超外差接收機的組成及原理

廣西南寧市科技館 廣西 南寧 530022

引言

接收機一般有兩種基本結構,一種是超外差式,另一種是直接轉換式。超外差接收機是將接收到的射頻信號與某一頻率的本振信號進行混頻處理,輸出一個頻率較低的中頻調制信號,該中頻信號的頻率就是本振信號與被接收信號頻率之間的固定頻差。

1 超外差接收機的組成及原理

超外差接收機由前端低噪聲放大電路、混頻器、本地振蕩器、后端功率放大電路組成。超外差接收機將接收到的信號經前端低噪聲放大電路處理后輸入混頻器,在混頻器中將其與本地振蕩器信號混頻,再經中頻放大器及檢波器等處理后輸出。

2 前端低噪聲放大電路

低噪聲放大器是一種高頻小信號放大器,在放大弱信號時,放大器本身可能會產生噪聲,要盡量減小這些噪聲,提高輸出信噪比。由放大器引起的信噪比惡化程度用噪聲系數F來表示,FN=10lgF(d B)。對于理想放大器,噪聲系數F應為1,表示輸出信噪比等于輸入信噪比。對于多級放大器,噪聲系數主要取決于前一級。噪聲系數主要與晶體管工作狀態和信號源內阻有關,與電路的組態無關

3 混頻器

混頻器實現的是信號頻譜的搬移,它分為上混頻和下混頻,當輸出的中頻信號比射頻信號高時稱上混頻,當輸出的中頻信號比射頻信號低時稱下混頻。在無線通信系統中,上混頻一般應用于發射機,將已調制的中頻信號搬移到射頻段,而下混頻多應用于接收機,將接收到的射頻信號搬移到中頻段。

在接收機系統中,混頻器的主要任務是實現頻譜搬移,在頻域上起到一個加減法器的功能,而時域上的乘積可以實現頻域上的加減。設射頻信號和本振信號分別為U C=Acosω1t,U LO=Bcosω2t,則經混頻器混頻后輸出的信號為cos(ω1+ω2)t],只要輸入信號能構成兩個信號的乘積形式,理論上就可實現信號頻譜的搬移功能。

混頻器一般由信號輸入端,本地振蕩器,非線性器件和濾波網絡組成,理想的混頻器是一個開關或乘法器,本地振蕩器激勵信號和已調制的射頻信號經乘法器后可以得到很多頻率成分的信號組合,這些信號再通過一個濾波器后可以把不需要的信號濾除,保留所需的中頻信號。混頻器作為超外差接收機的核心部分,決定了整個系統性能的優劣。

混頻器有混頻增益、噪聲系數、變頻損耗、1dB壓縮點、動態范圍、隔離度等參數指標。

混頻增益:混頻器輸出中頻信號的電壓或功率與輸入射頻信號電壓或功率的比值,單位是dB,它是衡量混頻器工作性能的重要指標。

噪聲系數:輸入信噪比與輸出信噪比的比值,它表示噪聲性能惡化程度的一個參數,值并非越大越好,合適即可。若系數值越大,代表系統在傳輸信號過程中摻入的噪聲信號越多,影響系統后續部分的性能。

變頻損耗:混頻器輸入端的射頻信號功率與輸入端中頻信號功率的比值,引起變頻損耗的原因主要是電路的失配、二極管等器件本身的損耗,要減小變頻損耗,就要優選器件,搭建好匹配網絡。

1dB壓縮點:一般情況下,輸入端射頻信號的電平遠低于本地振蕩器的輸入電平,此時混頻器輸出中頻信號的電平將隨著輸入的射頻信號呈線性變化,當輸入的射頻信號增加到一定程度,輸出的中頻信號就會隨著射頻信號增加的速度減慢而減慢,混頻器將出現飽和狀態。當輸出的中頻信號偏離線性1dB時的輸入射頻信號功率為混頻器的1dB壓縮點。1dB壓縮點主要取決于本地振蕩器功率的大小和二極管特性,一般比本地振蕩器功率低6dB。

動態范圍:指的是混頻器正常工作時輸入端能輸入的射頻信號范圍,在選擇混頻器芯片時,還要考慮混頻器接收本地振蕩器信號的輸入范圍和輸出中頻信號范圍。

雙音三階交調:當兩個頻率差不多的射頻信號與本地振蕩信號一起輸入到混頻器時,由于混頻器的非線性作用,將會產生交調,而其中的三階交調信號可能出現在要輸出的中頻信號頻率四周,位于中頻信號的通頻帶內,產生干擾。

隔離度:混頻器各頻率端口間要相互隔離,包括本地振蕩輸入端和射頻輸入端、本地振蕩輸入端和中頻輸出端及射頻輸入端和中頻輸出端之間的隔離,各端口的隔離度要好,才能盡量減少干擾。

4 振蕩器

振蕩器是一種能將直流信號轉換成指定頻率和振幅的交流信號的器件,它無需外部提供激勵,只需直流電源即可。常見的振蕩電路有LC振蕩器,晶體振蕩器,壓控振蕩器,RC振蕩器,負阻振蕩器等。

5 后端功率放大電路

功率放大電路位于系統后端,主要任務是放大信號的功率,經混頻器出來的信號,往往較弱,達不到后級所需要的數值,所以信號在進入系統后級之前,要先經功率放大器進行處理。從電路結構上來看,放大器主要由功率放大管、輸入回路、輸出回路、集電極電源和基極偏置電路等幾部分組成。

6 結束語

超外差接收機的接收動態范圍較大、還具備很高的鄰道選擇性和接收靈敏度,因而得到廣泛應用,在實際使用中為進一步抑制干擾,使其具有更好的選擇性,還可在混頻器前后端分別加裝一個預選射頻濾波器和中頻濾波器。