通信电子线路课程设计

通信电子线路三极管混频课程设计 系 部 电 气 与 信 息 工 程 系 学生姓名 罗 盘 指导老师 武 麟 君 专 业 电 子 信 息 工 程 班 级 电 子 1001 班 完成时间 2012 年 12 月 12 号 摘 要 混频器在通信工程和无线电技术中 应用非常广泛 在调制 系统中 输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号 在解调过程 中 接收的已调高频信号也要经过频率的转换 变成对应的中频信号 特别是 在超外差式接收机中 混频器应用较为广泛 如 AM 广播接收机将已调幅信号 535KHZ 一 1605KHZ 要变成为 465KHZ 中频信号 电视接收机将已调 48 5M 一 870M 的图象信号要变成 38MHZ 的中频图象信号 移动通信中一次中频和 二次中频等 在发射机中 为了提高发射频率的稳定度 采用多级式发射机 用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器 产生一个频率非常稳定的主振 荡信号 然后经过频率的加 减 乘 除运算变换成射频 所以必须使用混频 电路 又如电视差转机收发频道的转换 卫星通讯中上行 下行频率的变换等 都必须采用混频器 由此可见 混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌 握的关键电路 现代通信系统的组成图如下 输 输入变换器 输 发送设备 输 传输 信道 输 接收设备 输 输出变换器 干扰 通信系统的种类很多 这里就不一一介绍了 但通信系统中的发送设备和 接受设备的各项的功能则是各种高频功能电路来实现的 我此次毕业设计课题 就是在无线通信系统中不可缺少的混频电路 混频的用途是广泛的 它一般用在接收机的前端 除了在各类超外差接收 机中应用外在频率合成器中为了产生各波道的载波振荡 也需要用混频器来进 行频率变换及组合在多电路微波通信中 微波中继站的接收机把微波频率变换 为中频 在中频上进行放大 取得足够的增益后 在利用混频器把次中频变换 为微波频率 转发至下一站此外 在测量仪器中如外差频率计 微伏计等也都 采用混频器 因此 做有关混频电路的课题设计很能检验对高频电子线路的掌 握程度 通过混频器设计 可以巩固已学的高频理论知识 此外为辅助电路 此次的毕业设计还应用了 LC 谐振回路以及 RC 二阶有源 滤波器 以实现对干扰信号的有效抑制 关键词 关键词 单片机 计算机 排版单片机 计算机 排版 AbstractAbstract Kinds of information is very important to human life so people are always looking for fast way to communicate over distance to transfer or to exchange information Modern long distance communication technology was invented in mid of 18th century thanks to the invention of radio technology Since then this technology was well developed and many new methods came out From Morse code to satellite modern communication is playing more and more important role As a key part of radio technology mixing e g transistor mixer diode mixer and FET mixer etc are broadly used in different system to shift frequency The figure hereafter illustrated the basic components of a communication system There are kinds of communication technology they are not going to be introduced here one by one However most of the transmitters and receivers are made by RF system The topic of this document is to design and simulate a key unit circuit of wireless communication system mixer Mixing technology is very useful normally they are applied by the front end of receiver They are used by superheterodyne receiver frequency synthesizer microwave repeater and instruments Therefore this kind of design practice can greatly help to understand RF knowledge well Furthermore as auxiliary circuit LC network and RC active filter are applied to this design to effectively eliminate interference Key word Multisim Superheterodyne receiver 目 录 1 设计要求及指标 1 1 设计目 标 6 1 2 设计要求和技术指标 6 1 3 三极管混频器总体方案介绍及工作原理说明 6 2 三极管混频器的仿真分析 2 1 混频电路分析 7 2 2 仿真结果 11 3 仿真结果分析 干扰及解决办法 设计总结 3 1 仿真结果分析 16 3 2 干扰及解决办法 16 3 3 设计总结 16 参考文献 17 致谢 18 附录 19 1 设计要求及指标 1 1 设计目标 设计一个三极管混频器 1 2 设计要求和技术指标 设计一个三极管混频器 要求中心频率为 10MHz 本振频率为 16 455MHz 1 3 混频电路的基本原理 混频电路是一种频率变换电路 是时变参量线性电路的一种典型应用 如一个振幅较大的振荡电压 使器件跨导随此频率的电压作周期变化 与幅度 较小的外来信号同时加到作为时变参量线性电路的器件上 则输出端可取得此 二性号的差频或和频 完成变频作用 他的功能是将已调波好的载波频率变换 成固定的中频载频率 而保持其调制规律不变 也就是说它是一个线性频率谱 搬电路 对于调幅波 调频波或调相波通过变频电路后仍然是调幅波 调频波 或调相波 只是其载波频率变化了 其调制规律是不变的 常用的有模拟相乘 混频器 二极管平衡混频器 环型混频器 三极管混频器等 其中三极管混频 器最为常用 正弦波 振荡器 模拟 乘法器 选频 放大电路 高频 信号源 图 1 3 1 混频原理框图 2 三极管混频器的仿真分析 2 1 1 混频电路分析 对于混频电路的分析 重点应掌握 一是混频电路的基本组成模型及主要 技术特点 二是混频电路的基本原理及混频跨导的计算方法 三是应用电路分 析 混频电路的基本组成模型及主要技术特点 混频 工程上也称变频 是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过 程 实质上也是频谱线性搬移过程 完成这种功能的电路就称为混频电路或变 频电路 混频电路的组成模型及频谱分析 图a是混频电路的组成模型 可以看出是由三部分基本单元电路组成 分 别是相乘电路 本级振荡电路和带通滤波器 也称选频网络 当为接收机混频 电路时 其中Us t 是已调高频信号 Ul t 是等幅的余弦型信号 而输出则是 Ui t 为中频信号 混频电路的基本原理 图2中 Us t 为输入信号 Uc t 为本振信号 Ui t 输出信号 分析 当 2 1 stsms cosU t U 则 t t UU t U csp ctcmstsm cos Ucos U 2 2 ctstcos cos Am 其中 cmsmU UAm 对上式进行三角函数的变换则有 tcst1p coscos AmtU 2 3 t cs tc cos Am 2 1 sc os 从上式可推出 Up t 含有两个频率分量和为 c S 差为 C S 若选 频网络是理想 上边带滤波器则输出为 2 4 t Amcos 2 1 t U sci 若选频网络是理想下边带滤波器则输出 2 5 t Amcos 2 1 t U sci 以下是调幅波频率形图和混频前后的频谱原理图 图 1 3 2 调幅波变频波 2 1 2 总体方案介绍 高频电路中的混频器利用电路中的非线性 可以对两个输入信号进行频率 加或减 产生和频信号或差频信号 本实验采用晶体三极管作混频电路 产生差 频信号 将高频信号转化成低频信号 采用共射混频电路 信号电压由基极输 入 本振电压由发射极注入 采用此电路 相互干扰产生牵引现象的可能性小 同时 对于本振电压来说是共基电路 其输入阻抗小 使本振负重较重 虽不 易起振但也不易过激 因此振荡波形好 失真小 三极管混频电路原理图如下图1 3 3所示 其中 晶体管起信号的混频作用 两 个输入信号分别为和 电容Cin1 Cin2 Cout为信号输入和输出的耦合电容 起到 隔直流的作用 使前后级的直流电位不相互影响 保证各级工作的稳定性 电 容Ce对高频交流信号相当于短路 消除偏置电阻Re对高频信号的负反馈作用 提高高频信号的增益 电阻元件Rb1 Rb2 Re决定晶体管的工作点 电路中的电 感L和电容C组成的谐振电路起选频作用 在产生的组合频率中选择所需要的中 频输出信号 图1 3 3 晶体管混频器实验原理电路图 2 1 3 工作原理说明 晶体三极管混频器的原理性电路如图 1 3 4 所示 在发射结上作用有三个 电压 即直流偏置电压 VBB信号电压 us和本振电压 uL 为了减小非线性器件 产生的不需要分量 一般情况下 选用本振电压振幅 ULm Usm 也就是本振电 压为大信号 而输入信号电压为小信号 在一个大信号 uL 和一个小信号 us 同 时作用于非线性器件时 晶体管可近似看成小信号的工作点随大信号变化而变 化的线性元件 如图 1 5 所示 t1时刻 在偏压 VBB和本振电压 uL的共同作用 下 它的工作点在 A 点 此时 us较小 因此 对 us 而言 晶体管可以被近似 看成工作于线性状态 在另一时刻 t2 对于 us 而言 由于偏压和本振电压的 作用 工作点移到 B 点 这时对 us 仍可看成工作于线性状态 虽然两个时刻均 工作于线性状态 但工作点不同 这两个时刻的线性参数就不一样 因为 us 的 工作点随 uL 的变化而变化 所以线性参量也就随着 uL 变化而变化 可见线性 参量是随时间变化的 这种随时间变化的参量称为时变参量 这样的电路称为 线性时变电路 应当注意 虽然这种线时变电路是由非线性器件组成 但对于 vin1 VCC Rb1 R b2 Re Ce Vout LC Cin 1 Cout Cin 2 vin2 小信号 us来说 它工作于线性状态 因此 当有多个小信号同时作用于此种电 路的输入端时 可以应用叠加 原理 图 1 3 4 晶体三极管混频器的等效原理图 晶体三极管混频器的等效原理图如图 1 3 5 所示 在晶体三极管的发射极 上作用有三个电压 即直流偏置电压 Vbb 信号电压 Us和本振电压 Ul 通常本 振电压振幅 Ul Us 也就是本振信号为大信号 而输入信号为小信号 在大信 号 Ul 和小信号 Us 同时作用于非线性器件时 Vbb Ul可认为是时变偏置电压 它决定了混频器的工作点 而对于小信号 Us来说是工作在时变状态下的线性工 作方式 混频器的集电极电流 iC 可以表示为 fi lsbbbeC uuVfu 因为 Us 很 小 在 Us 的变化范围内 正向传输时线性的 fi beC u 在 Vbb Ul上对 Us 泰勒 展开为 slbblbb uuVfuVf i c 忽略高阶影响 设本振电压 cos tUtu llml 在没有信号输入的情况下 式中 Io Icm1 Icm2 g0 g1 g2分别是只加本振电压时 集电极时变电流 中的直流分量 基波分量 二次谐波分量的幅值以及时变跨导中的平均分量 基波分量 二次谐波分量的幅值 若输入信号电压 cos tUu ssms 可得 slbblbb uuVfuVf i c 2cos cos 210c tItII lcmlcm cos U 2cos cos 210 tttgttgg ssmll 2 6 若带通滤波器的中心频率取差频 ls 则通过带通滤波器输出的中频电流为 C L c C b C s u L u bb V cc V I u 2cos cos 210c0 tItIIIuVf lcmlcmlbb 2cos cos 210c tItII lcmlcm cos 2 1 cos 2 1 cos U 110 tgtgtg lslsssm tgUi lssmi cos 2 1 1 2 7 该电路由 LC 正弦波振荡器 高频信号源 三极管混频器以及选频放大电路 组成 LC 正弦波振荡器产生的 10MHz 正弦波与高频信号源所产生的 16 455MHz 正弦波通过三极管进行混频后产生双边带调幅信号 然后通过选频放大器选出 有用的频率分量 即频率 6 455MHz 的信号 对其进行放大输出 最终输出 6 455MHz 的正弦波信号 三极管混频器仿真电路见附录一 该电路主要由 Q1 和 6 5MHz 选频回路组成 混频信号 V1 V2 分别由基极 和发射级输入 通过改变电阻 R4 的值来改变混频器晶体工作点 使其工作在合 适的非线性区域 同时也可以用来调节混频增益 2 2 仿真结果 在实验中 调节 R4 改变混频器晶体工作点 稳定的工作点 输出信号稳 定 无失真 不合适的工作点将导致输出信号不稳定 甚至不能工作 下面波 形是 R4 在不同值时系统的输出信号波 V1 V2 电压为 1V 图 2 2 1 接入 R4 80 时的输出信号波形 图 2 2 2 接入 R4 10K 时的输出信号波形 图 2 2 3 接入 R4 100K 时的输出信号波形 图 2 2 4 接入 R4 240K 时的输出信号波形 3 仿真结果分析 干扰及解决办法 设计总结 3 1 仿真结果分析 综上各图 输入信号频率 fs 10MHz 本振频率 f0 16 455MHz 其选频回 路选出差频的中频信号 fi 6 455MHz 当选频回路的参数不合适时 输出信号 会被严重衰减和失真 如图所示 当 R4 等于 100k 时获得最佳波形 输出频率经测量得到频率为 6 454MHz 与预期的 6 455MHz 一致 略有些误差 3 2 干扰及解决办法 混频器的各种非线性干扰是很重要的问题 并且在讨论各种混频器时 把 非线性产物的多少 作为衡量混频器质量的标准之一非线性干扰中很重要的一 类就是组合频率干扰和副道波干扰 这类干扰是混频器特有的 还有一些其他 的干扰 比如交调互调 阻塞干扰等 干扰的解决办法 1 选择合适的中频 如果将中频选在接收信号频段之外 可以避免中频干 扰和最强的干扰哨声 2 提高混频电路之前选频网络的选择性 减少