高頻電子線路（第4版）課件 第9、10章 頻率合成技術(shù)、無線電接收與發(fā)射設備

頻率合成技術(shù)電子信息科學與電氣信息類基礎課程高頻電子線路（第4版）第九章01頻率合成器的主要技術(shù)指標近年來，隨著無線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展,對振蕩信號源的要求也在不斷提高。不但要求它的頻率穩(wěn)定度和準確度高，而且要求能方便地改換頻率。我們知道，石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度和準確度是很高的,但改換頻率不方便,只宜用于固定頻率,LC振蕩器改換頻率方便,但頻率穩(wěn)定度和準確度又不夠高。能不能設法將這兩種振蕩器的特點結(jié)合起來，既兼有較高的頻率穩(wěn)定度與準確度，而且又具有改換頻率方便的優(yōu)點呢?近年來獲得迅速發(fā)展的頻率合成技術(shù)，就能滿上述要求。頻率合成器的主要技術(shù)指標所謂頻率合成器就是利用一個(或幾個)晶體振蕩器產(chǎn)生一系列(或若干個)標準頻率信號的設備。其基本思想是利用綜合或合成的手段,綜合晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度、準確度高和LC振蕩器改換頻率方便的優(yōu)點，克服晶體點頻工作和LC振蕩的頻率穩(wěn)定度、準確度不高的缺點，而形成頻率合成技術(shù)。頻率合成器的主要技術(shù)指標其具體分類如下:頻率合成器的主要技術(shù)指標為了正確使用與設計頻率合成器,首先應對它提出合理的質(zhì)量指標。頻率合成器的使用場合不同,對它的要求也不全相同。大體來說,有如下幾項主要技術(shù)指標:頻率范圍、頻率間隔、頻率穩(wěn)定度和準確度、頻譜純度(雜散輸出或相位噪聲)頻率轉(zhuǎn)換時間等。頻率合成器的主要技術(shù)指標(1)頻率范圍是指頻率合成器的工作頻率范圍,視其用途可分為短波、超短波、微波等頻段。(2)頻率合成器的輸出頻譜是不連續(xù)的，兩個相鄰頻率之間的最小間隔,就是頻率間隔。(3)這是指頻率轉(zhuǎn)換后,達到穩(wěn)定工作所需要的時間。(4)頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時間間隔內(nèi),合成器頻率偏離規(guī)定值的數(shù)值。(5)上面已經(jīng)談到，振蕩器頻率的不穩(wěn)定表現(xiàn)為頻譜的不純。頻率合成器的主要技術(shù)指標頻率穩(wěn)定度與準確度頻率穩(wěn)定度分為長期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度與瞬間穩(wěn)定度三種，它們已在第5章中討論過，此處不再重復。這里只特別提一下瞬間頻率穩(wěn)定度，這是指在秒或毫秒時間間隔內(nèi)的頻率變化。引起瞬間頻率變化的主要因素是各種干擾與噪聲。當用頻域來描述瞬間穩(wěn)定度時,它表現(xiàn)為頻率合成器的頻譜不純。頻率合成器的主要技術(shù)指標02直接模擬頻率合成法所謂直接模擬頻率合成法是指將兩個基準頻率直接在混頻器中進行混頻，以獲得所需要的新頻率。這些基準頻率是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的。如果只用一塊石英晶體作為標準頻率源，產(chǎn)生混頻的兩個基準頻率(通過倍頻器產(chǎn)生的)彼此之間是相關(guān)的，就稱之為相干式直接合成;否則就是非相干式直接合成。此外，還有利用外差原理來消除可變振蕩器頻率漂移的頻率漂移抵消法(或稱外差補償法)，分述如下。直接模擬頻率合成法圖9.2.1為這種合成方法的原理圖。直接模擬頻率合成法非相干式直接合成器圖9.2.3是相干式直接合成器的一個實例。直接模擬頻率合成法相干式直接合成器以上兩種直接合成法的優(yōu)點是：比較穩(wěn)定可靠，能做到任意小的頻率增量，波道轉(zhuǎn)換速。它的缺點是:要采用大量的濾波器、混頻器等,成本高,體積大。又由于混頻器存在諧波成分，易產(chǎn)生寄生調(diào)制，影響頻率穩(wěn)定度。為了減少濾波器與混頻器，減少組合頻率干擾，于是提出了下面要介紹的頻率漂移抵消法(外差補償法)。直接模擬頻率合成法這種頻率合成法的工作原理可參閱圖9.2.4。直接模擬頻率合成法頻率漂移抵消法(外差補償法)應該說明,圖9.2.4只是原理性方框圖實際上用頻率漂移抵消法做成的頻率合成器還是相當復雜的,往往需要若千個環(huán)路才能組成。因而與下節(jié)即將討論的間接合成法相比，這種方法所用的混頻器與濾波器較多,同時,體積大、成本高,調(diào)試也比較復雜。直接模擬頻率合成法03直接數(shù)字頻率合成法模擬頻率合成方法是通過對基準頻率人為地進行加減乘除算術(shù)運算得到所需的輸出頻率。自20世紀70年代以來,由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展及計算機技術(shù)的普及,開創(chuàng)了另一種信號合成方法一直接數(shù)字頻率合成法(DDS,DirectDigitalFrequencySynthests)。直接數(shù)字頻率合成法在微機內(nèi),若插入一塊D/A插卡,然后編制一段小程序,如連續(xù)進行加1運算到一定值,然后連續(xù)進行減1運算回到原值，再反復運行該程序，則微機輸出的數(shù)字量經(jīng)D/A變換成小階梯式模擬量波形。直接數(shù)字合成基本原理直接數(shù)字頻率合成法現(xiàn)設幅值碼為5位,則在0°~90°范圍內(nèi)編碼關(guān)系如表9.3.1所示。直接數(shù)字頻率合成法在圖9.3.2中,時鐘CLK的頻率為固定值fc。直接數(shù)字頻率合成法信號的頻率關(guān)系量化噪聲相位和幅度量化噪聲,簡稱為量化噪聲。濾波器另一種是數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的階梯波中的雜散頻率通過非理想低通濾波器而帶來的噪聲。直接數(shù)字頻率合成法噪聲分析根據(jù)上述原理完全可以自行設計制作數(shù)字直接合成信號源,但是由一般通用集成電路(如累加器、存儲器、D/A等)搭建的系統(tǒng)性能不佳,可靠性也差。而當今由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展已有多種型號的直接數(shù)字頻率合成的DDS芯片可供選用。直接數(shù)字合成信號源實例直接數(shù)字頻率合成法下面介紹用DDS芯片AD9850組成跳頻合成信號源的方案,如圖9.3.3所示。直接數(shù)字頻率合成法(3)折線法。任意波形的產(chǎn)生方法:(5)復制法。(1)表格法。(2)數(shù)學方程法。(3)折線法。直接數(shù)字頻率合成法任意波形的產(chǎn)生方法設計舉例一、任務設計制作一個波形發(fā)生器,該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和由用戶編輯的特定形狀波形。直接數(shù)字頻率合成法示意圖如圖9.3.6所示。直接數(shù)字頻率合成法具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形的功能?；疽笥面I盤輸人編輯生成上述三種波形(同周期)的線性組合波形,以及由基波及其諧波(5次以下)線性組合的波形。具有波形存儲功能。直接數(shù)字頻率合成法輸出波形的頻率范圍為100Hz~20kHz(非正弦波頻率按10次諧波計算);重復頻率可調(diào)頻率步進間隔≤10Hz。輸出波形幅度范圍為0~5V(峰一峰值)，可按步進0.1V(峰一峰值)調(diào)整。具有顯示輸出波形的類型、重復頻率(周期)和幅度的功能。直接數(shù)字頻率合成法發(fā)揮部分(1)輸出波形頻率范圍擴展至100Hz~200kHz。(2)用鍵盤或其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形。(3)增加穩(wěn)幅輸出功能,當負載變化時,輸出電壓幅度變化不大于士3%(負載電阻變化范圍100Ω~∞)(4)具有掉電存儲功能,可存儲掉電前用戶編輯的波形和設置。(5)可產(chǎn)牛單次或多次(1000次以下)特定波形(如產(chǎn)生1個半周期三角波輸出)。(6)其他(如增加頻譜分析、失真度分析、頻率擴展>200kHz、掃描輸出等功能)。直接數(shù)字頻率合成法方案一采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038。方案二采用鎖相式頻率合成方案。方案二采用DDFS,即直接數(shù)字頻率合成方案。這是目前實際應用的任意波形發(fā)生器常采用的方案?！啊敝苯訑?shù)字頻率合成法DDFS的基本原理框圖如圖9.3.7所示。直接數(shù)字頻率合成法系統(tǒng)設計：1.總體設計；2.各模塊設計及參數(shù)計算；3.軟件系統(tǒng)；4.系統(tǒng)設計圖。直接數(shù)字頻率合成法04間接頻率合成法（鎖相環(huán)路法）這種方法沒有采用降頻電路,圖9.4.1就是它的原理方框圖。間接頻率合成法（鎖相環(huán)路法）脈沖控制鎖相法圖9.4.2是多環(huán)式減法降頻方框圖示例。間接頻率合成法（鎖相環(huán)路法）間接合成制減法降頻（模擬鎖相環(huán)路法）間接合成制除法降頻（數(shù)字鎖相環(huán)路法）這是在無線通信電臺、調(diào)頻廣播電臺、CATV電視臺、對講機系統(tǒng)等收發(fā)設備中廣泛采用的一種頻率合成方式。它的原理是：應用數(shù)字邏輯電路把VCO頻率一次或多次降低,再與參考頻率在鑒相電路中進行比較，所產(chǎn)生的誤差信號用來控制VCO的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。假定要求波道辨識能力為100Hz；則鑒相器工作頻率就取為100Hz。間接頻率合成法（鎖相環(huán)路法）謝謝觀看高頻電子線路（第4版）電子信息科學與電氣信息類基礎課程無線電接收與發(fā)射設備電子信息科學與電氣信息類基礎課程高頻電子線路（第4版）第十章01概述無線電接收與發(fā)射設備是高頻電子線路的綜合應用，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)、廣播與電視系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、無線電制導系統(tǒng)等必不可少的核心設備。無線電收發(fā)系統(tǒng)按照調(diào)制方式可分為調(diào)幅（AM）收發(fā)系統(tǒng)、調(diào)頻（FM）收發(fā)系統(tǒng)、調(diào)相（PM）收發(fā)系統(tǒng)以及它們的組合調(diào)制系統(tǒng)。實現(xiàn)上述三種基本調(diào)制方法可采用模擬調(diào)制，亦可采用數(shù)字調(diào)制方法。概述以調(diào)頻廣播為例，其接收和發(fā)射設備的典型框圖如圖10.1.1和圖10.1.2所示。概述隨著無線電通信、廣播電視、雷達、電子對抗、報警等領域的高速發(fā)展、空間各種頻率信號日益密集、復雜，對發(fā)射設備的殘波輻射（即頻譜純度）有嚴格要求，接收機的抗干擾問題也顯得非常重要。特別是臺站設備，F(xiàn)M廣播、電視是同臺共建，收轉(zhuǎn)設備與發(fā)射設備同時安放在一個機房內(nèi)，收發(fā)隔離問題就顯得特別重要。概述02無線電接收機它屬于典型的超外差接收機，由接收天線、高頻帶通濾波器、高頻放大器、本振、混頻、陶瓷濾波器、寬帶中頻放大器、鑒頻器（檢波器）、低放及功放、AFC電路和揚聲器等組成。目前已將高放、本振、混頻、中放、鑒頻、AFC、低放和功放全部集成在一個集成電路內(nèi)。無線電接收機信噪比是指在一定的輸入信號電平下，接收機的輸出端的信號電壓與噪聲電壓之比。信噪比接收機的靈敏度是指在規(guī)定的音頻輸出信雜比下，產(chǎn)生標稱輸出功率所需要的最小輸入信號電平。靈敏度①雙信號選擇性；②中頻抑制；③鏡像抑制；④俘獲比；⑤調(diào)幅抑制。接收機抗干擾指標無線電接收機（4）整機電壓諧波失真。（5）整機電壓頻率特性（簡稱頻響）。（6）中頻頻率。無線電接收機去加重國家標準要求為50μs。最大有用功率整機電壓諧波失真為10%時的輸出功率稱為最大有用功率。頻率范圍在保證整機性能技術(shù)指標的前提下，接收機能接收的頻率范圍?！啊睙o線電接收機CXA1019芯片構(gòu)成的多波段收音機CXA1019P（M）介紹CXA1019P（M）是日本索尼公司研制的單片大規(guī)模收音機優(yōu)選電路。該電路集成度高，外圍元件少，性能優(yōu)良，在我國已相當流行。該公司后來又研制的CXA1191和CXA1619也是在它的基礎上進行了個別性能的改進的新產(chǎn)品。無線電接收機詠梅898型AM/FM九波段袖珍收音機國產(chǎn)898F型AM/FM九波段袖珍收音機就采用CXA1019P集成電路，其實際應用電路如圖10.2.3所示。無線電接收機CXA1238S是日本索尼公司在20世紀80年代后期正式推出的集調(diào)幅、調(diào)頻、鎖相環(huán)立體聲譯碼等電路為一體的收音機集成電路。它在電路總體功能上完全替代了原來流行的TA三片機電路，即TA7335P、TA7640P、TA7343P。CXA1238芯片構(gòu)成的多波段收音機無線電接收機由CXA1238S組裝的鶯歌牌HP2202型AM/FM立體聲收音機電路，如圖10.2.5所示。無線電接收機03調(diào)頻發(fā)射機發(fā)射機按調(diào)制方式可分為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）和脈沖調(diào)制四大類，他們又有模擬和數(shù)字之分。這里只討論調(diào)頻發(fā)射機，因為它廣泛地應用于廣播、電視、通信、報警、遙控、遙測、電子對抗等領域中。調(diào)頻發(fā)射機現(xiàn)以調(diào)頻廣播發(fā)射機為例介紹它的組成和工作原理。其原理方框圖如圖10.3.1所示。調(diào)頻發(fā)射機調(diào)頻發(fā)射機的性能指標：①發(fā)射頻率f0和頻率范圍。②發(fā)射功率P~。③輸出阻抗。④殘波輻射。調(diào)頻發(fā)射機⑧頻率響應。添加標題⑨效率。⑤音頻輸入阻抗和電平。⑥信雜比。⑦失真度。調(diào)頻發(fā)射機FM調(diào)制器20世紀末廣泛采用以中小規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器，近幾年大規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器已經(jīng)進入市場?，F(xiàn)分別予以介紹。調(diào)頻發(fā)射機由中小規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器原理方框圖如圖10.3.2所示。調(diào)頻發(fā)射機音頻信號處理器如圖10.3.3所示。調(diào)頻發(fā)射機大規(guī)模集成塊構(gòu)成的FM調(diào)制器前面介紹利用中小規(guī)模集成塊構(gòu)成的調(diào)頻調(diào)制器，其外圍電路復雜，且性價比不太高。近幾年來已研制成大規(guī)模集成塊構(gòu)成的調(diào)頻調(diào)制器?，F(xiàn)有的大規(guī)模PLL芯片已經(jīng)可以將壓控振蕩器（VCO）、可編程分頻器、鑒頻鑒相器（FDPD）、低通有源濾波器（LPF）全部集成在一個芯塊內(nèi)。調(diào)頻發(fā)射機前置功放單元是由三個功率放大晶體管組成的三級寬帶放大器構(gòu)成的，具體電路如圖10.3.8所示。調(diào)頻發(fā)射機前級功率放大器末級功率放大器末級功放根據(jù)輸出功率不同，其輸出電路也不一樣，根據(jù)廣電總局的標準分為30W，50W，100W，300W，…，目前用全固態(tài)器件采用功率合成技術(shù)可以做到高達3000~5000W。單管輸出功率可達到100~300W。調(diào)頻發(fā)射機原理框圖如圖10.3.9所示。調(diào)頻發(fā)射機50W調(diào)頻發(fā)射機直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖10.3.17所示。調(diào)頻發(fā)射機直流穩(wěn)壓電源04系統(tǒng)設計舉例設計舉例一、任務設計并制作一個單工無線呼叫系統(tǒng)，實現(xiàn)主站至從站間的單工語言及數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。系統(tǒng)設計舉例基本要求：（1）設計并制作一個主站，傳送一路語音信號；（2）設計并制作一個從站，其接收頻率與主站相對應，從站必須采用電池組供電，用耳機收聽語音信號；系統(tǒng)設計舉例（3）當傳送信號為300~3400Hz的正弦波時，去掉收、發(fā)天線，用一個功率衰減20dB左右的衰減器連接主、從站天線端子，通過示波器觀察從站耳機兩端的接收波形，波形應無明顯失真；（4）主、從站室內(nèi)通信距離不小于5m，題目中的通信距離是指主、從站兩設備（含天線）間的最近距離；（5）主、從站收發(fā)天線采用拉桿天線或?qū)Ь€，長度小于或等于1m。系統(tǒng)設計舉例發(fā)揮部分（1）從站數(shù)量擴展至8個（實際制作1個從站），構(gòu)成一點對多點的單工無線呼叫系統(tǒng)，要求從站號碼可任意改變，主站具有撥號選呼和群呼功能；（2）增加英文短信的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，實現(xiàn)主站英文短信的輸入發(fā)送和從站英文短信的接收顯示功能；（3）當發(fā)射峰值功率不大于20mW時，盡可能地加大主、從站間的通信距離；（4）其他。系統(tǒng)設計舉