变频与混频电路(本科).ppt

高频电子线路 退出下页上页首页 1.变频的概念； 2.变频器的基本原理 3.常用的变频器电路： 晶体三极管变频器 二极管环形变频器 模拟乘法器变频电路 4. 变频干扰： 组合频率干扰 副波道干扰 交叉调制和互调干扰 第10章 变频与混频电路 高频电子线路 退出下页上页首页 超外差式接收机框图 回忆：混频器在通信系统中的地位 高频电子线路 退出下页上页首页 教学重点 为什么要进行变频； 变频器的基本原理及数学分析； 变频干扰。 高频电子线路 退出下页上页首页 教学难点 变频器的基本原理及数学分析 变频干扰 高频电子线路 退出下页上页首页 10.1 引言 10.1 基本概念 变频电路： 将输入的已调信号变换为另一频率的已调（固定中频）信号， 完成频谱在频率轴上的线性搬移。实现信号频谱线性 变换的一种电路在频域上起着减（加）法器的作用。 组成：非线性元件、本地振荡器、中频滤波器 分类： 变频器（自激式变频器） 电路中自身产生控制信号（由一个非线性器件产生振荡和 混频作用） 混频器（他激式变频器） 需由外部的振荡器提供本振输入控制信号。 高频电子线路 退出下页上页首页 应用： 超外差接收机的关键部件 接力通信、卫星通信系统 频率合成器、频谱分析仪 常用的中频数值 调幅收音机：465（455）kHz 调频收音机：10.7MHz 微波接收机、卫星接收机：70MHz或140MHz 其他： 500kHz、1MHz、1.5MHz、4.3MHz、5MHz、 21.4MHz、30MHz 高频电子线路 退出下页上页首页 变频电路框图 本质：利用非线性器件产生所需要的新的频率分量。 高频电子线路 退出下页上页首页 由于设计和制作工作频率较原载频低的固定中频放大器 比较容易,且增益高, 选择性好,所以采用混频方式可大大 提高接收机的性能并使接收机的设备大大简化。 问题：为什么一定要进行混频？ 三极管混频器 场效应管混频器 二极管平衡混频器 二极管环形混频器 集成模拟混频器 混频器的类型 高频电子线路 退出下页上页首页 二、基本原理 高频电子线路 退出下页上页首页 高频电子线路 退出下页上页首页 强调：混频器的特点 1.输出是中频为fI的已调波信号uI(t)。通常取fI=fL-fc。以输入 是普通调幅信号为例,若us(t)=Ucm1+mau(t)cos2fct, 本振 信号为uL(t)=ULmcos 2fLt, 则输出中频调幅信号为uI(t)=UIm 1+mau(t)cos 2fIt。可见, 调幅信号频谱从中心频率为fc处平 移到中心频率为fI处, 频谱宽度不变, 包络形状不变，故混频 也属于频谱线性变换技术。 2.混频电路的输入输出均为高频已调波信号。 由前几节的讨 论可知, 调幅电路是将低频调制信号搬移到高频段, 检波电路 是将高频已调波信号搬移到低频段, 而混频电路则是将已调波 信号从一个高频段搬移到另一个高频段。 高频电子线路 退出下页上页首页 强调：混频器的特点 3.混频电路通常位于接收机前端, 不但输入已调波信号很小, 而且若外来高频干扰信号能够通过混频电路之前的选频网络, 则也可能进入混频电路。 4.混频电路中的非线性器件对于实现频谱搬移这一功能是必不可 少的。 但是另一方面, 其非线性特性不但会产生许多无用的组 合频率分量, 给接收机带来干扰, 而且会使中频分量的振幅受到 干扰, 这两类干扰统称为混频干扰。它们都会使有用信号产生失 真。 由于以上两个特点, 混频电路的干扰来源比其它非线性电 路要多一些。 分析这些干扰产生的具体原因, 提出减小或避免 干扰的措施, 是混频电路讨论中的一个关键问题。 高频电子线路 退出下页上页首页三种频谱线性搬移功能比较 高频电子线路 退出下页上页首页 10.2 非线性器件变频的机理（补充内容） 在非线性元件上加上的输入已调信号 uS(t)=Usmcosst 和本地振荡信号 uL(t)=ULMcos Lt。 变频管电流采用幂级数表示： 高频电子线路 退出下页上页首页 可得到： 高频电子线路 退出下页上页首页 在非线性元件上加上的输入已调信号 uS(t)=Usmcosst 和 本地振荡信号 uL(t)=ULMcos Lt。 可得到： 忽略二次项以上的变频管电流采用幂级数表示： 下变频器 上变频器 高频电子线路 退出下页上页首页10.1.3 变频器的主要技术指标 变频增益电压增益KVC、功率增益KPC（通常用分贝 ） 选择性只输出所需的中频信号。 工作稳定性控制信号（本振信号）的频率稳定度。 非线性失真变频电路的输出信号频率和输入信号频率 不同，变频过程中可能产生失真。 噪声系数 变频器位于接收机的前端，它所产生的噪声对接收机 整机影响最大，因此要求它的噪声性能要好。 高频电子线路 退出下页上页首页10.2 晶体三极管混频电路 1.几种形式： 本质：利用三极管ic和uBE的非线性来进行频率变 换。 高频电子线路 退出下页上页首页 vc (t)为信号电压， vL (t)为本地振荡电压 1) 共发射极混频电路 10.2 晶体三极管混频电路 1.几种形式： 高频电子线路 退出下页上页首页 2) 共基混频电路 对vc、vL分别加在不同的电极上，电路工作稳定(经常被采用) 对vc、vL均加在同一电极上，容易起振，但相互牵制大。 本质：利用三极管ic和uBE的非线性来进行频率变换。 原理：见教材P234 高频电子线路 退出下页上页首页（3）晶体管他激式混频电路 高频电子线路 退出下页上页首页 10.4.2 二极管平衡混频器 分析如下： 带通后得： 高频电子线路 退出下页上页首页 （4）晶体管自激式混频电路(知识拓展) 高频电子线路 退出下页上页首页10.4.2 二极管平衡混频电路 二极管工作在小信号状态 高频电子线路 退出下页上页首页 高频电子线路 退出下页上页首页 和频分量 差频分量 后面加带通滤波器，滤掉其它的不需要成分即可。 高频电子线路 退出下页上页首页 10.5 利用模拟乘法器实现混频 uL(t) uS(t) uO(t) uI(t) 带通 滤波器 X Y 本振信号 高频已调制信号 中频已调制信号 Km 高频电子线路 退出下页上页首页 uS(t)=Ucm(1+macost)cosct uL(t)=ULmcosLt uO(t)=Km uS(t) uL(t) 和频分量 差频分量 uL(t) uS(t) uO(t ) X Y Km uI(t) 带通 滤波器 高频电子线路 退出下页上页首页 集成混频器 采用MC1596双差分对模拟相乘器构成的混频器 4.5.3 高频电子线路 退出下页上页首页五、三种变频电路的性能比较 晶体三极管变频电路 四种电路形式 特点 优点：电路简单，有变频增益 缺点：动态范围小、组合频率干扰严重、噪声较大 、 存在本地振荡反辐射 二极管混频电路环形混频电路 特点 缺点：无变频增益 优点：电路简单、动态范围大、组合频率少、噪声 小、不存在本地振荡反辐射 用模拟乘法器构成的混频电路 特点 输入信号信号动态范围大、组合频率少、本振电压 大小不会引起信号失真 高频电子线路 退出下页上页首页 10.6 混频的干扰与失真 组合频率干扰 信号（或其谐波）本身fS与本振fL的各次谐波形成的组 合干扰。 与外来干扰无关。 副波道干扰（寄生通道干扰） 外来干扰信号fn（或其谐波）与本振频率fL（或其谐波 ）产生的组合干扰。 交调和互调干扰 交调外来干扰信号与信号频率fS 同时加入到输入端 时，由混频管非线性特性产生的交叉调制干扰 互调外来干扰信号互相形成的互相调制干扰 与本振无关。 高频电子线路 退出下页上页首页 产生混频器干扰的原因 混频电路的输入除了载频为fc的已调波信号us和频率为fL的本振信号uL之外, 还可能有从天线进来的外来干扰信号。 外来干扰信号包括其它发射机发出的 已调波信号和各种噪声。 假定有两个外来干扰信号un1和un2, 设其频率分别 为fn1和fn2。 us、uL和un1、un2以下分别简称为信号、本振和外来干扰。假定混频 电路中的非线性器件为晶体管, 其转移特性为: i=a0+a1u+a2u2+a3u3+a4u4+ u=us+uL+un1+un2 =Uscos22fct+ULcos2fLt+Un1cos2fn1t+Un2cos 2fn2t 高频电子线路 退出下页上页首页 产生混频器干扰的原因 晶体管输出的所有组合频率分量为: f=|pfLqfcrfn1sfn2|, p、 q、 r、 s=0, 1, 2, 在这些组合频率分量中, 只有p=q=1, r=s=0对应的频率分量 fI=fL-fc才是有用的中频, 其余均是无用分量。若其中某些无用组 合频率分量刚好位于中频附近, 能够顺利通过混频器内中心频率 为fI的带通滤波器, 就可以经中放、检波后对有用解调信号进行 干扰, 产生失真。另外, 由幂级数分析法可知, p、q、r、 s值越 小所对应的组合频率分量的振幅越大, 相应的无用组合频率分量 产生的干扰就越大。 高频电子线路 退出下页上页首页 干扰信号的干扰途径 直接从接收天线进入形成干扰 由高放的非线性形成干扰 由混频器自身的非线性形成干扰 由本振信号的高次谐波产生干扰信号 高频电子线路 退出下页上页首页 四种混频干扰 1） 组合频率干扰 产生原因： 若信号和本振产生的组合频率分量满足 |pfLqfc|=fIF 式中F为音频, 则此组合频率分量若与中频fI比较接近能够产生干扰。 以音频调幅信号为例, 对混频干扰的几种不同形式和来源进行讨 论, 最后给出了解决措施。 高频电子线路 退出下页上页首页 例如, 当fc=931 kHz, fL=1396 kHz, fI=465kHz时, 对应于 p=1, q=2的组合频率分量为: |1396-2931|=466(kHz)=465(kHz)+1(kHz) 466 kHz的无用频率分量在通过中放后, 与中频为465 kHz 的调幅信号一起进入检波器中的非线性器件, 会产生1kHz 的 差拍干扰, 经扬声器输出后类似于哨声, 故称这种干扰为干扰 哨声。 可见：p、q越小，影响越大。 措施：uLm取小些、 usm取小些、合理选择中频。 5.4 混 频 器 高频电子线路 退出下页上页首页 二、副波道干扰（寄生通道干扰） 概念 外来干扰信号fn（或其n次谐波）与本振信号频率fL的 m次谐波产生符合式子 nfnmfL=fI 即 的差拍时，形成变频干扰。 表现为串台、哨叫声。 分类： 中频干扰（一阶干扰） 镜频干扰（二阶干扰） 组合副波道干扰 高频电子线路 退出下页上页首页 最强的两种干扰 中频干扰 当p=0、q=1时， fN=fI 镜像干扰 当p=1、q=1时， fN= fL+fI 而 fc= fLfI，即干扰扰信号fN 与载频载频 信号fc形成镜镜像关系 。 ）副波道干扰 高频电子线路 退出下页上页首页 中频干扰（一阶干扰）的抑制方法： 提高前端电路的选择性，增强对中频信号的抑制， 如设置中频陷波器； 合理选择中频数值，中频选在工作波段之外，如采用 高中频方式。 高频电子线路 退出下页上页首页 Ln m=1，n=1， fn= fL+fI = fS+2fI 抑制方法： 提高变频器前端电路的选择性，提高中频频率，以降 低加到变频器输入端的镜像电压值。 可采用高中频方案。 例： 信号频率 fS = 580kHz， 接收机中频 fI = 465kHz 。当一个 fn = 1510 kHz 的干扰信号也作用在变频器的输入端时 ，将形成镜像干扰 fnfS = (1510-580) kHz = 930 kHz = 2 fI， 因此可以同时听到两个电台的声音。 2、镜像（频）干扰（二阶干扰） 高频电子线路 退出下页上页首页 3、组合副波道干扰 抑制方法： 提高前端电路的选择性和提高中频数值； 选择合适的变频电路； 合理地选择变频管的工作状态。 例：信号频率fS=660kHz，fL=1125kHz，fI=465kHz 对应的m=n=2的组合干扰频率为 fn1=(21125+465)/2kHz=1357.5kHz； fn2=(21125-465)/2kHz=902.5kHz 对应的m=n=3的组合干扰频率为 fn1=(31125+465)/3kHz=1280kHz； fn2=(31125-465)/3kHz=970kHz 等等。这些分量都可能被转换成中频频率而形成干扰。 m1，n1， 高频电子线路 退出下页上页首页 3.交调干扰 概念： 一个已调的强干扰信号与有用信号fS（已调波或载波） 同时作用于接收机输入端时，由混频管的非线性 三次项和更高次项形成的干扰。 与本振无关。 任何频率的强干扰都可能形成交调，但干扰信号频率 与有用信号频率相差越大，受前端电路的抑制越彻底 ，形成的干扰越弱。 表现： 同时听到质量很差的有用信号和干扰电台的声音。 抑制措施： 提高前端电路的选择性，降低加到变频电路输入端的 干扰信号值； 选择合适的工作状态及合适的器件（如平方律器件） ，减少不需要的非线性项。 高频电子线路