第六章混频器 (2)优秀课件.ppt

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1、第六章混频器第1页，本讲稿共36页6.1 6.1 概述概述 一、混频的概念一、混频的概念1、混频、混频又称变频，是一种频率变换过程，是将信号从又称变频，是一种频率变换过程，是将信号从某一频率变换成另一频率。某一频率变换成另一频率。2、混频器、混频器具有这种功能的电路。（变频器）具有这种功能的电路。（变频器）3、应用：、应用：混频是将混频是将已调波中载波频率已调波中载波频率变换为变换为中频频率中频频率，而保持，而保持调制规律不变调制规律不变的频率变换过程。的频率变换过程。（1 1）超外差接收机的重要组成部分。）超外差接收机的重要组成部分。（2 2）微波中继站。）微波中继站。第2页，本讲稿共36页

2、4、结构和原理：、结构和原理：第3页，本讲稿共36页从图中可见：从图中可见：（1）输出中频调幅波与输入高频调幅波规律完全相同，即载）输出中频调幅波与输入高频调幅波规律完全相同，即载波振幅的包络形状完全相同。唯一的差别是载波频率不同。波振幅的包络形状完全相同。唯一的差别是载波频率不同。（2）从频谱上看，输出中频信号与输入高频信号的频谱结构相）从频谱上看，输出中频信号与输入高频信号的频谱结构相同，只不过在频谱上搬移了一个位置。同，只不过在频谱上搬移了一个位置。（3）（4）一般，用于振幅调制与解调的电路均可用于混频，需要）一般，用于振幅调制与解调的电路均可用于混频，需要改变的只是输入、输出回路和输出

3、滤波器的参数。改变的只是输入、输出回路和输出滤波器的参数。（称为下混频）（称为下混频）低中频低中频（称为上混频）（称为上混频）高中频高中频第4页，本讲稿共36页（5）若非线性器件本身仅实现混频，本振信号由单独的）若非线性器件本身仅实现混频，本振信号由单独的本地振荡器提供，称为本地振荡器提供，称为混频器混频器；若非线性器件既产生本振信号又实现混频，则称为若非线性器件既产生本振信号又实现混频，则称为变频器变频器。变频器：变频器：优点：电路简单，节省元件。优点：电路简单，节省元件。缺点：本振信号频率易受缺点：本振信号频率易受输入信号频率的牵引，电输入信号频率的牵引，电路工作状态无法使振荡和路工作状态

4、无法使振荡和混频都处于最佳情况，一混频都处于最佳情况，一般工作频率不高。般工作频率不高。混频器：混频器：优点：由于本振和混频由优点：由于本振和混频由不同器件完成，从而便于不同器件完成，从而便于同时使振荡和混频都处于同时使振荡和混频都处于最佳状态，且本振信号频最佳状态，且本振信号频率不易受牵引。率不易受牵引。缺点：元件多，电路较复缺点：元件多，电路较复杂。杂。第5页，本讲稿共36页为什么要变频？为什么要变频？优点：优点：1)变频可提高接收机的灵敏度变频可提高接收机的灵敏度2)提高接收机的选择性提高接收机的选择性3)工作稳定性好工作稳定性好4)波段工作时其质量指标一致性好波段工作时其质量指标一致性

5、好缺点：缺点：产生镜像干扰、中频干扰等干扰产生镜像干扰、中频干扰等干扰第6页，本讲稿共36页5.变频器的分类：变频器的分类：按器件分：按器件分：二极管混频器、二极管混频器、三极管混频器三极管混频器、三极管变频器、三极管变频器、场效应管混频器、场效应管变频器场效应管混频器、场效应管变频器模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器按工作特点分：按工作特点分：单管混频单管混频平衡混频、平衡混频、环型混频环型混频从两个输入信号在时域上的处理过程看：从两个输入信号在时域上的处理过程看：叠加型混频器、叠加型混频器、乘积型混频器乘积型混频器第7页，本讲稿共36页混频混频增益增益混频混频功率增益功率增益二、二、混频器的

6、性能指标混频器的性能指标减少减少非线性失真的非线性失真的各种组合频率干扰各种组合频率干扰（选择器件特（选择器件特性接近平方律或近似理想相乘器）性接近平方律或近似理想相乘器）中频输出回路有中频输出回路有良好的选择性良好的选择性（理想为矩形滤波）（理想为矩形滤波）工作稳定性：主要是工作稳定性：主要是本振频率稳定本振频率稳定，才能保证中频频率稳，才能保证中频频率稳定定混频混频噪声系数噪声系数尽量尽量小小第8页，本讲稿共36页7.2 7.2 晶体管混频器晶体管混频器2.工作原理：工作原理：（输入高频信号）（输入高频信号）（本地振荡信号）（本地振荡信号）（中频频率）（中频频率）一、电路与工作原理：一、电

7、路与工作原理：1.电路电路等效线性时变系统分析法等效线性时变系统分析法第9页，本讲稿共36页第10页，本讲稿共36页二、三极管混频器实际电路举例二、三极管混频器实际电路举例(a)中波中波AM收音机的变频电路收音机的变频电路第11页，本讲稿共36页(b)电视机中的混频电路电视机中的混频电路第12页，本讲稿共36页6.3 6.3 集成模拟乘法器混频器集成模拟乘法器混频器一、电路组成及原理一、电路组成及原理分分析析经中心频率为经中心频率为fI，带宽为，带宽为2F的带通滤波器滤波后，得：的带通滤波器滤波后，得：第13页，本讲稿共36页二、优点：二、优点：（1）混频器输出电流频谱纯净，可显著减少）混频器

8、输出电流频谱纯净，可显著减少接收机中的寄生通道干扰。接收机中的寄生通道干扰。（2）允许输入信号的线性动态范围较大，交）允许输入信号的线性动态范围较大，交调和互调失真小。调和互调失真小。（3）对本振电压的大小无严格限制，其大小）对本振电压的大小无严格限制，其大小只影响变频增益，而不引起信号的失真。只影响变频增益，而不引起信号的失真。第14页，本讲稿共36页三、集成模拟乘法器构成的混频电路三、集成模拟乘法器构成的混频电路第15页，本讲稿共36页三极管混频器三极管混频器优点：有变频增益优点：有变频增益缺点：缺点：1、动态范围较小、动态范围较小2、组合频率干扰严重、组合频率干扰严重3、噪声较大、噪声较

9、大4、存在本地辐射、存在本地辐射二极管混频器二极管混频器优点：优点：1、动态范围较大、动态范围较大2、组合频率干扰少、组合频率干扰少3、噪声较小、噪声较小4、不存在本地辐射、不存在本地辐射5、电路结构简单、电路结构简单缺点：缺点：无变频增益无变频增益第16页，本讲稿共36页6.4 6.4 二极管混频器二极管混频器一、二极管平衡混频器一、二极管平衡混频器 电路电路:VLmVSm采用采用二极管平衡相乘器二极管平衡相乘器实现混频实现混频其中其中vL为本振信号为本振信号 vL=VLmcosLt 为大信号为大信号vs=Vsm(1+Macost)cosct 为小信号为小信号（工作在开关工作状态）（工作在开

10、关工作状态）第17页，本讲稿共36页其输出电流其输出电流i i为为经经中中频频滤滤波波后后,得得输输出出中中频频电电压压uIi 经经LC中频带通滤波器中频带通滤波器,中心频率谐振在中心频率谐振在I=L-c上上,BW3dB=2第18页，本讲稿共36页二、二极管环形混频器二、二极管环形混频器1.电路电路2.分析分析第19页，本讲稿共36页 s 分量被抵消分量被抵消输出中频分量的幅值是平衡混频器的输出中频分量的幅值是平衡混频器的2倍。倍。优点：优点：环形混频器的混频增益和抑制干扰环形混频器的混频增益和抑制干扰的能力比平衡混频器优越，在相同条件下，的能力比平衡混频器优越，在相同条件下，输出中频电流可比

11、平衡混频器大一倍。输出中频电流可比平衡混频器大一倍。所以环形混频器得到广泛的应用，通常将它制所以环形混频器得到广泛的应用，通常将它制作为组件。作为组件。第20页，本讲稿共36页目前，许多从短波到微波波段的整体封装二极管环形混频器已作为系列产目前，许多从短波到微波波段的整体封装二极管环形混频器已作为系列产品，一个用于品，一个用于0.5500MHz的典型环形混频器的典型环形混频器(SRA-1双平衡混频器双平衡混频器)的外形的外形及电路示于下图。及电路示于下图。使用时，使用时，8，9端外接信号电压端外接信号电压 s，3，4端相连，端相连，5，6端相连，然后在端相连，然后在3，5端间加本振电压端间加本

12、振电压 L，中频信号由，中频信号由1，2端输出。端输出。此电路除用作混频器外，还可以用作相位检波器、电调衰减器、调制器此电路除用作混频器外，还可以用作相位检波器、电调衰减器、调制器等。等。封装环形混频器的外形与电路第21页，本讲稿共36页6.5 6.5 混频干扰混频干扰 混频必须采用非线性器件，在产生所需频率之外，混频必须采用非线性器件，在产生所需频率之外，还有大量的不需要的组合频率分量，一旦这些组合频还有大量的不需要的组合频率分量，一旦这些组合频率分量的频率接近于中频有用信号，就会通过中频放率分量的频率接近于中频有用信号，就会通过中频放大器，经解调后，在输出级产生串音、哨叫和各种干大器，经解

13、调后，在输出级产生串音、哨叫和各种干扰。扰。第22页，本讲稿共36页(1)组合频率干扰组合频率干扰混频器本身的组合频率中无用频率分量所引起的干扰。混频器本身的组合频率中无用频率分量所引起的干扰。(2)副波道干扰副波道干扰由于接收机前端选择性不好由于接收机前端选择性不好,外界干扰信号窜入而引起外界干扰信号窜入而引起的干扰的干扰(最强两个最强两个:中频干扰和镜像干扰中频干扰和镜像干扰)。(3)交叉调制干扰交叉调制干扰在有用中频信号的包络上叠加了干扰信号的包络而引起。在有用中频信号的包络上叠加了干扰信号的包络而引起。(4)互调干扰互调干扰干扰信号之间彼此混频而产生接近中频的信号而引起。干扰信号之间彼

14、此混频而产生接近中频的信号而引起。主要产生的干扰有：主要产生的干扰有：信号信号+本振产生的自身组合干扰本振产生的自身组合干扰外来干扰外来干扰+本振产生的组合干扰本振产生的组合干扰外来干扰相互形成的干扰外来干扰相互形成的干扰信号信号+外来干扰形成的干扰外来干扰形成的干扰第23页，本讲稿共36页一、一、有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰干扰哨声干扰哨声混频器的输出信号中所包含的各种频率分量为：p p，q q为任意正整数，分别代表本振频率和信号频率的谐波次数。为任意正整数，分别代表本振频率和信号频率的谐波次数。只有只有p=q=1p=q=1对应的频率为对应的频率为f fL

15、 L-f fs s的分量是所需要的中频信号。的分量是所需要的中频信号。如果某些组合频率落在谐振回路的通频带内，这些组合频率分如果某些组合频率落在谐振回路的通频带内，这些组合频率分量就和有用的中频分量一样，通过中放进入检波器，并在检波量就和有用的中频分量一样，通过中放进入检波器，并在检波电路中与有用信号产生电路中与有用信号产生差拍差拍，这时在接收机的输出端将产生哨，这时在接收机的输出端将产生哨叫声，形成有害的干扰。这种干扰又称为叫声，形成有害的干扰。这种干扰又称为干扰哨叫干扰哨叫。即当时会产生干扰哨叫。1.1.产生产生第24页，本讲稿共36页fs=931kHz，fI=465kHz，fL=fs+f

16、I=1396kHz当当fs 与与fL混混合合后后，输输出出可可能能存存在在2fs-fL=(2 931-1396)kHz=466kHz的的组组合合频频率率，与与465kHz一一起起送送到到检检波波器器，产产生差拍现象，在扬声器听到生差拍现象，在扬声器听到1kHz的的哨叫哨叫。听到的声音：哨叫听到的声音：哨叫干扰哨声干扰哨声干扰的原因：组合频率干扰干扰的原因：组合频率干扰例如：例如：2.现象：现象：qfs-pfL=fIpfL-qfs=fIpfL+qfs：恒大于：恒大于fL-pfL-qfs：无意义：无意义第25页，本讲稿共36页 组组合合频频率率分分量量电电流流振振幅幅随随(p+q)的的增增加加而而

17、迅迅速速减减小小，因因而而，只只有有对对应应于于p 和和q 为为较较小小值值的的输输入入有有用用信信号号才才会会产产生生明明显显的的干干扰扰哨哨声声，将将产产生生最最强强干干扰扰哨哨声声的的信信号号频频率率移移到到接接收收频频段段之之外外，就就可可大大大大减减小干扰哨声的有害影响。小干扰哨声的有害影响。例如，例如，由由 ，当，当 p=0，q=1时干扰哨声强，时干扰哨声强，相相应应输输入入信信号号频频率率接接近近于于中中频频，即即fS fI，因因此此，将将接接收收机机的的中中频频选选在在接接收收频频段段以以外外，避避免免这这个个最最强强的的干干扰扰哨哨声声。例例如如，中频接收机，中频接收机，fI

18、规定为规定为465kHz。(中波：中波：5351605kHz)3.抑制方法：抑制方法：第26页，本讲稿共36页二、寄生通道干扰二、寄生通道干扰(副波道干扰副波道干扰)1.产生产生非非接接收收频频率率的的干干扰扰台台串串入入接接收收机机所所造造成成的的干干扰扰。当当干干扰扰台台的的频频率率 fM与本振频率与本振频率 fL满足满足|pfL qfM|=fI时时，干干扰扰信信号号就就将将其其频频率率fM变变换换为为fI，顺顺利利地地通通过过中中频频放放大大器器，造成干扰造成干扰(收音机听到干扰信号收音机听到干扰信号)。这种干扰称为。这种干扰称为寄生通道干扰寄生通道干扰。受受fL-fS=fI的限制，上式

19、的限制，上式中中只有下两式成立只有下两式成立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合并，得形成寄生通道干扰的干扰信号频率为第27页，本讲稿共36页(1)(1)寄生通道干扰的两种最强情况：寄生通道干扰的两种最强情况：中频干扰中频干扰 (p=0，q=1)fM=fI ，故故称称中中频频干干扰扰。这这时时，混混频频器器起起到到中中频频放放大大器器的的作作用用，具有比有用信号更强的传输能力。具有比有用信号更强的传输能力。镜像干扰镜像干扰 (p=1，q=1)fK=fL+fI=fS+2fI，这这时时，干干扰扰信信号号fK在在混混频频器器中中与与本本振振信信号号fL

20、混混频频后后，其其差差频频接接近近中中频频，与与中中频频进进行行差差拍拍检检波波，出出现现哨叫。哨叫。若若将将fL想想象象为为一一面面镜镜子子，则则fK就就是是fS的镜像，故称的镜像，故称镜像干扰镜像干扰。(2)解决办法解决办法中频干扰中频干扰：与消除干扰哨声一样，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。中频应选在接收频段以外，远离接收段。2.两种特例两种特例第28页，本讲稿共36页镜镜像像干干扰扰：fK-fc=2fI，可可以以采采用用两两种种措措施施：高高中中频频方方案、二次混频案、二次混频。a高中频方案高中频方案中频的两种选择方案：中频的两种选择方案：低中频方案，低中频方案

21、，fI f。b二次混频二次混频优点：优点：fI低，中频放大器易实现高增益和高选择性；低，中频放大器易实现高增益和高选择性；如如在在短短波波接接收收机机中中，接接收收频频段段为为230MHz，中中频频选选在在70MHz附附近近。由由于于中中频频很很高高，镜镜像像干干扰扰频频率率远远高高于于有有用用信信号号频频率率，混混频的滤波电路很容易将它滤除。频的滤波电路很容易将它滤除。第29页，本讲稿共36页二次混频接收机组成方框图二次混频接收机组成方框图近近代代数数字字移移动动通通信信接接收收机机，第第一一中中频频很很高高，为为240MHz，可以在一混频前将镜像频率干扰有效地滤除。，可以在一混频前将镜像频

22、率干扰有效地滤除。第30页，本讲稿共36页 只要中频干扰和镜像干扰能进入到混频器的输只要中频干扰和镜像干扰能进入到混频器的输入端，混频器就能有效地将它们变换为中频。产生入端，混频器就能有效地将它们变换为中频。产生寄生通道干扰的原因主要是接收机前端电路的选择寄生通道干扰的原因主要是接收机前端电路的选择性不够好。性不够好。所以，要抑制这种干扰，必须在混频器前将它所以，要抑制这种干扰，必须在混频器前将它们滤除。们滤除。3.抑制方法：抑制方法：第31页，本讲稿共36页三、交调失真和互调失真三、交调失真和互调失真交交调调失失真真和和互互调调失失真真会会在在混混频频器器、高高频频和和中中频频放放大大器器中

23、中产产生生，现现以混频器为例讨论。以混频器为例讨论。1交调失真交调失真若若接接收收机机前前端端电电路路选选择择性性不不好好，使使有有用用信信号号vS和和干干扰扰信信号号vM同同时时串串入入混混频频器器输输入入端端，且且二二者者皆皆为为调调幅幅波波，则则通通过过混混频频器的非线性作用，将产生器的非线性作用，将产生交叉调制失真交叉调制失真。现现象象：不不仅仅可可听听到到有有用用信信号号，同同时时也也听听到到干干扰扰信信号号。当当接接收收机机对对有有用用信信号号失失谐谐时时，干干扰扰信信号号也也随随之之消消失失。如如同同干干扰扰台台调调制制信号调制在有用信号频率上信号调制在有用信号频率上，故称，故称

24、交叉调制干扰。交叉调制干扰。原原因因：混混频频器器件件非非线线性性的的高高次次方方项项引引起起的的，且且与与干干扰扰信信号号电电压压振振幅的平方成正比。幅的平方成正比。第32页，本讲稿共36页2互调失真互调失真当当混混频频器器输输入入端端同同时时作作用用着着两两个个干干扰扰信信号号uM1和和uM2时时，混混频器还可能产生频器还可能产生互调失真互调失真。存存在在着着寄寄生生中中频频分分量量，引引起起混混频频器器输输出出中中频频信信号号失失真真。这这种种失真由两个干扰信号互相调制产生的，故称失真由两个干扰信号互相调制产生的，故称互调失真互调失真。产生原因：产生原因：当两个或两个以上的干扰进入到混频

25、器的输入端时，它们当两个或两个以上的干扰进入到混频器的输入端时，它们与本振电压与本振电压u uL L一起加到混频管的发射结。由于器件的非线性作用，它一起加到混频管的发射结。由于器件的非线性作用，它们将产生一系列组合频率分量。如果某些分量的频率等于或接近于中们将产生一系列组合频率分量。如果某些分量的频率等于或接近于中频时，就会形成干扰，称为互调干扰。频时，就会形成干扰，称为互调干扰。现象：现象：接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰信号电台的声音，接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰台的声音仍然存在。若接收机对接收信号频率失谐，干扰台的声音仍

26、然存在。第33页，本讲稿共36页作作用用到到混混频频器器上上的的本本振振信信号号、有有用用信信号号、干干扰扰信信号号等等，它它们们之之间间任任意意两两者者都都可可能能产产生生组组合合频频率率，形形成成干干扰扰。不不同同原原因因产产生的干扰在接收机中有特定的名称，如下图所示：生的干扰在接收机中有特定的名称，如下图所示：fs干扰哨声干扰哨声-组合频率组合频率fL寄生通道寄生通道fM1交叉调制交叉调制互相调制互相调制fM2小结：小结：第34页，本讲稿共36页抑制干扰的措施：抑制干扰的措施：1提高混频器前端电路的选择性提高混频器前端电路的选择性例如：中频干扰，加中频陷波器例如：中频干扰，加中频陷波器2

27、适当选择中频频率适当选择中频频率将中频选在接收频段之外。将中频选在接收频段之外。采用高中频方案，使镜像干扰频率远离有用信号频率采用高中频方案，使镜像干扰频率远离有用信号频率3合理选择混频器工作点合理选择混频器工作点将将Q 点点设设置置在在混混频频器器件件特特性性的的二二次次方方区区域域，尽尽量量减减少少三三次次方方项或更高次项所引起的交叉调制干扰项或更高次项所引起的交叉调制干扰尽尽量量采采用用组组合合频频率率分分量量少少的的混混频频电电路路与与器器件件：模模拟拟相相乘乘器器、二二极极管平衡混频器等，具有输出组合频率分量数量少的特点。管平衡混频器等，具有输出组合频率分量数量少的特点。第35页，本讲稿共36页第36页，本讲稿共36页