七章变频或混频的功能与实现

变频或混频的基本功能是将输入频带变频或混频的基本功能是将输入频带信号的频谱位移到新的频率范围内，即频信号的频谱位移到新的频率范围内，即频谱的线性搬移，这类似于调制信号经调幅谱的线性搬移，这类似于调制信号经调幅变换前后的频谱变换关系。变换前后的频谱变换关系。实现变频的电路有混频器和变频器两实现变频的电路有混频器和变频器两类。根据调幅电路和同步解调的频率搬移类。根据调幅电路和同步解调的频率搬移特性的实现机理，我们可以想到实现变频特性的实现机理，我们可以想到实现变频时应该有两个不同的输入信号。其中，一时应该有两个不同的输入信号。其中，一个是单一频率的等幅正弦波，也称为本振个是单一频率的等幅正弦波，也称为本振信号，它不携带信息，仅作为一个参考标信号，它不携带信息，仅作为一个参考标准；另一个是需要进行中心频率位移的频准；另一个是需要进行中心频率位移的频带输入信号。带输入信号。变频电路在本质上应实现输入信号频变频电路在本质上应实现输入信号频谱与本振频率的加或减的数学功能。如果谱与本振频率的加或减的数学功能。如果本振信号由外部其它电路提供，则称变频本振信号由外部其它电路提供，则称变频电路为它激式混频器，或简称为混频器；电路为它激式混频器，或简称为混频器；如果所用本振信号是变频电路自身产生，如果所用本振信号是变频电路自身产生，则称为自激式混频器，或简称为变频器。则称为自激式混频器，或简称为变频器。对于后者，主要例子有：对于后者，主要例子有：利用变频利用变频器可以实现，将波段内的已调信号变为与器可以实现，将波段内的已调信号变为与输入载波无关的、并具有固定载频的中频输入载波无关的、并具有固定载频的中频信号，并在此基础上进行高性能的选频放信号，并在此基础上进行高性能的选频放大，最后再检波的超外差式接收解调方案大，最后再检波的超外差式接收解调方案（进一步的说明参见题图（进一步的说明参见题图7-5）；）；在发射设备中经常利用变频器来改在发射设备中经常利用变频器来改变载频频率的大小（参见变载频频率的大小（参见8.3.2节的节的“最大最大线性频偏与频偏扩展的方法线性频偏与频偏扩展的方法”）；）；在频在频率合成器中，也常用变频器来完成频率加率合成器中，也常用变频器来完成频率加减运算，从而由基本频率信号得到不同于减运算，从而由基本频率信号得到不同于原频率的新信号（参见第九章的图原频率的新信号（参见第九章的图9-3-1和和思考题与练习题思考题与练习题9-9）。）。如图如图7-2-1(b)所示在混频器的两个输入所示在混频器的两个输入电压中，一个是载频为电压中，一个是载频为fc的已调波，另一的已调波，另一个是频率为个是频率为fL的本振信号，其输出信号的的本振信号，其输出信号的载波频率为载波频率为fI，称为中频，该信号称为中频称为中频，该信号称为中频信号。所谓中频是指解调结果信号。所谓中频是指解调结果v(t)的信号的信号频率与系统输入已调波频率与系统输入已调波vc(t)的信号频率之的信号频率之间的过渡频率，其大小不一定小于已调波间的过渡频率，其大小不一定小于已调波的信号频率。的信号频率。图图7-2-1 变频器的作用示意图变频器的作用示意图如中波广播收音机的接收频率范围为如中波广播收音机的接收频率范围为5351605kHz，固定中频为固定中频为465kHz，变频变频器属于下变频，由于中频低于接收波段的器属于下变频，由于中频低于接收波段的最低频率，我们也称此变频方案为低中频最低频率，我们也称此变频方案为低中频方案。方案。根据非线性器件能产生新的频率分量根据非线性器件能产生新的频率分量的原理，当两个频率不同的正弦电压同时的原理，当两个频率不同的正弦电压同时作用于非线性器件时，在它的输出信号中作用于非线性器件时，在它的输出信号中会产生由两输入频率形成的众多频率组合会产生由两输入频率形成的众多频率组合分量，即组合频率分量。分量，即组合频率分量。其中，乘积型混频器的非线性元器件其中，乘积型混频器的非线性元器件部分应完成相乘运算功能。若相乘运算和部分应完成相乘运算功能。若相乘运算和输入信号都是理想的，则输入信号都是理想的，则io(t)中的无用频中的无用频率分量较少，并且也容易被中频滤波器滤率分量较少，并且也容易被中频滤波器滤除。叠加型混频器的非线性元器件会产生除。叠加型混频器的非线性元器件会产生更多的无用频率分量，因此在讨论变频器更多的无用频率分量，因此在讨论变频器失真成因时往往以此模型为依据。失真成因时往往以此模型为依据。变频增益是表征变频器将输入信号转变频增益是表征变频器将输入信号转化成输出中频有用信号的能力的技术指标，化成输出中频有用信号的能力的技术指标，如电压或功率增益。如电压或功率增益。变频电压增益定义为：VCA（输入高频电压振幅）（中频电压振幅）smVVIm功率增益定义为：PCA（输入高频信号功率）（中频信号功率）sIPP若输出有用信号为电流波，我们可以若输出有用信号为电流波，我们可以采用电导增益（或变频跨导）来表征变频采用电导增益（或变频跨导）来表征变频器将输入信号转化成输出中频信号的能力。器将输入信号转化成输出中频信号的能力。动态范围是指变频器能正常工作，而动态范围是指变频器能正常工作，而性能未显著下降所允许的输入信号电平范性能未显著下降所允许的输入信号电平范围。围。变频器的噪声系数定义为：变频器的噪声系数定义为：）输出信噪比（中频频率）输入信噪比（信号频率NF隔离度是指变频器的信号端口、本振隔离度是指变频器的信号端口、本振端口和中频输出端口之间的信号通过变频端口和中频输出端口之间的信号通过变频器电路空间进行的互相直接泄漏的程度。器电路空间进行的互相直接泄漏的程度。各端口之间相互影响小，隔离度就高。一各端口之间相互影响小，隔离度就高。一般而言，它们的隔离可以通过电路在变频般而言，它们的隔离可以通过电路在变频器内部结构的选取，以及由选频电路在变器内部结构的选取，以及由选频电路在变频器内部构造的不同频率的电路区域空间频器内部构造的不同频率的电路区域空间来完成。来完成。变频器的中频输出信号中可能包含很变频器的中频输出信号中可能包含很多频率分量，但其中只有一个频率分量是多频率分量，但其中只有一个频率分量是有用的，在接收机中反映为中频。有用的，在接收机中反映为中频。变频器的失真有频率失真和非线性失变频器的失真有频率失真和非线性失真。真。显然，与这些组合频率对应的频率变显然，与这些组合频率对应的频率变换通道换通道(简称变频通道简称变频通道)中，我们只关心使中，我们只关心使输出落入有用信号频率范围内的信号变换输出落入有用信号频率范围内的信号变换通道。通常我们称这些无用信号为变频通道。通常我们称这些无用信号为变频(或或混频混频)干扰和失真。干扰和失真。组合频率干扰是在无输入干扰和噪声组合频率干扰是在无输入干扰和噪声情况下，仅由有用信号情况下，仅由有用信号vs和本振和本振vL通过频率通过频率变换通道形成的组合频率干扰，信号环境变换通道形成的组合频率干扰，信号环境如图如图7-3-1所示。所示。图7-3-1 干扰哨声形成环境【例【例 7-3-1】举例说明干扰哨声的形成过程，例如调幅广播接收机的中频为 465kHz，某电台的发射频率为Cf927kHz，f 0.7 4kHz，LfCfIf1392kHz。这时，干扰可能来至于CLqfpf、CLqfpf两类组合。式（7-3-1）变为：或 7.07.07.07.0ffqfpfffffqfpfffICLIICLI 带入LfCfIf后，整理可得：或 7.07.07.07.01111ffpfpqffpffpfpqffpICIICI即：7.07.011ffpfpqffpIcI 此式说明：只要Ifp1与cfpq 的误差在7.0f范围内，就会产生输出干扰。这时有：pqpffIC1 (7-3-6)误差在：pqffI/7.0 (7-3-7)范围内。其中，Icff/称为变频比。显然，最小的无用组合干扰点发生在显然，最小的无用组合干扰点发生在p1、q2，即即2fCfL2927-1392462kHzfI，与中频与中频465kHz误差误差3kHz，属于属于中频通频带内。中频通频带内。462kHz的载波与的载波与465kHz同同时加到检波器上，将产生由载频产生的时加到检波器上，将产生由载频产生的465-4623kHz的固定差频信号输出，即出的固定差频信号输出，即出现属于音频频率范围内的哨叫声。现属于音频频率范围内的哨叫声。组合频率干扰由有用信号产生，与外组合频率干扰由有用信号产生，与外界干扰信号无关，它不能靠提高前端电路界干扰信号无关，它不能靠提高前端电路的选择性来减少干扰。具体方法有：的选择性来减少干扰。具体方法有：合合理进行中频和本振频率的安排，提高最低理进行中频和本振频率的安排，提高最低干扰点的阶数（干扰点的阶数（q+p的值）；的值）；优化混频优化混频电路，使有用信号强度增强，无用信号强电路，使有用信号强度增强，无用信号强度减弱、分量减少。对前者，可考虑选用度减弱、分量减少。对前者，可考虑选用中频大于输入信号载频的高中频方案；后中频大于输入信号载频的高中频方案；后者的具体情况可参见者的具体情况可参见7.4节的混频电路分析。节的混频电路分析。组合副波道干扰是指外来干扰电压组合副波道干扰是指外来干扰电压vM 与本振电压与本振电压vL，在混频非线性作用下形成在混频非线性作用下形成的假中频，信号环境如图的假中频，信号环境如图7-3-2所示。所示。图图7-3-2 组合副波道干扰形成环境组合副波道干扰形成环境在在(7-3-8)式中，取式中，取p0，q1，即，即fMfI时，可以形成干扰。常称此干扰为中频时，可以形成干扰。常称此干扰为中频干扰。干扰。从图上可看到，从图上可看到，fM与与fc对称地位于对称地位于fL的两侧，即显现为镜像关系，因此，称的两侧，即显现为镜像关系，因此，称fM为镜像干扰。为镜像干扰。图图7-3-3 镜像干扰的频率关系镜像干扰的频率关系交叉调制干扰也称交调失真，它是有交叉调制干扰也称交调失真，它是有用信号用信号vS、干扰信号干扰信号vM和本振信号和本振信号vL通过通过混频器组合后形成的。混频器组合后形成的。混频器中，除了非线性器件的四次方混频器中，除了非线性器件的四次方项外，更高的偶次方项也可形成交调干扰，项外，更高的偶次方项也可形成交调干扰，但幅值较小，一般可不考虑，由于混频器但幅值较小，一般可不考虑，由于混频器正常工作的中频是由二次项产生的，其中正常工作的中频是由二次项产生的，其中本振电压占了一阶，所以习惯上仍将四次本振电压占了一阶，所以习惯上仍将四次方项产生的交调称为三阶交调。方项产生的交调称为三阶交调。互相调制干扰，也称互调干扰。它是互相调制干扰，也称互调干扰。它是指两个或两个以上干扰信号和本振信号通指两个或两个以上干扰信号和本振信号通过混频器形成的组合频率干扰，信号环境过混频器形成的组合频率干扰，信号环境如图如图7-3-5所示。所示。图图7-3-5 互相调制干扰形成环境互相调制干扰形成环境【例【例7-3-2】某混频器的中频为某混频器的中频为0.5MHz，在接收在接收25MHz信号时，若同时有信号时，若同时有24.5MHz和和24MHz的两个干扰信号，则四的两个干扰信号，则四阶产物中有如下组合频率：阶产物中有如下组合频率：正好落在中频带内，产生互调失真。正好落在中频带内，产生互调失真。Lf(212MMff)（250.5）(224.524)0.5MHz If通过上面的分析可知，互调失真的强通过上面的分析可知，互调失真的强弱与干扰信号电压的振幅成正比、与非线弱与干扰信号电压的振幅成正比、与非线性器件的系数有关、与有用信号无关。因性器件的系数有关、与有用信号无关。因此，要减小互调干扰，一方面要提高前端此，要减小互调干扰，一方面要提高前端电路的选择性，尽量减少加到混频器件上电路的选择性，尽量减少加到混频器件上的干扰电压，另一方面要提高混频器的线的干扰电压，另一方面要提高混频器的线性，即混频器件具有理想平方性，即混频器件具有理想平方(或相乘或相乘)特特性，如场效管混频器、二极管环形和桥式性，如场效管混频器、二极管环形和桥式混频器的互调干扰都较小。混频器的互调干扰都较小。这种以本振噪声电压作为这种以本振噪声电压作为“输入信输入信号号”，干扰电压作为，干扰电压作为“本振电压本振电压”的混频的混频现象，称为倒易混频。现象，称为倒易混频。邻道干扰是指与有用信号频率的频差邻道干扰是指与有用信号频率的频差很近的其它通信信号在发送时，由于滤波很近的其它通信信号在发送时，由于滤波电路的不理想，也送出了不该送出的落于电路的不理想，也送出了不该送出的落于有用频带内的信号分量（具体参见有用频带内的信号分量（具体参见7.5节）。节）。在图在图7-4-1中，本振电压中，本振电压vL、信号电压信号电压vS和直流电压和直流电压VBB相加后，作用在晶体管的相加后，作用在晶体管的发射结，并利用三极管发射结，并利用三极管iC与与vBE之间的非线之间的非线性实现混频和放大，通过集电极回路中的性实现混频和放大，通过集电极回路中的中频滤波电路取得中频输出电压。中频滤波电路取得中频输出电压。图图7-4-1 晶体三极管混频器原理电路晶体三极管混频器原理电路根据电路的信号目标，我们应该关心根据电路的信号目标，我们应该关心式式(7-4-5)中的和频或差频信号分量。为此，中的和频或差频信号分量。为此，设周期函数设周期函数gf(t)的傅里叶级数展开式为的傅里叶级数展开式为 tgtggtgLfLfff2coscos)(210代入式代入式(7-4-4)，并设，并设vs=Vsmcosct可推可推得输出有用信号为得输出有用信号为式中，式中，gfc=0.5gf1为三极管的变频跨导。为三极管的变频跨导。它取决于时变偏压它取决于时变偏压VB(t)和三极管的传输特和三极管的传输特性，与输入信号大小无关。性，与输入信号大小无关。tVgtVgtIiIsmfcIsmfIcIcoscos5.0cos1Im在三极管混频电路中，本振电压的注在三极管混频电路中，本振电压的注入方式有射极注入和基极注入两种，如图入方式有射极注入和基极注入两种，如图7-4-3所示。基极注入时，本振功耗较小，所示。基极注入时，本振功耗较小，vs但但vL与与vL两回路耦合较紧，不利于各自电两回路耦合较紧，不利于各自电源电路的隔离，如调谐信号源谐振回路时源电路的隔离，如调谐信号源谐振回路时会对本振谐振回路的谐振频率产生影响。会对本振谐振回路的谐振频率产生影响。图图7-4-3 本振电压注入方式示意图本振电压注入方式示意图由式由式(7-4-7)和式和式(7-4-9)可以得到信号可以得到信号变换通道的等效电路如图变换通道的等效电路如图7-4-4所示。图中所示。图中三极管的输出电导归于负载中。三极管的输出电导归于负载中。图图7-4-4 三极管混频三极管混频(或变频或变频)时的信号等效电路时的信号等效电路利用二极管非线性构成的混频器称为利用二极管非线性构成的混频器称为二极管混频器。它们具有结构简单、噪声二极管混频器。它们具有结构简单、噪声低、工作频率高等优点，被广泛应用于高低、工作频率高等优点，被广泛应用于高质量的通信系统中。当然，二极管混频器质量的通信系统中。当然，二极管混频器也存在着混频增益小于也存在着混频增益小于1的缺点。的缺点。二极管平衡混频器有许多种电路结构，二极管平衡混频器有许多种电路结构，常见的有图常见的有图7-4-9所示的三种。下面，我们所示的三种。下面，我们借用图借用图6-3-2(a)的一般性分析方法对图的一般性分析方法对图7-4-9(b)的混频电路进行分析。的混频电路进行分析。图图7-4-9 常见单平衡二极管混频电路常见单平衡二极管混频电路环形混频器是由两个平衡混频器组成环形混频器是由两个平衡混频器组成的，电路如图的，电路如图7-4-11所示。图中所示。图中Tr1、Tr2为为中心抽头的宽频带变压器。中心抽头的宽频带变压器。图图7-4-11 环形混频器环形混频器场效应管的转移特性具有平方律的特场效应管的转移特性具有平方律的特点，正是这一特点使它成为叠加型混频器点，正是这一特点使它成为叠加型混频器最理想的非线性混频元件；而模拟乘法器最理想的非线性混频元件；而模拟乘法器则是乘积型混频器最理想的非线性混频元则是乘积型混频器最理想的非线性混频元件。件。场效应管混频器广泛应用于短波和超场效应管混频器广泛应用于短波和超短波接收机中。短波接收机中。单管混频器的原理电路如图单管混频器的原理电路如图7-4-12所所示。示。图图7-4-12 场效应管混频器原理图场效应管混频器原理图为了减少由于场效应管作理想平方律为了减少由于场效应管作理想平方律特性而产生的非线性产物，场效应管混频特性而产生的非线性产物，场效应管混频器还可接成平衡或交叉耦合的型式。图器还可接成平衡或交叉耦合的型式。图7-4-14为一交叉耦合场效应管混频器。为一交叉耦合场效应管混频器。图中信号源电压图中信号源电压vs同时加在同时加在VT1管栅极管栅极和和VT2管的源极，本振电压管的源极，本振电压vL同时加在同时加在VT1的源极和的源极和VT2的栅极，因此称该电路为交的栅极，因此称该电路为交叉耦合电路。叉耦合电路。图图7-4-14交叉耦合场效应管混频器交叉耦合场效应管混频器模拟乘法混频器的电路结构如图模拟乘法混频器的电路结构如图7-4-15所示。利用乘法器实现的混频电路可以所示。利用乘法器实现的混频电路可以最大限度地减少输出无用频率分量形成的最大限度地减少输出无用频率分量形成的干扰。干扰。图图7-4-15 模拟乘法器构成的混频方框图模拟乘法器构成的混频方框图模拟乘法器混频的具体优点可归纳如模拟乘法器混频的具体优点可归纳如下：下：(1)混频输出电流频谱纯净，组合频率混频输出电流频谱纯净，组合频率分量少，用于接收机时可大大减少寄生通分量少，用于接收机时可大大减少寄生通道干扰。道干扰。(2)对本振电压的大小无严格限制，前对本振电压的大小无严格限制，前面我们在分析晶体管小信号混频时，一般面我们在分析晶体管小信号混频时，一般要求要求VLm较大；而乘法混频时，本振电压幅较大；而乘法混频时，本振电压幅度基本与输出失真无关，但会影响中频变度基本与输出失真无关，但会影响中频变频增益。频增益。(3)当本振电压幅度一定时，中频当本振电压幅度一定时，中频输出电压幅度与输入信号电压幅度呈输出电压幅度与输入信号电压幅度呈线性关系，并且允许输入信号动态范线性关系，并且允许输入信号动态范围较大，从而有利于减少交调和互调围较大，从而有利于减少交调和互调失真。失真。第一，找到了电路优化的出发点。第一，找到了电路优化的出发点。第二，从电路的一般性讨论出发，提第二，从电路的一般性讨论出发，提出了对前级信号处理或变换电路的要求。出了对前级信号处理或变换电路的要求。第三，提出了对通信系统的电路安排第三，提出了对通信系统的电路安排和信号安排的设计问题。和信号安排的设计问题。可以推得，可以推得，fL+fI和和q=2以上的强干扰以上的强干扰部分都不会落入部分都不会落入890915MHz以内，即都以内，即都能被混频输出滤波器及其后续电路滤除。能被混频输出滤波器及其后续电路滤除。因此，不会在无线空间对其它手机占用的因此，不会在无线空间对其它手机占用的载波频道形成干扰。但是，在考虑到实际载波频道形成干扰。但是，在考虑到实际中不尽理想的情况，手机天线仍会发射出中不尽理想的情况，手机天线仍会发射出对其它手机形成的强度较弱的邻道干扰。对其它手机形成的强度较弱的邻道干扰。