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5.5 混频器原理及电路. 一 混频概述. 二 混频电路. 三 混频器的干扰. 返回. 返回. 休息 1. 休息 2. 混频器. u c 的频谱. u I 的频谱. f c. f. f c + F. f c + F. f I. f I + F. f I + F. f. u L 的频谱. f c. f L. f. u c ( t ). u c ( t ). u c ( t ). u I ( t ). u I ( t ). u I ( t ). t. t. t. t. t. t. u L ( t ). - PowerPoint PPT Presentation
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5.5 混频器原理及电路 一 混频概述二 混频电路三 混频器的干扰
返回
5.5.1 混频器原理 1. 混频器的变频作用
混频器是频谱的线性搬移电路,是一个三端口(六端)网络
本地振荡信号 )( LL fu 一个中频输出信号: )( II fu
两个输入信号与输出信号之间的关系: 的包络形状相同,频谱结构相同,只是填充频谱不同,即,其中心频率:
su输入信号 Iu与输出信号
cLI fff 其中
输出高中频
输出低中频
cL
cLI
ff
fff
5.5 混频器原理及电路 返回 休息 1休息 2
uc (fc)
uL (fL)
uI (fI)混频器t
uc (t)
t
uI (t)
t
uL (t)
有两个输入信号: 高频调制波 )( cc fu
fc fc+Ffc+F f
uc 的频谱
fc fL f
uL 的频谱 fI fI+FfI+F f
uI 的频谱
t
uc (t)
t
uc (t)
t
uL (t)
t
uL (t)
t
uI (t)
t
uI (t)
混频器是频谱的线性搬移电路,完成频谱线性搬移功能的关键是获得两个输入信号的乘积项,具有这个乘积项,就可以实现所需的频谱线性搬移功能。
2Ωmax
ωI= ωL- ωc
乘法器 带通滤 波器
混频器的一般结构框图设输入已调波信号: ttUu ccc coscos
tUu cLL cos那么两信号的乘积项为:
tttUU
tttUUu
cLcLLc
LcLcI
)cos()cos(cos2
1
coscoscos
2. 混频器的基本工作原理:
ωL
uL
ωL- ωc ωL+ ωc
uI
本振信号 :
uc
ωc
如果带通滤波器的中心频率为 cLI , 带宽 max2B
则经带通滤波器的输出为:
ttU
ttUU
ttUUu
I
ILc
cLLcI
coscos
coscos2
1
)cos(cos2
1
I
仿真
uI
返回
uc
uL
休息 1休息 2
可见输出中频信号 的包络形状没有变化,只是填充频率Iu由 c 变化成 I cL
uL
uc
非线形 元件
带通滤 波器
(1) 调幅 (DSB 为例 )
uΩ 乘法器 带通滤波器uDSB
uo 2Ωmax
ωo( 2 )检波 uDSB 乘法器 低通滤波器
uo
uΩ
Ωmax
( 3 )混频 uDSB
= uc乘法器
uL
带通滤波器 uI
ωI=ωL-ωc
ωL
ωc
3. 振幅调制、检波与混频器的相互关系
ωI=ωL-ωC
2 Ωmax
返回
仿真 2
仿真 1
仿真 3
休息 1休息 2
因为混频器常作为超外差接收系统的前级,对接收机整机的噪声系数影响大。 所以希望混频级的 越小越好。 nF
(1) 变频增益: 变频电压增益 : s
Iu U
UA
输入高频电压振幅输出中频电压振幅
变频功率增益 :c
I
P
PGP
(2) 噪声系数 :
噪声功率比输出端中频信号噪声功率比输入端高频信号
/
/
0
n
I
ni
c
n
PP
PP
F
5.5.2 混频器主要性能指标
(3) 失真与干扰变频器的失真主要有 :
频率失真 非线性失真
(4) 选择性 在混频器中,由于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信号 , 为了抑制不需要的干扰,要求中频输出回路具有良好的选择性,矩形系数趋近于 1 。
ttUttgR
tutSgRu
ccLLdL
cdLI
cos)(...3cos3
2cos
2
2
1
)()(
高质量通信设备中以及工作频率较高时,常使用 平衡型混频器环形混频器优点:噪声低,电路简单,组合分量少。
例 1. 二极管平衡混频器 设输入信号 ttUtu ccc cos)()(
本振信号 : tUtu LLL cos)( 若 cL UU
则输出电压 :
5.5.3 实用混频电路
如果输出中频滤波器的中心频率为 : )( cLI max2B
谐振阻抗为 LR ,则输出电压 ttUttURgttURgtu IIIcLdcLcLdI
cos)(cos)(
4)cos()(
π
4)(
而环形混频器的输出是平衡混频器输出的 2 倍。且减少了输出信号频谱中组合频率分量 , 即减少了混频器所特有的组合频率干扰。
仿真
休息 1休息 2
+uI
_
+ uL -
+uc
-
VD1
VD2
2C RL2L
T1 T2
+ uL -T3
uc+-
uc+-
1. 二极管混频器
利用第 4 章所述的时变跨导电路,可构成晶体管混频器。 由于时变偏置电压 )()( tuEtU LBB
如果 cL UU 则集电极电流为 )()()( tutgtii ccoC
2. 晶体三极管混频器
其中 )(tg 为时变跨导,受 tUtu LLL cos)( 的控制 , 而输入信为 : ttUu ccc coscos
利用付里叶级数可将展开成 :...3cos2coscos)( 321 tgtgtggtg LLLo
ttUtgtgtgg
tii
ccLLLo
coC
coscos...3cos2coscos
)(
321
如果输出回路的谐振频率为 )( cLI ,而 max2B
选出的中频电流 CIi 为:
ttI
ttUgttUgi
I
IccLc
coscos
coscos2
1)cos(cos
2
1
CI
11CI
uc
+
-+
-uL
EB EC
VT
CL
UB(t)
ic
其中变频跨导:
1CI
2
1g
U
Ig
Cc
输入高频电压振幅输出中频电流振幅
变频 ( 混频 ) 增益 Au 为 :
L1c
Iu 2
1
)(
)(Rg
tU
tUA
中频输出电压 uI 为 :ttUttURgu IIIcL1I cos)(cos)(
2
1
双极型晶体三极管混频器基本电路的交流通道 :
共射极混频电路 :本振信号由基极串联方式注入 本振信号由射极注入 共基极混频电路:
(a)
uc+-
uL+-
LC
VT
(d)
uL+-
uc+- L
C
VT
(c)
uc+-+-uL
LC
VT
(b)
LC
uL+-
uc+-
VT
C L
ED
Rg
Rs
FET 混频器的转移特性是平方律,输出电流中的组合频率分量比BJT 混频器少得多,故其互调失真低。 FET 混频器容许的输入信号动态范围也较大。因此,尽管 FET 混频器的变频增益比 BJT 混频器低,却在短波、超短波接收机中获得了广泛应用。
设输入已调制信号: uc= Uc(t)cosωct
3 FET 混频电路
uI
右图为 FET 混频器原理电路
其中, Uc(t)= Ucm(1+macosΩt)
本振电压 uL=ULcos ωLt
LC 回路调谐在中频 ωI= ωL-ωc或 ωI= ωc-ωL ,通频带 B=2Ω ,回路的谐振阻抗为 RL 。栅—源间的电压 uGS 为: uGS=UGSQ+uc-uL= UGSQ+Uc(t)cos ωct -ULcos ωLt
转移特性为平方律关系,即 :2
)off(
GSDSSD )1(
GSU
uIi
式中, UGS ( off )为 FET 管的夹断电压, IDSS 为漏极饱和电流 。
恒流区内的漏极电流为 :
])cos()[cos(]2cos2cos)([
]coscos)([])([)(
cLcL4L2Lc
2c3
LLcc22L
2c1DSD
ttktUttUk
tUttUkUtUkIti
uc
uL
uGS
iD
)(2GS(off)
4 tUU
UIk c
LDSS
式中, k1 、 k2 、 k3 、 k4 为常数。可见, iD(t) 中含有差频 (ωc-ωL)
电流分量,其幅值正比于 Uc(t)为 :
通过漏极 LC负载回路选频后,输出的中频电压为 :
IL2GS(off)
cLL4I cos)()cos( tURU
UItRku c
LDSS
6.8 kΩ
C
EC=15V
14
13.3 kΩ
12
9
4
8
133
13kΩ10kΩ
2
7
-EE=-15V
+15V
5 6 10 11
-15V
10kΩ
10kΩ
Rwx
Rwy
2kΩ
2kΩ
8.2 kΩ 8.2 kΩ
BG314 (MC1595)
L
N1N2
BG314 构成的混频电路 ,如果本振电压 uL 、高频信号电压 uc
分别从 4 、 9脚输入, BG314 的输出端 2 、 14脚间接 LC 谐振回路。设输入已调高频信号 :
4. 模拟乘法器混频电路
仿真
休息 1休息 2
uL
uc
uI
uc= Uc(t)cos ωct
本振电压 :uL=ULcos ωLt
LC 回路的谐振频率 ωI= ωL-ω
c ,其带宽 B≥2Ω ,回路谐振阻抗为 RP, ,变压比为 n=N2
/ N1 ,输出中频信号电压 uI
为 : IIIcyxox
LPI cos)(cos)( tUtU
RRI
UnRu
混频增益 Au 为 :
yxox
LP
c
Iu )(
)(
RRI
UnR
tU
tUA
由于混频器是依靠非线性元件来实现变频,而通过非线性元件的信号将含有许多频率成份 cL qfpf , (p , q=0,1, 2,3,….)
uc(f c)
uL(f L)
uI(f I)
un(f n)
非线形元件 中频滤波器uo( )cL qfpf
如果设输入信号为 )( cc fu , 本振频率信号为 )( LL fu
则通过 非线性元件的信号 cLo qfpfu ,其中 2,1,0, qp
而这 些组合频率的信号中只要和中频频率 cLI fff 相同或接近, 都会和有用信号一起被选出,并送到后级中放,经放大后解调输出而引起串音,啸叫和各种干扰,从而影响有用信号的正常工作。
三 混频器的干扰
一般混频器存在下列干扰: (1) 干扰哨声:接收的射频信号 )( cc fu 与本振信号 )( LL fu
的自身组合干扰,即 Bfqfpf cL 2
1I
B
)( nn fu(2)副波道干扰:外来干扰信号 与本振信号 )( LL fu
的组合频率产生的干扰 Bfqfpf nL 2
1I
)( cc fu(3) 交叉调制干扰:有用信号 与干扰信号 )( nn fu
混频产生的干扰。 (4) 互调干扰:指两个或多个信号同时作用在混频器
输入端,经混频产生的组合分量而形成的干扰。 (5) 阻塞干扰(6)倒易混频
fI
1. 信号与本振信号的自身组合干扰(干扰哨声)
如果中频 cLI fff ,则除 cL ff 的中频被选出外,还有可能选出其它的组合频率:即
IcLILc
IcL fqfpffpfqf
fqfpf
IcIcI
ILc
fq
pf
q
pf
qff
q
p
fq
fq
pf
11)(
1
所以有
Ic fpq
pf
1
pq
pf
fI
c
1
其中 I
cf
f 称为变频比。 显然当变频比一定时,并能找到对应的整数 p, q 时,就会形成自身组合干扰。
例:调幅广播接收机的中频 Kzf I 465 ,某电台发射频率 Kzfc 931
当接收该电台广播时,接收机的本振频率 Kzfff cIL 1396
由于变频比 2465
931
I
cf
f 可推算出: 当 1p , 2q ,可得
KHzff Lc 466139693122
设输入高频信号的载频为 )( cc fu ,本振信号 )( LL fu ,则 经过混频器后产生的频率为 ,其中 p,q=0,1,2,…cL qfpf
由于组合频率与中频差 1KHz ,经检波后可产生 1KHz 的哨声 .(三阶干扰) .
另外,当 p=3, q=5 时,可得: KHzff Lc 46735 , 也可以通过中频通道而形成干扰。( 8阶干扰)。
注意点 :
(1)自身组合干扰与外来干扰无关,不能靠提高前级电路的选择性来抑制。 (2) 减少这种干扰的方法:
正确选择中频,尽量减少阶数较低的干扰
正确选择混频器的工作点,减少组合频率分量 采用合理的电路形式,从电路上抵消一些组合频率, 如平衡电路,环形电路,乘法器。
设串台干扰信号为 )( nn fu ,它与本振信号的组合频率为:
nL qfpf
其中 p, q=0,1,2,3…. 。如果选频器所选择的正常中频信号为 :
2. 外干扰信号与本振的组合频率干扰(副波道干扰)
cLI fff
则可能形成的副波道干扰为:
ILn
InL
fpfqf
fqfpf
IcILn fppfq
fpfq
f )1(11
可见,凡是能满足上式的串台信号都可能形成干扰,在这类干扰中主要有:中频干扰,镜频干扰,及其它副波道干扰。
(1) 中频干扰当 p=0 , q=1 时, In ff
即表明当一种接近中频的干扰信号一旦进入混频器,可以直接通过混频器进入中放电路,并被放大、解调后在输出端形成干扰抑制中频干扰的方法: 提高混频器前级的选择性
在混频器前级增加中频吸收电路 合理选择中频数值,中频选在工作波段之外
当 p=1 , q=1 时,则有:
)(
)(
cLILn
cLILn
fffff
fffff
或
f c f L f n
f I虽然这种干扰信号频率 nf与输入信号频率 cf 以本振频率 Lf为对称轴形成镜像对称的关系。
(2)镜像频率干扰
f I
抑制镜像干扰的方法: 提高混频前级的选择性
提高中频频率,使镜像干扰频率 nf 远离 sf
例:中央台第一套节目的载波为 Kzfc 639 , 那么收音机在接收此节目时的本振频率 KzKzfff cL 1104465639I , 如果有一外来 电台的频率 KzKzfff Ln 15694651104I , 在混频级之前没有被 抑制,则这个电台进入混频器后,混频可得 Kzff Ln 465
的中频将被选出进入后级输出而形成镜像干扰,产生串台及啸叫。
当 1p , 1q 时形,成组合频率干扰,其中最主要的一类干扰为:
f c f n1 f L f n2
2
1
2
32
1
22
1)2(
2
1
nIc
nIc
IIcILn
fff
fff
ffffff
可见 1nf 与 2nf 对称分布在本振频率 Lf 的两边,其中 1nf 离 cf
最近 , 经混频器前的滤波后进入混频器的可能性最大。
(3) 组合频率干扰
2qp 的情况,则有:
抑制这类干扰的方法:
提高混频器前级的选择性
提高中频 选择合适的混频电路,合理选择混频器的工作点
f I
继续
交叉调制干扰的形成与本振无关。它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时,由混频器的非线性作用,将干扰的调制信号调制到了中频载波上,即将干扰的调制信号转移到有用信号的载波上而形成的一种干扰。 例:由非线性元件: 2
210)( uauaaufi
其中四阶项为 44ua ,若设 Lnc uuuu
而
tUu
ttmUu
ttUu
LLL
nnnnn
ccc
cos
cos)cos1(
cos)(
则 44
44 )( Lnc uuuaua 展开后其中可分解出 )(6 2
4 Lcn uuua 项
3. 交叉调制干扰(交调干扰)
将信号代入此项,并经中频滤波后可得:
ttmU
tUUUtma
In
ILcnnn
cos)cos1(
cos)cos21(2
3 24
其中
n
Lcn
mm
UUUaU
22
3 24 ,可以看出干扰信号中的调制信号转移到中频
载波上,与有用信号一同输出而形成干扰。
uc(f c)
uL(f L)
uI(f I)
un(f n)
非线形元件 中频滤波器uo( )cL qfpf
交调干扰的特点:
(2) 与干扰的载频无关,任何频率的强干扰都可能形成交调干扰,所以交调干扰是危害较大的一种干扰。 只有当 nf 与 Cf
相差很大,受前级电路的抑制很彻底时 , 形成的干扰较小。
(1) 交调干扰与有用信号并荐,通过有用信号而作用,一旦有用信号 0cu ,交调干扰也消失。
(3) 混频器中,除了非线性特性的 4次方项以外,更 高的偶次方项也可以产生交调干扰,但一般由于幅值较小,可以不考虑。 抑制交调干扰的措施: ①提高前级电路的选择性②选择合适的器件,合适的工作点,使不需要的非线性项( 4次方项)尽可能小,以减少组合分量。
非线形 元件
中频滤 波器
un1 ( fn1
)
uL ( f
o )
i ouI ( f
I )
un2 ( fn2
)
互调干扰是指两个或多个干扰信号同时作用于混频器的输入端,由混频器的非线性作用,两个干扰信号之间产生混频,当混频后,产生的信号接近于有用信号的频率 时,将与有用信号一起进入后级电路输出而产生干扰。
cf
4. 互调干扰
互调干扰的特点:设混频器输入的两个干扰为:
tUu
tUu
nnn
nnn
222
111
cos
cos
而本振信号 tUu LLL cos则三个信号同时作用于非线元件上,则混频输出的电流为 :
...22100 uauaai
由 4次方项 40214
44 )( uuuaua nn 中展开可得 Lnn uuu 2
21 项,
即: tttUUU
tUtUtU
LnnLnn
LLnnnn
coscos)2cos1(2
1
coscoscos
21221
22122
1
其中有:
LnnLnn ttUUU coscos2cos2
1212
21
其组合频率为: LnnLnn fff 2121 22 或
继续
返回
如果当
ILnncnn
cnn
2121
21 22
2形成互调干扰 .
(注意: IcL ) 讨论: (1)当 cnn 212 时, 1n 或 2n 必有一个远离 c
容易被滤除,可能产生的干扰不严重。(2)当 cnn 212 时, 1n 或 2n 均可能离 c 较近 , 滤除比较困难,可能会产生比较严重的干扰。即由于
121 ncnn 可见,两个干扰频率都小于(或大于)工作信号频率,且三者等距时,就可形成互调干扰。
ωn2 ω n1 ω S
( 3 )互调干扰的大小主要决定于:
)(4
1222
21
四次方项系数或
a
UUUU nnnn
减少互调干扰的方法 :提高前级电路的选择性 选择合适的电路和工作状态