通訊系統/調幅接收機

調幅接收機

目前最常用的接收機是超外差式接收機。它們包含

• 天線
• 射頻放大器
• 本地振盪器和混頻器
• 中頻段
• 檢波器和放大器

當人們考慮到更簡單且不足的 TRF 或調諧射頻放大器時，就可以看到這些子系統的必要性。

TRF 放大器

可以設計一個射頻放大器，使其僅接受一個狹窄的頻率範圍，例如 AM 頻段上的一個廣播電臺。

透過調整調諧電路的中心頻率，可以排除所有其他輸入訊號。

AM 頻段範圍約為 500 kHz 到 1600 kHz。每個電臺需要 10 kHz 的頻譜，雖然基帶訊號只有 5 kHz。

回想一下，對於調諧電路：$Q={\frac {f_{c}}{B}}$。RLC 網路中的中心或諧振頻率通常透過改變電容值來調整。然而，當中心頻率調整時，Q 仍然保持大致不變。這表明頻寬隨著電路的調諧而變化。

例如，在 AM 頻段的低端選擇一個廣播電臺所需的 Q 大約為

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

當調諧電路調整到 AM 頻段的高階時，得到的頻寬為

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

這麼高的頻寬可能會透過三個相鄰的電臺，因此無法進行有意義的接收。

為了防止這種情況，將傳入的射頻訊號異頻轉換到一個固定的中頻（IF）並透過一個恆定頻寬電路。

超外差接收機

射頻放大器將射頻訊號放大到混頻器。它具有寬頻調諧，可以同時放大多個射頻電臺，而不是僅放大一個射頻電臺。它還放大了任何輸入噪聲，甚至會貢獻一些自身的噪聲。

混頻器的另一個輸入是由本地振盪器產生的高頻正弦波。在調幅接收機中，它始終高於所需電臺載波頻率 455 kHz。理想的混頻器將結合傳入的載波與本地振盪器以產生和頻和差頻。.

真正的混頻器將兩個訊號結合起來，併產生一系列新的頻率

• 直流電平

• 原始兩個頻率

• 兩個輸入頻率的和與差

• 兩個輸入頻率的諧波

• 所有諧波的和與差

由於射頻放大器同時透過多個廣播電臺，因此混頻器輸出可能非常複雜。但是，唯一真正感興趣的訊號是所需電臺載波頻率與本地振盪器頻率之間的差。這個差頻也稱為中頻 (IF)，它始終為 455 kHz。透過將其透過以 455 kHz 為中心的 10 kHz 帶通濾波器 (BPF)，可以消除大部分不需要的訊號。

本地振盪器頻率

由於混頻器產生和頻和差頻，因此如果本地振盪器高於或低於中頻，都可以產生 455 kHz 的中頻訊號。不可避免的問題是哪種更可取。

情況一 本地振盪器高於中頻。這將要求振盪器從 (500 + 455) kHz 調諧到 (1600 + 455) kHz，或者大約 1 到 2 MHz。通常，在調諧的 RLC 電路中，改變電容值以調整中心頻率，而保持電感不變。

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

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

當調諧頻率最大時，調諧電容最小，反之亦然。由於我們知道要建立的頻率範圍，我們可以推斷所需的電容範圍。

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

製作一個容量變化比為 4:1 的電容器在技術上是完全可行的。

情況二 區域性振盪器頻率低於中頻。 這需要振盪器頻率從 (500 - 455) kHz 調諧到 (1600 - 455) kHz，也就是大約 45 kHz 到 1145 kHz，在這種情況下

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

製作一個具有這種調諧範圍的可調電容器在實際應用中不可行。 因此，標準 AM 收音機中的區域性振盪器頻率高於廣播頻段。

映象頻率

就像有兩個振盪器頻率可以產生相同的中頻一樣，兩個不同的電臺頻率也可以產生相同的中頻。 不需要的電臺頻率被稱為映象頻率。

如果無線電前端的任何電路存在非線性現象，則有可能其他頻率組合也會產生中頻。 一旦映象頻率進入混頻器，就無法將其去除，因為它現在與所需的電臺頻率混頻到同一個中頻頻段。

AM 解調

AM 解調主要有兩種基本型別：相干解調和非相干解調。 在這兩種型別中，非相干解調方法更簡單。

• 非相干解調不依賴於載波訊號的再生。 透過二極體和音訊濾波器可以去除或檢測出資訊或調製包絡。
• 相干解調依賴於載波訊號的再生，並將其與 AM 訊號混頻。 這會產生和頻和差頻。 差頻對應於原始調製訊號。

這兩種解調技術都存在一定的缺點。 因此，大多數無線電接收機採用這兩種技術的結合。

包絡檢波器

包絡檢波器僅僅是一個半波整流器，後面跟隨一個低通濾波器。 在商用 AM 收音機的情況下，檢波器放置在中頻段之後。 此時載波頻率為 455 kHz，而最大包絡頻率僅為 5 kHz。 由於紋波分量頻率幾乎是最高基帶訊號頻率的 100 倍，因此它不會透過任何後續的音訊放大器。

載波頻率僅為包絡頻率 10 倍的 AM 訊號將具有明顯的紋波。

同步檢波器

在同步檢波器或相干檢波器中，輸入的 AM 訊號與原始載波頻率混頻。

如果你覺得這看起來很像一個混頻器，那你就完全正確了！ 同步檢波器是指兩個輸入之間的差頻為 0 Hz 的情況。 換句話說，兩個輸入頻率相同。 讓我們來驗證一下數學計算。

回想一下，AM 輸入可以用以下數學公式定義：

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

在乘法器輸出端，我們得到

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

可以濾除高頻分量，只留下原始調製訊號。

這種技術有一個嚴重的缺陷。問題是如何建立精確的載波頻率。如果頻率不精確，整個基帶訊號將被偏移差值。僅僅 50 赫茲的偏移將使人聲無法識別。可以使用 PLL（鎖相環），但要為整個 AM 頻帶製作一個可調諧 PLL 並不容易。

因此，大多數無線電接收機使用振盪器來建立固定的中頻。然後是包絡檢波器或固定頻率 PLL。

平方檢測器

平方檢測器也是一種同步或相干檢測器。它避免了必須重新建立載波的問題，因為它只需對輸入訊號進行平方運算。它本質上使用 AM 訊號本身作為一種寬頻載波。

乘法器的輸出是輸入 AM 訊號的平方。

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

由於輸入正在乘以 ${\sin \omega _{c}t}$ 分量，結果差值項之一是原始調製訊號。這種方法的主要困難是試圖建立一個線性、高頻乘法器。