通信電子電路chap7(10)

1、第七章第七章 混頻器混頻器返回主目錄目目 錄錄7.1 概述概述7.2 變頻器的基本原理變頻器的基本原理7.3 變頻器的變頻器的主要技術(shù)指標主要技術(shù)指標7.4 晶體三極管變頻器晶體三極管變頻器電路電路7.5超外差接收機的統(tǒng)調(diào)與跟蹤超外差接收機的統(tǒng)調(diào)與跟蹤7.6 環(huán)形混頻電路環(huán)形混頻電路7.7 用模擬乘法器構(gòu)成的混頻電路用模擬乘法器構(gòu)成的混頻電路7.8 變頻干擾及其抑制方法變頻干擾及其抑制方法7.1 概述概述 混頻電路又稱變頻電路（混頻電路又稱變頻電路（Mixer Convertor），是超外差式接收），是超外差式接收機的重要組成部分。它通過非線性器件的相乘作用，實現(xiàn)兩個信號機的重要組成部分。它通

2、過非線性器件的相乘作用，實現(xiàn)兩個信號的和、差運算，使信號的中心頻率變高或變低，而調(diào)制規(guī)律不變。的和、差運算，使信號的中心頻率變高或變低，而調(diào)制規(guī)律不變。變頻電路有兩類：變頻電路有兩類：一類是電路中一類是電路中自身產(chǎn)生控制信號自身產(chǎn)生控制信號；另一類需；另一類需由外部輸入控制信號由外部輸入控制信號。通常稱前者為變頻器，后者為混頻器。通常稱前者為變頻器，后者為混頻器。 變頻電路是實現(xiàn)信號頻譜線性變換的一種電路，它完成頻譜變頻電路是實現(xiàn)信號頻譜線性變換的一種電路，它完成頻譜在頻率軸上的搬移在頻率軸上的搬移。7.1 概述概述變頻器的應(yīng)用變頻器的應(yīng)用: AM: AM、FMFM廣播及電視接收機等廣播及電視

3、接收機等采用變頻后，接收機的性能將得到提高。采用變頻后，接收機的性能將得到提高。u 有利于放大；有利于放大；u 可使電路結(jié)構(gòu)簡化；可使電路結(jié)構(gòu)簡化；u 有利于選頻。有利于選頻?；祛l器組成框圖如下：混頻器組成框圖如下：1.混頻器的功能混頻器的功能混頻器是頻譜的線性搬移電路，是一個三端口（六端）網(wǎng)絡(luò)混頻器是頻譜的線性搬移電路，是一個三端口（六端）網(wǎng)絡(luò)有兩個輸入信號：有兩個輸入信號： 高頻調(diào)制波高頻調(diào)制波 )(ssfu本地振蕩信號本地振蕩信號 )(LLfu一個中頻輸出信號：一個中頻輸出信號：)(IIfu兩個輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系：兩個輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系： 的包絡(luò)形狀相同，頻譜結(jié)構(gòu)相同

4、，只是填充頻譜不同，即，其中心頻率：的包絡(luò)形狀相同，頻譜結(jié)構(gòu)相同，只是填充頻譜不同，即，其中心頻率： su輸輸入入信信號號Iu與與輸輸出出信信號號sLIfff 其中其中 輸輸出出高高中中頻頻輸輸出出低低中中頻頻sLsLIfffffuL(f L)混頻器混頻器us (f s)uI (f I)7.2變頻器的基本原理變頻器的基本原理(1) 調(diào)幅調(diào)幅(DSB為例為例) u乘法器乘法器帶通濾波器帶通濾波器U DSBu 02maxmax0（2）檢波）檢波 u DSB乘法器乘法器低通濾波器低通濾波器u 0u2max（3）混頻）混頻 u DSB= us乘法器乘法器u L帶通濾波器帶通濾波器u II I=L L-

5、S SLs調(diào)幅，檢波與混頻之間的頻譜變換關(guān)系調(diào)幅，檢波與混頻之間的頻譜變換關(guān)系：I I=L L-S S2maxmax 混頻器是頻譜的線性搬移電路，完成頻譜線性搬移功能的關(guān)鍵是獲得混頻器是頻譜的線性搬移電路，完成頻譜線性搬移功能的關(guān)鍵是獲得兩個輸入信號的乘積項，具有這個乘積項，就可以實現(xiàn)所需的頻譜線性兩個輸入信號的乘積項，具有這個乘積項，就可以實現(xiàn)所需的頻譜線性搬移功能。搬移功能。 2max I I=L L-S S乘法器乘法器 帶通濾帶通濾 波器波器右圖為混頻器的一般結(jié)構(gòu)框圖。右圖為混頻器的一般結(jié)構(gòu)框圖。 如果設(shè)輸入信號為：如果設(shè)輸入信號為：已調(diào)波信號已調(diào)波信號 ttUusss coscos t

6、UuLLL cos那么兩信號的乘積項為：那么兩信號的乘積項為： tttUUtttUUusLsLLsLsLsI)cos()cos(cos21coscoscos u Lus 非線性非線性 元件元件 帶通濾帶通濾 波器波器 2. 混頻器的基本工作原理Lu LLSL+SuI 本振信號本振信號uSS如果帶通濾波器的中心頻率為如果帶通濾波器的中心頻率為 sLI ,帶寬帶寬 max2 B則經(jīng)帶通濾波器的輸出為：則經(jīng)帶通濾波器的輸出為： ttUttUUttUUuIIILssLLsI coscoscoscos21)cos(cos21 可見輸出中頻信號的可見輸出中頻信號的 Iu包絡(luò)形狀沒有變化，只是填充頻率包絡(luò)形

7、狀沒有變化，只是填充頻率由由 s 變化成變化成 IsL uI(1)變頻增益：變頻增益： 變頻電壓增益變頻電壓增益: sIVCUUK 輸輸入入高高頻頻電電壓壓輸輸出出中中頻頻電電壓壓變頻功率增益變頻功率增益 :SIPCPPK高高頻頻輸輸入入信信號號功功率率中中頻頻輸輸出出信信號號功功率率 (2)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù): 功功率率比比輸輸出出端端中中頻頻信信號號的的噪噪聲聲功功率率比比輸輸入入端端高高頻頻信信號號的的噪噪聲聲 00nsnisiFPPPPN因為因為混頻器常作為超外差接收系統(tǒng)的前級，對接收機整機的噪混頻器常作為超外差接收系統(tǒng)的前級，對接收機整機的噪聲系數(shù)影響大。聲系數(shù)影響大。 所以希望混頻級

8、的所以希望混頻級的 越小越好。越小越好。 FN7.3 變頻器的主要技術(shù)指標變頻器的主要技術(shù)指標(3) 失真與干擾失真與干擾變頻器的失真主要有變頻器的失真主要有 :頻率失真頻率失真 （線性失真）（線性失真）非線性失真非線性失真(4)選擇性選擇性 在混頻器中，由于各種原因總會混入很多與中頻頻率接近的干擾信號在混頻器中，由于各種原因總會混入很多與中頻頻率接近的干擾信號, 為了抑制不需要的干擾，要求中頻輸出回路具有良好的選擇性，矩形系數(shù)趨為了抑制不需要的干擾，要求中頻輸出回路具有良好的選擇性，矩形系數(shù)趨近于近于1。(5)隔離度隔離度 v三極管變頻電路應(yīng)用舉例三極管變頻電路應(yīng)用舉例7.4 晶體三極管變頻

9、器電路晶體三極管變頻器電路v變頻器工作狀態(tài)的選擇變頻器工作狀態(tài)的選擇(P216)v三極管變頻電路的幾種形式三極管變頻電路的幾種形式工作點和增益、噪聲系數(shù)關(guān)系工作點和增益、噪聲系數(shù)關(guān)系PCKeIFNeIv三點統(tǒng)調(diào)三點統(tǒng)調(diào)7.5 超外差接收機的統(tǒng)調(diào)與跟蹤超外差接收機的統(tǒng)調(diào)與跟蹤v電容與頻率關(guān)系電容與頻率關(guān)系v頻率覆蓋與電容比頻率覆蓋與電容比3minmaxminmax CCffKd某分段波的頻率范圍：某分段波的頻率范圍：535kHz1605kHz,其頻率覆蓋系數(shù)為：其頻率覆蓋系數(shù)為：當中頻選用當中頻選用465kHz，若用容量相同的可變電容，則本振波，若用容量相同的可變電容，則本振波段將從最低頻率段將

10、從最低頻率5354651000kHz變化到最高頻率變化到最高頻率310003000kHz（實際應(yīng)為（實際應(yīng)為16054652070kHz）。）。晶體管混頻器優(yōu)缺點：晶體管混頻器優(yōu)缺點：u缺點：缺點：組合頻率干擾嚴重，眾多組合頻率中，只有組合頻率干擾嚴重，眾多組合頻率中，只有中頻有用。中頻有用。 動態(tài)范圍小。動態(tài)范圍小。有本振輻射。有本振輻射。 因場效應(yīng)管伏安特性是平方律，故用作混頻，其無用組合因場效應(yīng)管伏安特性是平方律，故用作混頻，其無用組合分量比晶體管混頻器少。分量比晶體管混頻器少。u優(yōu)點：優(yōu)點：有混頻增益有混頻增益; 工作頻率高。工作頻率高。場效應(yīng)管混頻電路場效應(yīng)管混頻電路 ： 7.6 環(huán)

11、形混頻電路（略）環(huán)形混頻電路（略）7.7 用模擬乘法器構(gòu)成的混頻電路（略）用模擬乘法器構(gòu)成的混頻電路（略）晶體管變頻器的優(yōu)點使變頻增益高，缺點是動態(tài)范圍小，晶體管變頻器的優(yōu)點使變頻增益高，缺點是動態(tài)范圍小，一般只有幾十毫伏；組合頻率較多，干擾嚴重；噪聲較大。一般只有幾十毫伏；組合頻率較多，干擾嚴重；噪聲較大。易形成反向輻射。易形成反向輻射。 二極管環(huán)形混頻電路可以將輸出組合頻率二極管環(huán)形混頻電路可以將輸出組合頻率 中的中的 和和 分量，以及分量，以及P為偶數(shù)的組合分量抑制掉，其效果接近相為偶數(shù)的組合分量抑制掉，其效果接近相乘特性。乘特性。sLqP L s 由于混頻器是依靠非線性元件來實現(xiàn)變頻，

12、而通過非線性元件的信號由于混頻器是依靠非線性元件來實現(xiàn)變頻，而通過非線性元件的信號將含有許多頻率成份將含有許多頻率成份 sLqfpf , (p,q=0,1, 2,3,.)uS(f S)u L（f L）uI（f I）un(f n)非線性元件非線性元件中頻濾波器中頻濾波器u0（ )sLqfpf 如果設(shè)輸入信號為如果設(shè)輸入信號為 )(ssfu,本振頻率信號為本振頻率信號為 )(LLfu則通過則通過 非線性元件的信號非線性元件的信號 sLqfpfu 0，其中，其中 2 , 1 , 0, qp而而這這些組合頻率的信號中只要和中頻頻率些組合頻率的信號中只要和中頻頻率 sLIfff 相同或接近，相同或接近，

13、 都會和有用信號一起被選出，并送到后級中放，經(jīng)放大后解都會和有用信號一起被選出，并送到后級中放，經(jīng)放大后解調(diào)輸出而引起串音，嘯叫和各種干擾，從而影響有用信號的調(diào)輸出而引起串音，嘯叫和各種干擾，從而影響有用信號的正常工作。正常工作。 一般混頻器存在下列干擾：一般混頻器存在下列干擾： BfI7.8 變頻器電路干擾及其抑制方法變頻器電路干擾及其抑制方法(3)(3)交叉調(diào)制干擾交叉調(diào)制干擾：有用信號：有用信號 與干擾信號與干擾信號 混頻產(chǎn)生混頻產(chǎn)生的干擾。的干擾。 )(ssfu)(nnfu(4)(4)互調(diào)干擾互調(diào)干擾：指兩個或多個信號同時作用在混頻器輸入端，：指兩個或多個信號同時作用在混頻器輸入端，經(jīng)

14、混頻產(chǎn)生的組合分量而形成的干擾。經(jīng)混頻產(chǎn)生的組合分量而形成的干擾。 (2)副波道干擾副波道干擾：外來干擾信號：外來干擾信號 與本振信號與本振信號 的組合的組合頻率產(chǎn)生的干擾頻率產(chǎn)生的干擾 )(nnfu)(LLfu BfqfpfInL21 (1)干擾哨聲（組合頻率干擾）干擾哨聲（組合頻率干擾）：接收的射頻信號：接收的射頻信號 與本振與本振信號信號 的自身組合干擾，即的自身組合干擾，即 )(ssfu)(LLfu BfqfpfIsL21 一般混頻器存在下列干擾：一般混頻器存在下列干擾： 1.信號與本振信號的自身組合干擾（干擾哨聲）信號與本振信號的自身組合干擾（干擾哨聲）如果中頻如果中頻 sLIfff

15、 ，則除，則除 sLff 的中頻被選出外，還的中頻被選出外，還有可能選出其它的組合頻率：即有可能選出其它的組合頻率：即 IsLILsIsLfqfpffpfqffqfpf IsIsIILsfqpfqpfqffqpfqfqpf11)(1 所以有所以有 Isfpq1pfpq1pffIs 其中其中 Isff稱為稱為變頻比變頻比。 顯然顯然當變頻比一定時，并能找到對應(yīng)的整數(shù)當變頻比一定時，并能找到對應(yīng)的整數(shù)p, q時，就會形成自身組時，就會形成自身組合干擾。合干擾。 例：調(diào)幅廣播接收機的中頻例：調(diào)幅廣播接收機的中頻 KzfI465 ，某電臺發(fā)射頻率，某電臺發(fā)射頻率 Kz931fs 當接收該電臺廣播時，接

16、收機的本振頻率當接收該電臺廣播時，接收機的本振頻率 KzfffsIL1396 由于變頻比由于變頻比 2465931 Isff可推算出：可推算出： 當當 1 p， 2 q，可得，可得 KHzffLs466139693122 設(shè)輸入高頻信號的載頻為設(shè)輸入高頻信號的載頻為 )(ssfu，本振信號，本振信號 )(LLfu，則，則 經(jīng)過混頻器后產(chǎn)生的頻率為經(jīng)過混頻器后產(chǎn)生的頻率為 ，其中，其中 p,q=0,1,2,sLqfpf 1.信號與本振信號的自身組合干擾（干擾哨聲）信號與本振信號的自身組合干擾（干擾哨聲）由于組合頻率與中頻差由于組合頻率與中頻差 1KHz，經(jīng)檢波后可產(chǎn)生，經(jīng)檢波后可產(chǎn)生1KHz的哨

17、聲的哨聲.（三階干擾）（三階干擾）.另外，當另外，當 p=3,q=5時，可得：時，可得： KHzffs467350 ,也可也可以通過中頻通道而形成干擾。（以通過中頻通道而形成干擾。（8階干擾）階干擾）。 注意注意:(1)自身組合干擾與外來干擾無關(guān)，不能靠提高前級電路的選擇性來抑制。自身組合干擾與外來干擾無關(guān)，不能靠提高前級電路的選擇性來抑制。 (2)減少這種干擾的方法：減少這種干擾的方法： 正確選擇中頻，盡量減少階數(shù)較低的干擾正確選擇中頻，盡量減少階數(shù)較低的干擾 正確選擇混頻器的工作點，減少組合頻率分量正確選擇混頻器的工作點，減少組合頻率分量 采用合理的電路形式，從電路上抵消一些組合頻率，采用

18、合理的電路形式，從電路上抵消一些組合頻率， 如平衡電路，環(huán)形電路，乘法器。如平衡電路，環(huán)形電路，乘法器。 設(shè)串臺干擾信號為設(shè)串臺干擾信號為 )(nnfu，它與本振信號的組合頻率為：，它與本振信號的組合頻率為： nLqfpf 其中其中 p,q=0,1,2,3. 。如果選頻器所選擇的正常中頻信號為。如果選頻器所選擇的正常中頻信號為:2.外干擾信號與本振的組合頻率干擾（外干擾信號與本振的組合頻率干擾（副波道干擾副波道干擾）sLIfff 則可能形成的副波道干擾為：則可能形成的副波道干擾為： ILnInLfpfqffqfpf IsILnfppfqfpfqf)1(11 可見，可見，凡是能滿足上式的串臺信號

19、都可能形成干擾，在這類干擾中主要有：凡是能滿足上式的串臺信號都可能形成干擾，在這類干擾中主要有：中頻干擾，鏡頻干擾，及其它副波道干擾中頻干擾，鏡頻干擾，及其它副波道干擾。 (1)中頻干擾中頻干擾當當 p=0 , q=1時，時， Inff 即即表明當一種接近中頻的干擾信號一旦進入混頻器，可以直接通過混表明當一種接近中頻的干擾信號一旦進入混頻器，可以直接通過混頻器進入中放電路，并被放大、解調(diào)后在輸出端形成干擾頻器進入中放電路，并被放大、解調(diào)后在輸出端形成干擾抑制中頻干擾的方法：抑制中頻干擾的方法： 提高混頻器前級的選擇性提高混頻器前級的選擇性在混頻器前級增加中頻吸收電路在混頻器前級增加中頻吸收電路

20、 合理選擇中頻數(shù)值合理選擇中頻數(shù)值，中頻選在工作波段之外中頻選在工作波段之外當當 p=1 , q=1時，則有：時，則有： )()(sLILnsLILnffffffffff或或f s f L f nf I雖然這種干雖然這種干擾信號頻率擾信號頻率 nf與輸入信號頻率與輸入信號頻率 sf以本振頻率以本振頻率 Lf為對稱軸形成鏡像對稱的關(guān)系。為對稱軸形成鏡像對稱的關(guān)系。(2)鏡像頻率干擾鏡像頻率干擾f I抑制鏡像干擾的方法：抑制鏡像干擾的方法： 提高混頻前級的選擇性提高混頻前級的選擇性 提高中頻頻率，使鏡像干擾頻率提高中頻頻率，使鏡像干擾頻率 nf遠離遠離 sf例：中央臺第一套節(jié)目的載波為例：中央臺第

21、一套節(jié)目的載波為 Kzfs639 , 那么收音機在接收此那么收音機在接收此節(jié)目時的本振頻率節(jié)目時的本振頻率 KzKzfffsIL1104465639 ,如果有一外來如果有一外來 電臺的頻率電臺的頻率 KzKzfffIL,在混頻級之前沒有被在混頻級之前沒有被 抑制，則這個電臺進入混頻器后，混頻可得抑制，則這個電臺進入混頻器后，混頻可得 KzffLn465 的中頻將被選出進入后級輸出而形成鏡像干擾，產(chǎn)生串臺及嘯叫。的中頻將被選出進入后級輸出而形成鏡像干擾，產(chǎn)生串臺及嘯叫。 當當 1 p, 1q 時，形成組合頻率干擾，其中最主要的一類干擾為：時，形成組合頻率干擾，其中最主要

22、的一類干擾為： f s f n1 f L f n2 212321221)2(21nIsnIsIIsILnffffffffffff可可見見 1nf與與 2nf對稱分布在本振頻率對稱分布在本振頻率 Lf的兩邊，其中的兩邊，其中 1nf離離 sf最近最近,經(jīng)混頻器前的濾波后進入混頻器的可能性最大。經(jīng)混頻器前的濾波后進入混頻器的可能性最大。 (3)組合副波道干擾組合副波道干擾2 qp的情況，則有：的情況，則有： 抑制這類干擾的方法：抑制這類干擾的方法： 提高混頻器前級的選擇性提高混頻器前級的選擇性提高中頻提高中頻 選擇合適的混頻電路，合理選擇混頻器的工作點選擇合適的混頻電路，合理選擇混頻器的工作點 f

23、 I 交叉調(diào)制干擾的形成與本振無關(guān)交叉調(diào)制干擾的形成與本振無關(guān)。它是有用信號與干擾信號一起。它是有用信號與干擾信號一起作用于混頻器時，由混頻器的非線性作用，將作用于混頻器時，由混頻器的非線性作用，將干擾的調(diào)制信號調(diào)制到干擾的調(diào)制信號調(diào)制到了中頻載波上了中頻載波上，即將干擾的調(diào)制信號轉(zhuǎn)移到有用信號的載波上而形成即將干擾的調(diào)制信號轉(zhuǎn)移到有用信號的載波上而形成的一種干擾。的一種干擾。 例：由非線性元件：例：由非線性元件： 2210)(uauaaufi其中四階項為其中四階項為 44ua，若設(shè)，若設(shè) Lnsuuuu 而而 tUuttmUuttUuLLLnnnnnsss coscos)cos1(cos)(

24、則則 4444)(Lnsuuuaua 展開后其中可分解出展開后其中可分解出 )(624Lsnuuua項項 3.交叉調(diào)制干擾（交調(diào)干擾）交叉調(diào)制干擾（交調(diào)干擾）將信號代入此項，并經(jīng)中頻濾波后可得：將信號代入此項，并經(jīng)中頻濾波后可得： ttmUtUUUtmaInILsnnn cos)cos1(cos)cos21(2324 其中其中 nLsnmmUUUaU22324，可以看出，可以看出干擾信號中的調(diào)制信號轉(zhuǎn)移到中頻干擾信號中的調(diào)制信號轉(zhuǎn)移到中頻載波上，與有用信號一同輸出而形成干擾。載波上，與有用信號一同輸出而形成干擾。 uS(f S)uI（f I）un（f n）非線性元件非線性元件中頻濾波器中頻濾波

25、器uL（ )snqfpf 交調(diào)干擾的特點：交調(diào)干擾的特點： (2)與干擾的載頻無關(guān)，任何頻率的強干擾都可能形成交調(diào)干擾，與干擾的載頻無關(guān)，任何頻率的強干擾都可能形成交調(diào)干擾，所以交調(diào)干擾是危害較大的一種干擾。所以交調(diào)干擾是危害較大的一種干擾。 只有當只有當 nf與與 sf相差很大，受前級電路的抑制很徹底時相差很大，受前級電路的抑制很徹底時,形成的干擾較小。形成的干擾較小。 (1)交調(diào)干擾與有用信號并薦交調(diào)干擾與有用信號并薦，通過有用信號而作用，一旦有用信通過有用信號而作用，一旦有用信號號 0 su，交調(diào)干擾也消失。，交調(diào)干擾也消失。 (3)混頻器中，除了非線性特性的混頻器中，除了非線性特性的4

26、次方項以外，次方項以外，更更 高的偶次方項也可高的偶次方項也可以產(chǎn)生交調(diào)干擾，但一般由于幅值較小，可以不考慮。以產(chǎn)生交調(diào)干擾，但一般由于幅值較小，可以不考慮。 抑制交調(diào)干擾的措施：抑制交調(diào)干擾的措施： 提高前級電路的選擇性提高前級電路的選擇性選擇合適的器件，合適的工作點，使不需要的非線性項（選擇合適的器件，合適的工作點，使不需要的非線性項（4次方次方項）盡可能小，以減少組合分量。項）盡可能小，以減少組合分量。 互調(diào)干擾是指兩個或多個干擾信號同時作用于混頻器的輸入端，由互調(diào)干擾是指兩個或多個干擾信號同時作用于混頻器的輸入端，由混頻器的非線性作用，混頻器的非線性作用，兩個干擾信號之間產(chǎn)生混頻兩個干

27、擾信號之間產(chǎn)生混頻，當混頻后，產(chǎn)生的，當混頻后，產(chǎn)生的信號接近于有用信號的頻率信號接近于有用信號的頻率 時，將與有用信號一起進入后級電路輸時，將與有用信號一起進入后級電路輸出而產(chǎn)生干擾。出而產(chǎn)生干擾。 sf4.互調(diào)干擾互調(diào)干擾互調(diào)干擾的特點：設(shè)混頻器輸入的兩個干擾為：互調(diào)干擾的特點：設(shè)混頻器輸入的兩個干擾為： tUutUunnnnnn222111coscos 而本振信號而本振信號 tUuLLL cos 則三個信號同時作用于非線元件上，則混頻輸出的電流為則三個信號同時作用于非線元件上，則混頻輸出的電流為: .22100 uauaai由由4次方項次方項 421444)(Lnnuuuaua 中展開可