[科普中国]-超外差接收机

超外差原理于 1918 年由 E.H.阿姆斯特朗首次提出。它是在外差原理的基础上发展而来的，外差方法是将输入信号频率变换为音频，而阿姆斯特朗所提出超外差方法是将输入信号频率变换为超音频，所以称之为超外差。1919 年利用超外差原理制成超外差接收机，至今仍广泛应用于远程信号的接收，并且已推广应用到测量技术等方面。超外差接收机，有效解决了原来高频放大式接收机输出信号弱、稳定性差的问题，且输出信号具有较高的选择性和较好的频率特性，易于调整。同时，超外差接收机也有电路复杂和存在像频、组合频率、中频干扰等问题。随着数字信号技术的发展，解决这些问题的主要方法是提高高频放大器的选择性和对采取二次变频方式1。

超外差原理如图1。本地振荡器产生频率为 的等幅正弦信号，输入信号是一中心频率为 的已调制频带有限信号，通常 。这两个信号在混频器中变频，输出为差频分量，称为中频信号， 为中频频率。图2表示输入为调幅信号的频谱和波形图。输出的中频信号除中心频率由变换到fi外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。超外差原理的典型应用是超外差接收机。从天线接收的信号经高频放大器放大，与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频，得到中频信号，再经中频放大、检波和低频放大，然后送给用户。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率 的方法使混频后的中频 保持为固定的数值。1

接收机的输入信号往往十分微弱（一般为几微伏至几百微伏），而检波器需要有足够大的输入信号才能正常工作。因此需要有足够大的高频增益把输入信号放大。早期的接收机采用多级高频放大器来放大接收信号，称为高频放大式接收机。后来广泛采用的是超外差接收机，主要依靠频率固定的中频放大器放大信号。

和高频放大式接收机相比，超外差接收机具有一些突出的优点。

①　容易得到足够大而且比较稳定的放大量。

②　具有较高的选择性和较好的频率特性。这是因为中频频率是固定的，所以中频放大器的负载可以采用比较复杂、但性能较好的有源或无源网络，也可以采用固体滤波器，如陶瓷滤波器（见电子陶瓷）、声表面波滤波器（见声表面波器件）等。

③　容易调整。除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与本地振荡器的谐振回路统一调谐之外，中频放大器的负载回路或滤波器是固定的，在接收不同频率的输入信号时不需再调整。

超外差接收机的主要缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等(见混频器)。例如，当接收频率为 的信号时，如果有一个频率为的信号也加到混频器的输入端，经混频后也能产生的中频信移动公式号，形成对原来的接收信号 的干扰，这就是像频干扰。解决这个问题的办法是提高高频放大器的选择性，尽量把由天线接收到的像频干扰信号滤掉。另一种办法是采用二次变频方式。

二次变频超外差接收机的框图如图4。第一中频频率选得较高，使像频干扰信号的中心频率与有用输入信号的中心频率差别较大，使像频信号在高频放大器中受到显著的衰减。第二中频频率选得较低，使第二中频放大器有较高的增益和较好的选择性。2

超外差接收机一是具有很大的接收动态范围；二是具有很高的邻道选择性和接收灵敏度。为了抑制很强的干扰，使其具有良好的选择性，一般可以在混频器前面和后面分别安装一个预选射频滤波器和一个中频滤波器； 三是因受 I/Q 信号不平衡度影响小，所以不需要复杂的直流消除电路； 四是因为它一般会用到一级或几级中频混频，所以电路会较复杂且成本高，集成度不高； 五是它会用到很多比较昂贵，体积较的大 SAW 或陶瓷离散的滤波器； 六是一般需要较高的功率消耗。

总体来说，超外差接收机必须使用选频特性良好的滤波器，而且只能片外实现，集成难度大，难以应用到单片接收机系统中。但是，超外差结构可以通过使用中频降低输出信号频率，采取低通滤波器滤除镜像信号等方法，所以其接收机拓扑结构是当前最为可靠的结构形式。1

随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。例如，有一种单片式调幅-调频（AM/FM）接收机，它的AM/FM高频放大器、本地振荡器、混频器、AM/FM中频放大器、AM/FM检波器、音频功率放大器以及自动增益控制(AGC)、自动频率控制(AFC)、调谐指示电路等(共700个元件)均集成在一个面积为2.4×3.1毫米芯片上，它的工作电压范围为1.8～9伏，工作于调幅与调频方式的静态电流分别为3毫安和5毫安。2