通信系统/调幅接收机

调幅接收机

目前最常用的接收机是超外差式接收机。它们包含

• 天线
• 射频放大器
• 本地振荡器和混频器
• 中频段
• 检波器和放大器

当人们考虑到更简单且不足的 TRF 或调谐射频放大器时，就可以看到这些子系统的必要性。

TRF 放大器

可以设计一个射频放大器，使其仅接受一个狭窄的频率范围，例如 AM 频段上的一个广播电台。

通过调整调谐电路的中心频率，可以排除所有其他输入信号。

AM 频段范围约为 500 kHz 到 1600 kHz。每个电台需要 10 kHz 的频谱，虽然基带信号只有 5 kHz。

回想一下，对于调谐电路：$Q={\frac {f_{c}}{B}}$。RLC 网络中的中心或谐振频率通常通过改变电容值来调整。然而，当中心频率调整时，Q 仍然保持大致不变。这表明带宽随着电路的调谐而变化。

例如，在 AM 频段的低端选择一个广播电台所需的 Q 大约为

$Q={\frac {f_{c}}{B}}={\frac {500\;kHz}{10\;kHz}}=50$

当调谐电路调整到 AM 频段的高端时，得到的带宽为

$B={\frac {f_{c}}{Q}}={\frac {1600\;kHz}{50}}=30\;kHz$

这么高的带宽可能会通过三个相邻的电台，因此无法进行有意义的接收。

为了防止这种情况，将传入的射频信号异频转换到一个固定的中频（IF）并通过一个恒定带宽电路。

超外差接收机

射频放大器将射频信号放大到混频器。它具有宽带调谐，可以同时放大多个射频电台，而不是仅放大一个射频电台。它还放大了任何输入噪声，甚至会贡献一些自身的噪声。

混频器的另一个输入是由本地振荡器产生的高频正弦波。在调幅接收机中，它始终高于所需电台载波频率 455 kHz。理想的混频器将结合传入的载波与本地振荡器以产生和频和差频。.

真正的混频器将两个信号结合起来，并产生一系列新的频率

• 直流电平

• 原始两个频率

• 两个输入频率的和与差

• 两个输入频率的谐波

• 所有谐波的和与差

由于射频放大器同时通过多个广播电台，因此混频器输出可能非常复杂。但是，唯一真正感兴趣的信号是所需电台载波频率与本地振荡器频率之间的差。这个差频也称为中频 (IF)，它始终为 455 kHz。通过将其通过以 455 kHz 为中心的 10 kHz 带通滤波器 (BPF)，可以消除大部分不需要的信号。

本地振荡器频率

由于混频器产生和频和差频，因此如果本地振荡器高于或低于中频，都可以产生 455 kHz 的中频信号。不可避免的问题是哪种更可取。

情况一 本地振荡器高于中频。这将要求振荡器从 (500 + 455) kHz 调谐到 (1600 + 455) kHz，或者大约 1 到 2 MHz。通常，在调谐的 RLC 电路中，改变电容值以调整中心频率，而保持电感不变。

由于$f_{c}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {LC}}}}$

求解 C，我们得到$C={\frac {1}{L\left({2\pi f_{c}}\right)^{2}}}$

当调谐频率最大时，调谐电容最小，反之亦然。由于我们知道要创建的频率范围，我们可以推断所需的电容范围。

${\frac {C_{\max }}{C_{\min }}}={\frac {L\left({2\pi f_{\max }}\right)^{2}}{L\left({2\pi f_{\min }}\right)^{2}}}=\left({\frac {2\;MHz}{1\;MHz}}\right)^{2}=4$

制作一个容量变化比为 4:1 的电容器在技术上是完全可行的。

情况二 局部振荡器频率低于中频。 这需要振荡器频率从 (500 - 455) kHz 调谐到 (1600 - 455) kHz，也就是大约 45 kHz 到 1145 kHz，在这种情况下

${\frac {C_{\max }}{C_{\min }}}=\left({\frac {1145\;kHz}{45\;kHz}}\right)^{2}\approx 648$

制作一个具有这种调谐范围的可调电容器在实际应用中不可行。 因此，标准 AM 收音机中的局部振荡器频率高于广播频段。

镜像频率

就像有两个振荡器频率可以产生相同的中频一样，两个不同的电台频率也可以产生相同的中频。 不需要的电台频率被称为镜像频率。

如果无线电前端的任何电路存在非线性现象，则有可能其他频率组合也会产生中频。 一旦镜像频率进入混频器，就无法将其去除，因为它现在与所需的电台频率混频到同一个中频频段。

AM 解调

AM 解调主要有两种基本类型：相干解调和非相干解调。 在这两种类型中，非相干解调方法更简单。

• 非相干解调不依赖于载波信号的再生。 通过二极管和音频滤波器可以去除或检测出信息或调制包络。
• 相干解调依赖于载波信号的再生，并将其与 AM 信号混频。 这会产生和频和差频。 差频对应于原始调制信号。

这两种解调技术都存在一定的缺点。 因此，大多数无线电接收机采用这两种技术的结合。

包络检波器

包络检波器仅仅是一个半波整流器，后面跟随一个低通滤波器。 在商用 AM 收音机的情况下，检波器放置在中频段之后。 此时载波频率为 455 kHz，而最大包络频率仅为 5 kHz。 由于纹波分量频率几乎是最高基带信号频率的 100 倍，因此它不会通过任何后续的音频放大器。

载波频率仅为包络频率 10 倍的 AM 信号将具有明显的纹波。

同步检波器

在同步检波器或相干检波器中，输入的 AM 信号与原始载波频率混频。

如果你觉得这看起来很像一个混频器，那你就完全正确了！ 同步检波器是指两个输入之间的差频为 0 Hz 的情况。 换句话说，两个输入频率相同。 让我们来验证一下数学计算。

回想一下，AM 输入可以用以下数学公式定义：

$e_{am}=\underbrace {\sin \omega _{c}t} _{\rm {Carrier}}+\underbrace {{\frac {m}{2}}\sin \left({\omega _{c}-\omega _{m}}\right)t} _{{\rm {Lower}}\;{\rm {Sideband}}}-\underbrace {{\frac {m}{2}}\sin \left({\omega _{c}+\omega _{m}}\right)t} _{{\rm {Upper}}\;{\rm {Sideband}}}$

在乘法器输出端，我们得到

${\rm {mixer}}\;{\rm {out=}}e_{am}\times \sin \omega _{c}t=\underbrace {-{\frac {m}{2}}\sin \omega _{m}t} _{{\rm {Original}}\;{\rm {Modulation}}\;{\rm {Signal}}}\underbrace {-{\frac {1}{2}}\sin 2\omega _{c}t-{\frac {m}{4}}\sin \left({2\omega _{c}-\omega _{m}}\right)t+{\frac {m}{4}}\sin \left({2\omega _{c}+\omega _{m}}\right)t} _{{\rm {AM}}\;{\rm {signal}}\;{\rm {centered}}\;{\rm {at}}\;{\rm {2}}\;{\rm {times}}\;{\rm {the}}\;{\rm {carrier}}\;{\rm {frequency}}}}}$

可以滤除高频分量，只留下原始调制信号。

这种技术有一个严重的缺陷。问题是如何创建精确的载波频率。如果频率不精确，整个基带信号将被偏移差值。仅仅 50 赫兹的偏移将使人声无法识别。可以使用 PLL（锁相环），但要为整个 AM 频带制作一个可调谐 PLL 并不容易。

因此，大多数无线电接收机使用振荡器来创建固定的中频。然后是包络检波器或固定频率 PLL。

平方检测器

平方检测器也是一种同步或相干检测器。它避免了必须重新创建载波的问题，因为它只需对输入信号进行平方运算。它本质上使用 AM 信号本身作为一种宽带载波。

乘法器的输出是输入 AM 信号的平方。

$\left({e_{am}}\right)^{2}=\left({\sin \omega _{c}t+{\frac {m}{2}}\sin \left({\omega _{c}-\omega _{m}}\right)t-{\frac {m}{2}}\sin \left({\omega _{c}+\omega _{m}}\right)t}\right)^{2}$

由于输入正在乘以 ${\sin \omega _{c}t}$ 分量，结果差值项之一是原始调制信号。这种方法的主要困难是试图创建一个线性、高频乘法器。