第七章 變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)課件

通信電子電路何豐主編重慶郵電學(xué)院人民郵電出版社第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)第七章變頻（或混頻）的功能與實(shí)現(xiàn)

變頻或混頻的基本功能是將輸入頻帶信號的頻譜位移到新的頻率范圍內(nèi)，即頻譜的線性搬移，這類似于調(diào)制信號經(jīng)調(diào)幅變換前后的頻譜變換關(guān)系。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.1概述

7.2變頻（或混頻）器的構(gòu)成和技術(shù)指標(biāo)7.3變頻（或混頻）干擾和失真7.4變頻（或混頻）電路與干擾抑制7.5電路與信號和系統(tǒng)的關(guān)系第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.1概述

實(shí)現(xiàn)變頻的電路有混頻器和變頻器兩類。根據(jù)調(diào)幅電路和同步解調(diào)的頻率搬移特性的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，我們可以想到實(shí)現(xiàn)變頻時應(yīng)該有兩個不同的輸入信號。其中，一個是單一頻率的等幅正弦波，也稱為本振信號，它不攜帶信息，僅作為一個參考標(biāo)準(zhǔn)；另一個是需要進(jìn)行中心頻率位移的頻帶輸入信號。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)

變頻電路在本質(zhì)上應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸入信號頻譜與本振頻率的加或減的數(shù)學(xué)功能。如果本振信號由外部其它電路提供，則稱變頻電路為它激式混頻器，或簡稱為混頻器；如果所用本振信號是變頻電路自身產(chǎn)生，則稱為自激式混頻器，或簡稱為變頻器。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.2變頻（或混頻）器的構(gòu)成和技術(shù)指標(biāo)常常為了兩種需求而采用變頻器。一是為了系統(tǒng)工作中的信號頻率范圍的設(shè)定。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)二是為了提高局部電路的性能。主要例子有：①利用變頻器可以實(shí)現(xiàn)，將波段內(nèi)的已調(diào)信號變?yōu)榕c輸入載波無關(guān)的、并具有固定載頻的中頻信號，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高性能的選頻放大，最后再檢波的超外差式接收解調(diào)方案。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)主要例子：②在發(fā)射設(shè)備中經(jīng)常利用變頻器來改變載頻頻率的大?。▍⒁?.3.2節(jié)的“最大線性頻偏與頻偏擴(kuò)展的方法”）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)主要例子有：③在頻率合成器中，也常用變頻器來完成頻率加減運(yùn)算，從而由基本頻率信號得到各種不同于原頻率的新信號（參見9章的的圖9-3-1和習(xí)題9-9）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)在混頻器的兩個輸入電壓中，一個是載頻為fc的已調(diào)波，另一個是頻率為fL的本振信號，其輸出中頻信號的載波頻率為fi。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)

所謂中頻是指解調(diào)結(jié)果的信號頻率與系統(tǒng)輸入已調(diào)波的信號頻率之間的過度頻率，它在大小上不一定小于已調(diào)波的信號頻率。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.2.1變頻器的組成和工作原理設(shè)輸入兩個正弦電壓的頻率分別為信號載頻fc和本振頻率fL，在不失一般性條件下，可假定經(jīng)非線性電路的變頻輸出組合頻率包含：＝＝0，1，2，3,……第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)乘積型混頻器的非線性元器件部分應(yīng)完成相乘運(yùn)算功能。若相乘運(yùn)算和輸入信號都是理想的，則io(t)中的無用頻率分量較少，并且也容易被中頻濾波器濾除。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)疊加型混頻器的非線性元器件會產(chǎn)生更多的無用頻率分量，因此在討論變頻器失真成因時往往以此模型為依據(jù)。

第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)設(shè)加到疊加型混頻器中的兩個電壓信號分別為：輸入信號本機(jī)振蕩信號在不失一般性條件下，將元器件的非線性特性用冪級數(shù)表示，可得非線性元器件的輸出電流表達(dá)式：

…式中，、、分別為各項(xiàng)的常系數(shù)。在忽略三次方及其以上各項(xiàng)后，整理得：第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.2.1變頻器的組成和工作原理此時，輸出中頻電流調(diào)幅波為：

如果的調(diào)頻波時，輸出中頻電流調(diào)頻波大小為：第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.2.2變頻器的技術(shù)指標(biāo)1.變頻增益

變頻增益是表征變頻器將輸入信號轉(zhuǎn)化成輸出中頻有用信號的能力的技術(shù)指標(biāo)，如電壓或功率增益：變頻電壓增益定義為：＝功率增益定義為：＝ 若輸出有用信號為電流波，我們可以采用電導(dǎo)增益（或變頻跨導(dǎo)）來表征變頻器將輸入信號轉(zhuǎn)化成輸出中頻信號的能力。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)2.動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是指變頻器能正常工作，而性能未顯著下降所允許的輸入信號電平范圍。要求動態(tài)范圍盡可能大些。3.噪聲系數(shù)變頻器的噪聲系數(shù)定義為：四、隔離度

隔離度是指變頻器的信號端口，本振端口和中頻輸出端口之間的信號通過變頻器電路空間進(jìn)行的相互直接泄漏的程度。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)五、選擇性變頻器的中頻輸出信號中可能包含有很多頻率分量，但其中只有一個頻率分量是有用的，在接收機(jī)中反映為中頻。為了抑制其它各種不需要的頻率分量，要求變頻器的輸出選頻網(wǎng)絡(luò)具有較好的選擇性，即希望有較理想的幅頻特性，它的矩形系數(shù)盡可能接近于1。六、失真與干擾

變頻失真有頻率失真和非線性失真。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.3變頻（或混頻）干擾和失真設(shè)非線性器件輸出電流的通式為：

+…(7-3-1)式中，為電路變換常數(shù)。其中，v1代表有用輸入電壓，v2為干擾信號，vL為本振信號。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.3變頻（或混頻）干擾和失真此時，輸出電流組合頻率分量的通式為：＝，p、q、r＝0，1，2，3,……(7-3-2)通常我們稱這些無用信號為變頻(或混頻)干擾和失真。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.3變頻（或混頻）干擾和失真1.組合頻率干擾組合頻率干擾是在無輸入干擾和噪聲情況下，僅由有用信號vs和本振v

L

通過頻率變換通道形成的組合頻率干擾，信號環(huán)境如圖7-3-1所示。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)1.組合頻率干擾組合頻率干擾是在無輸入干擾和噪聲情況下，僅由有用信號vs和本振v

L

通過頻率變換通道形成的組合頻率干擾，信號環(huán)境如圖7-3-1所示。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)存在其它滿足或

(7-3-3)范圍內(nèi)的組合頻率時，電路輸出端存在干擾。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)

例7.3.1舉例說明干擾哨聲的形成過程，例如調(diào)幅廣播接收機(jī)的中頻為465kHz，某電臺的發(fā)射頻率為fc＝927kHz，△f0.7＝4kHz，fL＝fc＋fI＝1392kHz。這時，干擾可能來至于、兩類組合。式（7-3-3）變?yōu)椋夯?7-3-4)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)帶入fL＝fc＋fI后，整理可得：或即：(7-3-5)此式說明：只要與的誤差在范圍內(nèi)，就會產(chǎn)生輸出干擾。這時有：

(7-3-6)誤差在：(7-3-7)范圍內(nèi)。其中，fc/fI稱為變頻比。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)組合頻率干擾由有用信號產(chǎn)生，與外界干擾信號無關(guān)，它不能靠提高前端電路的選擇性來減少干擾。具體方法有：1）合理進(jìn)行中頻和本振頻率的安排，提高最低干擾點(diǎn)的階數(shù)（q+p的值）2）優(yōu)化混頻電路，使有用信號強(qiáng)度增強(qiáng)，無用信號強(qiáng)度減弱、分量減少。對前者，可考慮選用中頻大于輸入信號載頻的高中頻方案；后者的具體情況可參見7.4節(jié)的混頻電路分析。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)2.組合副波道干擾組合副波道干擾是指外來干擾電壓v

M

與本振電壓v

L，在混頻非線性作用下形成的假中頻。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)若設(shè)干擾頻率在=時，可得干擾信號頻率的表達(dá)式：

(7-3-8)抑制組合副波道干擾的基本方法是提高變頻器輸入信號質(zhì)量。具體包含兩個方面的內(nèi)容：①通過系統(tǒng)信號變換方案的選取來減少輸入干擾存在的可能性，②提高前端選頻電路性能來減弱輸入干擾。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)（1）中頻干擾在(7-3-8)式中，取p＝0，q＝1，即＝時，可以形成干擾。常稱此干擾為中頻干擾。（2）鏡象干擾從圖上可看到，與對稱地位于的兩側(cè)，即顯現(xiàn)為鏡象關(guān)系，因此，稱為鏡象干擾。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)3.交叉調(diào)制干擾交叉調(diào)制干擾也稱交調(diào)失真，它是有用信號vs、干擾信號v

M和本振信號v

L通過混頻器組合后形成的，信號環(huán)境如圖7-3-4所示。從表7-3-1可知四階產(chǎn)物中有中頻分量輸出，即：

=（7-3-9）就是交調(diào)失真項(xiàng)。若干擾信號為調(diào)幅型，則：（7-3-10）將V2m(t)代入式（7-3-9），可得：（7-3-11）

第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)4.互相調(diào)制干擾互相調(diào)制干擾，也稱互調(diào)干擾。它是指兩個或兩個以上干擾信號和本振信號通過混頻器形成的組合頻率干擾。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)

在表7-3-1中，設(shè)=，

=。則四階產(chǎn)物中，有兩項(xiàng)可能成為互調(diào)干擾，即：在條件下，干擾信號頻率滿足：

和第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)例7.3.2某混頻器的中頻為0.5MHz，在接收25MHz信號時，若同時有24.5MHz和24MHz的兩個干擾信號，則四階產(chǎn)物中，有如下組合頻率－()＝（25＋0.5）－(2×24.5－24)＝0.5MHz＝正好落在中頻帶內(nèi)，產(chǎn)生互調(diào)失真。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)5.例易混頻(相互混頻)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)6.鄰道干擾鄰道干擾是指與有用信號頻率的頻差很近的其它通信信號在發(fā)送時，由于濾波電路的不理想，也送出了不該送出的落于有用頻帶內(nèi)的信號分量第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4變頻（或混頻）電路與干擾抑制變頻（或混頻）電路中的非線性元器件常選用晶體二極管、三級管、場效應(yīng)管和模擬乘法器?，F(xiàn)就結(jié)合減小變頻（或混頻）干擾的角度出發(fā)，對變頻（或混頻）具體電路本身的優(yōu)化問題，以及相關(guān)電路工作條件進(jìn)行分析、比較和說明。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析一、工作原理第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析晶體管的特性近似表示如下：

(7-4-1)其中，

(7-4-2)式中，被視為晶體三極管的等效基極時變偏置電壓，簡稱時變偏壓。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析

將式(7-4-2)代入式(7-4-1)，并在信號電壓較小條件下，對進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，即：

(7-4-3)令

(7-4-4)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析式中，為基極時變靜態(tài)電流，為集電極時變靜態(tài)電流；為基極時變輸入電導(dǎo)，為三極管時變跨導(dǎo)，或三極管時變正向傳輸電導(dǎo)。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析可得式（7-4-4）中iB、iC的可能頻譜成分如下：，p=0，1，2，3,……；q=0,1(7-4-5)通常我們將式（7-4-3）為基礎(chǔ)的分析方法稱為線性時變參量分析方法，第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析2.輸出有用信號的分析設(shè)周期函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式為：

(7-4-6)代入式（7-4-4），并設(shè)，可推得輸出有用信號為：

(7-4-7)式中，gfc=0.5gf1為三極管的變頻跨導(dǎo)。

第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析3.輸入回路的分析第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)仿照輸出回路的集電極電流，由式（7-4-4），可得：

(7-4-8)則中的分量電流為：

(7-4-9)式中，gib=gi0為三極管的信號分量的輸入電導(dǎo)。它取決于時變偏壓和三極管的傳輸特性。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析四、等效電路及變頻增益第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析由此，求得圖（b）的變頻電壓增益為：（7-4-10）功率增益為：（7-4-11）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析五、電路實(shí)例第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.1三極管混頻器的失真分析第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真利用二極管非線性構(gòu)成的混頻器稱為二極管混頻器。下面，我們將會看到，理想的平衡型和環(huán)形混頻器輸出頻率分量有：，p=0，1，3，5，……；q=0，1（7-4-12） 為了分析的方便，設(shè)為輸入信號電壓，為本振電壓。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真1.平衡和環(huán)形混頻器第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真根據(jù)變壓器同名端的標(biāo)向，以及假設(shè)二極管非線性電壓電流關(guān)系為后，有：

（7-4-13）則全時間方程為：（7-4-14）式中，為單向開關(guān)函數(shù)，其波形見圖6-2-15（c）所示。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真于是等式（7-4-14）變?yōu)椋?/p>

=2（7-4-15）考慮到是響應(yīng)，其大小應(yīng)由上式中的激勵來確定，因此，將=代入上式，整理可得：（7-4-16）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真2.環(huán)形混頻器環(huán)形混頻器是由兩個平衡混頻器組成的，電路如圖7-4-11所示。圖中Tr1、Tr2為中心抽頭的寬頻帶變壓器。第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真在不失分析方法一般性的前提下，設(shè)二極管電壓參考方向與管子正偏電壓一致，RL上電壓為后，可得：對D1管（7-4-17）對D2管（7-4-18）對D3管（7-4-19）對D4管（7-4-20）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真在二極管特性曲線如圖7-4-10（a）所示條件下，設(shè)二極管電流參考方向與管子正向電流一致后，可得：對D1管（7-4-21）對D2管（7-4-22）對D3管（7-4-23）對D4管（7-4-24）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.2二極管混頻器的結(jié)構(gòu)與失真由KCL和=1－，可得：（7-4-25）（7-4-26）再由KCL，并整理得：（7-4-27）∴（7-4-28）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析1.場效應(yīng)管混頻器場效應(yīng)管混頻器廣泛應(yīng)用于短波和超短波接收機(jī)中。在電路形式上與晶體三極管混頻器十分相似，（1）工作原理已知N溝道結(jié)型場效應(yīng)管在飽和區(qū)的轉(zhuǎn)移特性為：，（7-4-29）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析設(shè)柵源的直流偏置電壓為得，將其代入式（7-4-29）得： （7-4-30）可得中頻電流幅值： （7-4-31）由此可得場效應(yīng)管混頻器的變頻跨導(dǎo)：（7-4-32）第七章變頻(或混頻)的功能與實(shí)現(xiàn)7.4.3*場效應(yīng)管和模擬乘法混頻器的分析

（2）實(shí)際電路第七章變