变频(或混频)的功能与实现.ppt

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1、通信电子电路,何丰 主编重庆邮电学院人民邮电出版社,第七章 变频（或混频）的功能与实现,变频或混频的基本功能是将输入频带信号的频谱位移到新的频率范围内，即频谱的线性搬移，这类似于调制信号经调幅变换前后的频谱变换关系。,7.1 概 述7.2 变频（或混频）器的构成和技术指标7.3 变频（或混频）干扰和失真7.4 变频（或混频）电路与干扰抑制7.5 电路与信号和系统的关系,7.1 概 述,实现变频的电路有混频器和变频器两类。根据调幅电路和同步解调的频率搬移特性的实现机理，我们可以想到实现变频时应该有两个不同的输入信号。其中，一个是单一频率的等幅正弦波，也称为本振信号，它不携带信息，仅作为一个参考标

2、准；另一个是需要进行中心频率位移的频带输入信号。,变频电路在本质上应实现输入信号频谱与本振频率的加或减的数学功能。如果本振信号由外部其它电路提供，则称变频电路为它激式混频器，或简称为混频器；如果所用本振信号是变频电路自身产生，则称为自激式混频器，或简称为变频器。,7.2 变频（或混频）器的构成和技术指标,常常为了两种需求而采用变频器。一是为了系统工作中的信号频率范围的设定。,二是为了提高局部电路的性能。主要例子有：利用变频器可以实现，将波段内的已调信号变为与输入载波无关的、并具有固定载频的中频信号，并在此基础上进行高性能的选频放大，最后再检波的超外差式接收解调方案。,主要例子：在发射设备中经常

3、利用变频器来改变载频频率的大小（参见8.3.2节的“最大线性频偏与频偏扩展的方法”）,主要例子有：在频率合成器中，也常用变频器来完成频率加减运算，从而由基本频率信号得到各种不同于原频率的新信号（参见9章的的图9-3-1和习题9-9）,在混频器的两个输入电压中，一个是载频为fc的已调波，另一个是频率为 fL的本振信号，其输出中频信号的载波频率为fi。,所谓中频是指解调结果的信号频率与系统输入已调波的信号频率之间的过度频率，它在大小上不一定小于已调波的信号频率。,7.2.1 变频器的组成和工作原理,设输入两个正弦电压的频率分别为信号载频fc和本振频率fL，在不失一般性条件下，可假定经非线性电路的变

4、频输出组合频率包含：0，1，2，3,乘积型混频器的非线性元器件部分应完成相乘运算功能。若相乘运算和输入信号都是理想的，则io(t)中的无用频率分量较少，并且也容易被中频滤波器滤除。,叠加型混频器的非线性元器件会产生更多的无用频率分量，因此在讨论变频器失真成因时往往以此模型为依据。,设加到叠加型混频器中的两个电压信号分别为：输入信号 本机振荡信号 在不失一般性条件下，将元器件的非线性特性用幂级数表示，可得非线性元器件的输出电流表达式：式中，、分别为各项的常系数。在忽略三次方及其以上各项后，整理得：,7.2.1 变频器的组成和工作原理,此时，输出中频电流调幅波为：如果 的调频波时，输出中频电流调频

5、波大小为：,7.2.2 变频器的技术指标,1.变频增益 变频增益是表征变频器将输入信号转化成输出中频有用信号的能力的技术指标，如电压或功率增益：变频电压增益定义为：功率增益定义为：若输出有用信号为电流波，我们可以采用电导增益（或变频跨导）来表征变频器将输入信号转化成输出中频信号的能力。,2.动态范围 动态范围是指变频器能正常工作，而性能未显著下降所允许的输入信号电平范围。要求动态范围尽可能大些。3.噪声系数 变频器的噪声系数定义为：四、隔离度 隔离度是指变频器的信号端口，本振端口和中频输出端口之间的信号通过变频器电路空间进行的相互直接泄漏的程度。,五、选择性 变频器的中频输出信号中可能包含有很

6、多频率分量，但其中只有一个频率分量是有用的，在接收机中反映为中频。为了抑制其它各种不需要的频率分量，要求变频器的输出选频网络具有较好的选择性，即希望有较理想的幅频特性，它的矩形系数尽可能接近于1。六、失真与干扰 变频失真有频率失真和非线性失真。,7.3变频（或混频）干扰和失真,设非线性器件输出电流的通式为：+(7-3-1)式中，为电路变换常数。其中，v1代表有用输入电压，v2为干扰信号，vL为本振信号。,7.3变频（或混频）干扰和失真,此时，输出电流组合频率分量的通式为：，p、q、r 0，1，2，3,(7-3-2)通常我们称这些无用信号为变频(或混频)干扰和失真。,7.3变频（或混频）干扰和失

7、真,1.组合频率干扰组合频率干扰是在无输入干扰和噪声情况下，仅由有用信号vs和本振v L 通过频率变换通道形成的组合频率干扰，信号环境如图7-3-1所示。,1.组合频率干扰组合频率干扰是在无输入干扰和噪声情况下，仅由有用信号vs和本振v L 通过频率变换通道形成的组合频率干扰，信号环境如图7-3-1所示。,存在其它满足或(7-3-3)范围内的组合频率时，电路输出端存在干扰。,例7.3.1 举例说明干扰哨声的形成过程，例如调幅广播接收机的中频为465kHz，某电台的发射频率为fc927kHz，f 0.7 4kHz，fLfcfI1392kHz。这时，干扰可能来至于、两类组合。式（7-3-3）变为：

8、或(7-3-4),带入fLfcfI后，整理可得：或 即：(7-3-5)此式说明：只要与的误差在范围内，就会产生输出干扰。这时有：(7-3-6)误差在：(7-3-7)范围内。其中，fc/fI称为变频比。,组合频率干扰由有用信号产生，与外界干扰信号无关，它不能靠提高前端电路的选择性来减少干扰。具体方法有：1）合理进行中频和本振频率的安排，提高最低干扰点的阶数（q+p的值）2）优化混频电路，使有用信号强度增强，无用信号强度减弱、分量减少。对前者，可考虑选用中频大于输入信号载频的高中频方案；后者的具体情况可参见7.4节的混频电路分析。,2.组合副波道干扰组合副波道干扰是指外来干扰电压v M 与本振电压

9、v L，在混频非线性作用下形成的假中频。,若设干扰频率在=时，可得干扰信号频率的表达式：(7-3-8)抑制组合副波道干扰的基本方法是提高变频器输入信号质量。具体包含两个方面的内容：通过系统信号变换方案的选取来减少输入干扰存在的可能性，提高前端选频电路性能来减弱输入干扰。,（1）中频干扰在(7-3-8)式中，取p0，q1，即 时，可以形成干扰。常称此干扰为中频干扰。（2）镜象干扰从图上可看到，与对称地位于的两侧，即显现为镜象关系，因此，称为镜象干扰。,3.交叉调制干扰交叉调制干扰也称交调失真，它是有用信号vs、干扰信号v M和本振信号v L通过混频器组合后形成的，信号环境如图7-3-4所示。从表

10、7-3-1可知四阶产物中有中频分量输出，即：=（7-3-9）就是交调失真项。若干扰信号为调幅型，则：（7-3-10）将V2m(t)代入式（7-3-9），可得：（7-3-11）,4.互相调制干扰互相调制干扰，也称互调干扰。它是指两个或两个以上干扰信号和本振信号通过混频器形成的组合频率干扰。,在表7-3-1中，设=，=。则四阶产物中，有两项可能成为互调干扰，即：在 条件下，干扰信号频率满足：和,例7.3.2 某混频器的中频为0.5MHz，在接收25MHz信号时，若同时有24.5MHz和24MHz的两个干扰信号，则四阶产物中，有如下组合频率()（250.5）(224.524)0.5MHz 正好落在中

11、频带内，产生互调失真。,5.例易混频(相互混频),6.邻道干扰邻道干扰是指与有用信号频率的频差很近的其它通信信号在发送时，由于滤波电路的不理想，也送出了不该送出的落于有用频带内的信号分量,7.4 变频（或混频）电路与干扰抑制,变频（或混频）电路中的非线性元器件常选用晶体二极管、三级管、场效应管和模拟乘法器。现就结合减小变频（或混频）干扰的角度出发，对变频（或混频）具体电路本身的优化问题，以及相关电路工作条件进行分析、比较和说明。,7.4.1 三极管混频器的失真分析,一、工作原理,7.4.1 三极管混频器的失真分析,晶体管的特性近似表示如下：(7-4-1)其中，(7-4-2)式中，被视为晶体三极

12、管的等效基极时变偏置电压，简称时变偏压。,7.4.1 三极管混频器的失真分析,将式(7-4-2)代入式(7-4-1)，并在信号电压较小条件下，对进行泰勒级数展开，即：(7-4-3)令(7-4-4),7.4.1 三极管混频器的失真分析,式中，为基极时变静态电流，为集电极时变静态电流；为基极时变输入电导，为三极管时变跨导，或三极管时变正向传输电导。,7.4.1 三极管混频器的失真分析,可得式（7-4-4）中iB、iC的可能频谱成分如下：，p=0，1，2，3,；q=0,1(7-4-5)通常我们将式（7-4-3）为基础的分析方法称为线性时变参量分析方法，,7.4.1 三极管混频器的失真分析,2.输出有

13、用信号的分析设周期函数的傅里叶级数展开式为：(7-4-6)代入式（7-4-4），并设，可推得输出有用信号为：(7-4-7)式中，gfc=0.5gf1为三极管的变频跨导。,7.4.1 三极管混频器的失真分析,3.输入回路的分析,仿照输出回路的集电极电流，由式（7-4-4），可得：(7-4-8)则 中的分量电流为：(7-4-9)式中，gib=gi0为三极管的信号分量的输入电导。它取决于时变偏压和三极管的传输特性。,7.4.1 三极管混频器的失真分析,四、等效电路及变频增益,7.4.1 三极管混频器的失真分析,由此，求得图（b）的变频电压增益为：（7-4-10）功率增益为：（7-4-11）,7.4.

14、1 三极管混频器的失真分析,7.4.1 三极管混频器的失真分析,五、电路实例,7.4.1 三极管混频器的失真分析,7.4.2二极管混频器的结构与失真,利用二极管非线性构成的混频器称为二极管混频器。下面，我们将会看到，理想的平衡型和环形混频器输出频率分量有：，p=0，1，3，5，；q=0，1（7-4-12）为了分析的方便，设为输入信号电压，为本振电压。,7.4.2二极管混频器的结构与失真,1.平衡和环形混频器,7.4.2二极管混频器的结构与失真,7.4.2二极管混频器的结构与失真,根据变压器同名端的标向，以及假设二极管非线性电压电流关系为后，有：（7-4-13）则全时间方程为：（7-4-14）式

15、中，为单向开关函数，其波形见图6-2-15（c）所示。,7.4.2二极管混频器的结构与失真,7.4.2二极管混频器的结构与失真,于是等式（7-4-14）变为：=2（7-4-15）考虑到是响应，其大小应由上式中的激励来确定，因此，将=代入上式，整理可得：（7-4-16）,7.4.2二极管混频器的结构与失真,2.环形混频器环形混频器是由两个平衡混频器组成的，电路如图7-4-11所示。图中Tr1、Tr2为中心抽头的宽频带变压器。,7.4.2二极管混频器的结构与失真,7.4.2二极管混频器的结构与失真,在不失分析方法一般性的前提下，设二极管电压参考方向与管子正偏电压一致，RL上电压为后，可得：对D1管

16、（7-4-17）对D2管（7-4-18）对D3管（7-4-19）对D4管（7-4-20）,7.4.2二极管混频器的结构与失真,在二极管特性曲线如图7-4-10（a）所示条件下，设二极管电流参考方向与管子正向电流一致后，可得：对D1管（7-4-21）对D2管（7-4-22）对D3管（7-4-23）对D4管（7-4-24）,7.4.2二极管混频器的结构与失真,由KCL和=1，可得：（7-4-25）（7-4-26）再由KCL，并整理得：（7-4-27）（7-4-28）,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,1.场效应管混频器 场效应管混频器广泛应用于短波和超短波接收机中。在电路形式上与晶体三极

17、管混频器十分相似，（1）工作原理已知N沟道结型场效应管在饱和区的转移特性为：，（7-4-29）,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,设栅源的直流偏置电压为 得，将其代入式（7-4-29）得：（7-4-30）可得中频电流幅值：（7-4-31）由此可得场效应管混频器的变频跨导：（7-4-32）,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,（2）实际电路,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,图中信号源电压同时加在管栅极和管的源极，本振电压同时加在的源极和的栅极，因此称该电路为交叉耦合电路。于是：（7-4-33）可得：（7-4-34）输出电流

18、为两者的总和：（7-4-35）,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,二、模拟乘法混频器 模拟乘法混频器的电路结构如图7-4-15所示。利用乘法器实现的混频电路可以最大限度地减少输出无用频率分量形成的干扰。,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,模拟乘法器混频的具体优点可归纳如下：（1）混频输出电流频谱纯净，组合频率分量少，用于接收机时可大大减少寄生通道干扰。（2）对本振电压的大小无严格限制，前面我们在分析晶体管小信号混频时，一般要求较大；而乘法混频时，本振电压幅度基本与输出失真无关，但会影响中频变频增益。（3）当本振电压幅度一定时，中频输出电压幅度与输入信号电压幅度呈线性关系，并且允许输入信号动态范围较大，从而有利于减少交调和互调失真。过大，可通过在MC1496的2、3脚之间加入线性电阻来提高的线性度。,7.4.3*场效应管和模拟乘法混频器的分析,7.5 电路与信号和系统的关系,通过一般性讨论，我们应该形成如下的识：第一、找到了电路优化的出发点。如采用多个非线性的对称电路，使变频电路的频率组合通道减少，从而达到优化电路的目的。第二、从电路的一般性讨论出发，提出了对前级信号处理或变换电路的要求。第三、提出了对通信系统的电路安排和信号安排的设计问题。,由此，根据一般讨论，混频器可能存在的输出频率为：其中，fI为调制电路输出信号的中心频率，即116MHz。,