通信电路原理 第11章mhy

1第十一章混频§11-1概述[1]§11-2晶体管混频[1]§11-3集成混频电路[1]§11-4组合频率干扰及非线性失真[2]221（1）变频电路的工作原理变频是将两个不同信号加到非线性器件上进行频率变换，取出其差频或和频的过程。变频电路有两类：一类是电路中自身产生本振信号；一类需由外部输入本振信号。通常称前者为变频器，后者为混频器。(mixer)2112v1v2非线性器件频域上：变频电路实现信号频谱在频率轴上的搬移。－－只变载频不改变已调信号的频谱结构（准线性电路）。带通I变频器模型§11-1概述3混频组成和原理(图11-1p339/AM)设：载频f0本振频率fL中频fifL-f0=fi低中频方案(广播、电视)fL+f0=fi高中频方案(SSB电台)4FM信号混频5理想变频器（混频器）•实现频率变换对时域信号而言不是‘混合’而是相乘。理想混频输出只有和频及差频分量。ABABttABtBtA212121coscos2sinsin2121分量不存在和21没有谐波分量只有和频和差频6变频器中三个频率之间的关系LfIf输出频率高于的变频器称为上变频器，输出频率低于的称为下变频器。一般，接收机采用下变频，发射机采用上变频。LcILcIffffffIfIfcf（2）变频电路的主要技术指标变频增益：变频增益是指变频器的输出信号功率（中频）和输入信号功率（射频）之比。常用分贝表示，即：oPiP)(lg10dBPPGioPIfcfcf：输入信号的载频：本振频率：中频频率7噪声系数：率比输出端中频信号噪声功率比输入端高频信号噪声功ooiinNSNSF//由于接收机整机噪声系数主要取决于前级电路的噪声性能，特别是在没有高频放大器的情况下，变频电路的噪声系数对整机影响较大。线性范围：1dB压缩点：变频增益下降1dB时所对应的输入（输出中频）功率值（用dBm表示）。动态范围：上限1dB压缩点，下限由噪声系数确定的最小输入信号功率。工作稳定性：是指控制信号（本振信号）频率稳定度。（2）变频电路的主要技术指标（续）8变频失真：加在变频电路的输入端除有用信号外，还同时存在许多干扰信号。由于非线性，变频电路输出电流中有众多组合频率分量，除了有用的中频外，还有某些组合频率分量的频率十分接近中频，输出中频滤波器无法滤除它们。这些寄生分量叠加在有用中频上，引起失真，该失真通称为变频失真。还有三阶互调截点等隔离度：指混频器各端口之间的隔离。定义为本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比，用dB表示。接收机中本振端口向输入信号端口的窜通危害最大。本振信号会通过输入信号回路加到天线上，产生本振功率的反向辐射，严重干扰邻近接收机。9（3）变频电路的实现变频本质上是一种频谱搬移。在发射机中它将已调制的中频信号搬移到射频段；在接收机中，将接收到的射频信号搬移到中频上。实现频谱搬移的基本方法是将两个信号相乘。实现相乘的方法有多种：模拟相乘器电路；工作在线性时变状态的非线性器件，例如，二极管、双极型晶体管、场效应管等。为减少无用分量，常采用多个非线性器件组成的对称平衡电路。10①晶体三极管混频器常用三极管混频器的几种基本形式（高频等效电路）。共同特点是利用三极管转移特性的非线性实现频率变换。cv1vifcv1vifcv1vifcv1vif(a)基极注入基极输入（共射）(b)基极输入射极注入（共射）(c)射极输入射极注入（共基）(d)基极注入射极输入（共基）§11-2常用变频电路11三极管混频器原理说明基极回路加了三个电压，信号、本振、偏置电压。加在发射结上的电压为三者之和。本振电压较大，把本振和偏置电压视为三极管等效基极偏置电压，称为时变基极偏压。当输入信号很小时，满足线性时变条件，三极管变频器可以看成是一个参量变化的线性电路。在时变基极偏压作用下，随本振信号而变。mgcLQLQcLQcLQLQLcQvvVfvVfvvVfvvVfvVfvvVfi)()()(!21)()()('2'''cLLvvgvIi)()(0表示为Lvifcvcv小取前两项，线性系数是非线性函数，随时间变化Lv12①三极管混频器原理（续2）本振电压为正弦电压，但受其控制的时变跨导g并不是正弦形信号，而是个周期性信号g(t)。时变跨导周期为本振信号的周期。则可展开成傅立叶级数，即LLfT/1tngtgtggtgLnnLLcos2coscos)(0210变频器的输出信号电流将表示为：)(ti0cosnLncctngtvtvtgti)(tvL)(tg（时变参量线性电路的特点）电流i与输入电压成正比。)(tg13~DGSiv)(cos1tvtgcL在变频器输出信号中含有：频率的输入信号频率成分－－不要cf)(0tvgc需要的中频为的信号由产生cLifff输入信号频率与本振信号频率的各次谐波之间的组合频率。－－可能对变频器输出信号形成干扰。cf理想变频电路性能：变频器传输函数中只有项，不含其它各项。tgLcos1为了得到这个结果，要求曲线为直线。BEvg~也即曲线为一平方曲线。BEcvi~工作在饱和区的MOSFET曲线为一平方曲线。混频电路中采用MOSFET是有利的。0cosnLncctngtvtvtgticLp14电视机混频电路(图11-6p344)回路并接1.2K,降低Q值,以保证8MHz的全电视信号通过。输入信号vc、本振信号vl都加在混频管基极。R1、R2为基极偏置。152.广播接收机变频电路(图8-7p247)16二极管平衡混频器17二极管双平衡混频器•四个二极管特性完全一致•本振信号幅度足够大，使二极管工作于开关状态。－－输出相当于输入信号与一个双向开关函数相乘。•若采用传输线变压器，工作频率高（几GHz），噪声系数小，动态范围大，有几dB插损。－－微波波段混频LmsmVV18§11-4集成混频电路[2]19双差动模拟乘法混频电路为四象限乘法器(图11-11p349)优点：抑制中频干扰能力强；寄生频道、组合信号少；互调和交调失真小；噪声低。20MC1596乘法器混频电路(图11-13p351)21理想的变频过程只是将输入信号的频谱在频率轴上平移，信号频谱结构不应发生变化。实际电路的非理想工作状态，在变频输出信号中出现干扰信号，称变频干扰。以接收机为例，说明变频干扰产生的原因及其表现。高频放大混频器中频放大本地振荡器放大的信号电压)(tvc本振电压)(tvL中频信号电压)(tvi)(tvo)(1tvc干扰信号电压)(tvn)(cf)(nf)(cf)(if)(Lf)(if检波器)(tv输入信号电压4.4.4变频干扰22变频干扰产生原因：高频放大器具有非线性特性（转移特性含三次及三次以上项）；本振信号的各次谐波；变频器的非线性（不能看作为时变参量线性电路）。变频干扰产生原因高频放大器的频率特性不理想（对干扰信号抑制不够）；23产生的原因：高频放大器的频率特性不理想。不能将频率等于中频频率的干扰信号滤除而使其到达变频器的输入端。变频器的变频特性中的项使变频器相当于放大器。使中频干扰信号经变频器而到达中频放大器输入端，经中频放大器放大后输出，形成中频干扰。0g减小中频干扰的主要方法是：减小三极管变频特性中的项。这就需要适当选择变频三极管的静态工作点和本振电压的幅度，使变频跨导与本振电压近似为线性关系。0g提高变频器前面各级电路的选择性，抑制中频信号通过。有时在高频放大器输入回路中接入中频陷波器或高通滤波器，以抑制中频干扰。举例：466KHz和465KHz信号在检波器差拍检波后，产生哨叫声。（1）中频干扰(外来干扰为中频）24像频干扰定义及产生的原因：正常输入信号频率和干扰信号频率将分列于本振信号频率两侧，并距的距离相等（均为中频频率），两者互为镜象，这种干扰为像频干扰。sfnfLfLfif干扰信号能经过高频放大器而到达变频器的输入端。减小像频干扰的主要方法是：提高变频器前面各级的选择性。当变频器前加有高频放大器时，其优良的频率选择性可提高对像频干扰信号的抑制作用。－－不让像频干扰进入混频器--混频前加镜像抑制滤波器提高中频频率。由于有用信号与干扰信号频率之间的距离是2，提高中频频率可以使这两个信号的频率差加大，有利于对像频干扰信号的滤除。采用二次变频电路（例如：10.7MHz和455KHz）。ifif（2）镜像频率干扰(外来干扰）2nLsfffnLLsffff25产生的原因：高频放大器具有非线性特性。当频率为的干扰信号通过高频放大器时，将产生的各次谐波。nfnf)(tvn本振信号频率的各次谐波。凡满足下列频率关系式的干扰信号，均可与本振信号的某次谐波相作用，得到中频信号而形成干扰称为组合副波道干扰(寄生通道）。nfmffiLn像频和中频干扰是特例。像频干扰相应于，的情况；中频干扰相应于，的情况。减小组合副波道干扰的主要方法是：提高高频放大器的频率选择性，减小高频放大器非线性。减少变频器传输特性中的谐波分量。1m1n1n0m（3）组合副波道干扰（外来干扰谐波与本振谐波混频）26产生的原因：变频器的非线性。不能将变频器看作为时变参量线性电路，对是非线性。)(tvc变频器输出信号中将包含输入信号的各次谐波分量，本振信号的各次谐波分量以及二者各次谐波分量之间的组合频率。凡是满足右式的和所确定的组合频率，恰为中频频率。这些组合频率分量通过中频放大器而形成干扰。cLinfmff减小组合频率干扰的主要方法是：合理选择变频器工作状态，减小传输特性的谐波分量。限制输入信号的幅度。)(tvc选择中频频率，避开变频过程可能产生的组合频率。mn（4）组合频率干扰（有用信号谐波与本振信号谐波混频）27nfmffiLn在分析组合副波道干扰时，对输入信号来说，认为变频电路是线性的。（输入信号的幅度较小）产生组合副波道干扰的输入信号的各次谐波是由高频放大器的非线性产生的，均可与本振信号的某次谐波分量相作用，得到中频频率信号而形成干扰。)(tvc组合频率干扰是由于变频电路本身的非线性产生的。变频器输出信号中将包含输入信号的各次谐波分量，本振信号的各次谐波分量以及二者各次谐波分量之间的组合频率。*这里需要说明组合副波道干扰与组合频率干扰的区别：cLinfmff（4）组合频率干扰（续）28交叉调制干扰的现象是：如果接收机对欲接收信号频率调谐，则可清楚地收到干扰信号电台的声音。接收机对接收信号频率失谐，则干扰电台的声音减弱。如果欲接收电台的信号消失，则干扰电台的声音也消失。这种现象好象干扰电台的声音调制在欲接收电台信号的载波上，故称其为交叉调制干扰。产生的原因：由于变频电路和高频放大器的非线性输出输入特性产生的。基波电流幅度中含有干扰信号的幅度变化3211131312133()()cos42cmmmmitbVbVbVVt（5）交叉调制干扰（信号台＋调幅干扰台）29减小交叉调制干扰的主要方法是：提高高频放大器和变频器输入电路的选择性，尽可能使干扰信号不进入变频电路或高频放大器。限制高频放大器输入信号幅度，以使高频放大器和变频器基本工作于线性状态。（交叉调制是由晶体管特性中的三次或更高次非线性项产生的）。（6）互相调制（互调）（干扰信号谐波彼此混频接近有用信号频率）产生的原因：接收机前端电路的选择性不够好。致使两个或更多个干扰信号一起加到接收机的输入端。（5）交叉调制干扰（续）30由于放大器或混频器的非线性作用。使干扰信号彼此混频，可能产生频率接近有用信号频率的互调干扰分量。与有用信号一道进入接收机中频系统。在检波器差拍检波后，产生哨叫声。根据上面讨论可以得出以下结论：①互调干扰是由放大器或混频器特