第9章无线通信与收音机(4稿)

1、第9章无线通信与收音机无线通信技术在当今的信息时代起着极其重要的作用。无线通信是以电磁波的形式远距离传送信息的技术，调制、解调与变频是解决无线通信的三个关键的问题。无线通信中，除采用前面所讲述的各种放大电路外，还要涉及到信号的转换，即频率变换电路。本章在介绍了无线通信基本原理和过程之后，以收音机为例，分析无线通信中接收机的电路结构和组成原理。9.1 无线通信概述无线通信包括大面积的广播和点对点的通信，无线电广播是无线通信中最常见的应用之一。下面以无线电广播与接收为例，介绍其工作过程。无线电广播系统通常包括发送系统、传输系统和接收系统三个组成部分，如图9-1所示。其中，发送系统主要由信息源和发送

2、设备组成；传输系统主要指传输媒介或传输信道，这里指无线电波的某一频段；接收系统包括接收设备和受信器。发送系统信息源发送设备受信器接收设备接收系统电磁波传输系统图9-1 无线电广播系统组成框图9.1.1无线广播的发送无线电广播传送的信息是频率处于2020000Hz之间的声音信号。为了能以电信号的形式发送这些信息，发送端必须首先经过声电转换（如话筒）将声波转换成电信号，即音频信号。但是，音频信号的频率太低，它不能直接通过发射天线以电磁波的形式有效地辐射出去。电磁波的理论和实践表明，只有波长与发射天线几何尺寸可以比拟的电磁波，才能通过发射天线有效地辐射出去。而音频电磁波信号的波长在1.5×

3、1041.5×107m之间，显然，要制造如此长度的天线是不现实的。即使有这样的天线，各个电台都用音频频段来发射信息，在接收端也无法将欲接收的电台信号选择出来。解决这一矛盾的有效办法是，发送端的各个电台采用不同频率的高频振荡信号作为“运载波”，将音频信号“装载”在高频振荡信号之上，然后，将这个载有音频信号的高频振荡信号通过发射天线以电磁波的形式有效地发射出去。把音频“装载”在高频振荡信号之上的过程称为调制，音频信号称为调制波，高频振荡信号称为载波，经音频信号调制之后的高频振荡信号称已调波。为了进行调制，发送设备中应设置一个频率稳定性很高的高频振荡电路来产生高频载波，音频信号与高频载波经

4、调制器调制之后，变换为已调高频信号（也称射频信号），再通过功率放大器放大后以足够的强度送入发射天线发射出去。综上所述，发送过程要完成三项基本任务，这就是声电转换、调制和发射，发送系统的基本组成框图如图9-2所示。高频电磁波发射天线高频振荡高频放大器调制器高频功放图9-2 发射系统框图（调幅发送）音频放大器话筒 9.1.2无线广播的接收接收系统的主要任务是从众多的电磁波信号中，有选择地接收所需电台的信号，并经过一系列的加工处理，最终还原出发送端所发送的声音信息。接收系统框图如图9-3所示。高频电磁波扬声器接收天线选频加工处理检波音频放大图9-3 接收系统框图（调幅接收）载有音频信息的高频无线电波

5、被接收天线截获，并转换成高频电信号，通过选频电路从众多的电台信号中选出所要收听的某一电台信号，经加工处理之后送到解调电路（此处为捡波），由解调电路从高频已调波中“取出”发送端所“装载”的音频信号，再经音频放大器放大后，推动杨声器工作，还原出声音。从已调波信号中取出原调制信号的过程称为解调。由上可见，接收过程也要完成三项基本任务，这就是选频接收、解调和电声转换。实际的接收系统，为了提高各项性能指标，在选频与解调电路之间的加工处理均采用“超外差” 接收机的本振频率始终超过外来信号一个固定的差频。的方式，通过变频电路，将选择出的某一高频已调波信号变换成固定的中频已调波信号，然后再设置增益高、选择性好

6、的中频放大电路，经选频、放大之后，送至解调电路进行解调。9.1.3无线电波段的划分无线电波是无线通信中信息传输的主要载体，也称传输介质，它是一种电磁波，在电磁波谱中占有较宽的波长范围，波长从几百微米到几万米之间。为了合理、充分地利用无线电频谱资源，减少各频率间的相互干扰，国际无线电组织制定了“国际无线电规则”，将无线电频率段按照用途进行了分配。表9-1为无线电波波段（频段）划分及用途范围简表。表9-1 无线电波波段划分及用途波段名称波长范围频率范围频段名称主要用途超长波10000m以上30kHz以下甚低频VLF水下通信(如潜艇通信);远距离通信;超远距离导航长波10000m1000m30k30

7、0kHz低频LF越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航中波1000m100m300k3MHz中频MF无线广播;海上导航短波100m10m3M30MHz高频HF短波广播;远距离短波通信 超短波米波10m1m30M300MHz甚高频VHF电离层散射(30M60MHz);流星余迹通信;人造电离层通信(30M144MHz);对空间飞行体通信;调频广播;电视;雷达;导航;移动通信分米波1m0.1m300M3GHz特高频UHF小容量微波中继通信;(352M420MHz); 中容量微波通信(1700M2400MHz);对流层散射通信(70010000MHz) 微波厘米波10cm1cm3G30GHz超

8、高频SHF大容量微波中继通信(3600M4200MHz,5850M8500MHz);数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信(1500M1600MHz);波导通信毫米波10mm1mm30G300GHz极高频EHF再入大气层时的通信;波导通信亚毫米波1mm以下300GHz以上理论和技术已趋于成熟，正在开发阶段9.1.4无线电波的传播无线电波在空间以光速传播，为3.0×108m/s，它的波长、频率f和波速c之间的关系为（9-1）无线电波与光波一样，具有直射、绕射、反射和折射等现象。无线电波在空间的传播方式主要有地面波、空间波和天波三种。地面波是指以绕射方式沿地球表面传播的电磁波；空间波是指根

9、据直射或反射现象，直接从发射端传播到接收端或从地球表面反射到达接收端的电磁波；天波是指向空间辐射，利用电离层的折射或反射而返回地面的电磁波。三种传播方式的示意图如图9-4所示。图9-4 无线电波的几种传播方式不同波段的无线电波其传播特点和用途如下：（1）长波和中波的传播长波和中波因频率较低，可利用地面波传播。地面的电性能不易随时间而变化，通过地面波形式传播的长波、中波比较稳定，但传播距离相对较近。长波和中波还可通过天波的形式传播，由电离层反射而到达地面。但白天电离层的自由电子密度大，对长波、中波吸收作用强，因此衰减严重，所以白天长波和中波是靠地面波传播的。夜间电离层的自由电子密度减小，对长波、

10、中波的吸收作用大大下降，可以传播到远方。许多白天收不到的远地电台夜晚可清楚收到，就是这个道理。中波主要用于近距离（几千公里左右）无线广播，也可用于海上通信、无线电导航及航空通信等。长波主要用于发射标准时间信号，水中的电磁波的波长越长损耗越小，因此长波也适于水下通信。（2）短波的传播短波沿地面传播时，衰减很快，传播距离很短，但电离层对短波的衰减很小，借助于电离层的反射或折射可以传播到地球表面的任何地方，因此短波是靠天波传播的。由于电离层的高度和厚度随昼夜及季节的不同而变化，无线电波通过电离层反射次数也不同，使得接收场强出现不稳定现象，因此短波传播不如中波稳定，一般要在接收设备中采取弥补措施。短波

11、传播距离远，主要用于国际无线电广播、远距离无线电报、传真及卫星通信等。（3）超短波的传播超短波穿透性强，受电离层的反射作用弱，在地面传播时不易绕射，衰减较大，因此，主要以空间波的形式在直视距离内传播。缺点是传播距离取决于发射、接收天线的高度，一般仅为几十公里；优点是发射天线尺寸小，便于集中能量定向发射，节省发射功率，而且受干扰小，保密性强，多路通信容量大等。它主要用于电视、调频广播、多路通信、雷达及导航等方面。9.2 调幅与幅度检波调制与解调是无线通信中重要的技术手段。信号调制与解调的方式有多种，按照调制信号所控制的高频载波参数（振幅、频率及相角）的不同，可分为调幅（AM）、调频（FM）和调相

12、（PM）三种基本方式，其中调频和调相又统称为“调角”。按照调制信号的不同又分为模拟信号调制和数字信号调制等。解调是调制的逆过程，即是把调制信号从已调波中取出来的过程。与调制方式相对应，解调方式也有幅度解调（又称检波）、频率解调（又称鉴频）和相位解调（又称鉴相）三种。本节主要讨论调幅与检波的过程。9.2.1调幅原理调幅是指用调制信号去控制高频载波的振幅，使之按照调制信号的变化规律而变化的过程。调制信号通常是比较复杂的，含有多种频率成分，为了分析方便，以单一频率的正弦波作为调制信号来分析调幅原理和调幅波的特点。如图9-5所示，设高频载波信号为uc=Ucmcosct，调制信号为u=Umcost，（c

13、>>）。将这两种信号同时输入图9-5(c)所示的二极管调幅电路中，则输出信号为包络随u而变化的高频调幅波信号ua，其波形如图9-5(d)所示。图9-5 调幅原理该波形含有许多新的频率成分，电路实质上实现的是频率变换的过程。频率变换是指，当信号通过电路后，除了原来的频率成份外，还产生了新的频率成份。所有的调制、解调及倍频、变频、整流等电路其实都是频率变换电路。非线性元件具有频率变换的作用，这里的二极管就是非线性元件。我们知道，二极管的伏安特性是非线性的，可用级数形式表示为（9-2）式中ak为由伏安特性曲线形状决定的常数，u为加在二极管两端的电压，iD为流过二极管的电流，k=2后面的各

14、项表征了二极管的非线性。为了讨论方便，通常仅取前三项来分析其非线性变换作用。即（9-3）由于调制信号u和载波信号uc串联后加入调幅电路，因此u=u+uc= Ucmcosct+ Umcost代入上式，则有（9-4）利用三角公式变换并整理后上式变为（9-5）式中第一项为直流分量；第二项为原输入信号频率分量，即基波分量；第三项为输入信号的二次谐波分量；第四项为两输入信号的和频分量与差频分量。可见输出信号中出现了原输入信号中所没有的频率分量，这些新增频率分量就是由于二极管的非线性所引起的。如果调幅电路输出端的LC并联谐振回路调谐在c上，由于c>>，只要回路Q值合适，则回路可选出c及其附近

15、c 和 c 的频率分量，则回路压降近似为（9-6）式中Z0为LC回路谐振阻抗。利用三角公式上式可进一步变换为 （9-7）式中，。ma被称为调幅系数或调幅度，反映载波的振幅随调制信号变化的大小程度，正常情况下ma一般在01之间，无线电广播中的ma一般为0.3左右。9.2.2调幅波的特性图9-6 调幅波的频谱（1）调幅波频谱由式9-7可知，单一频率正弦信号的调幅波包含有三个频谱分量，即载频c、下边频（c）和上边频（c）。接照它们的相对振幅与频率之间的关系，可绘出频谱图如图9-6（a）所示（图中用0代替c）。实际的调制信号是多频率的复杂信号，不仅频率处于某一个频率范围，而且各频率分量的振幅也各不相同

16、，随时间也是变化的。因此，复杂信号调幅波的频谱示意图如图9-6（b）所示，它包含了载频和上、下两个边带。由图可以看出，调幅波的频带宽度为调制信号最高频率的两倍，即BW=2max。由颇谱图可以看出，载波分量幅度恒定，与调幅系数无关，边频分量的幅度与调幅系数有关。因此，边频分量携带着调制信号的信息。此外，还可以看出，调幅过程实际上是一种频谱搬迁的过程。经过调制，调制信号的频谱被搬到载频两旁附近，成为上、下两个边带。（2）调幅波的功率调幅波是通过发射天线向外发射的，因此，发射天线就是发射机的负载。设其等效电阻为R，则调幅波的三个频率分量在载频c一周期内送给负载的平均功率分别为载波功率（9-8）边频功

17、率 （9-9）调幅波的总功率为 （9-10）式9-10表明，调幅波的功率与调幅系数ma有关，未调制时ma=0 ，调幅波的功率等于载波功率。随着调幅系数ma的增大，调幅波的功率增加。由于载波幅度与ma无关，所以载波功率Pc不变，增加的只是边频功率。上、下边频的总功率为 （9-11）由前面的讨论可知，调幅波中携带信息的是边频分量。在最大调制ma=1的情况下，调幅波的总功率为 ，边频功率为，仅占总功率的三分之一。而在无线电广播发射机中调幅系数平均不到30%，此时边频功率只占平均总功率的5%左右。可见，调幅发射机发射功率的利用率是很低的。由于载波本身并不携带信息，但它的发射功率却占了整个发射功率的绝大

18、部分。从传送信息的角度来看，这部分功率是没有用的，而且已调幅波上、下边带信息完全相同，只传送其中一个边带即可达到传送信息的目的，因而可以采用只发送一个边带的方式，这种发送方式称为单边带发射。显然它可以节省载波功率和另一个边带的功率，同时还可节省50% 的频带宽度。单边带发送虽然节省功率和频带，但它的收发设备复杂。通常的无线电广播仍采用双边带发送方式，电视广播采用的是单边带方式发送。9.2.3调幅电路根据调幅原理，利用非线性元器件的频率变换作用和选频电路的选频特性，可以实现调幅。实际的小功率发射机中，常采用晶体管作为非线性器件进行调幅。晶体管调幅电路有基极调幅、集电极调幅和发射极调幅三种基本形式

19、。下面以基极调幅电路为例说明其工作原理。基极调幅电路如图9-7所示，图中Tr1为高频变压器，其次级线圈上的高频载波电压uc通过电容C1直接加到晶体管T的b-e结；Tr2是低频变压器，其次级的低频调制信号电压u也加到晶体管的b-e结，因此，晶体管发射结所加的信号电压为ube=uc+u 。图9-7 基极调幅电路适当调节偏置电路参数，使晶体管工作在特性曲线的非线性区，则晶体管基极偏压随ube 的变化而变化，在集电极LC回路中将出现幅度随ube变化的高频电流脉冲（因ua幅度不变，实际上是随u变化），即 （9-12）由前面的分析知，iC中将出现和c的各种组合频率分量，即c、c +、c及2c、2。调整集电

20、极的LC选频回路，使其谐振在载波频率c上，则LC回路对c、c +、c三个频率分量将产生较大的压降，于是在L2上便可获得调幅波电压ua。其工作波形如图9-7（b）所示。小功率调幅发射机电路如图9-8所示。图中T1、L1和C1、C2等组成电感三点式高频振荡电路，用来产生一定频率的高频载波，T2等组成基极调幅电路。高频载波由变压器Tr1耦合加到T2的b-e结，低频调制信号u由C3耦合到T2的发射结，经T2发射结进行频率变换，T2集电极LC选频回路选频后，通过变压器耦合送至发射天线。图9-8 调幅电路实例9.2.4检波对调幅波的解调称为幅度捡波。目的是从高频调幅波中检出与调幅波包络变化规律一致的低频调

21、制信号。检波的过程也是一种频率变换过程，也必须使用非线性元器件来实现。另一方面，为了从非线性器件所产生的许多频率成分中检出低频调制信号，检波电路的负载应具有低通滤波特性。因此，检波电路通常由非线性的检波器件和具有低通滤波特性的负载电路组成。检波电路常见的有小信号平方律检波、大信号线性检波和乘法检波三种。小信号（ua<0.2V）平方律检波是利用非线性器件伏安特性的非线性段来检波的，检出的调制信号幅度与调幅波振幅成正比，故称平方律检波。这种检波的非线性失真铰大，效率低，一股多用于仪表电路中。大信号线性检波，输入调幅波幅度大于0.5V以上，使调幅波的包络处于非线性器件的线性区域，使检波输出的振

22、幅与调幅波的振幅成线性关系，因而失真小，被广泛应用于接收机中。下面以大信号线性检波为例分析检波原理。大信号线性二极管检波电路如图9-9（a）所示，图（b）为它的工作波形。图中D为检波二极管，一般选用正向电阻小，反向电阻大，结电容小的点接触型锗二极管（如2AP9、2AP10等）；C和R为具有低通滤波特性的检波负载。当大信号的调幅波ua输入到检波电路时，由图（b）可见，调幅波右半边的包络线全部进入二极管伏安特性的线性区域，流过二极管的电流iD与ua成线性关系。在调幅波正半周，二极管D导通时，iD一方面给C充电，另一方面给负载RL提供电流。由于D的正向导通电阻很小（远小于R），C上电压 uC很快充到

23、接近高频电压的峰值。ua峰值过后，uC对二极管D来说是反偏电压，因此，在ua由峰值下降到ua<uC时，D截止，电容C通过R放电，继续给负载提供电流。由于放电时间常数远大于高频电压的周期，在ua的下一个正半周到来之前，uC下降不多，只有当ua>uC后，D才重新导通，又使C充电到接近ua的峰值。如此反复循环，便得到了与ua包络线形状相似的锯齿状输出电压uO。（见图（b）。实际上，由于高频电压的频率很高，远大于调制信号的频率，因此，只要合理地选择RC时间常数，输出电压中的锯齿是很细微的，可以忽略不计，也就是说，高频载波及其高次谐波成分均被RC电路滤除掉。再用耦合电容将输出电压中的直流分量

24、隔离，输出即为低频调制信号电压。图9-9 大信号线性二极管检波原理图9-10 对角线失真由上述分析可知，RC电路参数的选择，是影响检波性能的重要因素。要提高检波输出电压的光滑度，RC值应取大一些好，但若RC太大，放电过程缓慢，致使C上的电压跟不上调幅波包络的变化，就会产生如图9-10所示的对角线失真。因此，RC取值应全面考虑，合理选择，通常要求 T>>RC>>TC。在一般接收机中，R通常取210K，C通常取5l00PF0.01F。大信号线性检波的非线性失真小，电路结构简单，收音机中普遍采用。图9-11是超外差式调幅收音机中经常采用的大信号二极管检波电路。图中，465kH

25、z的中频调幅信号ui通过中频变压器Tr加到检波电路输入端；D为检波二极管；C1、R、C2组成型低通滤波电路，滤除中频及其高次谐波；Rw为检波负载电阻兼音量控制；C3为隔直耦合电容。图9-11 实用大信号检波电路9.3 调频与鉴频9.3.1调频调频是指用调制信号控制高频载波的瞬时角频率,使之随调制信号的变化规律而变化的调制方式。(1)调频波图9-12为载波、调制波及已调频波的波形。从图中可以看出，调频波的振幅不变，瞬时角频率是随调制信号而变化的。当调制信号增大时，调频波的瞬时角频率增加，即波形变密，当调制信号达到正峰值时，调频波角频率增至最大值；反之，当调制信号减小时，调频波的瞬时角频率减小，即

26、波形变疏，当调制信号减小到负的最大值时，调频波角频率达最小值。只有调制信号通过零点时，调频波的角频率才等于载波角频率，这一角频率也称为调频波的中心角频率0。图9-12调频波设载波信号为，调制波为。调频后调频波的瞬时角频率(t)可表示为 （9-13）式中为比例系数，c表示调频波瞬时角频率的最大偏移量，简称最大频偏。由上式可以看出，调频波的最大频偏与调制信号的振幅成正比()，而与调制信号的角频率无关。根据角频率与相角之间的关系即由式9-13可得 （9-14）设初相角，由此得调频波的数学表达式为 （9-15）式中称为调频系数（为调制信号频率），可为任意值。(2)调频波的频谱及带宽利用三角公式将调频波

27、表达式展开得（9-16）由此可知，调频波是两个不同的双边带信号的叠加，其等效调制电压和都相当复杂，它们的频谱可利用傅氏级数展开求得。分析表明，一个单频率正弦信号调制的调频波，其频谱中含有载频分量和、无穷多对上、下边频分量，边频分量与载频分量间隔都是调制频率的整数倍；载频分量与各次边频分量的幅度大小与有关。越大，幅度较大的边频分量数越多。但是对于一定的值，高到一定次数的边频分量其幅度已小到可以忽略的程度，将这些边频分量滤除之后对调频波形不会产生显著影响，因此，调频信号的频带宽度实际上是有限的。图9-13画出了几种不同值时调频波的频谱。图9-13 不同mf值时的调频波频谱（不变）理论分析表明，如果

28、将小于未调制载波振幅10%的边频分量略去不计，则频谱宽度BW可由式近似求出。由于，上式也可表示为： （式9-17）根据的不同，调频制可分为宽带与窄带两种。当，即时为宽带调制，式9-17变为：它表明宽带调频的频谱宽度为最大频偏的2倍。当,即时为窄带调制，此时式9-17变为: 它表明窄带调制的频带宽度为最高调制频率的2倍，与调幅波的频带宽度相同。在调频广播中，国家标准规定,由式9-17可知，BW=2×(75+15)=180kHz。为留有裕量，国家标准规定调频广播电台载频间隔为200kHz。通过以上讨论可知，调频波是等幅的疏密波，调制信号的信息由其频偏携带。由于其幅度不携带任何信息，在传输

29、过程中，各种干扰引起的幅度变化，可在解调之前通过限幅措施加以消除，所以调频波具有较强的抗干扰能力。但调频波频带较宽，相同频率范围内能设置的电台数目远少于调幅广播，因而调频广播一般使用超短波频段（如87108MHz）。(3)调频电路调频电路通常有直接调频和间接调频两大类。直接调频是指用调制信号电压，直接去控制高频振荡的频率（实际上是改变振荡电路中决定其振荡频率的元件参数）实现调频；间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当地处理之后，再用它对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。两种调频方式各有优点，直接调频稳定性稍差，但线路简单，且易获得较大的频偏；间接调频稳定性较好，但却不易获得

30、较大的频偏。二者在调频发射机中都有使用。直接调频电路实际上是在一个频率可调高频振荡电路中，加入某种压控电抗元件（如变容二极管、电抗管等）构成的。目前变容二极管是一种比较理想和应用广泛的压控电抗器件。变容二极管的结电容可随反偏电压的变化而变化，如果将调制信号电压叠加于变容二极管原来固定的的反偏电压上，则它的结电容将随调制信号的变化变化。将变容二极管接入高频振荡的谐振回路，调制电压施加于变容二极管，则可实现振荡频率随调制信号而变化的目的。变容二极管调频电路的实例如图9-14(a）所示，图（b）是它的高频等效电路。由图可以看出，该电路实际是电容三点式高频振荡电路，变容二极管的结电容Cj充当振荡回路中

31、的可变电容。当加于变容二极管上的反偏调制电压变化时，Cj的大小随之变化，振荡频率即随之变化，输出为调频波。该电路的振荡频率为 （式9-18）式中C为 （式9-19）（b）等效电路图9-14 变容二极管调频电路（a）调频电路原理图9.3.2鉴频调频信号的解调称为频率检波，简称鉴频。其作用是从高频调频波中检出低频凋制信号。把瞬时频率随时间变化的规律变换成电压随时间变化的函数。能够完成该任务的电路称为鉴频器。uuiu2变调频为调频调幅振幅检波图9-15 鉴频器方框图与调幅波不同，鉴频不能直接应用二极管检波电略。这是因为普通调幅波的振幅包络线是按调制信号作线性变化，可利用二极管的单向导电性并经过电容器

32、滤波把包络线所代表的原调制信号取出来；而调频波振幅是固定不变的，其载波频率按调制信号作线性变化。所以如果用二极管检被电路对调频波进行检波，得到的只会是一个与调频波振幅成比例的直流电压，检不出原调制信号。为了获得不失真的调频信号，大多数鉴频电路都是先采用调制波变换，即把等幅的调频波变换成幅度也按频率变化规律改变的调频调幅波，然后再用振幅检波器把幅度变化取出来，这样便恢复了原调制信号。前者是调制波变换电路，通常由谐振回路组成；后者是幅度图9-16 鉴频器的波形变换捡波电路，通常由二极管检波电路组成。如图9-15所示，其波形变换情况如图9-16所示。鉴频电路的主要特性表现在它的输出电压的大小与输入调

33、频波瞬时频率间的关系上，称为鉴频特性，其曲线常称为S鉴频曲线，如图9-17所示。它是在鉴频器输入高频电压的幅度保持不变，仅仅改变它的频率时，测量鉴频器输出电压幅度而得到的。其中fc为调频信号的中心频率，即载波频率。S曲线只是在某一范围内近似为直线。超过这范围便会产生解调失真。衡量鉴频特性的主要指标有：灵敏度：指S鉴频曲线在中心频率fc附近，输出电压u与频偏f的比值，即，也就S曲线在fc点的斜率，它表示单位频率偏移所产生输出电压的大小。灵敏度又称鉴频跨导。显然，鉴频器的鉴频灵敏度越高越好。图9-17 S鉴频曲线线性范围：指鉴频特性近似于直线的频率范围，即图9-17中S鉴频曲线两弯曲点之间的频率范

34、围，又称频带宽度B。此范围不应小于调频信号的最大频偏，否则将产生严重失真。非线性失真：为了从调频信号中无失真地解调出原调制信号，要求在频带宽度以内鉴频特性是一条直线，但实际上只是近似为直线，或多或少存在着非线性失真。另外，希望对寄生调幅有一定的抑制能力。鉴频器有多种形式，下面介绍常用的斜率鉴频器、相位鉴频器和比例鉴频器。（1）斜率鉴频器图9-18 斜率鉴频器原理图斜率鉴频器也称振幅鉴频器，图9-18是最简单的斜率鉴频器原理电路。图中三极管与LC谐振回路组成调制波变换电路，其作用是变调频信号ui为调频调幅信号u2。二极管部分为幅度检波电路，从调频调幅波中取出所需要的原调制低频信号u。为了完成把调

35、频信号变换成调频调幅波，需要使调谐放大器工作在失谐状态，即LC谐振回路的谐振频率f0要偏离调频信号的中心频率fc，利用调谐放大器幅频特性曲线通频带以外的倾斜部分，使输入调制信号ui频率改变时，回路的输出电压幅度也随之改变，如图9-19所示。tff0fcf2f1Ouf1fcf2u图9-19 斜率鉴频过程由于这种斜率鉴频器回路谐振曲线的倾斜部分不完全是直线，也就是说幅频特性线性范围较窄，当输入调频波的频偏较大时，非线性失真将明显增大，使应用受到限制。为了减小失真，可采用两个失谐回路构成平衡斜率鉴频器，或称双失谐回路（双斜率）鉴频器，如图9-20所示。类似地9-18又可称单失谐回路（单斜率）鉴频器。

36、图9-20 平衡斜率鉴频器在分析单失谐回路鉴频器时我们看到，如果要想增大鉴频器的工作频带，将使失真增大，造成输出信号正、负半同不对称。这种情况类似放大器工作点不合适造成的失真（我们知道在放大器中可通过采用推挽电潞来减小此种失真）。从单失谐回路鉴频器发展到双失谐回路鉴频器，就类似于放大器从单边电路发展到推挽电路。平衡斜率鉴频器也分为调制波变换电路和振幅检波电路两部分。该变换电路由两个单失谐回路斜率鉴频器连接起来组成，初级回路调谐于调频信号的中心频率fc，次级的两个回路分别凋谐于f1和f2，并要求f1fc=fcf2。调频信号在两个次级回路两端产生的电压u1和u2的幅度为U1和U2，并假设两个二极管

37、检波电路的参数一致，幅度检波效率近似为，那么从图9-20可见，鉴频器输出的低频信号为U=U1U2。图9-21 平衡斜率鉴频器鉴频特性曲线上面的关系用图形表示如图9-21所示。图中，次级两回路的谐振曲线用虚线表示，它们代表检波输入高频电压振幅U1和U2随频率f的变化。如将U1和U2两曲线相减，便得到图中实线所示的S鉴频曲线，即完成了鉴频功能。与放大器推挽电路类似，当一边鉴频输出波形有失真，对称的另一边鉴频输出也必定有失真，并且方向相反，相互抵消。因此，在上、下电路完全对称的条件下，平衡斜率鉴频器输出的低频电压为单个鉴频器输出的二倍，在输出中没有直流分量偶次谐波失真，鉴频特性的直线性和线性工作范围

38、都比单失谐斜率鉴频器有显著改善。但由于调谐比较困难，目前平衡斜率鉴频器主要应用于工作频带要求较宽，失真要求很小的微波多路通信接收机中。（2）相位鉴频器相位鉴频器与斜率鉴频器的工作原理都是先把调频波变换为调频调幅波，然后再进行幅度检波。但是变换的方法有所不同，斜率鉴频是利用电路的振幅频率特性变调频波为调频调幅波，而相位鉴频器是利用电路的相位频率特性变调频波为调频调幅波。相位鉴频器克服了斜率鉴频器调整比较困难的缺点。其原理电路如图9-22（a）所示，图（b）是其高频等效电路。该电路由两部分组成，第一部分是由L1、C1、L2、C2、C5和L3组成的频幅变换电路，它将输入的调频信号通过相位变化（移相）

39、，变成相位随频率变化的一对信号；第二部分是由D1、D2、R1、R2、C3、C4组成的平衡式幅度检波电路，检出调制信号。图9-22 相位鉴频器频、幅变换过程图中L1C1和L2C2组成双调谐回路，C5是两个谐振回路之间的耦合电容（弱耦合）。两个谐振回路均谐振于载波频率fc（即调频波的中心频率）上。C3C5对高频短路。高频扼流圈L1上的电压为输入调频电压，即。当电路工作时，从谐振回路次级可获得对称的两个电压，因此，加在两个检波器的输入电压分别为 （式9-20）根据谐振回路的相频特性，随着调频波瞬时频率的变化，和的相位差亦随之变化，则合成矢量、的幅度也随之变化，这就实现了调频波到调频调幅波的转换。下面

40、分三种情况讨论式9-20各矢量之间的关系。i）当，即调频波的瞬时频率等于中心频率（即载频）时，初级线圈L1上的电流滞后于90o相角，次级线圈L2两端的感应电动势滞后90o相角，又由于次级同路谐振电流与同相，而在C2上的压降又滞后90o相角。所以，与的相位相差900，它们的相位关系如图9-23（a）所示。由式9-20可画出合成矢量如图9-24（a）所示，此时。ii）当，即调频波的瞬时频率大于中心频率时，、的相位关系与时的情况相同。但由于此时次级回路失谐，呈电感性，滞后一定的相角，而C2两端电压又滞后90o相角，结果使与的相位差小于900。它们之间的相位关系如图9-23（b）所示。其合成矢量如图9

41、-24（b）所示，由图可见。iii）当，即调频波的瞬时频率小于中心频率时，、的矢量关系仍不变，只是次级回路因失谐而呈电容性，超前一个相角，滞后90o相角，如图9-23（c）所示。合成矢量关系如图9-24（c）所示，可见。综上所述，调频信号的瞬时频率变化通过频幅变换电路的相位变化，转换成了频、幅变换电路输出电压、幅度的变化，即实现了调频波到调频调幅波的转换。随f变化的矢量图图9-24 图9-23 初、次级回路电流、电压相位关系幅度检波过程两个调频、调幅信号和分别加到图中两个振幅检波器上，其检波原理与调幅波的检波完全相同。设两个检波器的电压传输系数为k，则二检波器输出电压分别为，。鉴频器的输出电压

42、为（式9-21）由上式可画出鉴频器输出电压与输入信号频率之间的关系曲线（即鉴频特性曲线）如前图9- 所示。由图可以看出，当时，输出电压；当时；当时，。这与前面频幅变换过程的结论是一致的。但当过分偏离时，由于回路失谐严重，、都将减小，故曲线呈弯曲状。相位鉴频器具有鉴频灵敏度高、线性好等优点，缺点是工作频带不够宽，抑制寄生调幅能力差，使用时必须增加限幅电路。（3）比例鉴频器图9-25 对称式比例鉴频器比例鉴频器有对称与不对称两种形式。对称式比例鉴频电路如图9-25（a）所示，图（b）是它的高频等效电路。由图可以看出，它与相位鉴频器的主要区别是平衡检波电路结构不同：检波二极管连接方向不同，为构成直流

43、通路而反向连接，R1、R2上的电压降相同，即UR1=UR2；输出取自C3、C4分压的点D与地之间；A、B间并联一大电容Co，使检波过程中VAB基本保持不变。该电路的频幅变换过程与相位鉴频器的频幅变换过程完全相同，两个幅度检波电路的输入调频调幅电压也是，其输出分别为，。由于电路对称，所以有由电路知，所以可得（式9-22）鉴频器输出电压（式9-23）上式表明，鉴频器的输出电压uO取决于，而不取决于本身的大小（UAB基本保持不变），因而，随着调频信号瞬时频率的变化，一个增大，而另一个减小，二者的比值即随频率的变化而变化，输出电压uO亦随之改变，这样就检出了调制信号，完成了鉴频作用。当出现寄生调幅干扰

44、时，由于U1、U2同时按寄生调幅规律变化，因而也同时按寄生调幅规律变化，即同时增大或同时减小，但二者的比值不受影响，此外，由于C0容量较大，使UAB保持稳定，基本不受幅度干扰的影响，因而比例鉴频器具有限幅作用。比例鉴频器的鉴频曲线，其形状与相位鉴频器的鉴频曲线形状相似。9.4 变频在无线电通信技术中，首先要将接收到的高频信号改变其载波频率。不论接收到的是什么频率的信号，都要转变成一个固定的中频载波。如在调幅收音机中，需要把高频调幅波变换成465kHz的中频调幅波；在电视接收机中，通常需要把高频的图像调幅信号变换成38MHz的中频调幅信号；把高频调频伴音信号变换成31.5MHz的第一伴音中频信号

45、等。凡是这种进行载波频率“搬迁”式的变换过程,都称为变频。在变频过程中,原调制参数不能变,即对于调幅波,其包络线的形状不变,仅载波频率发生变化；对于调频波其调制频率和频偏不改变,仅载波频率变化。变频的作用是：对于一个波段内任何载波频率的信号，由于都转变成了固定的中频信号，后面就可以用同一套放大电路进行处理了，大大简化了后级电路。9.4.1变频原理图9-26 晶体管变频电路原理与调制、解调一样，变频也是一个频谱变换过程，因而必须利用非线性器件来实现。常用的有二极管变频、晶体管变频等。晶体管变频原理电路如图9-26所示，该电路是利用晶体管发射结的非线性作用进行频率变换；再利用晶体管集电极LC选频回

46、路进行选频来实现整个变频过程的。要实现变频，一般需要两个输入信号，一个是需要进行变频的高频已调信号，如调幅波设， 另一个是为产生所需频率而提供的高频等幅正弦波振荡信号uL，设当这两个信号同时作用于晶体管发射结时，由于发射结伏安特性的非线性，在集电极电流iC中，将产生两输入信号频率的多种组合频率分量，包括C、L、L+C、L-C等。由于集电极负载为LC选频回路，它谐振在L-C上，因此，只有L-C 及其附近的频率成分能在回路两端造成较大的压降，其余频率成分都被抑制。可推导出差频信号的电流为（式9-24）设LC回路的谐振阻抗为Z0，则回路中差频信号产生的压降为（式9-25）式中a2为反映发射结的非线性

47、系数。式9-25表明，通过变频，使高频已调波的载波频率由C下降为L-C，但调制规律（此处为载波幅度变化规律）并没有改变，这样就实现了变频的目的。信号ua一般来自于天线和接收回路，uL一般来自于接收机内的本机振荡（简称本振）电路。 9.4.2变频电路从以上变频原理分析可以看出，变频电路应由非线性元件、高频振荡信号产生电路（即本机振荡电路）和选频电路三个基本部分组成。其中，非线性元件主要起频率变换作用；高频振荡电路提供变频所需要的高频等幅振荡信号；选频电路则起选出差频（或和频）信号的作用。常用的晶体管变频电路有两种类型：一种是用一只晶体管同时实现高频振荡和变频的自激式变频电路 ；一种是用一只晶体管

48、产生本机振荡信号，另一只晶体管完成变频（常称为混频）作用的他激式变频电路。前者电路结构简单，广泛用于普通调幅收音机中，缺点是本振与混频互相牵制，稳定性稍差；后者结构复杂，但稳定性好，一般用于高档收音机中。根据本机振荡信号注入晶体管电极的不同，变频电路又分基极注入、射极注入等不同形式。在调幅收音机中多用射极注入式变频电路。图9-27 超外差式收音机变频电路图9-27为普通调幅收音机中的变频电路。由图可知，它属于射极注入式自激变频电路。其中Tr1为磁性天线，L1、C1a、C2组成输入选频回路，其作用是从众多电台信号中选出欲收听的某电台的高频调幅信号，并由Tr1的次级送到晶体管的基极回路，晶体管（称

49、混频管或变频管）又与Tr2、 C1b、C5、C6等组成变压器反馈式LC正弦波振荡电路，产生本机振荡信号，本机振荡信号经电容C4耦合，注入变频管的发射极。由于晶体管的静态工作点设置较低，发射结处于非线性工作状态，因而可完成两个输入信号频率的变换作用，产生如差频等频率分量，经集电极的C7、L5构成的选频回路，选出差频信号fL-fC，并由Tr3次级送往下一级电路。调幅收音机中规定fL-fC=465kHz称为中频。因而中频变压器Tr3与C7组成的选频回路应调谐在465kHz。为了使天线接收到任一电台信号，都变换成465kHz的中频信号，天线输入回路和本机振荡回路中的电容C1a、C1b采用同轴可调的双连

50、电容，以使两个调谐回路的谐振频率同时变换，从而使整个波段内fL-fC都能等于或逼近于465kHz。调频收音机变频后的中频信号为10.7MHz。另外，模拟乘法电路具有乘法功能，即输出信号是两个输入信号的乘积，利用它也可以实现频率变换。电视与音响集成电路中频率变换功能，一般都采用模拟乘法器来实现。9.5 超外差式收音机9.5.1电路结构特点超外差式调幅收音机的一般电路结构框图如图9-28所示，它主要由输入回路、变频级、中放级、检波级和音频放大级（包括音频电压放大和功率放大）及扬声器、电源等部分组成。uBuA输入回路混频中放本振检波低放功放天线uCuDuEuFucuctuAttuBtuCuDttuE

51、tuF变频器图9-28 超外差式调幅收音机电路结构框图由天线感应得到的各电台高频已调幅无线电信号，通过输入调幅回路选择出欲接收的某电台信号，送入变频级。同时，机内的本机振荡电路，产生频率高于被选电台载波频率465kHz的高频等幅振荡信号，也送入变频级。二信号经变频后，由变频级的选频负载（调谐回路）获得对应的中频（465kHz）调幅信号。这种中频调幅信号，经中频放大级放大到足够幅度后，送入检波级进行幅度检波，检出的音频调制信号，再经音频电压及功率放大，获得一定功率后去推动扬声器，还原为电台所发送的声音。由上可知，超外差式收音机工作的主要特点是采用了“变频”措施，即将外来电台的高载频调幅波变频成中

52、载频调幅波，再经中频放大电路放大后检波而获得音频信号。采用变频措施的原因是：第一，天线接收到的高频无线电信号若直接送入高频放大电路放大，由于放大电路对接收信号频段的高端和低端放大倍数不均匀，从而使接收信号频段的灵敏度不均匀（多波段收音机更为突出）；第二，若接收远地电台信号时，由于信号场强较弱，势必要靠增加高频放大的级数来提高灵敏度，这不仅会带来高放级间统调的困难，而且，由于频率高（特别是短波），高放级的增益不容易做得很高，否则会产生自激使工作不稳定；第三，采用变频措施使外来电台高载频信号一律变成固定的中载频信号，不仅使上述矛盾迎刃而解，而且使收音机的技术指标获得很大提高：由于变频后得到载频比较

53、低，容易获得稳定而较高的中频放大倍数，使整机的灵敏度可以做得较高；由于采用了固定的中载频，其选频电路易做得较好，便于统一调谐，可使整机的选择性得到提高；由于外来信号经变频后，都变成了固定的中频信号，容易解决不同频段的电台信号放大倍数不均匀的问题，即各电台基本可获得一致的放大量，且失真度比较小。超外差式收音机的主要缺点是统调较为复杂，抗“镜像干扰”和“中频干扰”的能力较差。9.5.2性能指标超外差式收音机质量的优劣是用其性能指标来衡量的，下面介绍主要的几种。(1)灵敏度灵敏度是指收音机接收微弱电台信号的能力，通常用收音机正常工作时（指输出功率和信噪比满足一定要求），天线上感应的最小信号（场强或电

54、势）值来表示。在使用磁性天线时，用电场强度来表示，单位是mv/m,如中波段收音机的灵敏度不劣于2mv/m；使用外接天线或拉杆天线时，用电势来表示，单位是v。这些数值越小，表示收音机的灵敏度愈高。(2)选择性选择性是指收音机抑制邻近电台干扰、选择有用电台信号的能力。超外差式收音机的选择性，除与天线输入回路选择能力有关外，主要是由中频放大级的选频特性来决定。由于调幅广播电台的中心频率是按±9kHz的间隔分布，故选择性通常用输入信号失谐±9kHz时，灵敏度的衰减程度来衡量。如收音机调谐时的灵敏度为E1 ，失谐±9kHz时的灵敏度为E2 ，则其选择性为，一般收音机的选择性

55、要求在于20dB。(3)频率覆盖范围频率覆盖范围简称波段，即收音机所能接收的频率范围（指载波频率范围）。普通调幅收音机仅有中波段，其频率范围为5351605kHz。有些收音机除中波段外，还有一或二个短波段。只有一个短波段的收音机，短波范围在412MHz；有两个短波段的则分别为2.35.5MHz和5.512MHz或48MHz和812MHz。高挡收音机短波段有多个。调频收音机的波段为87108MHz。(4)中频频率中频频率是指高载频无线电信号经变频后的中载频频率。我国规定调幅收音机的中频频率为465kHz（调频收音机中频为10.7MHz）。一般允许有一定的偏差，普通收音机为465±4kH

56、z；高挡机为465±2kHz。其他国家中频频率有用455kHz。(5)输出功率输出功率是指收音机输出的音频信号强度的特性，一般指额定输出功率，即在允许的失真度范围内输出功率的标称值。通常用瓦（W）或毫瓦（mW）表示。(6)失真度收音机的失真度主要指非线性失真度，它主要是衡量输入信号（波形或频率）经放大后失去真实程度的大小。失真度小的收音机，音质优美动听；失真度大的收音机听起来嘶哑、闷塞，很不自然。一般收音机要求失真度<10%。(7)电源消耗收音机一般使用干电池或机内稳压电源，电源消耗也是一个重要指标，一般分无信号时的静态消耗和有信号时的标称消耗（或最大消耗）两种，当然，消耗越小越好。24 图9-29 超外差式中波段晶体管收音机电路图9.5.3实际电路分析图9-29是常见的中波波段超外差式调幅收音机的典型电路，下面分析各部分电路的工作原理。图9-30 输入回路