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Fig 00

認識你的收發機 (構造篇)

No.33   1995 Oct.   p34~37,   by 陳錫棋 Nelson Chen, BV6ER, P.O. Box 20-71 Tainan



    早期無線電機器設備的功能和構造比較簡單,操作時需要很多人為的調整,甚至還使用獨立的設備,分別操作發射和接收,對使用者非常不方便。除了自製的機器之外,現在廠製的無線電收發機都具有較多功能,而且發射和接收電路都在同一部機器內,使用上非常方便。可是,功能的增強,也相對的讓使用者加多了困擾,例如使用特殊功能的時機、效果、和限制,如果使用不當,甚至會造成反效果。

    因此,對收發機先有深入的了解,爾後在使用時,才能充分發揮應有的性能。本文將逐步向大家介紹,以增加對收發機構造、規格、和功能……等有關知識的了解。

    收發機的一切特性、規格、和功能都源於硬體構造,只要構造的電路固定下來,則規格和功能也隨之而定,所以,硬體構造是收發機的根本;不過,使用者卻經常把它當做一個黑箱,只了解其功能和規格,而往往忽略了硬體構造。因此,我們先從收發機的硬體構造開始介紹:


收發機的構造

    收發機接收部份的訊號由低頻率提升到高頻率,由低位準提升到高位準;而發射部份的訊號由高頻率降低到低頻率,由高位準降低到低位準。

    其實,接收和發射部份的構造極為相似,只不過訊號的流程方向相反而已,請參照圖 1。由於接收和發射部份構造的類似,使得部份的電路可以收發共用,例如振盪器、濾波器等。

Fig 01
圖 1:收發機的構造方塊圖

    收發分離式無線電機器的最大缺點,就是收發頻率不易取得一致,也就是有「零差拍」 (Zero Beat) 的問題。這一點對現在的收發機來說,完全沒有問題,因為不論在接收或者發射部份,各級混頻電路所需的振盪器都是共用的。

    決定收發頻率的訊號源既然相同,所以接收或發射的頻率得以保證完全一致。雖然如此一來,收發機就只能做單工操作,無法同時接收和發射,但在業餘的領域堙A本來就是用單工模式工作,所以沒有影響。

    目前市面上的收發機,都有數個最新的直接數位合成器 DDS (Direct Digital Synthesizer) 作為振盪器,產生純淨、準確、和穩定的振盪訊號,可保證頻率準確度和穩定度。這種直接數位合成器 DDS,可以說是目前收發機的心臟。

Fig 02

    DDS 由微電腦控制,以數位的方式輸入相位累加器,定出相位取樣點。每一點經過查表得到波幅值,由數位到類比轉換器輸出其類比電壓值,一點一點的合成正弦波形,然後經過低通濾波器,得到純正的正弦波,參照圖 2。而第一次變頻級的本地振盪器 (1ST OSC/VFO),就是決定接收或發射頻率的可變頻率振盪器 (VFO)。


發射部份的電路

    收發機的發射部份,其性能的需求是個混附的發射訊號和穩定的發射頻率。而定義其電路最主要的是各種調變模式的調變方法。目前所看到的收發機都是採用如下的調變方法:
■單邊帶 (SSB) 模式 = 平衡調變
■調幅 (AM) 模式 = 低位準調變
■調頻 (FM) 模式 = 電抗調變

    實際上,這些調變方法,當訊號做調變時,都還在低位準 (小訊號)的階段。由於採用混頻方式將調變過的訊號提升至工作頻率,而不採用倍頻方式,所以邊帶寬度不會變寬,使低位準調變的調幅 (AM) 模式變為可行。

    聲頻訊號從微音器 (MIC) 轉換成電能的訊號,經過放大器 (MIC AMP) 的放大之後,進入調變級,再依不同的調變模式做調變。茲分述如下:

Fig 03

    一、單邊帶 (SSB) 模式: 使用平衡調變器 (BAL MOD),將聲頻訊號和載波振盪器 (CAR OSC) 產生的載波訊號混合,得到不含載波訊號的雙邊帶訊號。因為只需要上下邊帶其中的一個,使用適當的晶體濾波器 (XTAL FILTER) 濾除不必要的一個邊帶,取得單邊帶 (SSB) 訊號。這個邊帶濾波器是單邊帶調變電路堳D常重要的一個部份,必須有足夠陡的過渡頻帶斜率,以濾掉另一個邊帶,參照圖 3。

    二、調幅 (AM) 模式: 使用調幅調變器 (AM MOD),將聲頻訊號和載波振盪器 (CAR OSC) 產生的載波訊號混合,得到含有載波訊號和雙邊帶訊號的調幅訊號。調幅調變器和平衡調變器相似,但其輸出會包含載波相上下邊帶,而不會將載波消除掉,參照圖 4。

    三、等幅波 (CW) 模式: 使用拍頻振盪器 (BFO) 產生載波頻率和側音 (Side Tone) 合成的訊號。側音頻率為音頻範圍,通常是可設定值。一般收發機都設定在 700Hz 或 800Hz,這就是接收 CW 訊號時,使用者耳朵所聽到的頻率。

    四、調頻 (FM) 模式: 使用受聲頻訊號控制的可變電抗電路,並聯在晶體振盪器的諧振電路上,組成一個電壓控制的晶體振盪器 (VCXO),從輸出取得調頻訊號。因此得以用電抗調變的方法,做調頻 (FM) 的直接調變。

Fig 05

    電抗電路就是在輸出端的電壓對電流呈現超前 90 度 (電感性) 或落後 90 度 (電容性) 的關係,類似電抗特性的電路,其電抗值可由輸入電壓來控制。這個電抗電路 (通常是電容性) 和決定振盪器頻率的石英晶體並聯,隨著輸入電壓的改變,改變電抗電路的等效電抗值,再改變振盪器的頻率,達到直接頻率調變的效果,參照圖 5。

    調變過的訊號送入中頻放大器 (IF) 放大,將中頻訊號和振盪器 (OSC) 產生的本地振盪訊號在混頻器中混合,取出這兩種頻率的和,將頻率提升。這種使用變頻器提升頻率的步驟,視機種的不同,可能有二至四次之多。最後一次變頻級的本地振盪器,也就是決定發射頻率的可變頻率振盪器 (VFO)。

    在一連串的中頻放大和頻率提升之後,將調變過訊號的電壓位準提高到相當程度,這就是發射部份最主要的訊號電壓放大電路,同時也將訊號頻率提升到所要的發射頻率。

    此時,訊號送入驅動器 (Driver),再次提高功率位準;最後送入功率放大器 (PA),做最後的功率提升。以往的功率放大器都使用真空管元件,目前已改用電晶體甚至 MOS 場效電晶體元件,額定功率發散值則多為 100W,除非是旗艦級的機種才有 150W 或 200W。

    最後經過阻抗匹配的低通濾波器 (LPF),把訊號饋送至天線,將電的訊號轉變成電磁波的形式,向空間輻射出去。最後階段的阻抗匹配電路是發射部份非常重要的一環。如果天線和發射輸出電路阻抗匹配不良,造成高駐波比 (SWR),不但發射效率打折扣,而且過大的反射訊號會倒灌,可能會傷害到最後一級的功率放大器,釀成嚴重的損失。


接收部份的電路

    收發機的接收部份,其性能的需求是高靈敏度以接收微弱訊號,和良好選擇性以排除雜訊干擾。而定義其電路最主要的是變頻次數的多寡和各級中頻的頻率。

    變頻級包含混頻器和本地振盪器兩個部份。同樣的,將訊號和本地振盪訊號在混頻器中混合,取出這兩種頻率的差,將頻率降低。目前收發機的變頻次數都是從二到四次 (圖 1 是二次變頻電路),其各級中頻的頻率如表 1。

  第一中頻 第二中頻 第三中頻 第四中頻
二次變頻 > 40MHz 455KHz    
三次變頻 > 40MHz ≒ 10MHz 455KHz  
四次變頻 > 40MHz ≒ 10MHz 455KHz 100KHz
表 1:收發機各級中頻的頻率

    須要多次變頻的原因是因為混頻後的中頻放大電路,如果中頻頻率較高,則較不易遭受影像頻率的干擾,可是中頻放大器的增益會較低,穩定性較差。反之,如果中頻頻率較低,則中頻放大器的增益較高,穩定性較佳,可是較易遭受影像頻率的干擾。為了顧及影像頻率的干擾問題,在前級變頻電路採用較高的中頻頻率。另一方面,又為了顧及中頻放大器的增益和穩定性,在後級變頻電路採用較低的中頻頻率。

    中頻放大電路乃是最主要的訊號放大增益來源,也是整個收發機接收部份極重要的一環。多次變頻電路逐級將訊號頻率降低,是目前收發機接收部份一致採用的方式,正如收發機發射部份的逐級特訊號頻率提升一樣。

    射頻電磁波從天線 (ANT) 轉換成射頻的電訊號,經過射頻放大器 (RF) 的放大。射頻放大器的功能在放大非常微弱的射頻訊號,其雜訊指數 (NF) 是主要的設計考慮。較低的雜訊指數,有較高的接收靈敏度 (Sensitivity),也就是有助於接收較微弱的射頻訊號。同時,有射頻放大器的存在,也有助於降低影像頻率的干擾,和減少本地振盪訊號經由天線逸出的機會。

    訊號經過射頻放大器的放大之後,進入變頻級。如前所述,訊號和本地振盪訊號在混頻器中混合,將訊號頻率改變至中頻頻率,再送入中頻放大器放大。這種混頻後降低頻率並放大的步驟,視機種的不同,可能有二至四次之多。最先一次變頻級的本地振盪器,也就是決定接收頻率的可變頻率振盪器 (VFO)。混頻動作的不當,有可能會造成三階的互調變 (Intemodulation),造成互調變失真 IMD。第一變頻級通常採用雙平衡式的環狀蕭特基 (Schottky) 二極體或 FET 混頻器,以降低產生 IMD 的機會。在一連串的中頻放大和頻率降低之後 ,將訊號的電壓位準提高,這就是發射部份最主要的訊號電壓放大電路。

Fig 06

    中頻放大器除了負責訊號電壓的放大之外,其級間的帶通濾波器 (IF Filter) 也是消除干擾雜訊最主要的工具。具有多種頻寬選擇的中頻濾波器,可使接收到的訊號更為清晰。接收的選擇性 (Selectivity) 就是由中頻濾波器的通頻帶頻寬和過渡帶 (介於通頻帶和拒斥帶之間的過渡頻帶) 頻率響應的斜率來決定,參照圖 6。頻寬窄,過渡帶頻率響應的斜率較陡峭,則排斥干擾雜訊的能力較強,選擇性較佳。

    調頻模式的訊號在進入最後一次變頻級之前,另外分途送到限幅器和 FM 解調器 (FM DEMOD,又稱鑑頻器),還原成聲頻訊號。其他 SSB、AM、和 CW 模式的訊號,則從最後一次變頻級後的中頻放大器送到解調器 (PROD DET,又稱檢波器)。SSB 訊號本身不含載波訊號,CW 訊號則為了取得可聽的側音頻率,分別需要有載波振盪器 (CAR OSC) 產生的載波訊號和拍頻振盪器 (BFO) 產生的拍頻訊號,加入解調器以還原成聲頻訊號。

    載波振盪器和拍頻振盪器其實都是同一個振盪器,只不過當做拍頻振盪器時,其振盪頻率與載波頻率相差為側音頻率 (700Hz 或 800Hz) 而已。調幅模式的訊號則本身已含有載波訊號,故不需載波訊號的加入,即可解調還原成聲頻訊號。

    解調還原後的聲頻訊號,最後送入聲頻放大器 (AF) 將聲頻訊號放大,其輸出用來驅動揚聲器 (SP) 或耳機,完成所有的接收步驟。 END



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