无线电接收机

无线电接收机(,亦称receiver、无线电收信机)是一种电子装置,用于接收无线电波并将其所承载的资讯转换为可用的形式。它必须与天线配合使用。天线的作用是拦截无线电波(即无线电频率的电磁波),并将其转换为微弱的交流电流,再传送至接收机。接收机则负责从中撷取所需资讯:透过电子滤波器分离出目标的无线电频率信号,同时排除天线所接收的其他干扰信号;接着利用电子放大器增强信号功率,以便后续处理;最后经由,将原始资讯还原出来。

无线电接收机是所有基于无线电技术的系统中不可或缺的核心元件。其输出的资讯形式多样,可能为声音、影像(如电视讯号),或数字信号。接收机既可以是独立的电子设备,也可能作为电路模组嵌入于其他装置。对一般大众而言,最熟悉的类型为广播收音机,能将电台传送的声音讯号重现。由于广播收音机是历史上第一个面向大众市场的无线电应用,因此「收音机」一词常被用作无线电接收机的代称。

随着技术发展,无线电接收机的应用早已不限于广播。现代生活中,它广泛应用于电视、行动电话、、无线电时钟,以及各类通讯、遥控与无线网路系统。部分新型接收机支援数位音讯介面S/PDIF,甚至能输出至七个声道喇叭加一个重低音声道(7.1声道),并通常设有耳机插孔以供个人使用。支援立体声或环绕声的接收机在市场上价格差异显著:在美国,高品质机种可能低于200美元即可购得;而在中国,由于市场竞争激烈,部分厂商甚至推出不到10美元的低价机型,具备内建数位解码与双声道输出,并以AAA电池供电。由于接收机属于纯电子设备,不含唱盘、卡带机等机械结构,因此通常能长时间稳定运作。

原理
无线电接收器需连接天线使用。天线会将传入无线电波的部分能量转换为微小的射频交流电压,并施加至接收器的输入端。天线通常由一组金属导体构成,无线电波的振荡电场与磁场会推动天线内的电子来回运动,从而产生振荡电压。

天线的形式多样,可以封装于接收器外壳内,例如调幅(AM)收音机使用的铁氧体磁环天线,以及手机所采用的扁平倒F型天线;也可以外接于接收器,例如调频(FM)收音机使用的鞭状天线;或是独立安装,并透过电缆与接收器连接,如屋顶电视天线与卫星天线。

实际运作的无线电接收器,主要针对来自天线的讯号执行三个基本功能:滤波、放大与。

接收
无线电波的会随着与发射机的距离增加而衰减,因此接收范围受限于发射机功率、接收器灵敏度、大气与内部杂讯,以及地理障碍物(如山丘)等因素。AM广播波段的无线电波以形式传播,能沿着地球表面传送,使得数百英里外的AM广播电台仍可稳定接收。相较之下,FM波段的无线电讯号因频率较高,仅能传播至视距范围内,通常限制在约40英里(64公里),且容易受到山丘或障碍物阻挡。不过,FM广播的优势在于较不易受到无线电杂讯(如、地磁扰动、)的影响,并具备更高保真度、更佳的频率响应,以及较低的音频失真。因此,在仍保有AM广播的国家,严肃音乐多由FM电台播放,而AM电台则多以、及为主。与FM类似,DAB(数位音讯广播)讯号同样透过视线传播,因此接收范围也受限于视距,大约为30–40英里(48–64公里)。

带通滤波
中使用的带通滤波器符号]]

空气中同时存在来自不同发射器的无线电波,且可同时被天线接收。由于各无线电波频率不同,因此接收器可利用频率差异加以分离。为了撷取所需的无线电讯号,接收器会使用带通滤波器,只允许目标传输频率的讯号通过,并阻挡所有其他频率的讯号。

带通滤波器通常由一个或多个调谐电路组成,这些电路连接在天线输入端与接地之间。当输入讯号的频率等于谐振频率时,电路呈现高阻抗,使所需的电台讯号能通过并送至后级;而在其他频率下,电路呈现低阻抗,将这些不需要的讯号导向地面排除。

频宽与选择性
无线电讯号所携带的资讯并非集中在单一频率上,而是分布于载波频率(C)两侧的窄频带中,称为边带(SB)。因此,滤波器必须允许一整个频带通过,而非仅仅一个频率。接收器所能接收的频带称为(PB),其宽度(以千赫为单位)称为频宽(BW)。滤波器的频宽需要足够宽,以确保边带讯号能完整通过而不失真;但也必须足够窄,以避免相邻频率(如图中的S2)上的干扰讯号进入。接收器能有效抑制接近目标频率的干扰电台的能力称为,这是接收器的重要性能指标,由滤波器特性所决定。现代接收器常使用、陶瓷谐振器或表面声波滤波器,取代传统的电感–电容调谐电路,因其具备更佳的选择性与滤波效果。

调谐
{{multiple image
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| image1 = Modulated radio signal frequency spectrum.svg
| caption1 = 典型的AM或FM无线电发射信号的频谱由位于载波频率fC 的分量C,以及分布在载波上下两侧窄带中的调变信号(称为边带)共同构成。
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| image2 = Bandpass filtering in a radio receiver.svg
| caption2 = 带通滤波器能够从天线接收到的所有无线电信号S2、S3……中,筛选出特定的目标信号S1。图表自上而下依次显示:加在滤波器输入端Vin 的天线电压、滤波器的传递函数T,以及滤波器输出端Vout 的电压随频率f的变化。传递函数T表示在不同频率下信号通过滤波器的程度。
V_\text{out}(f) = \text{T}(f) V_\text{in}(f)
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}}

为了接收特定电台,必须将收音机调谐至目标发射机的频率。收音机上通常设有刻度盘或数位显示,用以显示所调谐的频率。调谐的实质作用是调整接收器通带的中心频率,使之与欲接收的无线电发射器频率一致。当调谐旋钮被转动时,会改变调谐电路的谐振频率;当其与电台的载波频率相符时,电路便会产生共振,使讯号顺利传送到接收器后续处理电路。

放大
的符号]]

接收天线所拾取的无线电波功率,会随着与发射天线距离的平方而急遽减弱。即使广播电台使用大功率发射机,若接收器距离发射端超过数英里,其天线所能截获的功率依然极为微弱,往往低至皮瓦(pW)甚至飞瓦(fW)等级。为了使讯号足以被处理,接收器需使用放大器电路,藉由电池或市电供应的能量,将讯号的振幅(电压或电流)放大。在大多数现代接收器中,实际负责放大功能的电子元件为电晶体。

接收器通常具有多级放大。首先,来自带通滤波器的无线电讯号会被放大,使其功率足以驱动解调器;接着,解调器输出的音讯讯号再经进一步放大,使其功率能推动耳机或扬声器,转换为可感知的声音。接收器的放大能力以一个称为的参数衡量。灵敏度定义为:天线端所需的最小讯号强度(以微伏特为单位),足以清晰接收并维持一定的讯噪比。由于讯号在技术上几乎可以被放大到任意所需的程度,现代接收器灵敏度的实际限制,多半不是放大能力不足,而是源自电路中存在的随机电子杂讯。这些杂讯可能掩盖微弱的无线电讯号,使其难以辨识。

解调
当无线电讯号经过滤波与放大后,接收器必须将调变后的射频(RF)载波中的资讯提取出来,这一过程称为解调(demodulation)。负责解调的电路称为解调器(或),不同调变方式需要不同类型的解调器。

  • 接收AM(调幅)讯号的接收器,使用AM解调器。
  • 接收FM(调频)讯号的接收器,使用FM解调器。
  • 接收FSK(频率偏移调变)的接收器,使用FSK解调器。

其他调变方式则需对应的特殊解调电路。

解调器的输出为调变讯号,通常会再经过放大,以提高讯号强度,并透过不同形式的换能器转换成人类可用的资讯:

(如广播电台的声音)会透过耳机或扬声器转换为声波。

视讯讯号(如电视的影像)会透过显示器转换为光讯号。

数位资料(如传输的资讯)则会送入电脑或微处理器,进一步与使用者互动。

AM解调
在各类解调方式中,AM解调是最容易理解的一种,也是AM收音机用来还原音讯调变讯号的核心技术。该音讯讯号代表声音,最后会由收音机的扬声器转换为声波。

AM解调通常透过一种称为包络检波器的电路实现。其基本构成包括一个二极体D与输出端的旁路电容C(见电路图)。

原始讯号(A):来自调谐电路的AM讯号是一个高速振荡的射频载波,其波幅随音讯而变化。这些波幅的缓慢变化即包含了声音讯号。然而,若将此讯号直接送入扬声器,由于波形在轴的正负两侧平均为零,扬声器振膜将不会产生净运动,因而无法发声。

二极体整流(B):当讯号作为输入VI加至检波器时,二极体D只允许电流在单一方向通过,并阻挡反向电流,等于将交流讯号整流为单向脉冲直流。经过整流后,加在负载RL上的电压VO不再平均为零,其峰值大小与音讯讯号的瞬时振幅成正比。

电容滤波(C):旁路电容C会被二极体导通时的脉冲电流充电,其电压随着脉冲峰值变化,等于追随音讯波形的包络线。电容同时具备低通滤波的效果,能消除高频的载波脉冲,仅留下低频的音讯讯号,并输出至负载RL。

最终,该音讯讯号会再经过放大,并驱动耳机或扬声器,使人能听到广播的声音。

自动增益控制(AGC)
接收机天线所接收到的,会因发射机的距离、发射功率,以及路径上的环境条件而有显著差异,强度变化甚至可能横跨数个数量级。由于无线电波在传播过程中会受到多重路径干扰等因素影响,来自同一发射机的讯号强度也会随时间起伏,这种现象称为衰落。若输入幅度过低,解调器会产生明显杂讯;若幅度过高,则可能导致放大器级过载(饱和),进而造成讯号失真或。

因此,几乎所有现代接收机都会设置自动增益控制(AGC)系统。这是一种回授控制机制,会监控检波器端无线电讯号的平均电平,并根据此电平调整放大器的增益,以确保解调器接收到的讯号保持在最佳范围内,除了少数特殊应用外,几乎所有现代无线电接收机都采用这种架构。

在超外差接收机中,来自天线的射频讯号在进入后续处理之前,会先被转换至一个较低且固定的中频(IF)。这个转换过程是透过混频完成的:射频讯号与接收机内部的(LO)所产生的未调变讯号相互混合,经由一个称为混频器的非线性电路,产生两个新频率——分别为两者频率的。外差即为所需的中频讯号。这一过程类似于两个不同频率的音符同时演奏时,会产生一个拍频。中频讯号仍保留原始射频讯号的调变边带,用于承载资讯。接着,中频讯号会通过滤波器与放大器,最后送至检波器解调,恢复出原始调变讯号。由于镜像频率通常与所需讯号相差较远,因此只需一个可调式射频滤波器即可提供足够的抑制。同时,射频滤波器还能限制进入射频放大器的频宽,避免强大的带外讯号导致过载。中频放大器则由多级精确调谐滤波器组成,专门用于抑制与目标频率相近的干扰讯号。

最关键的优势在于:在较低的中频下进行滤波,可以大幅提升选择性。这些早期的无线电接收器是原始设备,更准确地说,是无线电波「感测器」或「检测器」,因为它们只能在距离发射器约100英尺的范围内接收无线电波,不用于通信,而是作为科学实验和工程演示的实验室仪器。

火花时代
在1887年至1917年无线电最初的三十年中使用的第一批无线电发射器,是火花隙发射器,它们通过放电电容来产生无线电波。每个火花产生一个快速衰减到零的无线电波瞬态脉冲。这导致了严重的干扰问题,因为多个发射器会同时接收到。调谐电路由电容器和电感器组成,它们被调谐到发射器的频率。这使得接收器能够选择所需信号并拒绝其他信号。1892年,威廉·克鲁克斯在一次关于无线电的演讲中提出,可以利用共振来缩小发射器与接收器的频宽。如此一来,不同的发射器便能调整至不同的频率发射讯号,彼此之间就不会互相干扰。接收器同样配有一个调谐电路,透过将其调整至与发射器相同的频率,便能接收特定的讯号。此机制原理类似于将乐器调音,使其与另一件乐器产生共振。该系统构成了现代无线电技术的基础。

真空管时代
1906年,李·德富雷斯特发明了三极体真空管,这是第一个实用的放大装置,也使得四种新型调变方式成为可能:连续波(CW)无线电报、约在1915年出现的可传输音频的调幅(AM)、大约在1938年问世并大幅改善音质的调频(FM),以及单边带(SSB)。到了20世纪20年代,真空管接收机开始取代矿石收音机。由于真空管能够放大无线电信号,接收机因此具有更高的灵敏度与选择性,并能直接驱动扬声器。不过,相较于矿石收音机,真空管接收机结构更复杂、价格也更昂贵。早期的真空管接收机需要多组电源,通常由独立电池供应。直到1930年左右,随着整流管与变压器电源的发展,接收机才得以直接使用家用电源供电。

埃德温·霍华德·阿姆斯特朗是无线电接收机历史上最重要的人物之一,他在此期间发明了至今仍主导无线电通讯的技术他首次正确解释了李·德富雷斯特三极管的工作原理。他还发明了电子振荡器、、、超外差接收机以及现代调频技术。

半导体时代
半导体接收器的发明始于1947年的晶体管,彻底改变了无线电技术。晶体管收音机在1950年代后期变得可行,它们体积小、重量轻、耗电少,并且比真空管收音机更耐用。这使得便携式收音机的普及成为可能。

数位技术
发射器和接收器,可连接到不同的设备,包括、无线调制解调器、蓝牙调制解调器和GPS接收器。]]

积体电路(IC)晶片的出现,在20世纪70年代彻底改变了无线电接收器的发展。 IC的应用使得整个接收器可以被整合在单一晶片上,大幅降低了成本与体积。

当前的发展趋势,是利用晶片上的数位电路取代原本需要被动元件实现的类比功能。在数位接收器中,中频讯号会先被取样与数位化,接着由晶片上的数位讯号处理器完成带通滤波与解调等功能。数位讯号处理器的另一大优势在于,它能透过软体灵活调整接收器的通道频率、频宽与增益等特性,从而快速响应环境的变化。

其它类型的无线电接收机
高保真和家庭影院制造商
参看

  • 扬声器
  • 无线电通讯
  • 发射机
  • 矿石收音机
  • 數位聲音廣播
  • 失真
  • 電信

參考資料

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