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接收机的分析总结


接收机的分析总结 一 模拟域外差式接收机 基本原理
通信系统中发送和接收设备是系统的核心, 通信系统中发送和接收设备是系统的核心 其中所用的信号处理技术和电路技术 都在迅速发展。从总体上说 发送和接收设备是为了使基带信号在信道中有效和 从总体上说,发送和接收设备是为了使基带信号在信道中有效和 可靠地传输而设置的。它的主要任务是对基带信号进行处理 使之适宜于所采用 它的主

要任务是对基带信号进行处理,使之适宜于所采用 信道的传输特性。 下面是一种典型的发送、接收设备的组成框图 。下面是一种典型的发送 接收设备的组成框图。

超外差接收机是利用本地产生的振荡波与输入信号混频, 超外差接收机是利用本地产生的振荡波与输入信号混频 将输入信号频率变换为 某个预先确定的频率的方法。 某个预先确定的频率的方法 超外差原理最早是由 E.H.阿姆斯特朗于 1918 年 提 阿姆斯特朗于 出的。这种方法是为了适应远程通信对高频率 弱信号接收的需要,在外差原理 这种方法是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收的需要 的基础上发展而来的。外差方法是将输入信号频率变换为音频 而阿姆斯特朗提 外差方法是将输入信号频率变换为音频,而阿姆斯特朗提 出 的方法是将输入信号变换为超音频 的方法是将输入信号变换为超音频,所以称之为超外差。1919 年利用超外差 1919 原理制成超外差接收机。 。这种接收方式的性能优于高频(直接)放大式接收 放大式接收,所 以至 今仍广泛应用于远程信号的接收 并且已推广应用到测量技术等方面。 今仍广泛应用于远程信号的接收,并且已推广应用到测量技术等方面
(t) 混频器 (t) 本地振荡器 (t)

超外差的原理如上图所示。它是利用本地振荡器产生的正弦信号 (t)与输入信 超外差的原理如上图所示 号 (t)在混频器中混频, ,得到中频信号 (t),中频信号是预先确定的 中频信号是预先确定的,通常取 中频频率 = - 。如果输入信号载波频率变化 则应该改变本地振荡频率,使 如果输入信号载波频率变化,则应该改变本地振荡频率

之仍能保持混频后的中频频率不变。 超外差接收机的完整方框图如下所示:
中频放大 器

高频放大器

混频器

解调器

低频放大器

本地振荡器

自动增益控制

接收机的输入信号 uc 往往十分微弱(一般为几微伏至几百微伏),而检波器需 要有足够大的输入信号才能正常工作。 因此需要有足够大的高频增益把 uc 放大。 早期的接收机采用多级高频放大器来放大接收信号,称为高频放大式接收机。后 来广泛采用的是超外差接收机,主要依靠频率固定的中频放大器放大信号。 和高频放大式接收机相比,超外差接收机具有一些突出的优点。 ① 容易得到足够大而且比较稳定的放大量。 ② 具有较高的选择性和较好的频率特性。 这是因为中频频率 fi 是固定的, 所以中频放大器的负载可以采用比较复杂、但性能较好的有源或无源网络,也可 以采用固体滤波器,如陶瓷滤波器(见电子陶瓷)、声表面波滤波器(见声表面 波器件)等。 ③ 容易调整。 除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与 本地振荡器的谐振回路统一调谐之外, 中频放大器的负载回路或滤波器是固定的, 在接收不同频率的输入信号时不需再调整。 超外差接收机的主要缺点是电路比较复杂,同时也存在着一些特殊的干扰, 如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等(见混频器)。例如,当接收频率为 fc 的信号时,如果有一个频率为 f=f1+fi 的信号也加到混频器的输入端,经混频后 也能产生|f1-f|=fi 的中频信号,形成对原来的接收信号 fc 的干扰,这就是像 频干扰。解决这个问题的办法是提高高频放大器的选择性,尽量把由天线接收到 的像频干扰信号滤掉。另一种办法是采用二次变频方式,原理图如下:

。 超外差接收机各波形如下所示: 超外差接收机各波形如下所示

上面介绍了接收机主要是超外差接收机的总体原理, 上面介绍了接收机主要是超外差接收机的总体原理 下面我将对接收机各个部分 进行详细展开具体介绍。 。 ( 1) 滤波器 滤波器可以按不同的方法进行分类,按所用器件的特点可分为无源 滤波器可以按不同的方法进行分类 按所用器件的特点可分为无源 和有源滤波器。无源滤波器是有无源器件构成,如由电阻 和有源滤波器 如由电阻、电感和 电容组成的 RLC 滤波器以及晶体滤波器和表面声滤波器等 滤波器以及晶体滤波器和表面声滤波器等。 但最常用的是按其频率特性进行划分,可以分为低通 但最常用的是按其频率特性进行划分 可以分为低通、高通、带 通、带阻滤波器 带阻滤波器,它们的理想幅频特性曲线如下所示: :

滤波器的特性可用下面的图示表示

Vi (s) vi (t)

输入 阻抗

滤波器
, h(t) H(s)
滤波器的复频域传输函数可表示为

输出 o 阻抗 v0 (t )

V (s)

H (s ) =


Vo(s ) N (s ) b0s m + b1s m ?1 + ? + bm = = Vi(s ) D(s ) s n + a1s n ?1 + ? + an

式中,N(s) )成为分子多项式,D(s)成为分母多项式 成为分母多项式。式中所有 系数均为整数。 系数均为整数 其复频域传输函数经常用其零、极点表示 其复频域传输函数经常用其零

为使滤波器稳定,所有极点必须位于 s 平面的左半平面 为使滤波器稳定 平面的左半平面。 将 s=jω 代入 H(s)可以得到其幅频特性 H (j ω ) 和相频特性 θ (ω ) 关系 H (j ω ) = H (j ω ) e j θ(ω ) 下面我主要介绍一下由电感器和电容器组成的 LC 滤波器 它具有 滤波器。 对元件变化的灵敏度低、性能稳定、物理概念清晰、理论分析严格 对元件变化的灵敏度低 理论分析严格、 有大量工程设计数据表格提供使用而设计方便等诸多优点。 有大量工程设计数据表格提供使用而设计方便等诸多优点 1.LC 并联谐振回路 LC



回路的固有谐振频率为

ω0 =
1

1

LC
ωL L 1 = 0 = C Rs ω0CR s

回路的品质因数 Q:

Q =

Rs

由电路图可以看出并联电流的流向分为两路,当频率特定时会产生谐振现象。由 分析: ? V I R ( jωP ) = o = I i ( jωP ) R I c ( jωP ) =
? Vo = jQ p I i ( jωP ) jX c ? V I L ( jωP ) = o = ? jQ p I i ( jωP ) jX L

可以得出谐振频率

ωP =

1

LC

?(

Rs 2 1 ) = ω0 1 ? 2 L Q

串联谐振回路的分析与并联谐振回路相同,不再赘述。 2.一般滤波器的分析 一般滤波器的分析 前面提到的都是理想滤波器的模型,但实际中是不可能实现的。实际 实现时,只能采用逼近理想特性的方法。 逼近的常用方法有以下几种: 巴特沃斯逼近法,用这种方法实现的滤波器,其频率特性在整个 通频带内,幅频特性的起伏最小或最平。 切比雪夫逼近法,用这种方法实现的滤波器,其频率特性在整个 通频带内,幅频特性的起伏以震荡的形式均匀分布。 贝塞尔逼近法,用这种方法实现的滤波器,其频率特性在整个通 带内,相频特性的起伏最小或最平。 椭圆函数逼近法,用这种方法实现的滤波器,其频率特性中的幅 频特性具有陡峭的边缘或狭窄的过渡频带。 ( 2) 高频放大器

高频放大器分为大信号和小信号两类。 大信号(发射机)多用于发射机的中间级和末级用作功率放大,对 它的要求主要是输出较大的功率并具有较高的效率。

振荡器

倍频器

缓冲级

放大级

调制器

功率 放大器

低频 放大

低频 功放

小信号(接收机)多用于接收集中的高频和中频放大,对它的主要要求是:增益 高、噪声低、同频带宽和工作稳定性的好等。

输入 回路

高频 放大

混频器

中频 放大

解调器
自动 增益 控制

低频 放大

本地 振荡器

接下来主要分析晶体管的高频小信号等效电路和参数, 下面是共发射极放大器双 极型晶体管混合π型等效电路。

通常双极型晶体管的高频特性,可以用下述参数描述: 通常双极型晶体管的高频特性 截止频率 共发射极电路的电流放大系数β随工作频率的上升而下降 当 共发射极电路的电流放大系数 随工作频率的上升而下降, β值下 降至低频值 的1?√2时的频率称为β截止频率,用 表示。数学表 示式为

β =

β0
1+j

f fβ

β =

β0
1 +( f



2 )

fβ =

1 2π rb 'e(C b 'e + C b 'c )

特征频率 是指| |=1 时的频率。 。

fT = fβ β02 ? 1 ≈ β0fβ
由 的表示式可以推得: =f| | : 最高振荡频率 双极性晶体管的功率增益 ,并表示为 fmax ≈ 并表示为:
以上三个频率的关系是: 以上三个频率的关系是 =1 时的工作频率称为最高震荡频率

1 2π

gm 4rb 'bC b 'eC b 'c
≥ ≥

具有以上基础知识之后,接着讨论高频小信号宽带放大器的工作特性 具有以上基础知识之后 接着讨论高频小信号宽带放大器的工作特性。 下面是其共发射极 共发射极高频等效电路转变示意图:

由理论公式进行推导,应用密勒定理得到:

C1 = (1 ? A ) Cb′c ? 1? C2 = ?1 ? ? Cb′c ? A? ? ? V ′ A = o ≈ ? g m RL >> 1 ? Vbe

VO
?V0

Rs′ =

( Rs + rbb′ )rb′e Rs + rbb′ + rb′e
? ?

C in = C b ′e + C 1 ≈ C b ′e ? 1 + g m R L′ D = 1 + g m R L′

C b ′c ? ? = DC b ′e C b ′e ?

C b ′c = 1 + ωT R L′C b ′c:密勒效应因 因子 C b ′e

利用以上结果,可推出共射电路的增益带宽积 可推出共射电路的增益带宽积,如下:

GBP = A0ωh
A0 = ′ ? g m RL R +r 1 + s bb′ rbb′

V1
ωh =

Rs + rbb′ + rb′e 1 1 = = Cin Rs′ DCb′e ( ( Rs + rbb′ ) || rb′e ) DCb′e ( Rs + rbb′ ) rb′e

V2 Vi

GBP = A0ωh =

′ ′ g m RL ωT RL = ′ DCb′e ( Rs + rbb′ ) 1 + ωT RLCb′c Rs + rbb′

由以上公式可以得出如下结论:为获得较大的 GBP 和 ωh 值,应选入 C b 'c 小、 rb 'b 由以上公式可以得出如下结论 应选入 小而 ωT 高的晶体管; ; 增大 R L' , 可以增大 因而 R L' 的选择应兼顾 , 但由于 D 因子增大 ωh 将减小, 因子增大,

和 ωh 的要求;管子选完后,为提高 ωh 值,信号源内

阻 应尽可能小,即放大器的输入信号尽量接近恒压源 即放大器的输入信号尽量接近恒压源。 共基极放大点路的分析与此类似,不再重复赘述。 共基极放大点路的分析与此类似 本部分另外很重要的一个内容是自动增益控制电路 AGC) 本部分另外很重要的一个内容是自动增益控制电路(AGC)的实现 自动增益控制电路( 自动增益控制电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下, 自动增益控制电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下 使输出号 幅度在较小范围内变化的一种自动控制电路。 幅度在较小范围内变化的一种自动控制电路 典型结构如下: :

它实际上是一个负反馈低频控制系统。 它实际上是一个负反馈低频控制系统

VO
?V0
mi = Vi max Vi min mo = Vo max Vo min

总的增益放大倍数为:

GC =

Amax Amin

Vo min Vi max V V m = i min = i min = i Vo max Vo max mo Vi max Vo min

而进入通信系统接收端的信号,除有用信号外,还包含各种干扰与噪声,通信 系统内部也会产生干扰与噪声。这些干扰与噪声对系统传输信号的能力,特别是 处理弱信号的能力,将产生极为不利的影响。燥声中很重要的一种是热噪声,它 属于随机噪声的一种。 i 1 2

V

V

V

vn(t) t

电阻热噪声的频率覆盖范围很宽, 一般认为其频率由 0 到正无穷, 但单位频带的 电阻热噪声 噪声功率则非常小,其数值可由下式确定:

Wv ( f ) =

4kTR ?f ? 1+? ? ?α ?
2

(V

2

Hz

)

在有效频带内得到:
2 v n = 4kTR ?f

为了便于电路的噪声特性分析, 实际电阻器一般被等效为一理想无噪声电阻与噪 声功率源相串联的电路。

串联等效电路得到:

2 2 2 v n = v n1 + v n 2

= 4kT ( R 1 + R 2 ) ?f = 4kTR ?f

并联分析类似,不在赘述。 噪声系数是一个很重要的概念,它的定义是, 网络输入信噪比和输出信噪比的比 噪声系数 值。 P / Pni Fn = si Pso / P no 下面研究一下无源四端网络噪声系数的计算。

匹配状态时,得到:

Fn =

Pno R 1 = = 1+ s = L G pm Pni G pm R1

网络级联时,得到级联噪声系数为:

( 3)

F ?1 F ?1 FnN ? 1 Fn = Fn1 + n 2 + n3 +?+ G pm1 G pm1G pm 2 G pm1 ? G pm( N ?1) 非线性电路及其分析方法

常用的元件有三种:线性元件、非线性元件和时变参量元件。非线 性元件的参数与通过它的电流或施于其上的电压有关。非线性电路 至少包含一个非线性器件,而且该器件必须工作于非线性状态,常 用的有振荡器、功率放大器、倍频器以及各种调制和解调电路。工 程上常常采用一些近似的分析方法。
电压: 电压: v 电阻: 电阻: v = Ri 微分电导: 微分电导: g d = di dv 电流: 电流: i

电容: 电容: q = Cv 微分电容: C d = 微分电容: dq dv

电感: 电感: ? = Li 微分电感: Ld = 微分电感: d? di

记忆电阻 电荷: 电荷: q 磁链: 磁链: ?

非线性电路的输出信号中将会产生输入信号中所没有的新的频率成 分,也可能不再出现输入信号中原有的某些频率成分。这是非线性电路的 重要特性。 幂级数分析法 将非线性电阻性电路的输出输入特性用一个 N 阶幂级数近似表 示,借助幂级数的性质,实现对电路的解析分析。 i = f(v ) 设非线性元件的特性用非线性函数 来描述。 i = f(v ) f(v ) 的各阶导数存在,则该函数可以展开成以下 如果 ? 幂级数: i = a0 + a1v + a2v 2 + a3v 3 + ? ? Vo 附近的各 在静态工作点 ? 若函数 i = f(v ) 阶导数都存 在,也可在静态工作点 Vo 附近展开为幂级数。这样得到 的幂级数即泰勒级数:

i = b0 + b1(v ? V 0 ) + b2(v ? Vo )2 + b3(v ? Vo )3 + ?
由此展开可进行各次谐波的存在性分析。 折线分析法 由分析三极管的导通和截止状态,可以得到:
i (t ) = ?
? ? ?0 ?

g (v i (t ) ? Vth ) = g (ωBt + Vim cosωt ? Vth ) cos V ? cos θ i(t ) = I m 1 ? cos θ

这是一次谐波的计算方法,进行高次展开,可以可到计算高次谐波次数的方法。 作图如下,表明各次谐波系数的变化。

、 典型的非线性电路还有功率放大器、 模拟相乘器等等。 下面对模拟相乘器 模拟相乘器进行介 模拟相乘器 绍。模拟相乘器是完成两个模拟信号瞬时值相乘功能的电路或器件。它在模拟运 算、信号处理、测量、通信及则自动控制等领域有着广泛的应用。 相乘器的输出电压为

? v vo (t ) = I 0 RC th? x ? 2V ? T
典型的相乘电路如下所示:

? ? vy ?th? ? ? 2V ? ? T

? ? ? ?

介绍了上述几种非线性元件后,下面展开分析重点变频电路 变频电路,这是混频器 变频电路

实现的基本原理。 变频电路是一种时变参量线性电路,有两个输入信号,一个是控制信号 变频电路是一种时变参量线性电路 一个是控制信号, 通常为强信号,一个是被处理信号 一个是被处理信号,通常是弱信号。而变频电路是实现信号频谱 而变频电路是实现信号频谱 线性变换的一种电路,它完成频谱在频率轴上的搬移 控制信号由电路自身产生 它完成频谱在频率轴上的搬移。控制信号由电路自身产生 的被称作变频器,由外部输入的称为混频器 由外部输入的称为混频器。 常用的变频电路由三极管和二极管混频器的典型电路。 常用的变频电路由三极管和二极管混频器的典型电路 理想的变频过程只是将输入信号的频谱在频率轴上平移,信号频谱结构不 理想的变频过程只是将输入信号的频谱在频率轴上平移 信号频谱结构不 应发生变化。但由于实际电路的非理想工作状态 往往在变频输出信号中出现干 但由于实际电路的非理想工作状态,往往在变频输出信号中出现干 扰信号,称其为变频干扰 变频干扰。下面以接收机具体为例进行分析。 变频干扰

产生的干扰主要有如下几类: 产生的干扰主要有如下几类 中频干扰,它是指频率等于中频频率的干扰信号所形成的干扰。如果接收机 它是指频率等于中频频率的干扰信号所形成的干扰。

输入信号v c 1(t )中含有处于中频放大器通频带 B

内的分量,而高频放大器的频 而高频放大器的频

率特性不理想,不能将此信号滤出而使其到达变频器的输入端 就可能会产生中 不能将此信号滤出而使其到达变频器的输入端。就可能会产生中 频干扰。减小中频干扰的主要方法是 减小中频干扰的主要方法是:减小三极管变频特性中的 项;提高变频 器前面各级电路的选择性,抑制中频信号通过。 器前面各级电路的选择性 像频干扰,若以本振频率 为基准,则在频率轴上,正常输入信号频率 和干扰 若以本振频率 正常输入信号频率 信号频率 将分列于 两侧 两侧,并距 的距离相等(均为中频) 两者互为镜像,所 ,两者互为镜像 以这种干扰称为像频干扰。 以这种干扰称为像频干扰 抑制像频干扰的方法是提高变频器前面各级的选择性 提高变频器前面各级的选择性 和提高中频频率。 组合副波道干扰, 如果变频器前的高频放大器具有非线性特性, 如果变频器前的高频放大器具有 , 则当频率为 的干扰信号 (t)通过高频放大器时 通过高频放大器时,将产生 的各次谐波,用 n 表示。抑制 这种干扰的方法是提高高频放大器的频率选择性, 这种干扰的方法是提高高频放大器的频率选择性 减小高频放大器非线性和减少 变频器传输特性中的谐波分量。 变频器传输特性中的谐波分量 组合频率干扰,是由变频器的非线性形成的 是由变频器的非线性形成的。符合 fi = mf1 ± nfs 的组合频 率,恰为中频频率,这些组合将通过中频放大器形成干扰 减小组合频率干扰的 这些组合将通过中频放大器形成干扰。减小组合频率干扰的 方法是:合理选择变频器工作状态 合理选择变频器工作状态,减小传输特性中的谐波分量; ;限制输入信号

v c(t )的幅度;适当选择中频频率 使其避开变频过程中可能产生的组合频率。 适当选择中频频率,使其避开变频过程中可能产生的组合频率
交叉调制干扰,发生这种干扰时好像干扰电台的声音调制在欲接收电台信号 发生这种干扰时好像干扰电台的声音调制在欲接收电台信号 的载波上,是由于变频电路和高频放大器的非线性输出输入特性产生的 是由于变频电路和高频放大器的非线性输出输入特性产生的。减小干 是由于变频电路和高频放大器的非线性输出输入特性产生的 扰的主要措施是提高高频放大器和变频器输入电路的选择性, 扰的主要措施是提高高频放大器和变频器输入电路的选择性 尽可能使干扰信号 不进入变频电路或高频放大器,显示高频放大器输入信号幅度,以使高频放大器 不进入变频电路或高频放大器 以使高频放大器

和变频器基本工作于线性状态。 互相调制,如果接收机前端电路的选择性不好,致使两个或更多个干扰信号一 起加到接收机的输入端,则由于放大器的非线性作用,是干扰信号彼此混频,可 能产生频率接近有用信号频率的互调干扰分量,进入检波器差拍检波后,产生哨 叫声。用提高前端电路选择性的方法,可以有效地减少互调干扰的影响。 交调失真, 指的是频率接近有用信号频率且幅度比较大的干扰信号对接收机性 能的影响。产生的原因是由于信号的非线性。 ( 4) 正弦波振荡器原理及本地振荡信号的产生 振荡器是一种不需外加激励而能自动将直流能量变为周期性交变能 量的装置。基本构成:一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网 络;一个具有能量变换(或放大)作用的换能机构;一个有助于补 充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路;一个对振荡 强度具有自动调整作用的非线性元件。 事实上, 在晶体管正弦振荡器中, 晶体管既起着能量变换的作用, 又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。 下面主要介绍互感耦合 LC 振荡电路的震荡特性

由反馈振荡器的传递函数

H 0(s ) = T(s ) =

V 0(s ) A(s ) = VS (s ) 1 ? A(s )F(S )

Vf (s ) = A(s )F (s ) Vi(s ) V 0(s ) A(s ) = VS (s ) 1 ? T(s )
得到产生震荡的条件为

H 0(s ) =

1 ? T (s ) = 0 进而得到振荡器起振条件为 震荡平衡条件为: AF>1

A(ω0 )F(ω0 ) = 1

∑ ?(ω ) = ?
0

0

+ ?f = 2n π

震荡的稳定条件包含幅度稳定和相位稳定两种 其幅度稳定条件为: ?? ?f

dA < 0 dVI

相位稳定条件为:

< 0
f = f0

另外可以用自给偏置装置加速震荡进入平衡状态的过程。 重点介绍一下反馈型振荡电路中的三点式振荡电路。 三点式振荡器是指 LC 回路 三点式振荡器 的三个端点与晶体管或场效应管三个电极直接连接的一种振荡器。

可得出三点式振荡器中三个电抗元件应该满足的要求: (1) X ce 与 X be 应为同一性质的电抗; (2) X cb 应与 X ce , X be 的电抗性质相反。 下面是典型的电容耦合 电容耦合三点式振荡器,即考毕兹振荡器。 电容耦合

另一种是自耦变压器耦合 自耦变压器耦合三点式振荡器,即哈特莱振荡器 自耦变压器耦合

震荡条件不再分析,与上同。 另一种很重要的振荡器是晶体振荡器 它指利用石英晶体的压电和反压电效应对 晶体振荡器, 晶体振荡器 正弦振荡频率进行控制的振荡器。 它的突出优点是可以产生频率稳定度和准确度 很高的正弦波振荡器。

其等效电路为:

Lq1

Lqn

Lq

C0
Cq1 Rq1 Cqn Rqn

C0
Cq Rq

晶振有并联和串联两类 并联形式电路如下:

有分析可以得到

ω0 =

1

LqC Σ

=

1

Lq

C q(C 0 + C L ) C q + (C 0 + C L )

= ωq 1 +

Cq C0 + CL

Cq C0 + CL
(1 + X )
1

<< 1
1 X +? 2

2

= 1+

ω0 ≈ ωq[1 +

] 2 C0 + CL ) (

Cq

串联型晶振和并联型晶振分析方法相同,不再重复。 ( 5) 调制与解调的分析 调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消 息载体,以便于传输和处理。解调是调制的逆过程,从消息载体中还原出原来 的消息。 在通信系统中,调制是一个基本环节,可以将不同的信号分在同一信道中 传输而互不影响,例如频分复用,还可以降低干扰对信号传输的影响,例如扩

频调制。 调制按不同的分类方法可以分为很多种,这里主要介绍正弦调制。正弦调制有 幅度调制、频率调制、相位调制三种基本方式,后两种合称为角度调制。 首先介绍幅度调制, 包括标准幅度调制、 双边带幅度调制、 单边带幅度调制、 残留便带幅度调制、政教幅度调制等。下面进行一一介绍。 标准幅度调制 假定调制信号为:v f (t ) = V ?m cos ? t
载波信号为:v c(t ) = Vcm cos ωct

vAM (t ) = (Vcm + K AV?m cos ?t ) cos ωc t = Vcm (1 + mA cos ?t ) cos ωc t = Vcm cos ωc t + mAVcm cos ?t cos ωc t
1 1 = Vcm cos ωc t + mAVcm cos ( ωc + ? ) t + mAVcm cos (ωc ? ? ) t 2 2
式中 m A =

K AV ?m 称为调幅指数 Vcm

波形和频谱分别为:
? ?m

V f ( jω )

Vc ( jω )

?m

ω

? ωc VAM ( jω ) 下边带

ωc

ω

上边带

ωc ωc ? ?m ωc + ?m

ω

得到调幅波效率为: ηAM 实现载波调制电路为:

2 mA 边带功率 = = Ps / PAM = 2 总功率 2 + mA

解调应采用相干解调,电路如下:

也可以采用非相干解调方法:有以下三种 小信号平方律解调,平均包络解调,大信号峰值包络解调 大信号峰值包络解调应用最多,示意图如下:
1 .5

1

0 .5

0

-0 . 5

-1

-1 . 5 -2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

抑制载波调幅 与标准条幅相比,抑制载波调幅信号中没有载波分量,所占带宽与标准 调幅信号相同。 时域表达式为:

v DSB(t ) = kv f (t )(Vcm cos ωct ) = k(V ?m cos ? t )(Vcm cos ωct )

频域表达式为:

v DSB(ω ) =

1 1 Vf [j(ω ? ωc )] + Vf [j(ω + ωc )] 2 2

其调制和解调电路为:

v DSB(t ) × cos ωct = v f (t )cos ωct × cos ωct = v f (t )(cos ωct )2 = v f (t )

1 + cos 2ωct 2

由于抑制载波调幅信号中不含固定的载波分量, 由于抑制载波调幅信号中不含固定的载波分量 因而不能应用平均值包络检波法 因而不能应用平均值包络检波法。 之能应用同步解调。另一种方法是平方率解调 另一种方法是平方率解调,电路如下。

单边带调幅 经研究发现, 从有效传输信息的角度看, 从有效传输信息的角度看 双边带调幅只需要传送一个边带就够了 双边带调幅只需要传送一个边带就够了。 只传送一个边带的调幅信号称为单边带调幅。可取上边带或者下边带 只传送一个边带的调幅信号称为单边带调幅 可取上边带或者下边带。 调制信号如下:

?1 1 ? Vf [j(ω + ωc )] + Vf [j(ω ? ωc )] 2 VSSB(j ω ) = ? 2 ?0 ?
做傅里叶变换后得到:

ω > ωc ω ≤ ωc

v SSB(t ) =

v f (t )
2

cos ωct ?

v? (t ) f
2

sin ωct

v? (t )为 v f (t )的希尔伯特 的希尔伯特(Hilbert)变换。 f
希尔伯特(Hilbert Hilbert)变换

( f? t ) =


1

π





?∞

f(t ) dτ t ?τ

F (ω ) = ?jF (ω ) sgn (ω ) = F (ω ) H (ω )

得到v SSB(t ) =

V ?M cos ?t
2

Vcm cos ωct ?

V ?M sin ?t
2

Vcm sin ωct

单边带调制电路如下:

相移法实现的方法为:

v SSB(t ) =

V ?m cos ?t
2

Vcm cos ωct ?

V ?m sin ?t
2

Vcm sin ωct

=
电路如下

1 V V cos(ωc + ?) t 2 ?m cm

cos ? t

cos? t cos ω c t cosωct



2



2

Σ
sin ω c t sin ? t sin ω c t

v SSB (t )

sin ? t

单边带调幅信号的幅度包络不反映调制信号的波形。 对单边带调幅信号,只能使用同步解调方法。 残留边带调幅 如前所述,从有效传递信息的角度,单边带调幅是各种调服方式中最好的。但 是它的实现很复杂,而且不适宜传送带有直流分量的信号。为此在单边带调幅和 双边带调幅之间找到了一种折中方式,这就是残留边带调幅。采用的是,互互补 对称的特性构成的滤波器,得到调幅波。 除此之外还有正交调制,原理类似,不再重复。

角度调制 正弦波的瞬时频率或瞬时相位随调制信号变化的调制,统称为角度调制。角度调 制包括两种频率调制和相位调制。 角度调制调制前后频率分量不是线性对应关系, 而是经调制将原来的频谱扩展 到非常宽的频率范围,之内,所以属于非线性调制 角度调制在时间域的特点是,幅度不变,仅相位或角度改变。 信号为 vc ( t ) = Vcm cos φc ( t ) = Vcm cos ( ωc t + θ 0 )

φc ( t ) = ωc t + θ 0 称为全相角,也即瞬时相位。
ω (t ) = d ? (t ) dt
称为瞬时角频率。

调频波的基本形式如下:

v FM (t ) = Vcm cos ?F (t ) = Vcm cos ωct + K F ∫ v f ( λ ) d λ + θ0
t
0

(

)

( V)

调相波的基本形式如下: v PM (t ) = Vcm cos ?P (t )

= Vcm cos ωct + K Pv f (t ) + θ0

(

)

( ) V

时域波形如下所示:

调频和调相波的主要参数如下表所示
频率调制 瞬时角频率 附加相位 全相角 相位调制

ω F (t ) = ω c + K F v f (t )

ω p (t ) = ω c + K p dv f (t ) / dt θ P (t ) = K P v f (t ) φ p (t ) = ωc t + K P v f (t ) + θ 0

θ F (t ) = K F ∫ v f (λ )dλ
0

t

φ F (t ) = ω c t + K F ∫ v f (λ )dλ + θ 0
0

t

已调信号

v FM (t ) = V cm cos[ φ F (t )]

v PM ( t ) = V cm cos[ φ p ( t )]

mF =

KV ?ω = F ?m ? ?

m P = K PV ?m

?ω = K FV ?m ?ω = m P ? = K PV ?m ? 以调频波 调频波为例展开讲述一下角度调制的基本原理。 调频波 调制信号为单频余弦波v f (t ) = V ?m cos ?t
调频波可表示为 vFM (t ) = cos[ωc t + mF sin ? t ] (V ) 展开得到 vFM (t ) = cos ωc t cos(mF sin ? t ) ? sin ωc t sin(mF sin ? t ) 用贝塞尔函数展开进一步得到 (V )时,

vFM (t ) = J 0 (mF ) cos ωc t + J1 (mF )[cos(ωc + ?) t ? cos(ωc ? ?) t ] + J 2 (mF )[cos(ωc + 2?) t + cos(ωc ? 2?) t ] + J 3 (mF )[cos(ωc + 3?) t ? cos(ωc ? 3?) t ] +? =
n =?∞

∑J



n

(mF ) cos(ωc + n?) t

由贝塞尔函数的性质可以对调频波的频带宽度进行讨论。 分为三种情况: 第一种情况, m F << 1 ,此时有 m F + 1 ≈ 1 ,

BW 0.1 ≈ 2F
把这种情况的频率调制称为窄带调频

第二种情况, m F >> 1 , 1,这时 m F + 1 ≈ m F ,

BW 0.1 ≈ 2?fm
把这种情况的频率调制称为宽带调频。又称为恒定带宽调频。 把这种情况的频率调制称为宽带调频 第三种情况,mF 介于前两种情况之间 介于前两种情况之间。这时,调频波的带宽由 Δf 和 F 共同确 定

BW 0.1 ≈ 2(m F + 1)F = 2(?fm + F )
当输入多个正弦或余弦信号时,分析方法类似,进行多阶贝塞尔函数的展开 当输入多个正弦或余弦信号时 进行多阶贝塞尔函数的展开,可 以得出类似的结论,不在重复 不在重复。 频率调制有两种方法,直接调制和间接调制 直接调制和间接调制。 直接调制用变容二极管实现,调制电路如下 直接调制用变容二极管实现

间接调频利用调频波与调相波之间的关系 先将调制信号进行积分处理,再进行 利用调频波与调相波之间的关系,先将调制信号进行积分处理 调相而得到调频波。

调频波的解调有多种方法,下面对其进行一一介绍。 调频波的解调有多种方法 过零点检测法,利用瞬时频率高时过零点的数目多 瞬时频率低时,过零点数目 过零点检测法 利用瞬时频率高时过零点的数目多,瞬时频率低时 少。电路和波形如下

调幅—调频法 调频波的频率变化与调制信号成正比 所以变换后信号的幅度变 调频波的频率变化与调制信号成正比, 调幅—调频法, 化也与调制信号成正比。 。然后用幅度解调器解调,即可得到所需信号 即可得到所需信号。

v FM (t ) = VCM cos[ωct + K F ∫ v f (λ ) λ + θ0 ] d
0

t

t dv FM (t ) d = VCM cos[ωct + K F ∫ v f (λ ) λ + θ0 ] d 0 dt dt

= VCM [ωc + K Fv f (t )]cos[ωct + K F ∫ v f (λ ) λ + θ0 + d
0

t

π
2

]

示意波形变化如下:

调相-调频法 使相位变化与频率成正比,然后用相位检波器解调 调相-调频法,使相位变化与频率成正比 然后用相位检波器解调,可得到所需 信号。

初始信号延时后得到:

v FM (t ? t0 ) = cos[ωc(t ? t0 ) + m F sin ?(t ? t0 )]

(V )

如果 t0 的值较小,Ωt0 ≤ 0.2(rad),即要求延时 t0≤ 0.2/Ω Ωt 0.2/Ω, 则上式可展开并简化为: 则上式可展开并简化为

v FM (t ? t0 ) = cos[ωct + m F sin ?t ? ωct0 ? m F ?t0 cos ?t )]
继续进行检波,即可实现解调 即可实现解调。 锁相环路解调法, 锁相环路解调法

由分析计算最终可以得到其等效方程为:

从而实现解调。 相位调制的解调比较简单,用相位检波器即可实现,不再重复。 (6)至此,模拟域超外差接收机已经全部介绍。原理也已经全部讲述,但并不 是十分的详细。还要通过其他的参考书进行进一步的学习,另外还要特别注意今 后的应用。

数字接收机原理
数字接收机,简称接收机,俗称机顶盒,是以卫星通信网络作为传输平台,以电 I m = gVim (1 ? cosθ ) 视机作为用户终端的设备。 目前常用的接收机是数字卫星接收机 (DVB-S) 它 的 , 基本功能是接收数字广播节目,它集中体现了多媒体、计算机、数字压缩编码、 解扰算法、加解密算法、通信技术 和网络技术发展水平。 卫星电视接收机是指将卫星降频器 LNB 输出信号转换为音频视频信号或者射频 信号的电子设备。模拟卫星电视接收机--接收的是模拟信号,目前因为大部分信 号均已经数字化,基本已经绝迹。数字卫星电视接收机--接收的是数字信号,是 目前比较常用的接收机,又分插卡数字机,免费机,高清机等。

卫星电视接收机电路组成: 一台最基本的卫星电视接收机,通常应包括以下几个部分:电子调谐选台器、中 频放大与解调器 、信号处理器、伴音信号

卫星电视接收机电路组成电路组成: 解调器、前面板指示器、电源电路。插卡数字机还包括卡片接口电路等。 1、电子调谐选台器。其主要功能是从 950-1450MHz 的输入信号中选出所要 接收的某一电视频道的频率,并将它变换成固定的第二中频频率(通常为 479.5MHz),送给中频放大与解调器。 2、中频 AGC 放大与解调器。这将输入的固定第二中频信号滤波、放大后, 再进行频率解调,得到包含图像和伴音信号在内的复合基带信号,同时还输出一 个能够表征输入信号大小的直流分量送给电平指示电路。 3、 图像信号处理器。 它从复合基带信号中分离出视频信号, 并经过去加重、 能量去扩散和极性变换等一系列处理之后,将图像信号还原并输出。 4、 伴音解调器。 它从复合基带信号中分离出伴音副载波信号, 并将它放大、 解调后得到伴音信号。 5、面板指示器。它将中频放大解调器送来的直流电平信号进一步放大后, 用指针式电平表、发光二极管陈列式电平表或数码显示器,来显示接收机输入信 号的强弱和品质。 7、电源电路。它将市电经变压、整流、稳压后得到的多组低压直流稳压电 源,为本机各部分及室外单元(高频头)供电。 卫星电视接收机系统原理 数字卫星电视是近几年迅速发展起来的, 利用地球同步卫星将数字编码压缩 的电视信号传输到用户端的一种广播电视形式。主要有两种方式。一种是将数字 电视信号传送到有线电视前端, 再由有线电视台转换成模拟电视传送到用户家中。 这种形式已经在世界各国普及应用多年。 另一种方式是将数字电视信号直接传送 到用户家中即:Direct to Home(DTH)方式。美国 Direct TV 公司是第一个应 用这一技术

卫星电视预览 的卫星电视营运公司。与第一种方式相比,DTH 方式卫星发射功率大,可用较小 的天线接收,普通家庭即可使用。同时,可以直接提供对用户授权和加密管理, 开展数字电视,按次付费电视(PPV) ,高清晰度电视等类型的先进电视服务,不 受中间环节限制。 此外 DTH 方式还可以开展许多电视服务之外的其他数字信息服 务,如 INTERNET 高速下载,互动电视等。 DTH 在国际上存在两大标准,欧洲的标准 DVB-S 和美国标准 DigiCipher。但 DVB 标准逐渐在全球广泛应用,后起的美国 DTH 公司 Dish Network 也采用了 DVB 标准。 组成 一个典型的 DTH 系统由六个部分组成: 1)前端系统(Headend) 前端系统主要由视频音频压缩编码器,复用器等组成。前端系统主要任务是 将电视信号进行数字编码压缩,利用统计复用技术,在有限的卫星转发器频带上 传送更多的节目。DTH 按 MPEG-2 标准对视频音频信号进行压缩,用动态统计复 用技术,可在一个 27MHz 的转发器上传投啻?0 套的电视节目。 2)传输和上行系统(Uplink) 传输和上行系统包括从前端到上行站的通信设备及上行设备。 传输方式主要 有中频传输和数字基带传输两种。

接收机(18 张) 3)卫星(Satellite) DTH 系统中采用大功率的直播卫星或通讯卫星。由于技术和造价等原因,有 些 DTH 系统采用大功率通讯卫星, 美国和加拿大的 DTH 公司采用了更为适宜的专

用大功率直播卫星(DBS) 。 4)用户管理系统(SMS) 用户管理系统是 DTH 系统的心脏,主要完成下列功能:小编推荐 A. 登记和管理用户资料。 B. 购买和包装节目。 C. 制定节目记费标准及用户进行收费。 D. 市场预测和营销。 用户管理系统主要由用户信息和节目信息的数据库管理系统以及解答用户 问题,提供多种客户服务的 Call Center 构成。 5)条件接收系统(CA) 条件接收系统有两项主要功能: A. 对节目数据加密。 B. 对节目和用户进行授权。 目前国际上 DTH 系统所采用的条件接收系统主要有: 美国 NDS, 以色列 Irdeto, 法国 Via Access,瑞士 Nagra Vision 等。 美国 Direct TV 公司以及采用 Direct TV 技术的加拿大 Star Choice 公司使 用的是 NDS 条件接收系统; 美国 Dish Network Echostar)公司以及采用 Echostar ( 技术的加拿大 Bell ExpressVu 公司使用的是 NagraVission 条件接收系统。 6)用户接收系统(IRD) DTH 用户接收系统由一个小型的碟形卫星接收天线(Dish)和综合接收解码 器(IRD)及智能卡(Smart Card)组成。 IRD 负责四项主要功能: A. 解码节目数据流,并输出到电视机中。 B. 利用智能卡中的密钥(Key)进行解密。 C. 接收并处理各种用户命令。 D. 下载并运行各种应用软件。 DTH 系统中的 IRD 已不是一个单纯的硬件设备,它还包括了操作系统和 大量的应用软件。目前较成功的 IRD 操作系统是 Open TV。美国 Dish Network 公司已开始逐步升级用户的 IRD 为 Open TV 系统。

三总结和分析
通信系统中的发送与接收设备是系统的核心, 其中所用的信号处理技术技术和电 路技术都在迅速发展。 总体上说, 发送与接收设备是为了使基带信号在信道中有效和可靠的传输而设 置的。 它的主要任务是对基带信号进行处理, 使之适宜于所采用信道的传输特性。 不同通信系统的发送、接收设备的组成是不同的。具体可分为模拟接收机和数 字接收机,这两种接收机在上文中都有所展开。 从个人角度讲,我对模拟域的接收机是较为熟悉的。从高频电路、DSP 原理、信 号与系统、随机过程、信息论基础等课程中对相关理论都有所涉及,对具体的理 论推导我也很熟悉,所以篇中我没有具体展开。对数字部分我以前没有涉及过, 但通过学习,我已经有了一些了解。通过这部分知识的学习我也意识到了自己知 识的缺乏,以后要加倍努力,加强知识的学习和运用。


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