變頻(或混頻)的功能與實現(xiàn)精品課件

1、通信電子電路,第七章 變頻（或混頻）的功能與實現(xiàn),變頻或混頻的基本功能是將輸入頻帶信號的頻譜位移到新的頻率范圍內(nèi)，即頻譜的線性搬移，這類似于調(diào)制信號經(jīng)調(diào)幅變換前后的頻譜變換關(guān)系。,7.1 概 述 7.2 變頻（或混頻）器的構(gòu)成和技術(shù)指標(biāo) 7.3 變頻（或混頻）干擾和失真 7.4 變頻（或混頻）電路與干擾抑制 7.5 電路與信號和系統(tǒng)的關(guān)系,7.1 概 述,實現(xiàn)變頻的電路有混頻器和變頻器兩類。 根據(jù)調(diào)幅電路和同步解調(diào)的頻率搬移特性的實現(xiàn)機理，我們可以想到實現(xiàn)變頻時應(yīng)該有兩個不同的輸入信號。其中，一個是單一頻率的等幅正弦波，也稱為本振信號，它不攜帶信息，僅作為一個參考標(biāo)準(zhǔn)；另一個是需要進行中心頻率

2、位移的頻帶輸入信號。,變頻電路在本質(zhì)上應(yīng)實現(xiàn)輸入信號頻譜與本振頻率的加或減的數(shù)學(xué)功能。如果本振信號由外部其它電路提供，則稱變頻電路為它激式混頻器，或簡稱為混頻器；如果所用本振信號是變頻電路自身產(chǎn)生，則稱為自激式混頻器，或簡稱為變頻器。,7.2 變頻（或混頻）器的構(gòu)成和技術(shù)指標(biāo),常常為了兩種需求而采用變頻器。 一是為了系統(tǒng)工作中的信號頻率范圍的設(shè)定。,二是為了提高局部電路的性能。主要例子有： 利用變頻器可以實現(xiàn)，將波段內(nèi)的已調(diào)信號變?yōu)榕c輸入載波無關(guān)的、并具有固定載頻的中頻信號，并在此基礎(chǔ)上進行高性能的選頻放大，最后再檢波的超外差式接收解調(diào)方案。,主要例子： 在發(fā)射設(shè)備中經(jīng)常利用變頻器來改變載頻頻

3、率的大?。▍⒁?.3.2節(jié)的“最大線性頻偏與頻偏擴展的方法”）,主要例子有： 在頻率合成器中，也常用變頻器來完成頻率加減運算，從而由基本頻率信號得到各種不同于原頻率的新信號（參見9章的的圖9-3-1和習(xí)題9-9）,在混頻器的兩個輸入電壓中，一個是載頻為fc的已調(diào)波，另一個是頻率為 fL的本振信號，其輸出中頻信號的載波頻率為fi。,所謂中頻是指解調(diào)結(jié)果的信號頻率與系統(tǒng)輸入已調(diào)波的信號頻率之間的過度頻率，它在大小上不一定小于已調(diào)波的信號頻率。,7.2.1 變頻器的組成和工作原理,設(shè)輸入兩個正弦電壓的頻率分別為信號載頻fc和本振頻率fL，在不失一般性條件下，可假定經(jīng)非線性電路的變頻輸出組合頻率包含：

4、 0，1，2，3, ,乘積型混頻器的非線性元器件部分應(yīng)完成相乘運算功能。若相乘運算和輸入信號都是理想的，則io (t)中的無用頻率分量較少，并且也容易被中頻濾波器濾除。,疊加型混頻器的非線性元器件會產(chǎn)生更多的無用頻率分量，因此在討論變頻器失真成因時往往以此模型為依據(jù)。,設(shè)加到疊加型混頻器中的兩個電壓信號分別為： 輸入信號 本機振蕩信號 在不失一般性條件下，將元器件的非線性特性用冪級數(shù)表示，可得非線性元器件的輸出電流表達式： 式中， 、 、 分別為各項的常系數(shù)。在忽略三次方及其以上各項后，整理得：,7.2.1 變頻器的組成和工作原理,此時，輸出中頻電流調(diào)幅波為： 如果 的調(diào)頻波時，輸出中頻電流調(diào)

5、頻波大小為：,7.2.2 變頻器的技術(shù)指標(biāo),1. 變頻增益 變頻增益是表征變頻器將輸入信號轉(zhuǎn)化成輸出中頻有用信號的能力的技術(shù)指標(biāo)，如電壓或功率增益： 變頻電壓增益定義為： 功率增益定義為： 若輸出有用信號為電流波，我們可以采用電導(dǎo)增益（或變頻跨導(dǎo)）來表征變頻器將輸入信號轉(zhuǎn)化成輸出中頻信號的能力。,2. 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍是指變頻器能正常工作，而性能未顯著下降所允許的輸入信號電平范圍。要求動態(tài)范圍盡可能大些。 3. 噪聲系數(shù) 變頻器的噪聲系數(shù)定義為： 四、隔離度 隔離度是指變頻器的信號端口，本振端口和中頻輸出端口之間的信號通過變頻器電路空間進行的相互直接泄漏的程度。,五、選擇性 變頻器的中頻輸出

6、信號中可能包含有很多頻率分量，但其中只有一個頻率分量是有用的，在接收機中反映為中頻。為了抑制其它各種不需要的頻率分量，要求變頻器的輸出選頻網(wǎng)絡(luò)具有較好的選擇性，即希望有較理想的幅頻特性，它的矩形系數(shù)盡可能接近于1。 六、失真與干擾 變頻失真有頻率失真和非線性失真。,7.3變頻（或混頻）干擾和失真,設(shè)非線性器件輸出電流的通式為： + (7-3-1) 式中， 為電路變換常數(shù)。 其中，v1代表有用輸入電壓，v2為干擾信號，vL為本振信號。,7.3變頻（或混頻）干擾和失真,此時，輸出電流組合頻率分量的通式為： ， p、q、r 0，1，2，3, (7-3-2) 通常我們稱這些無用信號為變頻(或混頻)干擾

7、和失真。,7.3變頻（或混頻）干擾和失真,1. 組合頻率干擾 組合頻率干擾是在無輸入干擾和噪聲情況下，僅由有用信號vs和本振v L 通過頻率變換通道形成的組合頻率干擾，信號環(huán)境如圖7-3-1所示。,1. 組合頻率干擾 組合頻率干擾是在無輸入干擾和噪聲情況下，僅由有用信號vs和本振v L 通過頻率變換通道形成的組合頻率干擾，信號環(huán)境如圖7-3-1所示。,存在其它滿足 或 (7-3-3) 范圍內(nèi)的組合頻率時，電路輸出端存在干擾。,例7.3.1 舉例說明干擾哨聲的形成過程，例如調(diào)幅廣播接收機的中頻為465kHz，某電臺的發(fā)射頻率為fc927kHz，f 0.7 4kHz，fLfcfI1392kHz。這

8、時，干擾可能來至于、兩類組合。式（7-3-3）變?yōu)椋?或 (7-3-4),帶入fLfcfI后，整理可得： 或 即： (7-3-5) 此式說明：只要與的誤差在范圍內(nèi)，就會產(chǎn)生輸出干擾。這時有： (7-3-6) 誤差在： (7-3-7) 范圍內(nèi)。其中，fc/fI稱為變頻比。,組合頻率干擾由有用信號產(chǎn)生，與外界干擾信號無關(guān)，它不能靠提高前端電路的選擇性來減少干擾。 具體方法有： 1）合理進行中頻和本振頻率的安排，提高最低干擾點的階數(shù)（q+p的值） 2）優(yōu)化混頻電路，使有用信號強度增強，無用信號強度減弱、分量減少。 對前者，可考慮選用中頻大于輸入信號載頻的高中頻方案； 后者的具體情況可參見7.4節(jié)的混

9、頻電路分析。,2. 組合副波道干擾 組合副波道干擾是指外來干擾電壓v M 與本振電壓v L，在混頻非線性作用下形成的假中頻。,若設(shè)干擾頻率 在 = 時，可得干擾信號頻率的表達式： (7-3-8) 抑制組合副波道干擾的基本方法是提高變頻器輸入信號質(zhì)量。具體包含兩個方面的內(nèi)容： 通過系統(tǒng)信號變換方案的選取來減少輸入干擾存在的可能性， 提高前端選頻電路性能來減弱輸入干擾。,（1）中頻干擾 在(7-3-8)式中，取p0，q1，即 時，可以形成干擾。常稱此干擾為中頻干擾。 （2）鏡象干擾 從圖上可看到，與對稱地位于的兩側(cè)，即顯現(xiàn)為鏡象關(guān)系，因此，稱為鏡象干擾。,3. 交叉調(diào)制干擾 交叉調(diào)制干擾也稱交調(diào)失

10、真，它是有用信號vs、干擾信號v M和本振信號v L通過混頻器組合后形成的，信號環(huán)境如圖7-3-4所示。 從表7-3-1可知四階產(chǎn)物中有中頻分量輸出，即： = （7-3-9） 就是交調(diào)失真項。若干擾信號為調(diào)幅型，則： （ 7-3-10） 將V2m(t)代入式（7-3-9），可得： （7-3-11）,4. 互相調(diào)制干擾 互相調(diào)制干擾，也稱互調(diào)干擾。它是指兩個或兩個以上干擾信號和本振信號通過混頻器形成的組合頻率干擾。,在表7-3-1中，設(shè) = ， = 。則四階產(chǎn)物中，有兩項可能成為互調(diào)干擾，即： 在 條件下，干擾信號頻率滿足： 和,例7.3.2 某混頻器的中頻為0.5MHz，在接收25MHz信號時

11、，若同時有24.5MHz和24MHz的兩個干擾信號，則四階產(chǎn)物中，有如下組合頻率 ( )（250.5）(224.524)0.5MHz 正好落在中頻帶內(nèi)，產(chǎn)生互調(diào)失真。,5. 例易混頻(相互混頻),6. 鄰道干擾 鄰道干擾是指與有用信號頻率的頻差很近的其它通信信號在發(fā)送時，由于濾波電路的不理想，也送出了不該送出的落于有用頻帶內(nèi)的信號分量,7.4 變頻（或混頻）電路與干擾抑制,變頻（或混頻）電路中的非線性元器件常選用晶體二極管、三級管、場效應(yīng)管和模擬乘法器?，F(xiàn)就結(jié)合減小變頻（或混頻）干擾的角度出發(fā)，對變頻（或混頻）具體電路本身的優(yōu)化問題，以及相關(guān)電路工作條件進行分析、比較和說明。,7.4.1 三極

12、管混頻器的失真分析,一、工作原理,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,晶體管的特性近似表示如下： (7-4-1) 其中， (7-4-2) 式中， 被視為晶體三極管的等效基極時變偏置電壓，簡稱時變偏壓。,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,將式(7-4-2)代入式(7-4-1)，并在信號電壓較小條件下，對進行泰勒級數(shù)展開，即： (7-4-3) 令 (7-4-4),7.4.1 三極管混頻器的失真分析,式中， 為基極時變靜態(tài)電流， 為集電極時變靜態(tài)電流； 為基極時變輸入電導(dǎo)， 為三極管時變跨導(dǎo)，或三極管時變正向傳輸電導(dǎo)。,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,可得式（7-4-4）中iB、iC的可能頻譜

13、成分如下： ， p=0，1，2，3, ；q=0,1 (7-4-5) 通常我們將式（7-4-3）為基礎(chǔ)的分析方法稱為線性時變參量分析方法，,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,2. 輸出有用信號的分析 設(shè)周期函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式為： (7-4-6) 代入式（7-4-4），并設(shè) ，可推得輸出有用信號為： (7-4-7) 式中，gfc=0.5gf1為三極管的變頻跨導(dǎo)。,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,3. 輸入回路的分析,仿照輸出回路的集電極電流，由式（7-4-4），可得： (7-4-8) 則 中的分量電流為： (7-4-9) 式中，gib=gi0為三極管的信號分量的輸入電導(dǎo)。它取決于時變偏壓

14、和三極管的傳輸特性。,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,四、等效電路及變頻增益,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,由此，求得圖（b）的變頻電壓增益為： （7-4-10） 功率增益為： （7-4-11）,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,五、電路實例,7.4.1 三極管混頻器的失真分析,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,利用二極管非線性構(gòu)成的混頻器稱為二極管混頻器。 下面，我們將會看到，理想的平衡型和環(huán)形混頻器輸出頻率分量有： ， p=0，1，3，5， ；q=0，1 （7-4-12） 為了分析的方便， 設(shè)為輸入信號電壓， 為本振電壓。,7.4.2二極管

15、混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,1. 平衡和環(huán)形混頻器,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,根據(jù)變壓器同名端的標(biāo)向，以及假設(shè)二極管非線性電壓電流關(guān)系為后，有： （7-4-13） 則全時間方程為： （7-4-14） 式中 ，為單向開關(guān)函數(shù)，其波形見圖6-2-15（c）所示。,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,于是等式（7-4-14）變?yōu)椋?=2 （7-4-15） 考慮到是響應(yīng)，其大小應(yīng)由上式中的激勵來確定，因此，將 = 代入上式，整理可得： （7-4-16）,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,2. 環(huán)形混頻器 環(huán)形混頻器是由兩個平衡

16、混頻器組成的，電路如圖7-4-11所示。圖中Tr1、Tr2為中心抽頭的寬頻帶變壓器。,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,在不失分析方法一般性的前提下，設(shè)二極管電壓參考方向與管子正偏電壓一致，RL上電壓為后，可得： 對D1管 （7-4-17） 對D2管 （7-4-18） 對D3管 （7-4-19） 對D4管 （7-4-20）,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,在二極管特性曲線如圖7-4-10（a）所示條件下，設(shè)二極管電流參考方向與管子正向電流一致后，可得： 對D1管 （7-4-21） 對D2管 （7-4-22） 對D3管 （7-4-23） 對D4管 （7-

17、4-24）,7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真,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*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析,1. 場效應(yīng)管混頻器 場效應(yīng)管混頻器廣泛應(yīng)用于短波和超短波接收機中。在電路形式上與晶體三極管混頻器十分相似， （1）工作原理 已知N溝道結(jié)型場效應(yīng)管在飽和區(qū)的轉(zhuǎn)移特性為： ， （7-4-29）,7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析,設(shè)柵源的直流偏置電壓為 得 ， 將其代入式（7-4-29）得： （7-4-30） 可得中頻電流幅值： （7-4-31） 由此可得場效應(yīng)管混頻器的變

18、頻跨導(dǎo)： （7-4-32）,7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析,（2）實際電路,7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析,7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析,圖中信號源電壓同時加在管柵極和管的源極，本振電壓同時加在的源極和的柵極，因此稱該電路為交叉耦合電路。于是： （7-4-33） 可得： （7-4-34） 輸出電流為兩者的總和： （7-4-35）,7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析,二、模擬乘法混頻器 模擬乘法混頻器的電路結(jié)構(gòu)如圖7-4-15所示。利用乘法器實現(xiàn)的混頻電路可以最大限度地減少輸出無用頻率分量形成的干擾。,7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析,模擬乘法器混頻的具體優(yōu)點可歸納如下： （1）混頻輸出電流頻譜純凈，組合頻率分量少，用于接收機時可大大減少寄生通道干擾。 （2）對本振電壓的大小無嚴(yán)格限制，前面我們在分析晶體管小信號混頻時，一般要求較大；而乘法混頻時，本振電壓幅度基本與輸出失真無關(guān)，但會影響中頻變頻增益。 （3）當(dāng)本振電壓幅度一定時，中頻輸出電壓幅度與輸入信號電壓幅度呈線性關(guān)系，并且允許