混频电路十六2012_1226ok

1、第五章第五章 混频器混频器5.5 5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真混频器中的组合频率干扰与非线性失真5.1 5.1 混频器的性能指标混频器的性能指标 5.2 5.2 混频器的实现模型混频器的实现模型4.8 调频波的解调调频波的解调调频调频FM， 解调：解调：鉴频或频率检波鉴频或频率检波(FD)调相调相PM， 解调：解调：鉴相或相位检波鉴相或相位检波(PD)从调角波中还原出调制信号称为调角波的解调从调角波中还原出调制信号称为调角波的解调解调前先进行限幅处理解调前先进行限幅处理（2）线性范围（带宽BW）（1）鉴频跨导或鉴频灵敏度D鉴频器的特性指标：鉴频器的特性指标：4.8.2 斜率鉴频器

2、微分鉴频法、单失谐回路斜率鉴频器、双失谐平衡鉴频器电路4.8.3 相位鉴频器相位鉴频法的原理框图相位鉴频法的原理框图 图4-62 单谐振回路频相转换网络（a）电路 （b）频率特性曲线1. 频相转换网络频相转换网络 02( )arctan (4127)22LQt arctan arctan6若；002()=LQ式中1101122011 =111oijiiLjCVVjCCRjLjC RjC RVVAejjQ 2. 乘积型相位鉴频器 模拟乘法器作鉴相器模拟乘法器作鉴相器uFM 一一 电路结构和基本原理电路结构和基本原理3. 叠加型相位鉴频器电路由二个部分组成：电路由二个部分组成：1,移相网络：移相网

3、络：u1经移相经移相网络生成网络生成PM-FM波波u2，并并使使 |U1|=|U2|+ u3 -另外，另外，u1经耦合电容经耦合电容CC在扼在扼流圈流圈LC上产生的电压上产生的电压u3=u1，VD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 242131,RCVDRCVD2 包络检波器：包络检波器：组成平衡式包络检波器。组成平衡式包络检波器。两个检波器的输出电压为：两个检波器的输出电压为：21ooouuu 1ou ou 2ou+u2-+u1-LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1ud1ud2二二 工作原理分析：工作原理分析：上下检波器的输入端高频电压为：上下检波器的

4、输入端高频电压为：如果忽略次级回路对初级回路的影响，如果忽略次级回路对初级回路的影响，则初级回路中流过则初级回路中流过L1的电流的电流 近似为：近似为：1i111111LjuLjrui 而次级回路中产生的感应电动势而次级回路中产生的感应电动势1112uLMMijE 当忽略二极管检波器等效输入电阻对次级回路的影响时，次当忽略二极管检波器等效输入电阻对次级回路的影响时，次级回路电流级回路电流 i2为：为：)1()1(2221122222CLjruLMCLjrEi 所以：次级回路两端电压所以：次级回路两端电压u2为：为：)1(222211222CLjrCuLMjCjiu VD1C3R1C4R2VD2

5、221u221u13uu 1ou ou 2ouud1ud211221211; 22dduuuuuuLcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1i1i2讨论讨论:（1）当输入）当输入FM波瞬时频率波瞬时频率f 等于调频波中心频率等于调频波中心频率f o，即，即f= f o时，次级回路谐振。时，次级回路谐振。即：即：0122 CLoo 02201122011290 rCuLMrCuLMju 则有：则有：即有：即有：u2 超前超前u1 相位差相位差/2，由矢量图，由矢量图可得：可得：|Ud1|=|Ud2|)1(222211222CLjrCuLMjCjiu 1u221u221u 1d

6、u2du若设检波器的传输系数为若设检波器的传输系数为Kd1=Kd2=Kd。 22221111|ddddoddddoUkuKuUkuKu则有：则有：0)(2121 dddoooUUKuuu所以：所以：)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （2）当瞬时频率）当瞬时频率f fo 时，则有时，则有，这时，这时次级回路呈次级回路呈电感性。电感性。01 CL )90(|0221122112 ZCuLMZCuLMju 注意：式中注意：式中 为为次级回路阻抗。次级回路阻抗。)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg 为为Z2的相角。的相角。由矢量图，由矢量图，u2超前超前u1的相位小于的

7、相位小于/2，且随且随0 相相位位差差f221u221u 1u1du2du 所以：所以：|Ud1|Ud2|0|)|(|21 dddoUUKu)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （3）当）当f fo 时，时， 次级回路呈电容性。次级回路呈电容性。 0C1L22 所以：所以：)90(|022122112 CZuLMCZuLMju其中：其中：)1(2222CLjrZ 222|1|rCLarctg 相相位位差差f可见：可见：u2超前超前u1的相位差大于的相位差大于/2，且且所以有：所以有： |Ud1|Ud2| 0|)|(|21 dddoUUKu221u221u 1u1du2du221u

8、221u 1u1du2duf fo221u221u 1u1du2duuoo根据上述分析，相位鉴频器具有下图所示的鉴频特性曲线。根据上述分析，相位鉴频器具有下图所示的鉴频特性曲线。f f oou 互感耦合回路相位鉴频器中的互感耦合回路相位鉴频器中的耦耦合双回路是一个频合双回路是一个频相变换器，相变换器，它它把把FM波波u1(t)变换成变换成PMFM波波u2(t) ，而，而FM波波u1(t)与与PMFM波波u2(t)经叠加后变换成两个经叠加后变换成两个AMFM波波ud1(t)， ud2(t)经包络检波器后即经包络检波器后即可恢复原调制信号，可恢复原调制信号， 相位鉴频器不具有自限幅作用，为了抑制调

9、频信号在传输过程中形成的相位鉴频器不具有自限幅作用，为了抑制调频信号在传输过程中形成的寄生干扰调幅的影响，一般需要在接受机中放末级电路中加限幅器，而限寄生干扰调幅的影响，一般需要在接受机中放末级电路中加限幅器，而限幅器要求输入幅器要求输入FM信号的电压幅值较大，约为信号的电压幅值较大，约为13VPP，这就增加了调频接，这就增加了调频接收机中所需的中放和限幅放大器的级数。收机中所需的中放和限幅放大器的级数。比例鉴频器比例鉴频器 （ratio discriminator）EoCDuFM+ uo- -LcCoVTVD2VD1C2C1R1R2CcEcC4C3L1L2MRLCLAB比例鉴频器具有自限比例

10、鉴频器具有自限幅的作用幅的作用，且只要求且只要求前级中放提供零点几前级中放提供零点几伏的伏的FM信号电压就能信号电压就能正常工作，不需要另正常工作，不需要另加限幅放大器，这使加限幅放大器，这使调频接收机的电路简调频接收机的电路简化，化，体积可能缩小，体积可能缩小，降低成本。降低成本。 比例鉴频器的输出电压比例鉴频器的输出电压uo只取决于输入只取决于输入FM波瞬时频率的变化，而与输入波瞬时频率的变化，而与输入FM幅度变化的大小无关。幅度变化的大小无关。 3. 直接脉冲计数式鉴频 从某种意义上讲，信号从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电频率就是信号电压或电流波形单位时间内流波形单位时间内过零过

11、零点点( (或零交点或零交点) )的次数的次数。对于脉冲或数字信号，对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号信号频率就是信号脉冲脉冲的个数的个数。基于这种原理。基于这种原理的鉴频器称为的鉴频器称为零交点鉴零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频频器或脉冲计数式鉴频器器。第5章 混频器 1. 混频器的变频作用混频器的变频作用 混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络本地振荡信号本地振荡信号 )(LLfu一个中频一个中频输出输出信号：信号：)(IIfuuc (fc)uL (fL)uI (fI)混频器混频器tuc (t)tuI (t)tuL (t)有两

12、个有两个输入输入信号：信号： 高频调制波高频调制波 )(ccfufcfc+Ffc+Ffuc的频谱的频谱fcfLfuL的频谱的频谱fIfI+FfI+FfuI的频谱的频谱tuc (t)tuc (t)tuL (t)tuL (t)tuI (t)tuI (t)混频的频谱搬移过程混频的频谱搬移过程 uDSB= uc乘法器uL带通滤波器uII I= =L L- -c c L c I I= =L L- -C C2 maxmax两个输入信号与输出信号之间的关系：两个输入信号与输出信号之间的关系： 的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心

13、频率：频率： su输输入入信信号号Iu与与输输出出信信号号cLIfff 其中其中 输输出出高高中中频频输输出出低低中中频频cLcLIfffff调幅调幅(DSB为例为例) u乘法器带通滤波器uDSBuo2max o检波检波 uDSB乘法器低通滤波器uou max混频器与振幅调制、检波的区别混频器与振幅调制、检波的区别 (1)变频损耗变频损耗(增益增益)5.1 混频器主要性能指标混频器主要性能指标 同样可定义变频电压增益定义为变频器中频输出电压振幅VI与高频输入信号电压振幅Vs之比,即IvcsVAV120lg(); 10lg()IvcACssUPAdBAdBUP 通常用分贝数表示变频增益,有定义变

14、频功率损耗为中频输出功率PI与输入射频信号功率Ps之比,即IACsPAP二极管混频器产生变频损耗的因素：1)失配损耗； 2)混频器的管芯损耗； 3)非线性电导净变频损耗；(2)噪声系数噪声系数: 3) 动态范围 混频器正常工作时的微波输入功率范围。4) 混频器输入P1dB和输出P1dB 定义偏离线性1dB为混频器的1dB压缩点。输出P1dB输入P1dB5) 双音三阶互调与线性度7)隔离度指混频器各个端口之间的隔离程度。8)镜像抑制度镜像干扰信号是与有用信号对称分布在本振信号的两侧的。混频后镜像干扰信号也会被搬移到与有用信号相同的频带内，造成干扰。6) 工作频率范围指每个端口的工作频率范围。9)

15、本振激励功率混频器需要的合适的本振激励功率。10)端口电压驻波比(VSWR)端口电压驻波比是衡量各端口的匹配性能的参数。 混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关键是获得两个输入信号的乘积项，可用双极晶体管、场效应管、键是获得两个输入信号的乘积项，可用双极晶体管、场效应管、模拟乘法器、二极管等器件实现。模拟乘法器、二极管等器件实现。 5.2 混频器的实现模型混频器的实现模型cossssvVtcosLLLvVt 本振信号本振信号:设输入信号：设输入信号：2max I I= = L L- - s svLvs 非线形非线形 元件元件 带

16、通滤带通滤 波器波器 5.2 混频器的实现模型混频器的实现模型vLvs 非线形非线形 元件元件 带通滤带通滤 波器波器coscos1cos()cos()2ImsLcLmsLLsLsvK VVttK VVttLvLL- sL+ svIvss图 5-7 晶体三极管混频器基本组态5.3 有源混频电路有源混频电路5.3.1 双极晶体管混频器双极晶体管混频器晶体三极管混频器原理电路如图5-7(a)所示。由晶体三极管频谱线性搬移电路的分析可知，此时的输入信号vi=vs=Vscosst ，为一高频已调信号，时变偏置电压vBB(t)=VBB0+vL(t)，且有vsvL, 输出回路对中频fI=fLfc谐振，由此

17、可得集电极电流iC为C0sc0sc0012s ( )( )( ) 521( )(coscos2)BBLLLif Vv tvItg t vItggtgtv式中， 称为变频跨导。112CggI1sLc1sICsIII11cos()cos22 coscos 524igVtgVtg VtIt经集电极谐振回路滤波后，得到中频电流:图 5-11 调幅收音机的自振混频电路5.4 无源混频器电路无源混频器电路5.4.5 二极管平衡混频器二极管平衡混频器 (书书357页页)在高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用二极管平衡混频器或环形混频器。其优点是噪声低、电路简单、组合分量少。图5-35是二极管平衡混频器

18、的原理电路。二极管特性可用级数展开为:230123.DDDiaa va va v23120123230123231223()()().()()(). 2462.sLsLsLsLsLsLssLsLsiiiaa vva vva vvaavvavvavva va v va v va v输出电流可用级数表示为:图 5-35 小信号二极管平衡混频器图 5-40 双平衡混频器 图5-40为二极管双平衡混频器，其输出电流io为经中频滤波后，得输出中频电流o14232()()()()2sLLLdviiiiiSStRRILcII4cos()cos 2sLdVitItRR 双平衡混频器的输出是平衡混频器输出的两倍

19、，且减少了电流频谱中的组合分量，就会减少混频器中所特有的组合频率干扰。正向导通时可列环形混频器的回路方程223332()0()0sLdLsLdLvvi Rii Rvvi Rii R环形混频器的D2、D3正半周导通2322sLdviiRR组合频率干扰是混频器中的特有现象组合频率干扰是混频器中的特有现象2012( )if vaa va vcoscosLLssvVtVt组合频率分量组合频率分量 |,0,1,2,pqLsfpfqfp q 混频器由非线性器件组成混频器由非线性器件组成是形成干扰的源泉是形成干扰的源泉 5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真5.5.1 组合频率干扰组合频率干扰()LsI

20、fff中频信号中频信号 , p q增大增大组合频率分量的振幅迅速减小组合频率分量的振幅迅速减小 通过中频放大通道送入检波电路通过中频放大通道送入检波电路If无用的组合频率分量与无用的组合频率分量与 接近接近组合频率分量组合频率分量 |LsIpfqffFF F为音频为音频 在检波电路中再次在检波电路中再次“混频混频”，差拍出频率为差拍出频率为F的哨叫声，的哨叫声，这种干扰称为干扰哨声这种干扰称为干扰哨声 。组合频率分量组合频率分量 |,0,1,2,pqLsfpfqfp q LsIpfqffFLsIpfqffFLsIpfqffFLsIpfqffF1sIpffqp, p q在不同的 处产生干扰哨声s

21、f要形成干扰哨声要形成干扰哨声取不同的正整数5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真fsfI称为变频比称为变频比 为有用为有用中频分量中频分量在在 p=1,q=1p=1,q=1 时，时，11LsIffffISLfff 何处可能产生哨叫干扰？何处可能产生哨叫干扰？ 混频器产生的组合频率：混频器产生的组合频率：（p p、 q=0,1q=0,1，2 2， ）p qLsfpfqf 其中其中 是本振频率，是本振频率， 是信号频率。是信号频率。 sfLf干扰阶数：干扰阶数：p + q n n为非线性器件所取的最高次幂数。为非线性器件所取的最高次幂数。1sIpffqp当取当取fL-fs=fI时时1sIpf

22、fpq当取当取fs-fL=fI时时FffIqpBWF21均会通过中频放大器，形成干扰。均会通过中频放大器，形成干扰。F为音频为音频其它组合分量均为无用分量。若组合频率为其它组合分量均为无用分量。若组合频率为 一次项：一次项：当当 p=0，q=1时，时，fs = fI+F465kHz+4.5kHz=469.5kHz 在中在中频附近，此干扰最强。但有用波段不包含此频率，可不考虑。频附近，此干扰最强。但有用波段不包含此频率，可不考虑。例：例：AM收音机有效波段为收音机有效波段为5351605kHz，它的中频频率为，它的中频频率为465kHz，本振频率为，本振频率为1396kHz。如：如：931;13

23、96sLfKHz fkHz当当 p=1,q=22p qLsfff KHzKHzKHz46693121396若中放带宽若中放带宽 BW=9KHz ,F= 4.5KHz，则在，则在 fs 为为925.5KHz934.5KHz 范围内就可能产生哨叫干扰范围内就可能产生哨叫干扰. . 22 465930sIffFKHzFKHzF三次项：三次项：当当 p=1,q=2时，时，此信号通过中频放大器经检波得到频率为此信号通过中频放大器经检波得到频率为1k1k的哨叫干扰。的哨叫干扰。有用信号有用信号本振信号本振信号干扰信号干扰信号噪声信号噪声信号组合频率组合频率交调交调本振本振噪声噪声倒易混频倒易混频寄生通道寄

24、生通道(副波道副波道)互调互调 由于非线性器件的作用，产生一些无用组合频率分量，当其由于非线性器件的作用，产生一些无用组合频率分量，当其频率接近于正常所需频率就会对有用信号产生干扰。在实际应用频率接近于正常所需频率就会对有用信号产生干扰。在实际应用中，能否产生干扰要看以下两个条件：一是是否满足一定的频率中，能否产生干扰要看以下两个条件：一是是否满足一定的频率关系；二是满足一定频率关系的分量的幅度是否足够大；从抑制关系；二是满足一定频率关系的分量的幅度是否足够大；从抑制的角度讲，也应从这两方面入手。的角度讲，也应从这两方面入手。主波道以外的波道对有用信号的干扰。主波道以外的波道对有用信号的干扰。

25、这种干扰是外来的这种干扰是外来的干扰信号通过混频器的某个寄生通道与本振组合变换后，恰干扰信号通过混频器的某个寄生通道与本振组合变换后，恰好为中频而产生的。好为中频而产生的。 产生的原因：产生的原因： 当混频器前级的天线和高频放大电路的选频特性不理想当混频器前级的天线和高频放大电路的选频特性不理想时，在通频带以外的干扰电台信号也有可能进入混频器的输时，在通频带以外的干扰电台信号也有可能进入混频器的输入端，入端，它与本振频率的谐波形成接近中频的组合频率（假中它与本振频率的谐波形成接近中频的组合频率（假中频），经中放、检波、产生干扰信号。频），经中放、检波、产生干扰信号。 设干扰台频率为设干扰台频率

26、为 fn，它与本振频率的组合频率为，它与本振频率的组合频率为: :nLqpqfpff(p,q=0,1,2) 2. 干扰信号和本振产生的副波道干扰干扰信号和本振产生的副波道干扰寄生通道干扰寄生通道干扰InLqpfqfpff当满足当满足 时，产生干扰。时，产生干扰。现象现象：当当 时时, ,频率为频率为fn的干扰信号进入中频放大器，经的干扰信号进入中频放大器，经检波后使可听到这一干扰电台的信号。由于它是主波道以外的波道检波后使可听到这一干扰电台的信号。由于它是主波道以外的波道对有用信号形成的干扰，所以称为组合副波道干扰，又称寄生通道对有用信号形成的干扰，所以称为组合副波道干扰，又称寄生通道干扰。它

27、干扰。它表现为收听有用电台信号时串入其他电台的干扰（串台）表现为收听有用电台信号时串入其他电台的干扰（串台），同时也可能出现哨叫。，同时也可能出现哨叫。Iqpff干扰信号进入中频通道后被放大干扰信号进入中频通道后被放大IKLpfffqq0,1pqKIff最强的干扰最强的干扰 中频干中频干扰扰1,1pqKLIfff镜像干扰镜像干扰 LfKfsfIfIff镜像干扰本振信号有用信号干扰信号干扰信号KfLKIpfqffKLIqfpff例1：有一超外差式广播收音机，其中频465ILSfffKHz试说明下面两种干扰现象各属于何种干扰？（1）当收听到 1550SfKHz的电台播音时，还能听到11480nfK

28、Hz强电台播音的干扰；（2）当收听频率 21480SfKHz的电台播音时，还能听到2740nfKHz强电台播音的干扰和啸叫声。分析：114655501015LISfffKHz（1）本振频率 干扰信号与本振的差频1114801015465nLIffKHzf22465 14801945LISfffKHz（2）本振频率 干扰信号与外来信号的组合频率22219452 740465LnIffKHzf 镜像干扰镜像干扰组合副波道干扰组合副波道干扰3.3.干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰 交叉调制干扰（交调干扰）也称交调失真，它是有用交叉调制干扰（交调干扰）也

29、称交调失真，它是有用信号信号uS、干扰信号、干扰信号un和本振信号和本振信号uL利用混频器的非线性组合利用混频器的非线性组合后形成的。后形成的。当当有用信号各频率分量的幅度受到干扰信号幅有用信号各频率分量的幅度受到干扰信号幅度的影响后度的影响后,有用信号包络发生变化，就好像干扰信号的调有用信号包络发生变化，就好像干扰信号的调制信号被调制到有用载波信号上一样。制信号被调制到有用载波信号上一样。现象：现象：当接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰电台的调制信当接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰电台的调制信号听得清楚，而当接收机对有用信号频率失谐时，干扰电台调制号听得清楚，而当接收机对有用信号频率失

30、谐时，干扰电台调制信号的可听度减弱，并随着有用信号的消失而完全消失，换句话信号的可听度减弱，并随着有用信号的消失而完全消失，换句话说，好象干扰电台的调制转移到了有用信号的载波上。说，好象干扰电台的调制转移到了有用信号的载波上。交调干扰交调干扰与有用信号的频率及干扰信号的频率无关，只要它们能够通过混与有用信号的频率及干扰信号的频率无关，只要它们能够通过混频器之前的选频网络，而且强度足够强，就可能产生交调干扰。频器之前的选频网络，而且强度足够强，就可能产生交调干扰。产生交叉调制交叉调制 cossssvVtcoskkkvVt2311( )()()()()26BBBBif vf Vf VvfVvfVv

31、 偏置直流电压 BV信号基波电流 21()cos4sSSksif VfV Vtsvkv混频器输入端同时输入有用信号 及干扰信号调幅信号 svkv011(1cos)ssVVmt012(1cos)kkVVmt001120022(cos1cos)cos2sSSSksif Vf V mtfV V mtt 干扰信号转移的部分011cosSf V mt200221cos2SkfV V mt有用分量信号基波电流 21()cos4sSSksif VfV Vt交叉调制交叉调制5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真交叉调制系数 2002201122011cos2cos12SkfSkfV V mtKf V mt

32、mfVmf干扰信号所转移的调制有用信号调制 (2) ，提高前端电路的选择性可克服交调。 f2fKKV(1)交叉调制是由非线性器件中的三次项或更高次非线性项产生的，与 成正比结论：(3)干扰信号的幅度与有用信号 的大小有关0SV00SV交叉干扰消失5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真混频器的三阶互调 1122coscossssssvVtVt2311( )()()()()26BBBBif vf vfvvfvvfvv121212122121221221coscoscos()cos() 3cos(2)43cos(2)4ssssssssssssssssiftftf V VttfV VtfV Vt三阶互调