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ASH:放大器顺序混合型接收机. [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2003-12-27
  近年来几家半导体厂家推出了一些用于遥控和数据传输的vhf/uhf频段单片接收机,小小的芯片和少量的外围元件就可以获得相当高的灵敏度,有些芯片根据国外的频率分配,配合微功率发射设备工作在433mhz。下面是有关原理简介。

  一百年前意大利人马可尼和俄罗斯人波波夫发明无线电的时候,他们的接收机利用简单的金属粉末检波器直接将天线接收到的射频信号的幅度检测出来,转换成直流或者低频信号。由于检波器等解调电路要求输入信号达到一定幅度才能正常工作,所以这种射频信号不经放大就进行解调的直接解调式接收机灵敏度很低,只能接收近处的强信号。

  1906年人类制成了第一只三极电子管,1947年又制成了第一只晶体管,这些器件都可以放大电信号。利用这些放大器件,人们制成了先将天线收到的微弱射频信号加以放大,再进行解调的无线电接收机。这种带有射频放大级的直接放大式接收机的灵敏度有了显著提高。为了得到足够高的灵敏度,有的收音机具有两级或更多级的射频放大器,20年代的商品收音机就经常采用这种方式。但是射频信号频率高,放大后的信号很容易窜过电极或导线间的分布电容串回放大器的输入段,形成自激振荡,所以多级直接放大式的接收机不但需要良好的屏蔽和各级选频回路的统调,而且射频放大器的总放大倍数和整机稳定性之间往往很难兼顾好,限制了灵敏度的提高。

  早期的电子管很昂贵。为了使用较少的电子管得到较高的射频信号放大量,人们发明了再生式收信机,把射频放大器输出信号的一部分有控制地正反馈到输入端。当需要接收调幅话音或乐音信号时,把正反馈量调整到将要自激振荡、但还没有起振的临界点;当需要接收等幅电报信号时,把正反馈量调整到刚刚起振的一点,使本机振荡和外来信号形成差拍。借助于适当的正反馈,信号在放大器件中反复得到放大,使简单的接收机也可以获得较高的灵敏度。30年代到40年代初期许多商品收音机和收报机就是再生式的。遗憾的是,接收频率、电源电压、天线位置等条件发生变化都会影响再生式接收机的临界振荡点,因此需要经常调整反馈量以保持最佳工作点。接收机除了调谐、音量旋钮外还必须设一个再生调整旋钮,使用起来需要反复调节,很不方便。一旦反馈工作点调得不适合,产生的自激振荡还会从天辐射出去,造成干扰。

  为了解决再生式接收机需要不断调整的麻烦,人们又发明了超再生式接收机,就是在再生式接收机的基础上增加一个淬熄电路,一方面使正反馈量加大到足以自激振荡的程度,另一方面给器件加上一个超音频的偏置,使放大器的工作点不断在自激振荡和截止关断之间切换,这样电路由于较强的正反馈而具有很强的放大作用,但又没有完全进入自激振荡状态,其平均工作点受到输入射频信号的控制。只要工作点的变化速度在超音频范围,不会影响人耳对音频信号的分辨。这种超再生接收机只要一级射频电路就可以得到很高的灵敏度,不但可以接收调幅信号,也可以接收调频信号。超再生接收方式常见用于早期的超短波接收机。例如志愿军在朝鲜战场使用的702型超短波步谈机的接收部分就是用一只射频放大电子管构成的超再生电路,后面加一级音频放大。五十年代我国广播爱好者制作的早期电视伴音接收机,无线电遥控爱好者制作的遥控接收机,以及一些廉价玩具对讲机,很多都是超再生式的。但超再生接收机有三个致命的缺点:一是选择性较差,不能选择接收频率相近的信号,只能用于信号占用频带较宽的超高频段;二是没有信号时会输出强烈的咝咝声;三是向外反向辐射信号,实际上成为一个电磁污染源;因此这种接收机现在已经不多见了。

  为了解决射频信号放大量和电路稳定性之间的矛盾,超外差式接收机成为40年代末商品广播及通信接收机的主流。超外差接收机通过一次(或多次)变频电路将射频信号的频率变换成另一个(或多个)中间频率。由于射频信号的总放大量被分配在射频和中频的不同频率的电路中,最终的输出信号即使寄生耦合到最前级的输入端也不致引起自激寄生振荡,大大提高了接收机可以稳定工作的灵敏度。同时,固定的中间频率也简化了各级调谐电路之间的统调,采用适当的中频和谐振回路可以大大改善接收机的选择性。超外差式接收机至今仍是中波、短波和超短波接收机的主要型式。从电影《永不消逝的电波》中的李侠以及《英雄儿女》中王成所使用的电台的接收机,到今天的商品电视机、对讲机和绝大部份广播收音机和专业通信接收机,基本上都是超外差式的。

  超外差接收机虽然在灵敏度和选择性方面都有较高的性能,但是它的电路结构比较复杂,尤其是变频过程中会发生镜频干扰、本振谐波寄生响应以及其它的互调干扰,为了消除它们,需要插入各种适当的滤波器。

  随着半导体器件制造工艺的进步,现在可以制造出一些增益既高、又可稳定工作的单片射频放大器,以及可以对微弱信号直接解调的器件,因此移动电话的接收机电路又开始摆脱超外差的型式,回到直接解调的型式,以省去消除变频所产生的干扰所需要的滤波器,降低生产成本。

  上述的直接解调式(包括带或不带射频放大器)、再生式、超再生式、超外差式几种接收机在四十年代以后成为构成无线电接收机家族的主要成员。

  但是最近这个家族又添了一个全新的成员,即“放大器顺序混合型接收机”,英文名称为“amplifier-sequenced hybrid receiver”,缩写为ash接收机。

  如果说超外差接收机是依靠把信号的总增益分配在不同频率上来隔离放大器的输入和输出端以实现高增益下的稳定性,那么ash接收机的基本思路是把信号的总增益分配在不同放大器的不同工作时间段上来隔离放大器的输入和输出端。
 

(此处为图,图在下面)


  在ash接收机的框图中,天线接收到的射频信号先经过声表面带通滤波器saw bpf滤除有用频带以外的干扰信号,然后送到rfa1。

  rfa1和rfa2分别为两节工作于信号频率范围的射频放大器,总增益可以高达80分贝,即功率放大倍数为100,000,000倍。通常在这样高的增益下,输出信号只要有一点点寄生反馈到输入端,都会破坏电路的稳定。

  然而,在ash接收机中这两级放大器不是同时接通的。脉冲发生器pg产生两个频率相同、时间上不相重叠的脉冲。例如,p1的宽度为0.5微秒。p1结束后p2才到来,p2的宽度为0.55微秒。p1的下一个周期必须等p2结束后才开始。rfa1和rfa2两个放大器都被设计成可以快速关断或者恢复,p1和p2分别控制rfa1和rfa2的偏置以实现顺序切换工作。

  rfa1的输出信号通过一个延迟时间为0.5微秒的声表面延迟线器件saw dly耦合到rfa2的输入端。第一个p1周期内rfa1放大的射频信号送出到延迟线后,rfa1就关断了。而这时这个信号经过延迟线正好开始到达rfa2,这时rfa2被p2打开,信号被继续放大,

  随着p1-p2脉冲周期的周而复始,天线接收到的微弱射频信号被一段一段地重复采样,并得到放大。只要脉冲重复频率大大高于调制信号频率,最后解调得到的信号只要经过简单低通滤波器的平滑化处理,就可以恢复原来面目。

  框图中的det/lpf是检波电路和低通滤波器,对被放大的射频信号进行解调,并滤去p1和p2的频率分量。

  从上面的叙述的工作原理可以看出,当rfa2输出信号时,rfa1已经被关断,即使有任何寄生耦合使rfa2输出信号反馈回rfa1输入端,也不会被循环放大而造成寄生振荡,所以放大器处于无条件的稳定状态。

  p2的宽度要比p1大出10%是因为考虑到信号经过声表面滤波器时在时间轴上会被展宽一些。

  美国单片射频公司(rf monolithic)生产的rx系列单片接收机和tr系列单片收发两用机就是ash接收机的典型应用范例。这是为短距离传输通-断式键控(ook)数据或者幅度键控(ask)数据而设计的。接收频率由片内的声表面带通滤波器决定,可以在300mh到900mhz段内的若干频点中选择。天线接收到的信号先经过声表面滤波器选频。因为没有超外差接收机的镜频干扰和本振谐波寄生响应,rfm公司单片ash接收机在偏离接收频率5%以外的所有频率上的干扰抗拒性可以轻而易举地达到85分贝而无需使用任何附加的射频元器件。由于ash接收机的射频电路极其稳定,放大器增益可以做得很高,根据rfm公司的指标,它的ash接收芯片在接收2.4kbpsook数据误码率为10-4时的灵敏度是-100分贝毫瓦,即0.05微伏左右,这是相当高的灵敏度。为了使接收芯片适应不同强度的信号,片内加入了幅度检测和自动增益控制,当信号较强时自动将rfa1的增益由35分贝压低到5分贝。此外rfa2内部各级连接成对数放大特性,加上检波电路的动态特性,整个芯片的输入-输出特性在弱信号下呈平方律,强信号下呈对数律,合起来有100分贝之宽的动态范围,也就是说当输入信号在0.0001微瓦和1毫瓦的范围内变动时,接收机都不会饱和。

  ash单片接收机的外围电路十分简单,除了决定脉冲发生器频率的阻容元件,接收机芯片不需要任何外接的射频元件和去耦合电路,既不需要屏蔽,也不需要任何调整,3v供电,加上片内的数据整形等附加电路,典型耗电也不到2毫安(数据速度越高,片内数字电路耗电会略有增加),体积非常纤小。

  ash接收机和超外差接收机一样,具有自己独特的设计思路和工作原理,值得业余无线电爱好者学习、了解。