振幅调制解调与混频电路资料PPT课件

第4章振幅调制、解调与混频电路,4.4混频电路（Mixer/Converter）,4.4.1混频电路的组成模型,4.4.2混频器主要性能指标,4.4.3混频电路,4.4.4混频失真,.,2,4.4.1混频电路的组成模型（P2274.1.2）,一、混频的基本概念,1接收机的分类,（1）直（接）放（大）式,技术难点：由于从天线收到的不同电台信号其载波频率不同，而高频放大器的中心频率应调谐在载波频率上，所以高频放大器应是中心频率可调的谐振放大器，其性能（增益、选择性等）不可能做得很好。,.,3,（2）超外差式（P5）,高放：是中心频率可调的谐振放大器（有时省去）。本振：振荡频率也是可调的，且与载频的差值是固定的。中放：是频率固定的的谐振放大器，其性能(增益、选择性等)可以做得很好。整台接收机的性能主要由中频放大器决定。,.,4,混频：将载频为fc的高频已调波vs(t)不失真地变换为载频为fI的中频已调波vI(t)。不失真：包络不变（AM）或频率偏移规律不变（FM）,例：调幅广播（AM）中波段fc为5351605kHz，本机振荡器的振荡频率fL为10002070kHz，中频（fI=fL-fc）固定为465kHz。,（1）调幅广播（AM）：（2）调频广播（FM）；（3）电视图象中频：（4）电视伴音第二中频：,2几种常用中频,.,5,1作用频谱搬移：将载频为fc的已调信号vS(t)不失真地变换为载频为fI的已调信号vI(t)。,fL、fI、fc之间的关系为,3原理,(1)混频,二、混频实现模型,.,6,设,若fLfc时，经乘法器，将vS(t)的频谱不失真地搬移到L的两边：,一边搬到L+c上，构成载波角频率为L+c的调幅信号；,另一边搬到L-c上，载波角频率为L-c。,若令I=L-c，则前者为无用的寄生分量，而后者为有用中频分量。,(2)滤波,用调谐在I=L-c上的带通滤波器取出有用的分量。,.,7,四、频谱搬移电路小结（P229表）,振幅调制、振幅解调（检波）、混频都属于频谱搬移过程，都可以用乘法器和相应的滤波器组成的电路来实现。,输入信号,参考信号,输出信号,滤波器,.,8,一混频增益,定义：混频器的输出中频信号电压Vi(或功率PI)对输入信号电压Vs(或功率PS)的比值，用分贝表示(与混频损耗Lc类似),或,二噪声系数,4.4.2混频器主要性能指标（P253）,.,9,定义：输入信号噪声功率比(PS/Pn)I对输出中频信号噪声功率比(PI/Pn)o的比值，即,接收机的噪声系数主要取决于它的前端电路，若无高频放大器，主要由混频电路决定。,三1dB压缩电平(PI1dB),当PS较小时，PI随PS线性增大，混频增益为定值；,当PS较大时，PI随PS增大趋于缓慢。,.,10,定义：比线性增长低1dB时所对应的输出中频功率电平，称1dB压缩电平，用PI1dB表示。,意义：PI1dB所对应的PS是混频器动态范围的上限电平。,四混频失真,来源：,(1)接收机输入端存在的干扰信号；,(2)混频器件非线性，使输出电流包含众多无用组合频率分量，若某些靠近中频，则中频滤波器无法将它们滤除，叠加在有用中频信号上，引起失真称混频失真。,.,11,五隔离度,混频器各端口之间在理论上应相互隔离，确保任一端口上的功率不会窜到其他端口上。,实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。,定义：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比(用分贝表示)。,意义：用来评价窜通大小的性能指标。,危害：在接收机中，本振端口功率向输入端口的窜通危害最大。为保证混频性能，加在本振端口的本振功率都比较大，当它窜通到输入信号端口时，就会通过输入信号回路加到天线上，产生本振功率的反向辐射，严重干扰邻近接收机。,.,12,一、二极管环形混频器（双平衡混频器）,1电路（与P239图4-2-8相比：AB端接反，输出电压反相）,4.4.3混频电路,（本振信号vL应是大信号，高频已调波vs应是小信号）,D1-D4：工作在受vL控制的开关状态。,.,13,Tr2初级线圈a,b,c三点短路,vo(t)=vs(t),当vL(t)0时：D2、D3（on),D1、D4(off),2隔离度：较低，主要靠各二极管的匹配特性和变压器中心抽头的对称性来实现隔离。,.,14,二、由乘法器和滤波器构成的混频器,乘法器：线性模拟乘法器MC1595开关型乘法器MC1596、MC1496（vL应是大信号）,例：P246图4-2-14vc(t)vL(t)v(t)vs(t)BPF:fo=fI,vL(t),vs(t),.,15,三、三极管混频电路（三极管始终导通，vL是大信号，vs是小信号线性时变状态）,1四种混频电路形式,共同点：利用发射结的非线性进行混频。不同点：（1）共E：工作频率低；共B：工作频率高。,.,16,不同点：（2）vs、vL加在同一极的，信号会牵引本振；vs、vL加在不同极的，牵引小，本振波形好。（3）vL加在E极，输入电阻小，本振电路负载重，不易起振；vL加在B极，输入电阻大，本振电路负载轻，容易起振。,.,17,2工作原理,L1C1：输入信号回路，调谐在fc,L2C2：输出中频回路，调谐在fI,本振电压vL=VLmcosLt接在基极回路中，VBB0为基极静态偏置电压。,vBE(t)=VBB0+vL(t)+vS(t),将VBB0+vL(t)作为T的等效基极偏置电压，用vBB(t)表示，称为时变基极偏置电压，当输入信号电压vS(t)=Vsmcosct很小，满足线性时变条件时，三极管集电极电流为：,iCf(vBE)IC0(vL)+gm(vL)vS,.,18,iCf(vBE)IC0(vL)+gm(vL)vS,在时变偏压作用下，gm(vL)的傅氏级数展开式为：,gm(vL)=gm(t)=g0+gm1cosLt+gm2cos2Lt+,其中，基波分量gmlcosLt与输入信号电压vS相乘,gmlcosLtVsmcosct=gmlVsmcos(L-c)t+cos(L+c)t,令I=L-c，得中频电流分量为,iI=IImcosIt=,其中,称为混频跨导，定义为输出中频电流幅值IIm对输入信号电压幅值Vsm之比，其值等于gm(t)中基波分量幅度gm1的一半。,.,19,若设中频回路的谐振电阻为Re，则所需的中频输出电压vI=-iIRe，相应的混频增益为,AC=-gmcRe,（1）电路组成,3实例（P260中波广播收音机的三极管混频器电路）,.,20,本振为电感三点式电路。本振电压输出由耦合线圈Le加到T1管的发射极上。,天线上感生的信号电压通过耦合线圈La加到输入信号回路，再通过耦合线圈Lb加到T1管的基极上。,.,21,C为三个电容和线圈的最上部分所等效的电容,直流通路：,本振等效电路：,混频等效电路：,（2）各组成模块等效电路,（B极输入，E极注入，共E）,.,22,（3）同步调谐,靠输入LC回路和本振LC回路的双联可调电容进行同步调谐，输入回路的值低，本振回路的值高，主要靠本振选台。,对输入信号频率，本振LC回路严重失谐，Le回路看作对输入信号短路；对本振信号频率，输入LC回路严重失谐，而且Lb的值较小，Lb看作对本振信号短路，避免输入信号和本振信号互相干扰。对本振信号频率，输入LC回路严重失谐，而且La的值较小，La看作对本振信号短路，避免本振信号反向辐射。,（4）隔离度,.,23,混频利用了器件特性的非线性，而器件的非线性又是混频器产生各种干扰的根源。,一、干扰哨声和寄生通道干扰,1干扰哨声(组合频率干扰),(1)产生：混频器输入有用信号时，混频器件输出电流将出现众多组合频率分量：,fp,q=|pfLqfc|,混频器中存在着无数个变换通道，其中只有p=q=1的通道是有用的，它可以将输入信号频率变换为所需的中频，而其余大量的变换通道无用甚至有害。,4.4.4混频失真,.,24,例：fc=931kHz，fI=465kHz，fL=fc+fI=1396kHz,当fc与fL混合后，输出可能存在2fc-fL=2931-1396=466kHz的组合频率，与465kHz一起送到检波器，产生差拍现象，在扬声器听到1kHz的哨叫。,现象：听到的声音为哨叫干扰哨声,干扰的原因：组合频率干扰：,显然，产生哨叫的条件：|pfLqfc|=fIF,式中：F为音频。,经分析，得产生干扰哨声的输入有用信号频率fc为：,fIF，上式可简化为,.,25,(2)减小干扰哨声的办法：,组合频率分量电流振幅随(p+q)的增加而迅速减小，因而，只有对应于p和q为较小值的输入有用信号才会产生明显的干扰哨声，将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频段之外，就可大大减小干扰哨声的有害影响。,例1：由，当p=0，q=1时干扰哨声强，即fcfI，因此，将接收机的中频选在接收频段以外，避免这个最强的干扰哨声。例如，中频接收机，fI规定为465kHz。(中波：5351605kHz),例2：fc=931kHz时，会产生干扰哨声（p=1,q=2）。因此不能把电台载波频率设在fc=931kHz。例3：p=3,q=4时，即fc=4fI=1860kHz在波段外，且p+q阶数大，幅度小，因此不需考虑此频点的干扰哨声。,.,26,2寄生通道干扰(副波道干扰),(1)产生：非接收频率的干扰台串入接收机所造成的干扰。当干扰台的频率fM与本振频率fL满足,|pfLqfM|=fI(4-3-10),时，干扰信号就将其频率fM变换为fI，顺利地通过中频放大器，造成干扰(收音机听到干扰信号)。这种干扰称为寄生通道干扰。现象：收听载波为fc的电台时，同时收听到载波为fM的电台的声音。,受fL-fc=fI的限制，(4-3-10)式中只有下两式成立：,pfL-qfM=fI，qfM-pfL=fI,合并，得形成寄生通道干扰的干扰信号频率为,(4-3-11),如果阶数（p+q）越小，干扰越严重。,.,27,中频干扰(p=0，q=1),镜像干扰(p=1，q=1),若将fL想象为一面镜子，则fK就是fc的镜像，故称镜像干扰。,(2)解决办法,中频干扰：与消除干扰哨声一样，中频应选在接收频段以外，远离接收段。在高放输入端，可加中频陷波器滤除。,fK=fL+fI=fc+2fI，这时，干扰信号fK在混频器中与本振信号fL混频后，变换为中频。,fM=fI，故称中频干扰。这时，混频器起到中频放大器的作用，具有比有用信号更强的传输能力。,寄生通道干扰的两种最强情况：,.,28,镜像干扰：fK-fc=2fI，可以采用两种措施：高中频方案、二次混频。,3高中频方案,中频的两种选择方案：,(1)低中频方案，fIf频段。,4二次混频,优点：fI低，中频放大器易实现高增益和高选择性；,如在短波接收机中，接收频段为(230)MHz，中频选在70MHz附近。由于中频很高，镜像干扰频率远高于有用信号频率，混频的滤波电路很容易将它滤除。,.,29,例：GSM接收机，第一中频很高，为240MHz，可以在第一混频器前（用输入回路或高放的滤波器）将镜像频率干扰有效地滤除。第二中频很低，为10.7MHz，有利于提高中频放大器的增益。,.,30,二、交调失真和互调失真,交调失真和互调失真会在混频器、高频和中频放大器中产生，现以混频器为例讨论。,1交调失真,若接收机前端电路选择性不好，使有用信号vS和干扰信号vM同时串入混频器输入端，且二者皆为调幅波，则通过混频器的非线性作用，将产生交叉调制失真。,原因：混频器件非线性的高次方项引起的，且与干扰信号电压振幅的平方成正比。,设混频器件在静态工作点上展开的伏安特性为：,i=f(v)=a0+a1v+a2v2+a3v3+a4v4+,其中,v=vL+vS+vM=VLmcosLt+Vsmcosct+VMmcosMt,.,31,代入上式可知，v的二次方项(展开式中的2a1vLvS)、四次方项(展开式中的4a4vS+4a4vL+12a4vLvS)及更高偶次方项均会产生中频电流分量。其中12a4vLvS产生的中频电流分量振幅为3a4vLmvSm，其值与VMm有关。,表明该电流分量振幅中含有干扰信号的包络变化，这种失真是将干扰信号的包络交叉地转移到输出中频信号上去的一种非线性失真，故称为交叉调制失真。,现象：不仅可听到有用信号，同时也听到干扰信号。当接收机对有用信号失谐时，干扰信号也随之消失。如同干扰台调制信号调制在有用信号频率上，故称交叉调制干扰。注意：交调干扰时，对干扰信号的频率fM没有要求，任何频率只要能进入接收机前端电路都可形成干扰。,.,32,2互调失真,当混频器输入端同时作用着两个干扰信号vM1和vM2时，混频器还可能产生互调失真。,令,v=vL+vS+vM1+vM2,=VLmcosLt+Vsmcosct+VM1mcosM1t+VM2mcosM2t,则i中将包含的组合频率分量：,fp,q,r,s=,其中，除了fL-fc=fI(p=q=1，r=s=0)的有用中频分量外，还可能在着某些特定的r和s值上存在着,的寄生中频分量，引起混频器输出中频信号失真。这种失真由两个干扰信号互相调制产生的，故称互调失真。,.,33,当VM1m和VM2m一定时，r和s值越小，相应产生的寄生中频电流分量振幅就越大，互调失真也就越严重。其中，若两个干扰信号的频率fM1、fM2十分靠近有用信号频率，则在r和s为小值时(r=1，s=2或r=2，s=