻之中。散弹噪声是晶体管中的主要噪声，是由其内部载流子随机通过PN结数目的不同而引起的，它使得发射极电流作不规则起伏变化，其基本性质与热噪声相类似。闪烁噪声(1/f噪声)是一般器件中都存在的一种噪声，是由两种材料之间的不完全接触所形成的起伏电导
47、率而产生的。对晶体管而言，它和半导体材料、表面处理、晶体与电极接触等因素有关。其特点是在低频段按1/f规律变化，主要分布在频率的低端。分配噪声是由少数载流子在基区复合时的随机性造成的，它引起集电极电流上下起伏变化。第 5 章 无线接收技术 场效应管的噪声主要有四部分：沟道热噪声、栅极散弹噪声、漏-源等效电阻噪声以及闪烁噪声(1/f噪声)等。场效应管的噪声主要以电阻热噪声为主，一般场效应管的噪声比晶体管噪声低。噪声的随机起伏变化使其不可能用一确定时间函数来表示，但由于它的能量是始终存在的，故可用功率谱密度函数来表示噪声的强弱与变化规律。在通信设备中用噪声系数来评价各级网络性能的优劣。噪声系数定义
48、为网络的输入信噪比与输出信噪比之比，即（5-2-16）第 5 章 无线接收技术 式中：Psi、Pni输入信号功率和输入噪声功率；Pso、Pno输出信号功率和输出噪声功率。若网络的功率增益为Gp=Pso/Psi，网络本身内部产生的噪声功率为Pn，则（5-2-17）由上式可见，n级网络级联时的总噪声系数主要取决于第一、第二级网络的噪声系数及功率增益。由此还可得到n级网络级联时的总噪声系数为（5-2-18）第 5 章 无线接收技术 为了统一标准，方便测量与计算，实际中噪声系数的计算与测量是在额定功率下进行的，即式（5-2-18）中的增益为额定功率增益。由对噪声的分析可知，降低接收机噪声的主要措施有：
49、选用低噪声元器件；增加前级放大器增益；减小接收天线馈线长度；选择合适的信号源内阻及输入匹配电路等。第 5 章 无线接收技术 2.超外差接收机的特有干扰超外差接收机的特有干扰如果干扰的频率与信号频率相近，即fJfS时，干扰将与有用信号一起顺利通过接收机的各级电路，到达接收机输出端，我们称这种干扰为同频干扰，或者说落入信号带宽内的干扰为同频干扰。当利用频率选择性无法滤除或抑制同频干扰时，可通过改变通信频率避开干扰，或利用扩频通信的处理增益从干扰中提取信号。把干扰频率接近信号频率而又未进入信号带宽内的干扰称为邻道干扰。提高接收机的选择性是克服邻道干扰的有效途径。同频干扰、邻道干扰是任何接收机都会遇到
50、的干扰。由于采用了变频方案，以及接收机前端电路的非线性，使得超外差式接收机还存在一些特殊的干扰。第 5 章 无线接收技术(1)中频干扰。中频干扰指频率等于中频频率的干扰。若接收机前端电路选择性不够好，致使中频干扰到达变频器输入端，由于变频器输出回路谐振于中频，因此干扰会由变频器输出，无障碍地经过中频电路到达接收机输出端，形成中频干扰。中频干扰是超外差式接收机中最严重的特有干扰之一。第 5 章 无线接收技术 图5-19镜频干扰的频率关系第 5 章 无线接收技术(2)镜频干扰。当干扰频率与信号频率相对于本振频率镜像对称，且两频率间相差2倍的中频时，产生的干扰称为镜频干扰，如图5-19所示。若镜频干
