4-无线信号接收电路超外差接收电路无线收发芯片和模块

高频电子技术第4章无线信号接收电路第4章教学要点•1、无线信号接收电路的功能、组成框图及信噪比、接收灵敏度等主要指标•2、接收电路的分类和超外差接收电路的组成框图•3、了解变频电路、各种中频放大电路的工作原理和主要特性，了解AGC和AFC电路的作用•4、读懂中波调幅收音机、调频收音机高频头和点频超外差接收机•5、无线收发芯片的主要技术指标和分类4.1无线信号接收电路的功能及分类4.1.1无线信号接收电路的功能接收电路应该具有以下四方面的功能：（1）选频作用空中随时都有各种无线电波在传播，其中只有某些特定的信号是我们所需要的。接收电路必须具有从众多的无线电波中选择所需要的无线电波的能力。这种选择特定频率信号的功能称为接收电路的选频作用。（2）抑制干扰信号的作用来自发射电路的无线电波在传输过程中会混入各种干扰，接收电路要具备抑制各种干扰的能力。例如，无线遥控系统中发射电路的无线电波除了直接传播之外，还会经附近大楼等建筑物的反射传播，会形成了干扰，称为多径干扰。除了多径干扰以外，还存在同频干扰、邻频道干扰、带外干扰等等，接收电路应具有抑制各种干扰的能力。4.1.1无线信号接收电路的功能（3）放大作用经传播过程的衰减，发射电路发出的无线电波到达接收电路时常常都比较微弱。用无线电波的功率来表示，被接收无线电波的功率电平可小到－120dBm左右（转换为绝对功率，约10－12mW）。要将这样微弱的信号放大到解调电路所需要的电平，电路的放大能力要达到100dB～200dB左右，这就是接收电路应具有的放大作用。（4）解调作用无线电通信的目的是通过无线电的方式将基带信号从发射方传输给接收方，因此接收电路还必须具有从接收到的无线电信号中还原出基带信号的功能，这就是解调作用。4.1.2无线信号接收电路的主要技术指标接收电路的主要技术性能指标如下:（1）信噪比不同类型的接收机对于输出信号的信噪比有不同的要求。用于信号检测、识别的通信机，接收摩尔斯码的接收机，S/N3dB即可，SSB通信机，要求S/N10dB，雷达的输出信号信噪比如能达到16dB,其检测概率可达到99.99%。对于语言音乐类接收机，要求则较高，移动电话为S/N15dB，电视为S/N40dB，高保真音乐为S/N60dB。接收机输出信号中的有用信号功率电平与噪声信号功率电平的比值，称为接收机信噪比，用符号SNR(Signal-noiseratio)表示，信噪比是衡量接收机输出信号质量的重要指标噪声信号功率电平有用信号功率电平NSSNRNSlg10信噪比分贝用分贝表示4.1.2无线信号接收电路的主要技术指标（2）接收灵敏度例如一台调频收音机在输出信号信噪比15dB情况下的短波接收灵敏度为50μV，表示为保证输出信号信噪比S/N31.6且输出功率不小于音频额定功率的50%，输入端所需的最小信号是50μV。接收机输出信号信噪比达到一定要求且输出功率不小于音频额定功率的50%的情况下，输入端所需的最小信号电平称为接收机的灵敏度。接收数字信号时，接收机灵敏度定义为接收误码率小于某一数值（一般为10-3）时输入端所需的最小信号电平。接收机增益与灵敏度是两个不同的概念，提高增益并不能增加灵敏度。4.1.2无线信号接收电路的主要技术指标举例说明增益与灵敏度的差异。已知一接收机灵敏度为50μV，将接收机的增益增加10倍，其灵敏度是否能够提高到5μV？接收机增益提高10倍后，输入信号等于5μV时，输出信号中有用信号功率电平仍等于S（增益提高前输入信号50μV时的输出信号电平），但这时机内噪声信号在原来基础上被放大10倍。式（4.1）中分母噪声信号功率电平N增为10N，而分子仍为S，因此输出信号信噪比降为S/10N。接收机灵敏度是在一定的信噪比下定义的，为使信噪比恢复到S/N，输入信号必须提高10倍，即提高到50μV，因此收音机的灵敏度仍然是50μV。可见提高增益并不能提高灵敏度，为了提高灵敏度，需要提高输出信号的信噪比。4.1.2无线信号接收电路的主要技术指标（3）选择性定性地说，选择性是接收电路选择有用信号，抑制其他信号和干扰信号的能力。选择性用分贝（dB）表示。以收音机为例，假如所接收电台的频率为650kHz，其选择性用该收音机接收频率650±10kHz的信号的抑制能力来表示。一般要求选择性最低不能小于20dB，即比650kHz高或低10kHz的邻频信号至少被抑制到原值的1/10以下，习惯上将选择性表示为20dB/±10kHz。接收机选择性的分贝值越高，说明其选择性越好。4.1.3无线信号接收电路分类根据电路结构的不同，常用的接收电路可分为直接放大式接收电路、超外差式接收电路、二次变频接收电路和放大器顺序混合型接收电路等四类。这类接收电路的特点是对天线接收到的无线电信号直接进行高频放大后即进行解调，解调前不改变高频信号的频率，当接收天线输入的信号较强时也可以不经放大而直接解调。直接放大式接收电路又可分为以下几种。1、直接放大式接收电路（1）直接检波式接收电路（2）高放式接收电路（3）超再生式接收电路1、直接放大式接收电路（1）直接检波式接收电路输入调谐电路用来选择所要接收的信号，将调谐回路的谐振频率调整到与待接收的信号频率相等，则只有该频率的信号才在输入回路中形成较大的电压，然后进行检波和低放。其特点是没有高频放大环节，是一种最简单的无线电接收电路。这种电路适用于输入信号较强的情况，例如接收本市无线电调幅广播时，就可以采用这种接收方案。直接检波式电路由接收天线、输入调谐电路、检波电路和低放电路组成，如图所示。1、直接放大式接收电路（1）直接检波式接收电路-实例元器件型号、数值如下：C1型号为CBM-223P，这是一只双联可变电容，图4.2仅使用其中的一联，VD1为2AP9，C2=100pF，C3=10μF，C4=0.047μF，C5=10μF，C6=100μF，C7=0.1μF，C8=220μF，C9=0.1μF，R1=470kΩ，R2=10Ω，RP1=470kΩ,喇叭阻抗8Ω。集成功率放大电路LM386组成调幅广播收音机的实际电路图。1、直接放大式接收电路（2）高放式接收电路用于近距离无线遥控时，发射电路离接收电路较近，来自接收天线的信号经调谐回路选择，选出特定频率的已调信号，经高频放大电路放大，达到检波电路所要求的幅度，经检波电路检出基带信号，最后经低频放大后输出。高放式接收电路由天线、调谐电路、高频放大电路、检波电路和低频放大电路组成。与直接检波式电路相比，增加了高频放大电路，因此适用于输入信号相对较弱的场合。1、直接放大式接收电路（2）高放式接收电路-实例电路的特点是低电压、低功耗，可用电池供电。下面介绍集成电路MK484电感L1为绕制在磁棒B上的线圈，C1为可变电容，型号CBM-223P（使用其中的一联），RL为耳机，A1为收音机集成电路MK484。L1和C1组成频率可调的谐振回路，频率调节范围即为中波广播范围。接收到的高频已调信号输入MK484，经高频放大并检波，从3脚输出的即为音频基带信号，经VT1组成的共射极放大电路放大，驱动耳机发声。1、直接放大式接收电路（2）高放式接收电路-实例MK484是采用TO-92封装的收音机集成电路，其内部包括高频放大电路、包络检波电路和自动增益控制（AGC）电路，电路外形和引脚如图所示。1脚接地，待放大的高频信号从2脚输入，放大后的信号从3脚输出。电源电压1.1～1.8V频率范围150～3000kHz输入电阻4MΩ功率增益70dB工作电流0.3mA1、直接放大式接收电路（3）超再生式接收电路何谓超再生接收？为了提高高频放大的放大倍数，一个简单的办法便是引入正反馈，无线电电路中称为“再生”。这种做法的难处是“再生”既不能太强也不能太弱，太弱了，放大效果不好，太强了形成自激振荡又失去放大作用。超再生接收方式的思路是让电路处于间隙振荡的状态，引入较强的正反馈，使电路产生振荡，同时形成一个周期性的“熄灭”信号使电路的振荡增加到一定程度后又被“熄灭”，然后振荡又逐渐加强，接着又被熄灭……，这样的电路就称为超再生电路。处于间隙振荡状态的电路有很高的放大能力，因此，超再生电路与前面讲述的直接方式电路相比有更高的高频信号放大能力。首先讨论电路的振荡是如何形成的。L1、C1、C2和晶体管VT1构成电容三点式振荡电路，图中L是L1、C1回路的等效电感，CT是晶体管的极间电容，电感接在b，c极之间，两个电容的中心点接发射极，可见确是电容三点式振荡电路。如果不接高频扼流圈L2、电阻R3和电容C4，这个电路将产生持续的正弦振荡。（3）超再生式接收电路典型的超再生式接收电路如图所示（3）超再生式接收电路间歇振荡电路的特点是高频振荡的幅度对于从天线接收到的高频信号的幅度十分敏感。无信号输入时，电路的噪声产生间歇振荡，振荡波形如(a)所示；用ASK调制时输入信号如图(b)所示；在这一接收信号影响下，间歇振荡所形成的波形如图(c)所示。输出信号如图(d)所示，可见即为解调后的基带信号。4.1.3无线信号接收电路分类2、超外差式接收电路直接放大式接收电路存在以下几个缺点：（1）灵敏度低高频电路的放大倍数不能调得太高，否则输出信号串入输入端调谐回路引起自激振荡，接收电路就无法正常工作。（2）选择性差如果除了有用信号之外还存在频率与有用信号相近的无线信号，上述电路消除相近频率干扰信号的能力很差。（3）缺少增益自动控制能力（4）不适宜于接收不同频率的电台为了接收中波直至短波范围内各种不同频率电台（包括广播电台）的信号，接收电路对于各种频率的信号应具有较为均匀的放大倍数，上述直接放大式接收电路做不到这一点。针对上述缺点，研发了超外差式接收电路。4.1.3无线信号接收电路分类3、二次变频及放大器顺序混合型接收电路超外差接收电路存在一种被称为镜像干扰的特种干扰，为了消除这种干扰，进一步发展了二次变频接收电路。除此之外，超外差接收电路涉及不少滤波器件，这些器件无法集成，因此超外差式接收电路芯片常需要外接很多元器件。近几年来发展了一种称为顺序混合型接收电路（ASH电路）的新型接收电路，美国单片射频公司生产的RX系列单片接收芯片和TR系列单片收发芯片的一些型号就采用了这种电路。采用这种电路后，无线接收（或收发）芯片的外接元件明显减少。由于二次变频和放大器顺序混合型接收电路一般都用于无线接收芯片，在使用芯片时我们需要了解是芯片的外部功能，并不在意其内部结构，因此将不详细接收这两类电路的具体结构和原理。4.2超外差接收电路4.2.1超外差接收电路框图1、超外差调幅接收电路框图超外差调幅接收电路由天线、输入调谐电路、变频电路（由混频和本振电路组成）、中频放大、检波、前置放大、功率放大电路及自动增益控制电路等组成，其框图如图所示。4.2.1超外差接收电路框图1、超外差调幅接收电路框图超外差调幅接收电路由天线、输入调谐电路、变频电路（由混频和本振电路组成）、中频放大、检波、前置放大、功率放大电路及自动增益控制电路等组成，其框图如图所示。与直接放大式接收电路不同，超外差电路不是直接对高频信号进行放大，而是使其经过变频电路成为中频信号，然后对中频信号进行放大、检波，再进行前置放大和功放。4.2.1超外差接收电路框图2、超外差调频接收电路框图超外差调频接收电路框图如图所示。调频式和调幅式接收电路有以下三方面差异：解调电路不同；调频接收电路中可使用限幅电路消除幅度干扰，调幅接收电路则不能；调幅接收机一般都附加AGC（自动增益控制）电路，调频接收机则附加AFC（自动频率控制电路）。4.2.1超外差接收电路框图超外差接收的优缺点超外差接收机都将接收到的高频信号转换为中频信号，然后进行放大、解调。优点：（1）对一个固定频率进行放大，容易获得较大且稳定的放大倍数，因而能提高接收电路的灵敏度；（2）中频的频率是固定的，采用陶瓷滤波器、声表面波滤波器等性能优良的器件，能显著提高接收电路的选择性；（3）增加自动增益控制（AGC）电路，使电路能用于接收各种不同强度的信号。缺点：电路复杂，且存在一种特有的干扰——