通信电子电路 第七章

本章内容本章内容7.1 7.1 概述概述7.27.2 变频器的基本原理变频器的基本原理7.3 7.3 变频器的主要技术指标变频器的主要技术指标7.4 7.4 晶体三极管混频电路晶体三极管混频电路7.5 7.5 超外差接收机的统调与跟踪超外差接收机的统调与跟踪7.6 7.6 用模拟乘法用模拟乘法器器构成的混频电路构成的混频电路7.7 7.7 变频干扰变频干扰返回总目录返回总目录本章重点和难点本章重点和难点(一一)本章重点本章重点1.为什么要进行变频；为什么要进行变频；2.变频器的基本原理及数学分析；变频器的基本原理及数学分析；3.晶体三极管混频电路基本原理、工作状晶体三极管混频电路基本原理、工作状态选择及应用举例；态选择及应用举例；4.变频干扰。变频干扰。(二二)本章难点本章难点1.三点统调；三点统调；2.变频干扰。变频干扰。一、什么是变频器一、什么是变频器频率变换电路频率变换电路 把一个已调的高频信号变成另一个较把一个已调的高频信号变成另一个较低频率的同类已调信号低频率的同类已调信号。完成这种频率变完成这种频率变换的电路称变频器。换的电路称变频器。由于设计和制作工作频率较原载频低由于设计和制作工作频率较原载频低的固定中频放大器比较容易，增益高，选的固定中频放大器比较容易，增益高，选择性好，所以择性好，所以采用变频器后，接收机的性采用变频器后，接收机的性能将得到提高。能将得到提高。lAM制制：将将载频载频位于位于535 kHz1605kHz中波波段中波波段各电台的普通调幅信号各电台的普通调幅信号lFM制制：把载频位于把载频位于88 MHz108MHz的各调的各调频台信号频台信号465kHz的中频信号的中频信号；又如又如:超外差电视接收机超外差电视接收机l把载频位于把载频位于四十几兆赫至近千兆赫频段四十几兆赫至近千兆赫频段内各电内各电视台信号视台信号中频为中频为10.7MHz的调频信号的调频信号;中频为中频为38MHz的视频信号。的视频信号。例如例如:超外差广播接收机超外差广播接收机超外差收音机接收系统及各点波形超外差收音机接收系统及各点波形二、为什么要进行变频二、为什么要进行变频1.变频器将信号频率变换成中频，在中频变频器将信号频率变换成中频，在中频上放大信号，上放大信号，放大器的增益可做得很高而放大器的增益可做得很高而不自激，电路工作稳定不自激，电路工作稳定（有利于放大）；（有利于放大）；2.接收机在频率很宽的范围内选择性好有接收机在频率很宽的范围内选择性好有困难，困难，而对于某一固定频率选择性可以做而对于某一固定频率选择性可以做得很好得很好（有利于选频）（有利于选频）；3.由于变频后所得的由于变频后所得的中频频率是固定的，中频频率是固定的，这样可以这样可以使电路结构简化使电路结构简化。三、信号载波频率变换成中频频率波形图三、信号载波频率变换成中频频率波形图 与与 载波振幅的包络形状完全相同，载波振幅的包络形状完全相同，惟一的差别是惟一的差别是 信号载波频率信号载波频率 变换成中变换成中频频率频频率 ,混频器输入输出波形图如图示。混频器输入输出波形图如图示。IuSuSfIfl 与与 载波振幅的包络形状完全相载波振幅的包络形状完全相同同，惟一的差别是惟一的差别是信号载波频率信号载波频率 变换成中频频率变换成中频频率 。l本地振荡器本地振荡器本振信号本振信号-下标为下标为L Ll输入调幅信号输入调幅信号-下标为下标为S Sl中频调幅信号中频调幅信号-下标为下标为I IIuSuSfIf四、变频器的组成四、变频器的组成 1.1.变频电路框图变频电路框图 它是将输入调幅信号与本振信号（高频等幅信它是将输入调幅信号与本振信号（高频等幅信号），同时加到混频器，经频率变换后通过滤波器，号），同时加到混频器，经频率变换后通过滤波器，输出中频调幅信号输出中频调幅信号。2.2.变频电路的组成变频电路的组成 1)1)非线性元件，非线性元件，如二极管、三极管和场效应管和如二极管、三极管和场效应管和 模拟乘法器等；模拟乘法器等；2 2）中频滤波器；中频滤波器；3 3）产生产生uL的振荡器的振荡器。通常称为。通常称为本地振荡器本地振荡器，振荡，振荡 角频率为角频率为 。本机振荡器本机振荡器可以可以由变频晶体管兼（叫自激式变激由变频晶体管兼（叫自激式变激器）。器）。也可以由也可以由另一晶体管组成（称为他激式变另一晶体管组成（称为他激式变频器，也叫混频频器，也叫混频器器）。）。两种电路中，前一种简单，两种电路中，前一种简单，但统调困难。因此一般但统调困难。因此一般工作频率较高的接收机采工作频率较高的接收机采用混频器。用混频器。L 一、一、变频前后的频谱图变频前后的频谱图If分析：分析：高频调幅信号的高频调幅信号的上边频上边频 中频调幅信号的中频调幅信号的下边频，下边频，高频调幅信号的高频调幅信号的下边频下边频 中频调幅信号的中频调幅信号的上边频上边频 LSLSI()ffFffFfFILSfffLSLSI()ffFffFfF二、变频原理的数学分析：幂级数二、变频原理的数学分析：幂级数l如果在非线性元件上同时加上输入信号电压如果在非线性元件上同时加上输入信号电压和等幅的高频信号电压，则就会产生具有新和等幅的高频信号电压，则就会产生具有新频率的电流成分。频率的电流成分。由于变频管工作于输入特由于变频管工作于输入特性曲线的弯曲段，其电流可采用幂级数来表性曲线的弯曲段，其电流可采用幂级数来表示，示，即即201SL2SL()()iaa uua uusSmScosuUtLLmLcosuUt对上式近似取前三项，对上式近似取前三项，)()(LS10tutuaa .)(2110 uauaaitUtUtutuuLLmSSmLScoscos)()(其中其中2LS2LS10)()()()(tutuatutuaai 则则2LLSS2coscostUtUamm 对对(7-1)(7-1)式近似取前三项式近似取前三项(7-1)LS LS 差频分量差频分量中频成分中频成分 和频分量和频分量2220SmLm1SmSLmL222SmSLmL2SmLmSLSL()2(coscos)(cos2cos2)2cos()cos()aiaUUa UtUtaUtUta U Utt直流S2L2谐波分量谐波分量总结：总结：由于电路元件的伏安特性包含有平方项由于电路元件的伏安特性包含有平方项1.1.在在 uS，uL 同时作用下，电流便产生同时作用下，电流便产生了新的频率成分，了新的频率成分，它包含：它包含：差频分量：差频分量：和频分量：和频分量：谐波分量：谐波分量：其中其中差频分量差频分量 就是我们所要求的就是我们所要求的中频成分中频成分 。SLSLS2L2SLI2.2.通过中频滤波器就可将差频分量取出。通过中频滤波器就可将差频分量取出。而将其他频率成分滤除。这种变频器而将其他频率成分滤除。这种变频器称称为下变频器为下变频器。若用选择性电路将若用选择性电路将和频分量和频分量选择出来，选择出来，则这种变频器称为则这种变频器称为上变频器上变频器。7.3 7.3 变频器的主要技术指标变频器的主要技术指标1 1变频器增益要大变频器增益要大2 2选择性选择性 要求输出回路具有良好的选择性。可采用要求输出回路具有良好的选择性。可采用 品品质因数质因数Q Q高的选频网络或滤波器。高的选频网络或滤波器。3 3工作稳定性要好工作稳定性要好 要求本振信号频率稳定度高，则应采用稳频要求本振信号频率稳定度高，则应采用稳频等措施。等措施。4 4非线性失真要小非线性失真要小5 5噪声系数要小噪声系数要小噪声系数要小的分析噪声系数要小的分析噪声系数的定义为噪声系数的定义为 由于变频器位于接收机的前端，它产生的由于变频器位于接收机的前端，它产生的噪声对整机影响最大，故要求变频器本身噪声对整机影响最大，故要求变频器本身噪声系数越小越好。噪声系数越小越好。FN 输入端载频信号噪声功率比输出端中频信号噪声功率比7.4 7.4 晶体三极管混频电路晶体三极管混频电路 一、三极管混频电路的几种形式一、三极管混频电路的几种形式 三极管混频器按本振信号接入的不同，一般有四种电三极管混频器按本振信号接入的不同，一般有四种电路形式。路形式。共发射极电路多用于频率较低的情况。共发射极电路多用于频率较低的情况。图图7-47-4（a a）信）信号与本振分别由基极和发射极注入，相互影响小，但本振号与本振分别由基极和发射极注入，相互影响小，但本振需要功率大。图需要功率大。图7-47-4（b b）信号与本振都由基极注入，相互）信号与本振都由基极注入，相互影响大，但本振需要功率小。影响大，但本振需要功率小。共基极电路多用于频率较高的情况。共基极电路多用于频率较高的情况。当工作频率不高当工作频率不高时，变频增益比发射极电路低。图时，变频增益比发射极电路低。图7-47-4（d d）比图）比图7-47-4（c c）相互影响小相互影响小 。图图7-4 7-4 三极管混频电路的几种形式三极管混频电路的几种形式图图7-6 7-6（a a）晶体管他激式变频器）晶体管他激式变频器图图7-6 7-6（b b）晶体管自激式变频器）晶体管自激式变频器7.57.5 超外差接收机的统调与跟踪超外差接收机的统调与跟踪 在超外差接收中，为了调谐方便，希望在超外差接收中，为了调谐方便，希望高高频调谐回路（输入回路、高放回路）与本振回路，频调谐回路（输入回路、高放回路）与本振回路，实行统一调谐。实行统一调谐。即通常采用的每波段中最低到最即通常采用的每波段中最低到最高频率的调谐，由同轴可变电容器进行，而高频率的调谐，由同轴可变电容器进行，而改变改变波段则采用改变固定电感的方法。波段则采用改变固定电感的方法。由于由于高频调谐高频调谐回路和本振回路的波段系数回路和本振回路的波段系数 Kd 不同不同，例如，某例如，某分段波的最低频率分段波的最低频率fmin=535kHz，而最高频率而最高频率fmax=1605 kHz，则高频回路的波段覆盖系数为则高频回路的波段覆盖系数为maxmaxdminminfCK3fC 当中频选用当中频选用 时时 ，如用容量相同的可，如用容量相同的可变变电容，则本振波段将从最低频率电容，则本振波段将从最低频率 变化到最高频率变化到最高频率而要求的最高频率应而要求的最高频率应 这说明除最低频率处满足中频这说明除最低频率处满足中频 外，外，在波段其他频率处均不是在波段其他频率处均不是 ,Lmin5354651000kHzf465kHzLmaxLmin33000kHzff 16054652070kHz465kHz465kHz 也就是只有也就是只有一点跟踪一点跟踪，我们可以用，我们可以用 图图7-97-9电容与频率关系来说明这种情况。电容与频率关系来说明这种情况。为为使统调要求能基本满足，而又不使使统调要求能基本满足，而又不使电路太复杂，目前都在本振回路上采取措电路太复杂，目前都在本振回路上采取措施，这种方法称为施，这种方法称为三点统调或称三点跟踪。三点统调或称三点跟踪。图图7-9 7-9 电容与频率关系电容与频率关系 为了满足三点统为了满足三点统调，调，在本振回路上必须在本振回路上必须附加电容，附加电容，如图示。如图示。通常，通常，本振回路附加串联电容本振回路附加串联电容Cp ，Cp 称为垫整电容，其容量较大，与称为垫整电容，其容量较大，与 Cmax的的容量相近，容量相近，还附加并联电容还附加并联电容Ct ，Ct 称为垫称为垫补电容，其容量较小，与补电容，其容量较小，与Cmin的容量相近。的容量相近。l在本振频率高频端，在本振频率高频端，C=Cmin ，由于，由于Ct 与与Cmin 相近，相近，使总的电容增大，所以使高频本使总的电容增大，所以使高频本振频率降低。振频率降低。l在本振频率低频端，在本振频率低频端，C=Cmax,Ct 的并联的并联作用可忽略。作用可忽略。串联串联 Cp 后，使总的电容减少，后，使总的电容减少，所以使低端本振频率提高。所以使低端本振频率提高。这样就达到了三这样就达到了三点统调的目的。点统调的目的。7.67.6 用模拟乘法器构成的混频电路用模拟乘法器构成的混频电路 图图7-127-12是用是用MC1596G构成的混频器。构成的混频器。具具有宽带输入，其输出调谐在有宽带输入，其输出调谐在9MHz，回路带回路带宽宽450kHz，本振输入电平，本振输入电平100mV，对于，对于30MHz信号和信号和3939MHz本振输入，混频器变频增益为本振输入，混频器变频增益为13dB。当输出信噪比为当输出信噪比为10dB时，输入信号灵时，输入信号灵敏度为敏度为7.5V。图图7-12 7-12 用用MC1596G构成的混频器构成的混频器 二次二次变频的实际应用变频的实际应用7.7 7.7 变频干扰及其抑制方法变频干扰及其抑制方法一、组合频率干抗一、组合频率干抗由于变频器使用的是非线性器件，而且工作在非线由于变频器使用的是非线性器件，而且工作在非线性状态。性状态。流经变频管的电流不仅含有直流分量、信号频流经变频管的电流不仅含有直流分量、信号频率率 fS 、本振频率本振频率 fL 成分，还含有信号、本振频率的各成分，还含有信号、本振频率的各次谐波，以及它们的和、差频等组合频率分量，如次谐波，以及它们的和、差频等组合频率分量，如 等，即含有等，即含有mfL nfS 分分量。量。当这些组合频率分量中的某些分量等于或接近中频当这些组合频率分量中的某些分量等于或接近中频时，就能进入中频放大器，经检波器输出产生对有用信时，就能进入中频放大器，经检波器输出产生对有用信号的干扰。号的干扰。LSSLLS3,3,2,2ffffffl当组合频率符合式（当组合频率符合式（7-97-9）关系时，就可）关系时，就可以在输出端形成干扰甚至产生哨叫，这种以在输出端形成干扰甚至产生哨叫，这种干扰就叫组合频率干扰。干扰就叫组合频率干扰。例如本振频率例如本振频率1396kHz，有用信号频率，有用信号频率931kHz z，两者，两者的差拍频率是中频的差拍频率是中频465kHz。LsILsImfnffmfnff（7-97-9）l但信号频率的二倍频但信号频率的二倍频 1862kHz与本振频与本振频率的差拍频率为率的差拍频率为 18621396466kHz，显然这个差频能被中频放大器放大，并与显然这个差频能被中频放大器放大，并与标准中频同时加入到检波器，标准中频同时加入到检波器，由于检波器由于检波器也是非线性元件，故有也是非线性元件，故有 4664651kHz 低频通过低放产生哨叫，干扰正常通信低频通过低放产生哨叫，干扰正常通信。减弱组合频率干扰的方法有三种减弱组合频率干扰的方法有三种 适当选择变频电路的工作点，尤其是不适当选择变频电路的工作点，尤其是不要过大；要过大；输入信号电压幅值不能过大，否则谐波输入信号电压幅值不能过大，否则谐波幅值也大，使干扰增强；幅值也大，使干扰增强；选择中频时应考虑组合频率的影响，使选择中频时应考虑组合频率的影响，使其远离在变频过程中可能产生的组合频其远离在变频过程中可能产生的组合频率。率。二、副波道干扰副波道干扰l副波道干扰是一种其频率为副波道干扰是一种其频率为fn的外来干扰，如的外来干扰，如果频率为果频率为fn的干扰信号作用到混频器的输入端，的干扰信号作用到混频器的输入端，它与本振信号频率如满足下面关系：它与本振信号频率如满足下面关系：式中，式中，m 为本振信号频率的谐波次数，为本振信号频率的谐波次数，n为干为干扰信号频率的谐波次数。扰信号频率的谐波次数。这时，干扰信号就会这时，干扰信号就会进入进入中频放大器，经解调中频放大器，经解调器输出将产生干扰和哨叫。器输出将产生干扰和哨叫。LnImfnff可能产生的干扰频率可由下式确定可能产生的干扰频率可由下式确定 (7-10)(7-10)这类干扰主要有中频干扰、镜频干扰和组这类干扰主要有中频干扰、镜频干扰和组合合副波道干扰。副波道干扰。nLI1()fmffn 1 1中频干扰中频干扰 当干扰信号频率当干扰信号频率 时（时（即即m=0 0，n1 1），如果接收机输入回路选择性不好，），如果接收机输入回路选择性不好，该信号进入变频器，并被放大，从而产生该信号进入变频器，并被放大，从而产生干扰。干扰。对中频干扰的抑制方法对中频干扰的抑制方法-主要是提高主要是提高变频器前面电路的选择性，增强对中频信变频器前面电路的选择性，增强对中频信号的抑制或设置中频陷波器。号的抑制或设置中频陷波器。nIff2.2.镜频干扰镜频干扰 问题问题：当当 fS=1000kHz，fL=1465kHz，调谐于中频调谐于中频465kHz，干扰信号频率干扰信号频率 fn=1930kHz，能不能抑能不能抑制？制？19301465=465kHz 当当 fn=fL+fI ，相应的干扰电台频率等，相应的干扰电台频率等于本振频率于本振频率 fL 与中频与中频 fI 之和。之和。l如果如果将将 fL 所在的位置比作一面镜子所在的位置比作一面镜子，则则 fs 与与 fn 分别位于分别位于fL的两侧，且距离相等，互为的两侧，且距离相等，互为镜像，镜像，故称为镜频干扰，又称为镜像干扰。故称为镜频干扰，又称为镜像干扰。l抑制它的主要方法抑制它的主要方法是提高变频级前电路的是提高变频级前电路的选择性。选择性。nLISI2fffff（即即 m=n=1）3 3组合副波道干扰组合副波道干扰 除上述两种情况外，在式除上述两种情况外，在式（7-107-10）中，中，当当 （例如（例如，m=n=2 2，则对应，则对应 ）均称为组合副波道干扰。）均称为组合副波道干扰。1,1nmnLI22fffn1SIn2SI1232ffffffnLnsII2222()ffffff nsII22()ffffl例如，例如，fs=660kHz，fL=1125kHz时，时，（fI=465kHz）对应的对应的二次组合干扰频率二次组合干扰频率代入式（代入式（7-117-11）中，）中，l可算出可算出fn1=892.5 kHz，fn2=1357.5 kHz。n1SIn2SI1232ffffffm=n=2三、交调和互调干扰三、交调和互调干扰 1 1交调干扰交调干扰 交调干扰就是当接收机接收的信号和干扰交调干扰就是当接收机接收的信号和干扰信号同时作用于接收机的输入端时，由接收机信号同时作用于接收机的输入端时，由接收机中高放管或混频管转移特性的非线性而形成的中高放管或混频管转移特性的非线性而形成的干扰。干扰。抑制交调干扰的方法抑制交调干扰的方法-必须提高高必须提高高频放大级前输入回路或变频级前各级电路的选频放大级前输入回路或变频级前各级电路的选择性；择性；其次可以通过适当选择晶体管工作点电其次可以通过适当选择晶体管工作点电流的方法得到流的方法得到。2 2互调干扰互调干扰 互调干扰是两个或多个干扰电压加到接互调干扰是两个或多个干扰电压加到接收机高放级或变频级的输入端，由于晶体收机高放级或变频级的输入端，由于晶体管的非线性作用，相互混频。管的非线性作用，相互混频。如果混频后如果混频后产生的频率接近所接收的信号频率产生的频率接近所接收的信号频率 （对变频级来说，即对变频级来说，即为为 ），就会形成干扰，），就会形成干扰，这就是互调干扰。这就是互调干扰。互调频率为：互调频率为：互调阶数互调阶数（指两个频率谐波次数之和）（指两个频率谐波次数之和）为为：SIn1n2mfnf nm+n 问题：试分析下列现象：问题：试分析下列现象：在一超外差式广播收音机中，中频频率在一超外差式广播收音机中，中频频率 fI=fL fS。试分析下列现象属于何种干扰？又是如何形成的？试分析下列现象属于何种干扰？又是如何形成的？（1 1）当听到频率当听到频率931kHz的电台播音时，伴有音的电台播音时，伴有音调约调约1kHz的哨叫声；的哨叫声；（2 2）当收听频率当收听频率550kHz的电台播音时，听到频的电台播音时，听到频率为率为1480kHz的强电台播音的强电台播音；（3 3）当听到频率当听到频率1480kHz的电台播音时，听到的电台播音时，听到频率为频率为740kHz的强电台的强电台播音。播音。