二次變頻和像頻干擾

1、本文是根據(jù)上世紀(jì)八十年代初的讀書筆記整理的，筆記的內(nèi)容來自蘇聯(lián)專家在一九六零年在哈軍工的講稿，該專家在一九五三年主持設(shè)計(jì)了蘇軍舉世著名的克勞克短波通信機(jī)。一九五六年在留學(xué)美國的鄭博士帶領(lǐng)下，714成功地仿制了該機(jī)，命名為56式。本文的內(nèi)容是一九四八年建立起來的，老一輩無線電工作者非常熟悉這些常識(shí)，現(xiàn)在人們已經(jīng)遺忘了，因而在論壇里不少人質(zhì)疑它的正確性。后經(jīng)北廣的郭教授修改后，在此獻(xiàn)給廣大廣播愛好者。1、像頻干擾和危害性短波接收機(jī)存在三大干擾，同頻干擾、鄰頻干擾和像頻干擾。同頻干擾在硬件上沒有辦法解決，只能用方向性天線來避開干擾，如果干擾與接收信號(hào)來自同一方向，這種方法就失靈了。在數(shù)字信號(hào)處理中，

2、可用帶內(nèi)陷波器減輕和消除同頻干擾，這只能在DSP中用軟件實(shí)現(xiàn)。鄰頻干擾可用同步檢波消除，電路已相當(dāng)成熟（另文介紹）。像頻干擾就得用二次或多次變頻來解決，這就是本文討論的內(nèi)容。像頻是超外差收音機(jī)特有的現(xiàn)象，在一個(gè)高差式機(jī)中，設(shè)信號(hào)頻率為fs，振蕩頻率為fc，中頻fid=fcfs，在比fs高二個(gè)中頻處就有一個(gè)頻率fm，它象是以fc為鏡子，站在fs處看到的鏡像，所以稱像頻，如圖1所示。圖1、高差式變頻的像頻像頻如果位于輸入回路的通頻帶內(nèi)，通過外差的變頻作用就會(huì)把像頻位置以及附近的電臺(tái)信號(hào)搬移到中頻帶內(nèi)，對(duì)接收信號(hào)形成干擾。如果像頻位置以及附近處無信號(hào)，就只增加了點(diǎn)噪聲，降低了信噪比；如果像頻處正好有

3、一個(gè)電臺(tái)信號(hào)，該信號(hào)就會(huì)和接收信號(hào)差拍形成嘯叫，較強(qiáng)的像頻會(huì)喧賓奪主，抑制掉輸入信號(hào)；如果電臺(tái)信號(hào)不正好在像頻處，而是在像頻附近，則會(huì)形成混臺(tái)，產(chǎn)生偏調(diào)失真。像頻對(duì)接收機(jī)的干擾主要出現(xiàn)在短波段。在中波段，磁性天線的空載Q0都在200左右，設(shè)計(jì)值一般取Q0=100，即使在中波高端，輸入回路的通頻帶也不會(huì)大于20KHz,因此中波段的像頻抑制可輕松達(dá)到30dB以上。在短波高端，如果用磁棒或框形天線，這時(shí)線圈電感只有1微亨左右,Q=6080,通頻帶約在310500KHZ，像頻干擾尚能達(dá)到1520dB。如果用拉桿天線，7085cm的拉桿天線相當(dāng)于8pF的電容與3570Q的電阻串聯(lián)，這個(gè)電路加在輸入回路上

4、后，線圈的Q值會(huì)下降到10以下，致使短波高端的通頻帶寬度會(huì)大于1.5MHz,像頻抑制會(huì)降到3dB左右。接收短波時(shí)遇到像頻干擾的概率到底有多大？全世界共有1.5萬座短波廣播電臺(tái)，而國際廣播米波段只有526個(gè)頻道，平均每個(gè)頻道上有28個(gè)電臺(tái)。當(dāng)然各個(gè)電臺(tái)會(huì)在不同的時(shí)段采用不同的頻率廣播。統(tǒng)計(jì)表明，在亞洲像頻干擾的概率是百分之三十五。2、二次變頻抑制像頻干擾的原理版主在論壇上講：比如你做一個(gè)帶寬6KHz的濾波器，中心頻率是20MHz,Q=20MHz/6KHz=3333；而你做一個(gè)帶寬455KHz的濾波器，Q=20MHz/455KHz=44,所以二次變頻就那么回事，沒必要迷信它。這段話可看成是數(shù)學(xué)對(duì)二

5、次變頻的注解。哲學(xué)家說，數(shù)字是自然科學(xué)的燈塔，公式B=f/Q的確啟發(fā)我們的前人發(fā)明了二次變頻，使我們愛好者今天仍從中得到恩賜。如圖2所示，在二次變頻中，設(shè)接收信號(hào)頻率是fs，一本振是fc1,一中頻fid1=fc1-fs，只要把一中頻fid1選取得足夠高，第一像頻fm1=fs+2fid1就遠(yuǎn)離fs，不會(huì)落入輸入通頻帶內(nèi)。二次變頻還會(huì)產(chǎn)生第二像頻fm2=fc2+fid2=fid1+2fid2，由于第二中頻頻率較低，頻通帶很窄，第二像頻不會(huì)落入帶內(nèi)；并且fm2是一個(gè)固定頻率，可用陷波或吸收回路把它徹底抑制掉?？梢?，只要選擇足夠高的一中頻，即使用拉桿天線，短波高端的像頻抑制也容易做到40dB以上。圖2

6、、高差式二次變頻的像頻3、一中頻如何選擇？二次變頻接收機(jī)中，選擇合適的一中頻對(duì)提高像頻抑制比是是至關(guān)重要的。如果一中頻選的較低，第一本振的穩(wěn)定性容易保證，但復(fù)蓋系數(shù)會(huì)大于1,振蕩頻率的范圍超過了一個(gè)倍頻程，波段變換必須改變電感，調(diào)諧機(jī)構(gòu)會(huì)復(fù)雜化。而且，像頻指標(biāo)做不好，在高端不會(huì)大于20dB。一中頻值一定要選在沒有電臺(tái)的空檔頻率上，例如中波與120和90米段之間的2MHz、3MHz等頻點(diǎn)上。二十年前生產(chǎn)的海鷗101收音機(jī)，一中頻是1.85MHz,正好位于中波高端與120米段之間。現(xiàn)在電子技術(shù)已長足進(jìn)步，再用低中頻二次變頻已沒有意義。如果中頻較高，但仍在短波頻帶內(nèi)，免不了仍要考慮頻率空檔和波段劃分

7、的麻煩。另外，在830MHz范圍廣播和通信信號(hào)密集，兩個(gè)本振及諧波產(chǎn)生的假信號(hào)，本振及諧波與100MHz以下的FM和TV信號(hào)之間互調(diào)干擾會(huì)落入短波帶內(nèi)。還有直接中頻干擾，它會(huì)長驅(qū)直入進(jìn)入中放。一本振的頻率穩(wěn)定性也突現(xiàn)出來了。因此，要在工藝上對(duì)本振屏蔽，在電路上要采用平衡和環(huán)形混頻器減少組合干擾，甚至要?jiǎng)佑脧?fù)雜的AFC技術(shù)穩(wěn)頻。近幾年來，德生和德勁的二次變頻收音機(jī)一中頻選用10.7MHz,可能考慮到有現(xiàn)成的調(diào)頻中周或陶瓷濾波器可用，免掉專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)的困難。R9700用石英晶體作一本振，DE1101用頻率合成作一本振，本振穩(wěn)定度得到了較好的解決，但假響應(yīng)、互調(diào)干擾和中頻干擾并沒有解決好。科學(xué)合理的

8、一中頻應(yīng)該選擇在HF帶外，最好遠(yuǎn)高于短波高端頻率23倍，如果高端頻率是27MHz,中頻范圍應(yīng)是5481MHz。選擇這么高的一中頻后，引起假響應(yīng)和互調(diào)的諧波頻率、直接中頻干擾頻率均在短波波段之外，對(duì)減小干擾提高信噪比極其有利，工藝要求也沒有帶內(nèi)中頻苛刻。并且一本振的頻率復(fù)蓋范圍在一個(gè)倍頻程內(nèi)，振蕩回路用一個(gè)波段就能復(fù)蓋整個(gè)短波波段，調(diào)諧連續(xù)，設(shè)計(jì)簡單。唯一的缺點(diǎn)是對(duì)一本振的頻率穩(wěn)定度要求極高，只有用頻率合成技術(shù)才能滿足要求，在機(jī)械調(diào)諧機(jī)中實(shí)現(xiàn)起來成本很高。4、二次變頻的假響應(yīng)二次變頻使接收機(jī)具有優(yōu)良的像頻抑制比，但電路里有兩個(gè)本振和二個(gè)混頻器，如果它們的頻譜不純，相互之間屏蔽不好，距離太近。二個(gè)

9、本振頻率以及它們的諧波之間就會(huì)發(fā)生互調(diào)，產(chǎn)生等于二中頻的假信號(hào)，接收機(jī)對(duì)這些信號(hào)沒有選擇性，會(huì)直接響應(yīng)這些信號(hào)，所以稱假響應(yīng)。假信號(hào)如果落在電臺(tái)的廣播頻率上，就會(huì)和電臺(tái)頻率產(chǎn)生差拍嘯叫，如果假信號(hào)很強(qiáng)，甚至?xí)呀邮招盘?hào)干擾掉，這和干擾臺(tái)的原理相同。即是假信號(hào)處無電臺(tái)頻率，假信號(hào)本身是無調(diào)制的等幅信號(hào)，又不受輸入回路的衰減，會(huì)直接竄入中放而降低信噪比。假信號(hào)頻率可以精確的計(jì)算出來，它等于j亠血醐人+喘甘湖m一般一本振的13次諧波和二本振的25次諧波組合成的假信號(hào)對(duì)帶內(nèi)一中頻二次變頻機(jī)影響較大。當(dāng)m=1,2,3。n=2,3,4,5,fid1=10.7MHz，fid2=455KHz時(shí)，計(jì)算出部分假信

10、號(hào)頻率見表1。表1:假信號(hào)頻率表mnfs(MHz)12s111.6*/10.71323.33/22.31235.577*/5.8052411.8375*/11.38252516.7325/16.2775357.74/7.437大在國際短波米段內(nèi)由于假響應(yīng)的影響，帶內(nèi)中頻二次變頻接收機(jī)設(shè)計(jì)中考慮的因素較多，首先要求本振波形好，不產(chǎn)生諧波。其次，最好把本振和混頻分別屏蔽起來，二個(gè)本振之間的空間距離要足夠遠(yuǎn)。PCB設(shè)計(jì)要走弧線，采用淚滴焊盤，避免硬拐角等。電路設(shè)計(jì)上要采用對(duì)稱性很高能抵消諧波的混頻器，而且不能用開關(guān)式混頻器來提高信噪比。從這些要求看出，二次變頻更適合用于體積較大的收音機(jī)中，例如軍機(jī)和

11、臺(tái)式機(jī)。5、二變與廣播電臺(tái)的互調(diào)干擾二次變頻除了假響應(yīng)以外，米波段的FM廣播、電視臺(tái)圖像和伴音射頻信號(hào)、通訊機(jī)信號(hào)與一本振及諧波互調(diào)，也會(huì)產(chǎn)生頻率等于中頻的干擾信號(hào)，這種干擾也對(duì)采用帶內(nèi)一中頻的二次變頻機(jī)非常不利。設(shè)fB是外來廣播信號(hào)，互調(diào)干擾頻率是j厶亠（滋血Em一般一本振的14次諧波產(chǎn)生互調(diào)較大，故m=2、3、4時(shí)，計(jì)算出本振諧波與電視和調(diào)頻廣播產(chǎn)生的一部分互調(diào)干擾頻率如表2。表2：互調(diào)干擾信號(hào)頻率表mfB(MHz)fs(MHz)283.75(TV-4,伴音)25.825383.75/77.25(TV-4,伴音/圖像)13.65/9.82483.75/77.25(TV-4,伴音/圖像)7.

12、56/5.94388.190.4(FM)15.115.7399.5100(FM)18.919.03107.3108(FM)21.521,7注：互調(diào)干擾全部在國際短波米段內(nèi)解決米波信號(hào)互調(diào)的方法除屏蔽一本振外，還可在天線和輸入回路之間插入一個(gè)100K30MHz的高斜率帶通濾波器，或030MHz的低通濾波器。最好把高頻頭（高、混、振）全屏蔽，防止強(qiáng)信號(hào)直接竄入混頻產(chǎn)生互調(diào)。6、二次變頻與靈敏度的誤區(qū)一些書刊和一些廠商的產(chǎn)品資料上講，二次變頻能有效地提高靈敏度，它們的理由是二次變頻增加了一中放和高放，檢波之前的增益增大了，故使收音機(jī)的靈敏度提高了。這個(gè)概念是錯(cuò)誤的，短波接收機(jī)的靈敏度是由天線收到的噪

13、聲電平和接收機(jī)所產(chǎn)生的噪聲電平所決定，短波段宇宙噪聲可以忽略，故使用拉桿天線這種電場型天線接收機(jī)的靈敏度可用下面公式計(jì)算式中K是波爾斯曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，RA是天線的等效電阻，Bn是接收機(jī)通頻帶寬度，F(xiàn)n是接收機(jī)的噪聲系數(shù)，D是聲音的最低分辨率，相當(dāng)于信噪比。可以看出當(dāng)帶寬和信噪比確定后，只能從減小天線等效電阻和降低噪聲系數(shù)入手去提高靈敏度。如果用加大增益的方法去提高靈敏度結(jié)果會(huì)適得其反，高增益使機(jī)器的本底噪聲劇增，使接收機(jī)喪失了鑒別微弱信號(hào)的能力，也縮小了動(dòng)態(tài)范圍?，F(xiàn)代IC收音機(jī)的中放增益遠(yuǎn)高于二級(jí)晶體管中放的增益，但接收靈敏度反不如后者，就是一個(gè)實(shí)例。用目前的器件和技術(shù)，短波靈敏度的極限

14、值約為0.6微伏，要超越這個(gè)門檻，提高的幅度和花費(fèi)的成本將呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)接收機(jī)使用磁場性天線如磁棒天線和框狀天線時(shí)，為了測試方便，改用場強(qiáng)計(jì)量靈敏度，于是公式變成he是天線的等效高度。磁性天線的等效高度是毗丄f$畑ax其中k是與線圈長度和位置有關(guān)的參數(shù)，f是頻率，S線圈截面積，N是線圈圈數(shù)，ct是磁棒的軸心導(dǎo)磁率?？蛐吞炀€的有效高度是hec=kfSN可見應(yīng)用磁場性天線時(shí)，提高靈敏度除了減小天線等效電阻和降低噪聲系數(shù)外還應(yīng)盡可能提高天線的等效高度。因?yàn)樵诖艌鲂蕴炀€中天線和線圈合為一體，還應(yīng)該從輸入回路入手，減少LC回路的插入損耗，天線與輸入回路的匹配等等。用這些方法才能設(shè)計(jì)出高靈敏度的機(jī)器，這在

15、一次變頻和二次變頻的機(jī)器上都是適用的，而與變頻次數(shù)無關(guān)。上世紀(jì)八十年代，超動(dòng)態(tài)寬頻響電路的發(fā)明人之一的曹錦馨老師，曾為邊疆部隊(duì)設(shè)計(jì)過一個(gè)一次變頻的小型便攜式中、短波收音機(jī)春雷3P5,它的20分貝靈敏度指標(biāo)如下：中波：0.06mV/m（200mmMX磁棒）短1：0.030.04mV/m（3.98.5MHz,45mmNX40磁棒+600cm2方框）短2：0.0220.035mV/m（8.518MHz,高Q線圈+600cm2方框）2.23pV（8.518MHz,85cm拉桿）動(dòng)態(tài)范圍：不小于500mV/m單信號(hào)選擇性：5560dB這是一臺(tái)比超動(dòng)態(tài)寬頻響廉價(jià)的優(yōu)秀機(jī)器，雖然動(dòng)態(tài)和頻響不如前者，但靈敏度

16、極高，結(jié)構(gòu)極其簡單，它的靈敏度指標(biāo)不但使當(dāng)時(shí)的軍機(jī)和專業(yè)通訊機(jī)汗顏，即使現(xiàn)代的DSP接收機(jī)也甘拜下風(fēng)。遺憾的是當(dāng)年主管當(dāng)局認(rèn)為3P5偷聽敵臺(tái)太清楚了，沒有批準(zhǔn)生產(chǎn)。7、二次變頻與選擇性的誤區(qū)認(rèn)為二次變頻能提高選擇性的理由是它具有更多的選頻回路，所以選擇性好。嚴(yán)格地講這種說法也是錯(cuò)誤的。圖3是描述超外差收音機(jī)選擇性的嗩吶模型。從模型看出，通頻帶最窄的位置是讓有用信號(hào)通過，通頻帶較寬的位置是阻止鄰頻信號(hào)通過。為滿足第一個(gè)功能，可以增加選頻回路的數(shù)量，因?yàn)榭傔x擇性等于每個(gè)LC回路選擇性值的分貝之和。從表面上看，二次變頻有較多的LC回路，但依靠LC數(shù)量提高的選擇性只表明了對(duì)有用信號(hào)偏移中心頻率的衰減能

17、力，稱單信號(hào)選擇性，符合模型的第一功能。因?yàn)樵谑章爮V播時(shí)每個(gè)頻道都可能有信號(hào)存在，我們不但要求處于通帶中心的接收信號(hào)要清晰可聞，而且還要求偏離中心士9KHz或10KHz的鄰頻信號(hào)不能與接收信號(hào)產(chǎn)生差拍嘯叫，這是模型的第二個(gè)功能，而且是衡量選擇性好壞的關(guān)鍵功能。于是在接收機(jī)指標(biāo)中又定義了雙信號(hào)選擇性,用以衡量鄰頻對(duì)中心頻率的互調(diào)程度。只有單信號(hào)選擇性和雙信號(hào)選擇性都好的機(jī)器才能收臺(tái)清楚，同時(shí)抑制鄰頻干擾的能力也強(qiáng)。圖3、通頻帶的嗩吶模型無論在一次和多次變頻的接收機(jī)中，提高雙信號(hào)選擇性都是要設(shè)法減小混頻電路之前的非線性，這比提高單信號(hào)選擇性要困難得多。八十年生產(chǎn)的特級(jí)收音機(jī)紅燈738,實(shí)測單信號(hào)選

18、擇性是60分貝，雙信號(hào)選擇性只有46分貝，這是做得好的實(shí)例；上無三廠的春雷3T9樣機(jī)在測試中竟出現(xiàn)單信號(hào)選擇性55分貝，雙信號(hào)選擇性只有3分貝的極端情況。在短波接收機(jī)中，無論采用一次或多次變頻，雙信號(hào)選擇性一般至少比單信號(hào)選擇性低12分貝，這4倍之差也是全世界短波機(jī)設(shè)計(jì)者艱難攀登的高峰。鄰頻信號(hào)鄰頻信號(hào)中心信號(hào)鄰頻信號(hào)鄰頻信號(hào)8、二次變頻的另類用途今天，二次變頻也是其它一些新技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)，在有些情況下，一種先進(jìn)的技術(shù)只能在某一特定頻率段上才能實(shí)現(xiàn)時(shí)，二次變頻就變成了一個(gè)橋梁。在FM廣播中，信噪比與頻偏成正比，于是在高檔FM調(diào)諧器中，把FM中頻3倍頻，偏頻提高到3倍，不費(fèi)吹灰之力信噪比就提高1

19、0分貝。當(dāng)頻偏大幅度增加后，原來常用的相位鑒頻器和比例鑒頻器沒有這這么寬的線性范圍，就必須采用直線鑒頻特性的脈沖計(jì)數(shù)鑒頻器。但是這種鑒頻器的工作頻率一般在3MHz以下，于是采用二次變頻把高中頻變成低中頻，而頻偏并沒有改變，使脈沖鑒頻器的優(yōu)勢得以發(fā)揮。例如，TechnicsST-G7調(diào)諧器就是這樣做的。還記得那臺(tái)NRD-545嗎？它采用了三次變頻技術(shù)，中放之后的信號(hào)用DSP處理，這就必須用一個(gè)帶通Z-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器把中頻信號(hào)量化，而在1998年之前世界上還沒有研究出這種ADC，市面上只有低通Z-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，于是采用三次變頻把455KHz的二中頻變成20.22KHZ的三中頻，就能用低通ADC把三中頻量化。在這里三次變頻成了數(shù)字處理的橋梁。類似的例子很多，二次變頻的眾多用途，使它的蹤影在現(xiàn)代短波接收機(jī)中隨處可覓。9、抑制像頻干擾的其它技術(shù)