第10章变频与混频电路(本科)

1、高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 1.变频的概念；变频的概念；2.变频器的基本原理变频器的基本原理3.常用的变频器电路：常用的变频器电路：晶体三极管变频器晶体三极管变频器二极管环形变频器二极管环形变频器模拟乘法器变频电路模拟乘法器变频电路4. 变频干扰变频干扰：组合频率干扰组合频率干扰副波道干扰副波道干扰交叉调制和互调干扰交叉调制和互调干扰第第1010章章 变频与混频电路变频与混频电路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 超外差式超外差式接收机框图接收机框图回忆：回忆：混频器在通信系统中的地位混频器在通信系统中的地位高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 教学重点教学重点为什么要

2、进行变频；为什么要进行变频；变频器的基本原理及数学分析；变频器的基本原理及数学分析；变频干扰。变频干扰。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 教学难点教学难点变频器的基本原理及数学分析变频器的基本原理及数学分析变频干扰变频干扰高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 10.1 引言引言10.1 基本概念基本概念变频电路：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完成频谱在频率轴上的线性搬移。线性搬移。实现信号频谱线性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。变换的一种电路在频域

3、上起着减（加）法器的作用。 组成组成：非线性元件、本地振荡器、中频滤波器非线性元件、本地振荡器、中频滤波器 分类：分类：变频器（自激式变频器）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）混频作用）混频器（他激式变频器）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。需由外部的振荡器提供本振输入控制信号。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 应用：应用： 超外差接收机的关键部件超外差接收机的关键部件 接力通信、卫星通信系统接力通信、卫星通信系统 频率合成器、频谱分析仪频率合成器、频谱分析仪

4、常用的中频数值常用的中频数值 调幅收音机：调幅收音机：465（455）khz 调频收音机：调频收音机：10.7mhz 微波接收机、卫星接收机：微波接收机、卫星接收机：70mhz或或140mhz 其他：其他： 500khz、1mhz、1.5mhz、4.3mhz、5mhz、 21.4mhz、30mhz 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 变频电路框图变频电路框图本质：本质：利用非线性器件产生所需要的新的频率分量。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

5、容易比较容易,且增益高且增益高, 选择性好选择性好,所以所以采用混频方式可大大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。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？问题：为什么一定要进行混频？ 三极管混频器三极管混频器 场效应管混频器场效应管混频器 二极管平衡混频器二极管平衡混频器 二极管环形混频器二极管环形混频器 集成模拟混频器集成模拟混频器 混频器的类型混频器的类型高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 二、基本原理二、基本原理高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 强调：强调：混频器的特点混频器的

6、特点 1. 1.输出是中频为输出是中频为fi的已调波信号的已调波信号ui(t)。通常取。通常取fi=fl-fc。以输入。以输入是普通调幅信号为例是普通调幅信号为例, ,若若us(t)=ucm1+mau(t)cos2fct, , 本振本振信号为信号为ul(t)=ulmcos 2flt, , 则输出中频调幅信号为则输出中频调幅信号为ui(t)=uim1+mau(t)cos 2fit。可见。可见, , 调幅信号频谱从中心频率为调幅信号频谱从中心频率为fc处平移到中心频率为处平移到中心频率为f fi处处, , 频谱宽度不变频谱宽度不变, , 包络形状不变，故包络形状不变，故混频也属于频谱线性变换技术混

7、频也属于频谱线性变换技术。 2. 2.混频电路的输入输出均为高频已调波信号。混频电路的输入输出均为高频已调波信号。 由前几节的讨由前几节的讨论可知论可知, , 调幅电路是将低频调制信号搬移到高频段调幅电路是将低频调制信号搬移到高频段, , 检波电路检波电路是将高频已调波信号搬移到低频段是将高频已调波信号搬移到低频段, , 而混频电路则是而混频电路则是将已调波将已调波信号从一个高频段搬移到另一个高频段。信号从一个高频段搬移到另一个高频段。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 强调：强调：混频器的特点混频器的特点 3. 3.混频电路通常位于接收机前端混频电路通常位于接收机前端, , 不但输入已

8、调波信号很小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。则也可能进入混频电路。4.4.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。少的。 但是另一方面但是另一方面, , 其非线性特性不但会产生许多无用的组其非线性特性不但会产生许多无用的组合频率分量合频率分量, , 给接收机带来干扰给接收机带来干扰, , 而且会使中频分量的振幅受到而且会使中频分量的振幅受到干扰干扰, , 这两类干扰统称为混频干扰。它们都会使

9、有用信号产生失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。真。 由于以上两个特点由于以上两个特点, , 混频电路的干扰来源比其它非线性电混频电路的干扰来源比其它非线性电路要多一些。路要多一些。 分析这些干扰产生的具体原因分析这些干扰产生的具体原因, , 提出减小或避免提出减小或避免干扰的措施干扰的措施, , 是混频电路讨论中的一个关键问题。是混频电路讨论中的一个关键问题。 高频电子线路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三种频谱线性搬移功能比较高频电子线路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非线性器件变频的机理（补充内容）（补充内容）在非线性

10、元件上加上的输入已调信号在非线性元件上加上的输入已调信号 us(t)=usmcosst 和本地和本地振荡信号振荡信号 u ul l(t)=ulmcos lt。变频管电流采用幂级数表示：变频管电流采用幂级数表示：332210)()()()()()(tutuatutuatutuaailslsls高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 可得到：可得到：ttuuattuuattuuatuatuatuuauauatuatuatuuauauauuaailslslmsmlslslmsmlslslmsmllmllmllmsmlmlmssmssmslmsmsmsmlmsm 2cos2cos432cos2cos

11、43coscos3cos412cos21cos23433cos412cos21cos234321232323322233313322233312220高频电子线路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在非线性元件上加上的输入已调信号 us(t)=usmcosst 和本地和本地振荡信号振荡信号 u ul l(t)=ulmcos lt。( )( )( )( )201sl2sliaau tutau tut 可得到：可得到：忽略二次项以上的变频管电流采用幂级数表示：忽略二次项以上的变频管电流采用幂级数表示： coscoscoscoscoscos2220smlm1smslml22

12、2smslml2smlmslslaiauu2aututau2tu2t2a uutt下变频器下变频器上变频器上变频器高频电子线路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器的主要技术指标 变频增益变频增益电压增益电压增益kvc、功率增益、功率增益kpc（通常用分贝）（通常用分贝）iivcpcssupk,kup 中中频频输输出出电电压压中中频频输输出出信信号号功功率率高高频频输输入入电电压压高高频频输输入入信信号号功功率率 选择性选择性只输出所需的中频信号。只输出所需的中频信号。 工作稳定性工作稳定性控制信号（本振信号）的频率稳定度。控制信号（本振信号）的频率稳定度。 非

13、线性失真非线性失真变频电路的输出信号频率和输入信号频率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。不同，变频过程中可能产生失真。 噪声系数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。整机影响最大，因此要求它的噪声性能要好。ssfiisnnsn 输输入入端端载载频频信信号号噪噪声声功功率率比比输输出出端端中中频频信信号号噪噪声声功功率率比比高频电子线路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晶体三极管混频电路1.几种形式：几种形式：本质：本质：利用三极管利用三

14、极管ic和和ube的非线性来进行频率变换。的非线性来进行频率变换。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 vc (t)为信号电压，为信号电压， vl (t)为本地振荡电压为本地振荡电压1) 共发射极混频电路共发射极混频电路10.2 晶体三极管混频电路晶体三极管混频电路1.几种形式：几种形式：高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 2) 共基混频电路共基混频电路 对对vc、vl分别加在不同的电极上，电路工作稳定分别加在不同的电极上，电路工作稳定(经常被采用经常被采用) 对对vc、vl均加在同一电极上，容易起振，但相互牵制大。均加在同一电极上，容易起振，但相互牵制大。本质：本质：利用三极管利用

15、三极管ic和和ube的非线性来进行频率变换。的非线性来进行频率变换。原理：原理：见教材见教材p234高频电子线路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）晶体管他激式混频电路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 10.4.2 二极管平衡混频器二极管平衡混频器riiu)(21otuurbu)cos(2cllmsm2i分析如下：分析如下：带通后得：带通后得：ttuubtubr)cos()cos(cos2clcllmsm2csm1)2(2ls2s1uububr高频电子线路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）晶体管自激式混频电路(知识拓展知识拓展)高频电子线路

16、高频电子线路退出下页上页首页 10.4.2 二二极管平衡混频电路极管平衡混频电路isld2ilsd1uuuu;uuuu 的的控控制制受受本本振振信信号号二二极极管管的的时时变变跨跨导导ldsmlmutguu 二极管工作在小信号状态二极管工作在小信号状态高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 的的控控制制。的的时时变变跨跨导导，受受：lldddldddu:tkguutkgutgi二二极极管管两两端端压压; ;为为二二极极管管两两端端所所加加的的电电 ilsd2ilsd1uuuu;uuuu islldd1d1uuutkgutgi islldd1d1uuutkgutgi tcosutcosu.tc

17、ostcosguutkgriisuiimcsmlldisldddo 322212221高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 .tcostcosugtcostcosugtcosugtcosutcosu.tcostcosguclsmdclsmdcsmdiimcsmlldo 311322212 .tcostcosugtcosugclclsmdcsmd 21和频分量和频分量差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。后面加带通滤波器，滤掉其它的不需要成分即可。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 10.5 10.5 利用模拟乘法器实现混频利用模拟乘法器实现混频ul(t)us(t

18、)uo(t)ui(t)带通带通滤波器滤波器xy本振信号本振信号高频已调制信号高频已调制信号中频已调制信号中频已调制信号km高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 us(t)=ucm(1+macost)cosctul(t)=ulmcosltuo(t)=km us(t) ul(t) tcostcosm1uuk21tcostcosm1uuk21lcalmcmmlcalmcmm 和频分量和频分量差频分量差频分量ul(t)us(t)uo(t)xykmui(t)带通带通滤波器滤波器高频电子线路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高频电子线路高

19、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五、三种变频电路的性能比较 晶体三极管变频电路晶体三极管变频电路四种电路形式四种电路形式特点特点 优点：电路简单，有变频增益优点：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、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存在本地振荡反辐射 二极管混频电路二极管混频电路环形混频电路环形混频电路特点特点 缺点：无变频增益缺点：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小、不存在本地振荡反辐射 用模拟乘法器构成的混频电路

20、用模拟乘法器构成的混频电路特点特点 输入信号信号动态范围大、组合频率少、本振电压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大小不会引起信号失真高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 10.6 混频的干扰与失真混频的干扰与失真 组合频率干扰组合频率干扰 信号信号（或其谐波）（或其谐波）本身本身fs与与本振本振fl的各次谐波形成的的各次谐波形成的组组合干扰合干扰。 与外来干扰无关。与外来干扰无关。 副波道干扰（寄生通道干扰）副波道干扰（寄生通道干扰） 外来干扰信号外来干扰信号fn（或其谐波）与（或其谐波）与本振本振频率频率fl（或其谐波）（或其谐波）产生的产生的组合干扰组合

21、干扰。 交调和互调干扰交调和互调干扰 交调交调外来干扰信号外来干扰信号与信号频率与信号频率fs 同时加入到输入端同时加入到输入端 时，由混频管非线性特性产生的时，由混频管非线性特性产生的交叉调制干扰交叉调制干扰 互调互调外来干扰信号外来干扰信号互相形成的互相形成的互相调制干扰互相调制干扰 与本振无关。与本振无关。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 产生混频器干扰的原因产生混频器干扰的原因 混频电路的输入除了载频为混频电路的输入除了载频为fc的已调波信号的已调波信号us和频率为和频率为fl的本振信号的本振信号ul之外之外, , 还可能有从天线进来的外来干扰信号。还可能有从天线进来的外来干扰

22、信号。 外来干扰信号包括其它发射机发出的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。已调波信号和各种噪声。 假定有两个外来干扰信号假定有两个外来干扰信号un1和和un2, , 设其频率分别设其频率分别为为fn1和和fn2。 us、ul和和un1、un2以下分别简称为信号、本振和外来干扰。假定混频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电路中的非线性器件为晶体管, , 其转移特性为其转移特性为: :i=a0+a1u+a2u2+a3u3+a4u4+ u=us+ul+un1+un2=uscos22fct+ulcos2flt+un1cos2fn1t+un2cos

23、 2fn2t高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 产生混频器干扰的原因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在这些组合频率分量中, , 只有只有p=q=1, r=s=0p=q=1, r=s=0对应的频率分量对应的频率分量fi=fl-fc才是有用的中频才是有用的中频, , 其余均是无用分量。其余均是无用分量。若其中某些无用组若其中某些无用组合频率分量刚好位于中频附近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能够顺利通过混频器内中

24、心频率为为fi的带通滤波器的带通滤波器, , 就可以经中放、检波后对有用解调信号进行就可以经中放、检波后对有用解调信号进行干扰干扰, , 产生失真。产生失真。另外另外, , 由幂级数分析法可知由幂级数分析法可知, p, p、q q、r r、 s s值值越小所对应的组合频率分量的振幅越大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相应的无用组合频率分量产生的干扰就越大。量产生的干扰就越大。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 干扰信号的干扰途径干扰信号的干扰途径直接从接收天线进入形成干扰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高放的非线性形成干扰由混频器自身的非

25、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由本振信号的高次谐波产生干扰信号高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 四种混频干扰四种混频干扰1） 组合频率干扰组合频率干扰产生原因：产生原因： 若信号和本振产生的组合频率分量满足若信号和本振产生的组合频率分量满足 |pflqfc|=fif 式中式中f为音频为音频, 则此组合频率分量若与中频则此组合频率分量若与中频fi比较接近能够产生干扰。比较接近能够产生干扰。 以音频调幅信号为例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对混频干扰的几种不同形式和来源进行讨论论, 最后给出了解决措施。最后给出了解决措施

26、。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 例如例如, 当当fc=931 khz, fl=1396 khz, fi=465khz时时, 对应于对应于p=1, q=2的组合频率分量为的组合频率分量为: |1396-2931|=466(khz)=465(khz)+1(khz) 466 khz的无用频率分量在通过中放后的无用频率分量在通过中放后, 与中频为与中频为465 khz的调幅信号一起进入检波器中的非线性器件的调幅信号一起进入检波器中的非线性器件, 会产生会产生1khz的差拍干扰的差拍干扰, 经扬声器输出后类似于哨声经扬声器输出后类似于哨声, 故称这种干扰为干故称这种干扰为干扰哨声。扰哨声。

27、 可见：可见：p、q越小，影响越大。越小，影响越大。措施措施：ulm取小些、取小些、 usm取小些、合理选择中频。取小些、合理选择中频。5.4 5.4 混混 频频 器器 高频电子线路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）二、副波道干扰（寄生通道干扰）概念概念 外来干扰信号外来干扰信号fn（或其（或其n次谐波）与次谐波）与本振信号本振信号频率频率fl的的m次谐波产生符合式子次谐波产生符合式子 nfnmfl=fi 即即 的差拍时，形成变频干扰。的差拍时，形成变频干扰。 表现为串台、哨叫声。表现为串台、哨叫声。分类分类： 中频干扰（一阶干扰）中频干扰（一阶干扰） 镜频干扰（二阶

28、干扰）镜频干扰（二阶干扰） 组合副波道干扰组合副波道干扰nfmffiln/ 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 最强的两种干扰最强的两种干扰 中频干扰中频干扰 当当p=0、q=1时，时， fn=fi 镜像干扰镜像干扰 当当p=1、q=1时，时， fn= fl+fi而而 fc= flfi，即干扰信号，即干扰信号fn 与载频信号与载频信号fc形成镜像关系。形成镜像关系。）副波道干扰副波道干扰高频电子线路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：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，提高前端电路的选择性，增强对中频信号的抑制，如设置中

29、频陷波器；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。高中频方式。高频电子线路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。低加到变频器输入端的镜像电压值。 可采用高中频方案。可采用高中频方案。 例例：信号频率信号频率 fs = 580khz，接收机中频接收机中频 fi = 465khz。当一个当一个 fn = 1510 khz

30、的干扰信号也作用在变频器的输入端的干扰信号也作用在变频器的输入端时，将形成镜像干扰时，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。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）、镜像（频）干扰（二阶干扰）高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 3、组合副波道干扰、组合副波道干扰 抑制方法抑制方法： 提高前端电路的选择性和提高中频数值；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；选择合适的变频电路； 合理地选择变频管的工作状态。合理地选择变频管的工作状态。 例例：信号频率：信号频率f

31、s=660khz，fl=1125khz，fi=465khz对应的对应的m=n=2的组合干扰频率为的组合干扰频率为fn1=(21125+465)/2khz=1357.5khz； fn2=(21125-465)/2khz=902.5khz 对应的对应的m=n=3的组合干扰频率为的组合干扰频率为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。等等。这些分量都可能被转换成中频频率而形成干扰。 m1，n1，nfmffiln/ 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 3.交调干扰交调干扰 概

32、念概念： 一个已调的强干扰信号一个已调的强干扰信号与有用信号与有用信号fs（已调波或载波）（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。三次项和更高次项形成的干扰。 与本振无关。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，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。形成的干扰越弱。 表现表现： 同时听到质量很差的有用信号和干扰电台的声音。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；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），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。减少不需要的非线