高頻電子3.4.3變頻混頻.ppt

廣東輕工職業(yè)技術學院電子通信工程系 2010.2,高頻電子技術,模塊三 無接收系統(tǒng),任務4 FM/AM收音機制作,3.4.3變頻、混頻分析,一、變頻電路的框圖與變頻作用、變頻原理,混頻電路又稱變頻電路，其作用是將已調信號的載頻變換成另一載頻。變化后新載頻已調波的調制類型和調制參數(shù)均保持不變。,載頻為fc的普通調幅波,頻率為fL的本振信號,載頻為中頻fI的 調幅波,或,fI fc 的稱為上混頻， fI fc 的稱為下混頻。,調幅信號,本振信號。,濾除無用的高頻分量，取出低頻解調信號,從頻譜看混頻電路的作用,從頻譜看混頻電路的作用,載頻是fc 的普通調幅波,不失真地搬移到fI的位置上：fI= fL- fc。帶通濾波器取出。,無用的寄生分量,混頻電路概述,作用：變頻,組成：利用相乘器和帶通濾波器構成。 高質量通信設備中廣泛采用二極管環(huán)形混頻器和雙差分 對模擬乘法器；在一般接收設備中，采用簡單的三極管 混頻電路。,要求：混頻增益高、失真小，抑制干擾信號的能力強。,混頻增益：指中頻電壓UI與輸入高頻電壓US之比值。,用分貝表示：,對于二極管環(huán)形混頻器用混頻損耗來表示：,二、 混頻電路的分類與優(yōu)缺點,1、晶體管混頻電路,輸入信號,本振信號,輸出回路調諧在fI,uBE =VBB +us + u L,us 為小信號， uL 為大信號，使工作于線性時變狀態(tài)。,fI = fL fc,或 fI = fL+ fc,優(yōu)缺點: 優(yōu)點:混頻增益高 缺點:動態(tài)范圍小、組合頻率干擾嚴重、輸出噪聲大,2. 非線性器件的相乘作用,1)、非線性器件特性的冪級數(shù)表示,該式在Q點的泰勒級數(shù)展開式為,的各冪級數(shù)項展開，可得,將,由二次方產(chǎn)生了有用乘積項,令 u1=U1mcos 1t， u2=U2mcos 2t ，,則得眾多組合頻率分量的通式為： pq= p1 q 2 P、q為0或正整數(shù)。,其中p =q =1 對應 11= 1 2是有用乘積項產(chǎn)生的和頻、差頻，其余頻率分量都由無用乘積項產(chǎn)生。,同時產(chǎn)生眾多無用高階相乘項，故相乘作用不理想。,為減小無用組合頻率分量，應選擇合適的Q 點，使 非線性器件工作在特性接近平方律的區(qū)段，或選用具有 平方律特性的器件。,另外，常使非線性器件工作于線性時變工作狀態(tài)或 開關工作狀態(tài)。,2)、線性時變工作狀態(tài),1. 工作條件： u2為足夠小的信號,當u2足夠小，則可忽略下式中u2的二次方及其以上各次方項,得,2. 為何稱為線性時變工作狀態(tài)？,線性時變工作狀態(tài)的圖示,時變工作點按大信號u1的變化規(guī)律隨時間變化。,對小信號u2 而言，管子特性等效為時變工作點處的一小段切線，故呈線性特性。但切線斜率即增量電導隨時變工作點而變。,則I0 (u1)和g (u2)都是周期函數(shù)，可用傅里葉級數(shù)展開，故,3. 為何線性時變工作狀態(tài)能減少無用組合頻率分量？,u1 = U1mcos 1t,若,I0(u1)= I0 + I1mcos 1t + I2mcos 21t +,g(u1)= g0 + g1cos 1t + g2cos 21t +,直流分量,基波,二次諧波,將 u2=U2mcos 2t 和上述兩式代入,則得,可見，線性時變工作狀態(tài)能減少無用組合頻率分量：,(2) 有用頻率分量與無用頻率分量的間隔大，易濾除。,(1) 輸出電流者只含：直流成分， 1及其各次諧波、2 、 1及其各次諧波與2 的組合頻率。,消除了 2 的各次諧波， 2 的各次諧波與1及各次諧波的組合頻率。,從組合頻率分量的通式 pq= p1 q 2看，即消除了 q1、p為任意值時的所有頻率分量。,中波調幅收音機變頻電路,輸入回路從天線接收到的無線電波中選出所需頻率的信號，經(jīng)L1、L2 的互感耦合加到三極管基極。,本振回路,輸出中頻電路，選出混頻后的中頻信號465 kHz,電路混頻和本振都由晶體管V 完成。發(fā)射極注入本振電壓，基極輸入信號。,中波調幅收音機變頻電路,中波調幅收音機變頻電路,雙連電容 調諧,2、 晶體二極管混頻器,開關工作狀態(tài),1. 工作條件： u1為足夠大信號，使器件工作于開關狀態(tài)； u2為足夠小信號。,2. 二極管開關工作狀態(tài)的分析,原理電路,開關等效電路模型,大信號,小信號,是受u1控制的單向開關函數(shù),單向開關函數(shù)表達式為,其傅里葉級數(shù)展開式為：,開關函數(shù)波形,可見：,輸出電流中只含有：直流、2 、1 及其偶次諧波、1 及其奇次諧波與2的組合頻率分量。,不存在1的奇次諧波以及1偶次諧波與2的組合頻率分量。,u1=U1mcos(1t)為大信號,u2=U2mcos( 2t)為小信號,u1正半周V1、V2導通,u1負半周V3、V4導通,2、 晶體二極管混頻器,為便于分析，暫時不考慮負載的 反作用，則,流過負載的總的輸出電流為,實際應考慮負載的反作用，則要用 代替,四管特性 相同，N1=N2,兩個單向開關函數(shù)合成一個雙向開關函數(shù)：,于是得到總的輸出電流：,輸出電流中只含有p1 2（p為奇數(shù)）的組合頻率分量。 若1較高，則(3 1 2 )及以上的組合頻率分量很容易被濾 除。因此二極管雙平衡相乘器具有接近理想特性的相乘功能。,外形,內部電路,環(huán)形混頻器組件采用精密配對的肖特基表面勢壘二極管或砷化鎵器件和傳輸線變壓器構成。,L：本振,R: 輸入,I：中頻輸出,使用方法： 從任兩個端口輸入，從第三端口獲得輸出。 各端口的匹配阻抗均為50，要求接入濾波匹配網(wǎng)絡。,3.二極管環(huán)形相乘器,四個二極管組成一個環(huán)路，且二極管極性沿環(huán)路一致，故又稱為環(huán)型相乘器。,若二極管特性一致，變壓器中心抽頭上下完全對稱，則各端口間良好隔離。信號分別從其中兩個端口輸入，則另一端口為相乘器輸出端。,輸入信號源、小信號。,本振信號源、功率足夠大。,二極管工作于開關狀態(tài)。,二極管混頻器優(yōu)點：電路簡單、噪聲低、動態(tài)范圍大、 組合頻率分量少、工作頻帶寬。,二極管混頻器缺點：無增益,三、混頻器的干擾與失真,信號頻率和本振頻率的各次諧波之間、干擾 信號與本振信號之間、干擾信號與信號之間以及 干擾信號之間，經(jīng)非線性器件相互作用會產(chǎn)生很 多的頻率分量。在接收機中，當其中某些頻率等 于或接近于中頻時，就能夠須利地通過中頻放大 器，經(jīng)解調后，在輸出級引起串音、哨叫和各種 干擾，影響有用信號的正常接收。,1、輸入信號與本振信號產(chǎn)生的組合頻率干擾,P、q 為任意正整數(shù),當 P = q =1時，可得中頻 fI = fL- fc 除此以外的組合頻率分量均為無用分量，當其中的某些頻率分量接近于中頻，并落入中頻通頻帶范圍內時，就能與有用中頻信號一道須利地通過中放加到檢波器，并與有用中頻信號在檢波器中產(chǎn)生差拍，形成低頻干擾，使得收聽者在聽到有用信號的同時還聽到差拍哨聲。這種組合頻率干擾也稱為哨聲干擾。,當轉動接收機調諧旋鈕時，哨聲音調也跟隨變化，這是哨聲干擾區(qū)分其他干擾的標志。,例如對中波廣播：,則在接收機輸出端產(chǎn)生1kHz的哨叫聲,輸入信號與本振信號產(chǎn)生的組合頻率干擾,p、q 為任意正整數(shù),理論上，產(chǎn)生干擾的哨聲的信號頻率有無限個，但 實際上只有p、q較小時，才會產(chǎn)生明顯的干擾哨聲；又 由于接收機的接收頻段是有限的，所以產(chǎn)生干擾哨聲的 組合頻率并不多。對于具有理想相乘特性的混頻器，則 不可能產(chǎn)生哨叫干擾，所以，實用上應盡量減小混頻器 的非理想相乘特性。,把有用信號與本振信號變換為中頻的通道，稱為主通道， 而把同時存在的其余變換通道稱為寄生通道。,只有對應于p、q值較小的干擾信號，才會形成較強的寄生通道干擾，其中最強寄生通道干擾為中頻干擾和鏡像干擾。,外來干擾與本振電壓產(chǎn)生的組合頻率干擾稱為寄生通道干擾。,2、外來干擾與本振產(chǎn)生的組合頻率干擾,干擾與本振產(chǎn)生的組合頻率干擾,抑制中頻干擾措施：提高混頻器前端電路的選擇性 或在前級增加一個中頻陷波器。,抑制鏡頻干擾措施：提高混頻器前端電路的選擇性 。,3、交叉調制干擾和互相調制干擾,1）. 交調干擾,當接收機對有用信號頻率調諧時，在輸出端不僅可收聽到有用信號的聲音，同時還清楚地聽到干擾臺調制聲音；若接收機對有用信號頻率失諧，則干擾臺的調制聲也隨之減弱，并隨著有用信號的消失而消失，好像干擾臺聲音調制在有用信號的載波上，故稱其為交叉調制干擾。,原因： 當有用信號和干擾信號兩種調幅波均加至混頻器輸 入端時，由于混頻器非線性作用，使干擾信號的包 絡轉移到中頻信號上 。,交叉調制的產(chǎn)生與干擾臺的頻率無關，任何頻率較強的干擾信號加到混頻器的輸入端，都有可能形成交叉調制干擾。,抑制交調干擾措施：,提高混頻器前端電路的選擇性，盡量減小干擾的幅度，是抑制交叉調制干擾的有效措施。 選用合適的器件和合適的工作狀態(tài)，使混頻器的非線性高次方項盡可能減小。 采用抗干擾能力