混频器的设计及应用(论文)

1混频器的设计及应用一选题的意义混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM广播接收机将已调幅信号535KHZ-一1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调48．5M一870M的图象信号要变成38MHZ的中频图象信号。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中，为了提高发射频率的稳定度，采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器，产生一个频率非常稳定的主振荡信号，然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频，所以必须使用混频电路，又如电视差转机收发频道的转换，卫星通讯中上行、下行频率的变换等，都必须采用混频器。由此可见，混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。二总体方案对于混频电路的分析，重点应掌握，一是混频电路的基本组成模型2及主要技术特点，二是混频电路的基本原理及混频跨导的计算方法，三是应用电路分析。混频电路的基本组成模型及主要技术特点：混频，工程上也称变频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过程，实质上也是频谱线性搬移过程，完成这种功能的电路就称为混频电路或变频电路。混频电路的组成模型及频谱分析图a是混频电路的组成模型，可以看出是由三部分基本单元电路组成。分别是相乘电路、本级振荡电路和带通滤波器(也称选频网络)。当为接收机混频电路时，其中us(t)是已调高频信号。U1(t)是等幅的余弦型信号，而输出则是Ui(t)为中频信号。混频电路的基本原理：3^图2中，Us(t)为输入信号，Uc(t)为本振信号。ui(t)输出信号。分析：当Us(t)=Usmcosψstuc(t)=Ucmcosψct则Up(t)=Us(t)*Uc(t)=Usmcosψ·stUcmcosψct=Amcosψst*cosψct其中：Am=Usm*Ucm对上式进行三角函数的变换则有Up(t1=Amcosψst*cosψct：l／2Am[cos(ψc+ψs)t+COS(ψc一ψs)t]从上式可推出，Up(t)含有两个频率分量和频为(ψc+ψS)，差频为(ψC一ψS)。若选频网络是理想上边带滤波器则输出为Ui(t)=1／2Amcos[ψc+ψs]t．若选频网络是理想下边带滤波器则输出：Ui(t)=1／2Amcos[ψc一ψs]t．工程上对于超外差式接收机而言，如广播电视接收机则有ψcψS．往往混频器的选频网络为下边带滤波器，则输出为差频信号，Ui(t)=1／2Amcos[ψc一ψS]t为接收机的中频信号。衡量混频工作性能重要指标是混频跨导。规定混频跨导的计算公式：混频跨导g：输出中频电流幅4度偷入信号电压幅度。三各部分的设计及原理分析1乘法器的设计和原理在工程上常用的混频电路有三极管、场效应管集成模拟乘法器。我们以模拟乘法器混频电路为例分析，以掌握基本原理及分析方法：在数模混合电路中，时钟反馈和电荷的注人是模拟电路设计的最严重的噪声，是数模混合设计的难题，而FDCCII能有效地抑制偶次谐波和不需要的共模信号，提高信号输人的线性范围，非常适合数模混合Ic设计的构造模块，因此，FDCCII受到越来越多设计者的关注。其电路符号如图1所示，端口特性可用如下混合矩阵方程表示：式(1)表明，当Vy3=Vy=0时，Vχ+＝Vχ-5FDCCⅡ的CMOS实现电路基本四象限模拟乘法器根据FDCCII的端口特性，由两个FDCCII和MG1、MG2组成一个四象限模拟乘法器，如图所示。基本四象限模拟乘法器实现电路1MOS管MG1、MG2接在FDCC11的x+和x一端且工作在电阻区，根据MOS管的电流方程，有I=2K[(Vcs–VT)VDs–0.5VDS*VDS6当MOS管工作在电阻区时，VGsVT，但Vds值很小，此时，括号中的第2项可以忽略，将得到：I=2K(Vcs–VT)Vcs成立的条件为VDS（VCS-VT）。为了扩展模拟乘法器的输入动态范围，在Yl和Y2端接入一个VC，以保证MOS管MG1、MG2工作在电阻区。对图中的FDCCII—B和MG2，由式(13)、式(14)和式(16)可得：，D2=，x+=4K(VG2一—VT)(l—Vy2)Ia2=4K(Vc2–Vc–VT)(VY1–VY2)由于，Ia2和Ia2的电流都流过MG1，因此，对图3中的FDCC1I—A和MG1，有Iol=4K(VGl—VG2)(Yl—VY2)表明由两个FDCCII和两个MOS管MG1、MG2完成了一个四象限模拟乘法器，但由于MG1、MG2工作在电阻区，所以信号线性输入范围较小，于是在信号输入端引入有源衰减器。有源衰减器为了在较低的工作电压下保持较大的线性输入范围，在信号输入端引入有源衰减器。2本振源的设计ADF4217L是一款低功耗电流型双频频率合成器，能够同时提供射频／中频两个频率，它包含一个低噪声的数字鉴相器，一个精确电荷泵，7可编程的参考分频器，AB计数器和一个双模预分频器，AB计数器和双模分频器P／P+1共同实现N分频，即N=PB+A，14位的参考计数器R实现鉴相器输入端可选择的参考输入。压控振荡器的输出频率Fvco由下式确定：Fvco=(PB+A)*Fref／R，Fref是输入的参考晶振频率。所设计的频率源应用在一无线系统中，系统需要两个频率，165MI--Iz和750MI--Iz，其中165MHz由ADF4217L的IF提供，750MI--Iz由其RF提供，如下图：ADISinlPLL2．0提供了使用ADF系列锁相频合器的集成环境，可以对锁相环进行配置，仿真，并直接给出所指定的环路滤波器的元件参数。大大简化了相关计算。3带通滤波器设计原理数字带通滤波器的主要参数包括阶数、滤波器类型、两个截止频率等。高阶滤波器的阻带衰减特性很好，但是，阶数高了之后难以实现。而对于有源滤波器来说，基波和主要谐波的频率相隔比较大，所以对阻8带衰减率的要求不是很高，选用2阶滤波器就可以满足条件；又因为Butterworth滤波器在通带内特性较平，而且实现起来比较简单，经综合考虑后，选用2阶Butterworth带通滤波器。滤波器截止频率的选取和品质因数Q密切相关。Q越大，对谐波衰减越快，经带通滤波器提取出的基波分量越精确；但是，Q越大，带宽越小，动态响应速度会越慢，还会使数字滤波器的参数相差倍数过大，将增高对字长的要求。带通滤波器的通带宽度BW=ψ0／(2∏Q)=f0／Q。,f0是系统中心频率。这里我们Q取在5左右，使得带宽大概在10Hz左右。选取两个截止频率分别为45Hz和55．6Hz。这里要注意的是，由于带通滤波器的幅频特性的不对称性，中心频率并不是两个截止频率的平均值。两个截止频率的选取标准是保证50Hz中心频率的相移为0并且幅值没有衰减。根据上面的标准设计出滤波器传递函数为滤波器的幅频和相频特性如图所示：不、．9带通滤波器相频特性曲线带通滤波器幅频特性曲线四参数的计算和选择频谱器的主要技术特点：混频增益Kpc．Kpc=Pi／Ps或Kpc=101ogPi／Ps(dB)Pi——代表混频器输出中频信号功率。Ps——代表输入信号的功率。Kpc的大小与混频电路的结构形式有关，若对于二极管混频电路而言10Kpcl，对于由三极管、场效应管和模拟乘法器构成的混频电路则Kpc1。噪声系数NF：由于采用了有源器件进行混频，所以电路内部存在噪声而且输出信噪比总是小于输入信噪比，噪声系数总是大于1NF=输入信号功率偷入噪声功率÷输出信号功率偷出噪声功率=Si/Ni÷So／NoNF越大，说明电路内部噪声越大，NF越小则说明电路内部噪声越小。在理想情况下，电路内部无噪声则NF=1。混频失真与干扰由于有源器件的非线性。则在混频过程中，存在着组合频率干扰，而这种干扰往往是伴随着有用信号，因此严重的影响了混频器正常工作，因此而采取措施抑制组合干扰。另外混频器的失真分为频率失真和非线性失真，此失真也将影响混频器正常工作，必须加以降低。选择性：选择性是指混频器的输出选择有用中频信号而滤除干扰信号的能力。此参数主要是由带通滤波器的性能决定的。所以在混频电路中带通滤波器也称选频网络，选择性是由选择网络Q值来决定。五实验结果及应用若以常规AM变频为例，11若：Us(t)：[Ao+f（t)]COSψ0tU1(t)C0Sψ1t则Up(t)=[Ao+f(t)]cosψt*cosψlt=1／2[Ao+f(t)][COS(ψc+ψ1)t+cos(ψc一ψ1)t]若BPF是下边带滤波器则输出：Ui(t)=0.5[Ao+f(t)]cos(ψc一ψ1)t则实现了频率的变换。对应的频谱分析为3应用电路分析如图3摩托罗拉手机CD928系列接收电路混频器电路图。此混频电路是由分立元件组成的。在移动通信中，常需要使信号从一个频率变换成另外一个频率，以满足电路的要求。要完成此任务，就必须采用}昆频电路。在移动通信接收机中，混频电路是一个核心电路。从图电路形式看，要进行混频，须通过元件参数的设置，使VT460工作在三极管的12非线性区域。电阻R462、R461、R468构成了VT460偏置电路。该电路的形式是一典型分压偏置共射电路。由IA61、CA70、C463、L465组成选频网络。混频电路有两个信号输人端，GSM是射频输人信号，DCs是本机振荡信号输人，若GSM输入频率为fl，DCS信号频率为f2经VT460非线性混频。可得主要频率为f2+f1和f2一f1．经选频网络选频可得f2一fl。则称为移动电话的中频信号。不同的手机接收机中混频器有所不同。有超外差一次变频，有超外差二次变频机。如图4是摩托罗拉一次变频机，如图5是诺基亚3210二次变频接收机。13六结论致谢混频器的设计有三部分，乘法器，本振器和滤波器组成，其中乘法器是主要部分，有它产生分频信号，再通过滤波器得到基波信号。混频器在通信工程和无线电技术中，应用非常广泛，在调制系统中，输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中，接收的已调高频信号也要经过频率的转换，变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中，混频器应用较为广泛，如AM广播接收机将已调幅信号535KHZ-一1605KHZ要变成为465KHZ中频信号，电视接收机将已调1448．5M一870M的图象信号要变成38MHZ的中频图象信号。混频器在很多方面的到广泛应用。本次设计得到了同学和老师的帮助，得到了河南理工大学电气与自动化学院的吴冰、张炜、刘志平等老师的帮助，特别是王新良老师的指导和帮助，在次深感表谢。八参考文献[1]张肃文.高频电子线路.一四版.北京：高等教育出版社，2004.11[2]高如云，陆曼茹，张企民．通讯电子线路．西安电子科技大学出版社，1995年．[3]南利平．通信原理简明教程．清华大学出版社，1999．无线电杂志2002．1．中华科技期刊数据库（维普）