高频电子3.4.3变频混频.ppt

广东轻工职业技术学院电子通信工程系 2010.2,高频电子技术,模块三 无接收系统,任务4 FM/AM收音机制作,3.4.3变频、混频分析,一、变频电路的框图与变频作用、变频原理,混频电路又称变频电路，其作用是将已调信号的载频变换成另一载频。变化后新载频已调波的调制类型和调制参数均保持不变。,载频为fc的普通调幅波,频率为fL的本振信号,载频为中频fI的 调幅波,或,fI fc 的称为上混频， fI fc 的称为下混频。,调幅信号,本振信号。,滤除无用的高频分量，取出低频解调信号,从频谱看混频电路的作用,从频谱看混频电路的作用,载频是fc 的普通调幅波,不失真地搬移到fI的位置上：fI= fL- fc。带通滤波器取出。,无用的寄生分量,混频电路概述,作用：变频,组成：利用相乘器和带通滤波器构成。 高质量通信设备中广泛采用二极管环形混频器和双差分 对模拟乘法器；在一般接收设备中，采用简单的三极管 混频电路。,要求：混频增益高、失真小，抑制干扰信号的能力强。,混频增益：指中频电压UI与输入高频电压US之比值。,用分贝表示：,对于二极管环形混频器用混频损耗来表示：,二、 混频电路的分类与优缺点,1、晶体管混频电路,输入信号,本振信号,输出回路调谐在fI,uBE =VBB +us + u L,us 为小信号， uL 为大信号，使工作于线性时变状态。,fI = fL fc,或 fI = fL+ fc,优缺点: 优点:混频增益高 缺点:动态范围小、组合频率干扰严重、输出噪声大,2. 非线性器件的相乘作用,1)、非线性器件特性的幂级数表示,该式在Q点的泰勒级数展开式为,的各幂级数项展开，可得,将,由二次方产生了有用乘积项,令 u1=U1mcos 1t， u2=U2mcos 2t ，,则得众多组合频率分量的通式为： pq= p1 q 2 P、q为0或正整数。,其中p =q =1 对应 11= 1 2是有用乘积项产生的和频、差频，其余频率分量都由无用乘积项产生。,同时产生众多无用高阶相乘项，故相乘作用不理想。,为减小无用组合频率分量，应选择合适的Q 点，使 非线性器件工作在特性接近平方律的区段，或选用具有 平方律特性的器件。,另外，常使非线性器件工作于线性时变工作状态或 开关工作状态。,2)、线性时变工作状态,1. 工作条件： u2为足够小的信号,当u2足够小，则可忽略下式中u2的二次方及其以上各次方项,得,2. 为何称为线性时变工作状态？,线性时变工作状态的图示,时变工作点按大信号u1的变化规律随时间变化。,对小信号u2 而言，管子特性等效为时变工作点处的一小段切线，故呈线性特性。但切线斜率即增量电导随时变工作点而变。,则I0 (u1)和g (u2)都是周期函数，可用傅里叶级数展开，故,3. 为何线性时变工作状态能减少无用组合频率分量？,u1 = U1mcos 1t,若,I0(u1)= I0 + I1mcos 1t + I2mcos 21t +,g(u1)= g0 + g1cos 1t + g2cos 21t +,直流分量,基波,二次谐波,将 u2=U2mcos 2t 和上述两式代入,则得,可见，线性时变工作状态能减少无用组合频率分量：,(2) 有用频率分量与无用频率分量的间隔大，易滤除。,(1) 输出电流者只含：直流成分， 1及其各次谐波、2 、 1及其各次谐波与2 的组合频率。,消除了 2 的各次谐波， 2 的各次谐波与1及各次谐波的组合频率。,从组合频率分量的通式 pq= p1 q 2看，即消除了 q1、p为任意值时的所有频率分量。,中波调幅收音机变频电路,输入回路从天线接收到的无线电波中选出所需频率的信号，经L1、L2 的互感耦合加到三极管基极。,本振回路,输出中频电路，选出混频后的中频信号465 kHz,电路混频和本振都由晶体管V 完成。发射极注入本振电压，基极输入信号。,中波调幅收音机变频电路,中波调幅收音机变频电路,双连电容 调谐,2、 晶体二极管混频器,开关工作状态,1. 工作条件： u1为足够大信号，使器件工作于开关状态； u2为足够小信号。,2. 二极管开关工作状态的分析,原理电路,开关等效电路模型,大信号,小信号,是受u1控制的单向开关函数,单向开关函数表达式为,其傅里叶级数展开式为：,开关函数波形,可见：,输出电流中只含有：直流、2 、1 及其偶次谐波、1 及其奇次谐波与2的组合频率分量。,不存在1的奇次谐波以及1偶次谐波与2的组合频率分量。,u1=U1mcos(1t)为大信号,u2=U2mcos( 2t)为小信号,u1正半周V1、V2导通,u1负半周V3、V4导通,2、 晶体二极管混频器,为便于分析，暂时不考虑负载的 反作用，则,流过负载的总的输出电流为,实际应考虑负载的反作用，则要用 代替,四管特性 相同，N1=N2,两个单向开关函数合成一个双向开关函数：,于是得到总的输出电流：,输出电流中只含有p1 2（p为奇数）的组合频率分量。 若1较高，则(3 1 2 )及以上的组合频率分量很容易被滤 除。因此二极管双平衡相乘器具有接近理想特性的相乘功能。,外形,内部电路,环形混频器组件采用精密配对的肖特基表面势垒二极管或砷化镓器件和传输线变压器构成。,L：本振,R: 输入,I：中频输出,使用方法： 从任两个端口输入，从第三端口获得输出。 各端口的匹配阻抗均为50，要求接入滤波匹配网络。,3.二极管环形相乘器,四个二极管组成一个环路，且二极管极性沿环路一致，故又称为环型相乘器。,若二极管特性一致，变压器中心抽头上下完全对称，则各端口间良好隔离。信号分别从其中两个端口输入，则另一端口为相乘器输出端。,输入信号源、小信号。,本振信号源、功率足够大。,二极管工作于开关状态。,二极管混频器优点：电路简单、噪声低、动态范围大、 组合频率分量少、工作频带宽。,二极管混频器缺点：无增益,三、混频器的干扰与失真,信号频率和本振频率的各次谐波之间、干扰 信号与本振信号之间、干扰信号与信号之间以及 干扰信号之间，经非线性器件相互作用会产生很 多的频率分量。在接收机中，当其中某些频率等 于或接近于中频时，就能够须利地通过中频放大 器，经解调后，在输出级引起串音、哨叫和各种 干扰，影响有用信号的正常接收。,1、输入信号与本振信号产生的组合频率干扰,P、q 为任意正整数,当 P = q =1时，可得中频 fI = fL- fc 除此以外的组合频率分量均为无用分量，当其中的某些频率分量接近于中频，并落入中频通频带范围内时，就能与有用中频信号一道须利地通过中放加到检波器，并与有用中频信号在检波器中产生差拍，形成低频干扰，使得收听者在听到有用信号的同时还听到差拍哨声。这种组合频率干扰也称为哨声干扰。,当转动接收机调谐旋钮时，哨声音调也跟随变化，这是哨声干扰区分其他干扰的标志。,例如对中波广播：,则在接收机输出端产生1kHz的哨叫声,输入信号与本振信号产生的组合频率干扰,p、q 为任意正整数,理论上，产生干扰的哨声的信号频率有无限个，但 实际上只有p、q较小时，才会产生明显的干扰哨声；又 由于接收机的接收频段是有限的，所以产生干扰哨声的 组合频率并不多。对于具有理想相乘特性的混频器，则 不可能产生哨叫干扰，所以，实用上应尽量减小混频器 的非理想相乘特性。,把有用信号与本振信号变换为中频的通道，称为主通道， 而把同时存在的其余变换通道称为寄生通道。,只有对应于p、q值较小的干扰信号，才会形成较强的寄生通道干扰，其中最强寄生通道干扰为中频干扰和镜像干扰。,外来干扰与本振电压产生的组合频率干扰称为寄生通道干扰。,2、外来干扰与本振产生的组合频率干扰,干扰与本振产生的组合频率干扰,抑制中频干扰措施：提高混频器前端电路的选择性 或在前级增加一个中频陷波器。,抑制镜频干扰措施：提高混频器前端电路的选择性 。,3、交叉调制干扰和互相调制干扰,1）. 交调干扰,当接收机对有用信号频率调谐时，在输出端不仅可收听到有用信号的声音，同时还清楚地听到干扰台调制声音；若接收机对有用信号频率失谐，则干扰台的调制声也随之减弱，并随着有用信号的消失而消失，好像干扰台声音调制在有用信号的载波上，故称其为交叉调制干扰。,原因： 当有用信号和干扰信号两种调幅波均加至混频器输 入端时，由于混频器非线性作用，使干扰信号的包 络转移到中频信号上 。,交叉调制的产生与干扰台的频率无关，任何频率较强的干扰信号加到混频器的输入端，都有可能形成交叉调制干扰。,抑制交调干扰措施：,提高混频器前端电路的选择性，尽量减小干扰的幅度，是抑制交叉调制干扰的有效措施。 选用合适的器件和合适的工作状态，使混频器的非线性高次方项尽可能减小。 采用抗干扰能力