高频电子技术5

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1、第5章 频率变换与混频电路v5.1 概述 v在现代通信系统和各种电子设备中，根据信 号传输和处理的需要，普遍采用振幅调制与解 调、频率调制与解调、混频、倍频等电路，这 些电路有一个共同特征，就是在输出信号中， 产生了原输入信号所没有的新的频率分量。这 些电路都属于频率变换电路。v频率变换电路的种类很多，v1、线性频谱变换电路v线性频谱变换的特点是在频率变换过程中，频 谱结构不发生变化，输出信号频谱只是输入信号 频谱沿频率轴上进行不失真的简单搬移，调幅、 变频和检波等均属于这类电路。v2、非线性频谱变换电路v非线性频谱变换的特点是输出信号频谱和输入 信号频谱不再是简单的线性关系，而是较复杂的 非

2、线性关系，调频、调相、鉴频和鉴相等电路都 属于这类电路。频率变换功能由非线性元器件产生v在高频电子线路中常用非线性元器件有非线 性电阻和非线性电容。各种晶体二极管、三极 管及场效应管都是非线性电阻器件，它们与线 性电阻的区别在于其伏安特性是非线性的。变 容二极管是一种常用非线性电容器件，其C-u 曲线是非线性的。现在广泛使用的频率变换非 线性器件是集成模拟乘法器，它是由集成电路 内部的差分对晶体管构成的。v混频是一种频率变换过程，是将信号从某一 频率（或频段）变换为另一频率（或频段）的 频谱线性搬移过程，显然，混频器也是一种非 线性电路。v本章首先介绍非线性元器件的基本特性及其 分析方法，然后

3、介绍广泛应用于超外差接收机 、频率合成器等电路中的混频器的工作原理5.2.1 非线性元器件的特性1、非线性无器件有多种不同含义的参数：直流电阻非线性电阻：R = UQ / IQ交流电阻： r = Ui工作点不同，直流电阻与交流电阻都不同的2、非线性元器件不满足叠加原理3、当不同的频率分量的信号作用在非线性 元器件上面时，会产生新的频率分量的信号5.3 模拟乘法器v前面介绍了二极管、三极管等非 线性器件的特性，它们都可用于频 率变换。随着集成电路的发展，模 拟集成乘法器已成为一种普遍应用 的非线性模拟电路，模拟集成乘法 器用于频率变换有比分立器件更好 的特性，广泛地应用于无线电广播 、电视、通信

4、设备的有关电路。本 节简要介绍模拟乘法器的电路组成 、工作原理和分析方法。图5-8 模拟乘法器的电路符号 图5-9 模拟乘法器的工作象限v5.3.2 集成模拟乘法器v 实现模拟相乘的方法很多，有对数一反对数相乘法、 四分之二平方相乘法、三角波平均相乘法、时间分割相 乘法、霍尔效应相乘法、环形二极管相乘法和变跨导相 乘法等。其中，变跨导相乘法采用差分电路，它的交流 馈通效应小，温度稳定性好，运算精度高，速度快，成 本低，便于集成化，因而得到广泛应用。目前单片模拟 集成乘法器大多采用变跨导相乘器。v1.变跨导模拟乘法器的组成和工作原理v变跨导模拟乘法器的基本电路是带恒流源的差分放大 电路，图5-1

5、0是带恒流源的差分放大电路原理图。图5-10 带恒流源的差分放大电路图5-11 变跨导乘法器的基本电路图5-12 双平衡乘法器原理图v2.常用集成模拟乘法器v双平衡模拟乘法器能实现两个输入信号的四象限相乘，而且频率 特性较好，所以广泛应用于集成乘法器中:v国产XFC1596、v CF1496/1596（国外产品MC1496/1596）v国产BG314、v CF1595、v FZ4v国外产品MCl4951595、LMl4951595。v模拟乘法器不仅可应用于模拟运算电路中，而且广泛应用于无线 电通信领域，通信系统中的模拟信号处理大都可归结为两个信号相 乘或包含相乘的过程，因而可以使用通用模拟集成

6、乘法器来完成， 例如调制、解调、变频和倍频等非线性功能及实现AGC控制和压控 振荡。采用模拟乘法器来实现这些功能，电路简单，性能优越而且 稳定，调整方便，利于设备的小型化。图5-13 XFC-1596内部电路图v5.4 混频电路v混频就是将高频已调波信号变换成另外一个频率 ，而保持调制规律不变，具有这种功能的电路称混 频电路。v1.概述 v 混频电路的功能：将载频为fs的已调信号不失真地变换为 载频为fI（固定中频）的已调信号，而保持原调制规律不变。v如超外差式调幅收音机中的混频电路是将载频为高频fs的已调 信号us变换为以固定中频fI =465kHz为载频的已调信号uI（如下图 所示），再进

7、行放大以及检波，可以提高收音机的灵敏度和邻道 的选择性。v 典型的系统中频：调幅广播：465kHz；调频广播： 10.7MHz; 电视：38MHz; 卫星：70MHz-140MHz。混频前的高频调幅波混频后的中频调幅波5.4 混频电路混频器的组成：由非线性器件和带通滤波器组成，通常还 包括本地振荡器。如右图所示。频率变换的实现：由非线性 器件组成线性时变电路，满足： ULUS，经过频率变换，通过 带通滤波器，得到两输入信号的 差频或和频，其中载频变化为：频谱的变化如下图所示，从中可以看出混频器是一种频谱线性 搬移电路。v2.混频器的主要性能指标v 混频增益v 混频电压增益Auc：混频器输出的中

8、频电压振幅与输入 的高频电压振幅之比。常用分贝表示，即：v 混频功率增益Apc：混频器输出的中频信号功率与输入 的高频信号功率之比。常用分贝表示，即：v混频增益越大，接收机灵敏度越高，但混频干扰将增大。v v2.失真与干扰v如果混频器输出中频信号的频谱结构和输 入信号的频谱结构不同，则表示产生了失真 。此外，在混频过程中，还会产生大量不需 要的组合频率成分，形成干扰，影响接收机 的正常工作。所以混频器不应工作在非线性 过于严重的区域，以既能完成频率变换，又 能达到减少各种组合频率干扰为目的。v另外，混频器的主要指标还有选择性、噪 声系数等，这里不再一一说明。v5.4.2 混频电路v混频电路种类

9、很多，在这里只介绍常用的集成模 拟乘法器混频器、二极管混频器和晶体管混频器。v1.集成模拟乘法器混频器v混频器是频谱搬移电路，可用集成模拟乘法器来 实现。典型的单片集成模拟乘法器有Motorola公司 生产的MC1596、MC1595。图5-16 MC1596组成的混频电路 已调波信号由X通道（1、4脚）输入，本振信号由Y通道（ 8、10脚）输入，中频信号（9MHz）由6脚单端输出。输出 端型带通滤波器调谐在9MHz，回路带宽450kHz。本振注入 电平为100mV，号电压在57.5mV之间，混频增益达13dB 。调50k电位器使1、2脚直流电位差为零。2）二极管混频器在高质量通信设备中以及工

10、作频率较高时 ,常使用二极管平衡混频器或环形混频器。其 优点是噪声低、电路简单、组合分量少。二极管环形混频器3.晶体管混频器 晶体管混频器是利用晶体管的非线性实现变频的电路形式 根据管子的组态和本振注入方式不同，晶 体管混频器有图示的4种基本形式a、b电路应用较广，而c、d一般在工作频率较高的混频电路中采用。图5-20 晶体管混频器的原理图 图5-21 收音机的变频电路fSfIfL465kHzv图中天线线圈、组成输入回路，调谐在 信号载频上，选出所需的电台信号，经变压 器输入到晶体管的基极。线圈、和电容 、 、组成振荡回路，调谐在本振频率上。本振 电压经注入到晶体管的发射极。为中频变压 器。和

11、调谐在中频频率上，它作为晶体管的 负载选出中频信号，并经输出。对于本振频 率而言，、可看成短路。5.4.3 混频干扰 1.组合频率干扰2.副波道干扰(寄生通道干扰)设干扰信号频率为 fN产生干扰啸叫的信号频频为: 当P=0 q=1 时 fs = fi fs = f i 干扰啸叫最强干扰最强的二个信号是：1. P = 0 q = 1 时 f N = f i 2. P = 1 q = 1 时 f N = f s + 2 f i 中频干扰镜像干扰3.交叉调制干扰(交调干扰)4.互调干扰当听到有用信号的同时,还可以听到干扰电台的声音,当有用信 号失谐时,干扰电台随之消失,好象干扰信号调制在有用信号载

12、波的振幅上.多个干扰信号同时加到混频器的输入端,产生组合频率分量为例5.2 有一超外差调幅收音机，试分析以下几种干扰的性质。 (1)当收听频率fS=550kHz的电台时，听到频率为1480kHz电台的干 扰声。 (2)当收听频率fS=1400kHz的电台时，听到频率为700kHz电台的干 扰声。 (3) 当收听到频率fs = 1396KHZ时,听到啸叫声解：（） （ ） 为镜象干扰（） 当q = 2 时由f N = (1400+465) 465为副波道干扰（） 当 q = 3 时 由 得 fs = 3 fi465 3 = 1395 hz信号为组合频率干扰v零中频混频后中频信号的频率为零，混频后

13、的信号已无 载波，其频谱被搬移至零坐标两侧，使已调波信号变换成 为低频调制信号。零中频混频可以很好地消除混频干扰。零中频混频电路较为复杂v本章小结 v1.二极管、晶体管及场效晶体管的伏安特性均是非线性的，所以 可将它们视为非线性电阻元器件。非线性元器件具有频率变换作用 ，可在输出端产生输入信号所不具有的新的频率分量。v2.非线性元器件的特性分析是建立在函数逼近的基础上，根据实 际情况采用合理的近似分析法。一般可采用指数函数、幂级数或折 线函数来近似。当输入信号较小时，采用前两种函数分析比较准确 ；当输入信号较大时，采用折线分析法比较方便。当有两个信号同 时输入时，其中一个信号远大于另一信号，适

14、用线性时变分析法。v3.非线性元器件输入单一频率交流信号时，输出是输入信号的各 次谐波；当输入是两个不同频率的交流信号叠加时，输出是两信号 的各次谐波的组合分量。实际频率变换电路要求的频率分量只是组 合频率中的极少数，为减少无用组合频率分量的干扰，需要采取抑 制干扰措施。v4.集成模拟乘法器是普遍使用的非线性模拟电路，其内部是由 晶体管差分对组成的变跨导乘法器电路。集成模拟乘法器用于频 率变换有比分立器件更好的特性，集成模拟乘法器可完成调制、 解调、变频和倍频等非线性功能。v5.混频器是一种线性频谱搬移电路。常用混频电路有晶体管混 频电路、二极管环形混频电路、模拟集成乘法器混频电路。使用 二极管环形混频电路和模拟集成乘法器混频可以大大减少无用组 合频率分量。v6.混频电路输出中存在特有的干扰，影响有用信号的正常接收 ，必须采取措施减小或消除这些干扰。v7.零中频混频后中频信号的频率为零，混频后的信号已无载波 ，其频谱被搬移至零坐标两侧，使已调波信号变换成为低频调制 信号。零中频混频可以很好地消除混频干扰。