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1、第七章第七章 变频（或混频）的变频（或混频）的功能与实现功能与实现变变频频或或混混频频的的基基本本功功能能是是将将输输入入频频带带信信号号的的频频谱谱位位移移到到新新的的频频率率范范围围内内，即即频频谱谱的的线线性性搬搬移移，这这类类似似于于调调制制信信号号经经调调幅幅变换前后的频谱变换关系。变换前后的频谱变换关系。7.1 概概 述述7.2 变频（或混频）器的构成和技术指标变频（或混频）器的构成和技术指标7.3 变频（或混频）干扰和失真变频（或混频）干扰和失真7.4 变频（或混频）电路与干扰抑制变频（或混频）电路与干扰抑制7.5 电路与信号和系统的关系电路与信号和系统的关系7.1 概概 述述实
2、实现现变变频频的的电电路路有有混混频频器器和和变变频频器器两两类类。根根据据调调幅幅电电路路和和同同步步解解调调的的频频率率搬搬移移特特性性的的实实现现机机理理，我我们们可可以以想想到到实实现现变变频频时时应应该该有有两两个个不不同同的的输输入入信信号号。其其中中，一一个个是是单单一一频频率率的的等等幅幅正正弦弦波波，也也称称为为本本振振信信号号，它它不不携携带带信信息息，仅仅作作为为一一个个参参考考标标准准；另另一一个个是是需需要要进进行行中中心心频频率率位位移移的的频频带输入信号。带输入信号。变变频频电电路路在在本本质质上上应应实实现现输输入入信信号号频频谱谱与与本本振振频频率率的的加加或
3、或减减的的数数学学功功能能。如如果果本本振振信信号号由由外外部部其其它它电电路路提提供供，则则称称变变频频电电路路为为它它激激式式混混频频器器，或或简简称称为为混混频频器器；如如果果所所用用本本振振信信号号是是变变频频电电路路自自身身产产生生，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。7.2 变频（或混频）器的构变频（或混频）器的构成和技术指标成和技术指标对对于于后后者者，主主要要例例子子有有：利利用用变变频频器器可可以以实实现现，将将波波段段内内的的已已调调信信号号变变为为与与输输入入载载波波无无关关的的、并并具具有有固固定定载载频频的的中中频频信信号号，并并在
4、在此此基基础础上上进进行行高高性性能能的的选选频频放放大大，最最后后再再检检波波的的超超外外差差式式接接收收解解调调方方案案（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
5、考题与练习题思考题与练习题9-9）。）。如如图图7-2-1(b)所所示示在在混混频频器器的的两两个个输输入入电电压压中中，一一个个是是载载频频为为fc的的已已调调波波，另另一一个个是是频频率率为为fL的的本本振振信信号号，其其输输出出信信号号的的载载波波频频率率为为fI，称称为为中中频频，该该信信号号称称为为中中频频信信号号。所所谓谓中中频频是是指指解解调调结结果果v(t)的的信信号号频频率率与与系系统统输输入入已已调调波波vc(t)的的信信号号频频率率之之间间的的过过渡渡频频率率，其其大大小小不不一一定定小小于于已已调调波波的的信号频率。信号频率。图图7-2-1 变变频频器器的的作作用用示示
6、意意图图如如中中波波广广播播收收音音机机的的接接收收频频率率范范围围为为5351605kHz，固固定定中中频频为为465kHz，变变频频器器属属于于下下变变频频，由由于于中中频频低低于于接接收收波波段段的的最最低低频频率率，我我们们也也称称此此变变频频方方案案为为低低中中频频方案。方案。7.2.1 变频器的组成和工作原理变频器的组成和工作原理根根据据非非线线性性器器件件能能产产生生新新的的频频率率分分量量的的原原理理，当当两两个个频频率率不不同同的的正正弦弦电电压压同同时时作作用用于于非非线线性性器器件件时时，在在它它的的输输出出信信号号中中会会产产生生由由两两输输入入频频率率形形成成的的众众
7、多多频频率率组组合合分量，即组合频率分量。分量，即组合频率分量。其其中中，乘乘积积型型混混频频器器的的非非线线性性元元器器件件部部分分应应完完成成相相乘乘运运算算功功能能。若若相相乘乘运运算算和和输输入入信信号号都都是是理理想想的的，则则io(t)中中的的无无用用频频率率分分量量较较少少，并并且且也也容容易易被被中中频频滤滤波波器器滤滤除除。叠叠加加型型混混频频器器的的非非线线性性元元器器件件会会产产生生更更多多的的无无用用频频率率分分量量，因因此此在在讨讨论论变变频频器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。7.2.2 变频器的技术指标变频器的技术指标1.变频增益变频增
8、益 变变频频增增益益是是表表征征变变频频器器将将输输入入信信号号转转化化成成输输出出中中频频有有用用信信号号的的能能力力的的技技术术指指标标，如电压或功率增益。如电压或功率增益。若若输输出出有有用用信信号号为为电电流流波波，我我们们可可以以采采用用电电导导增增益益（或或变变频频跨跨导导）来来表表征征变变频频器器将将输输入入信信号号转转化化成成输输出出中中频频信信号号的的能能力力。2.动态范围动态范围动动态态范范围围是是指指变变频频器器能能正正常常工工作作，而而性性能能未未显显著著下下降降所所允允许许的的输输入入信信号号电电平平范范围。围。3.噪声系数噪声系数变频器的噪声系数定义为：变频器的噪声
9、系数定义为：4.隔离度隔离度隔隔离离度度是是指指变变频频器器的的信信号号端端口口、本本振振端端口口和和中中频频输输出出端端口口之之间间的的信信号号通通过过变变频频器器电电路路空空间间进进行行的的互互相相直直接接泄泄漏漏的的程程度度。各各端端口口之之间间相相互互影影响响小小，隔隔离离度度就就高高。一一般般而而言言，它它们们的的隔隔离离可可以以通通过过电电路路在在变变频频器器内内部部结结构构的的选选取取，以以及及由由选选频频电电路路在在变变频频器器内内部部构构造造的的不不同同频频率率的的电电路路区区域域空空间间来完成。来完成。5.选择性选择性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
10、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。6.失真与干扰失真与干扰变变频频器器的的失失真真有有频频率率失失真真和和非非线线性性失失真。真。7.3 变频（或混频）干扰和失真变频（或混频）干扰和失真显显然然，与与这这些些组组合合频频率率对对应应的的频频率率变变换换通通道道(简简称称变变频频通通道道)中中，我我们们只只关关心心使使输输出出落落入入有有用用信信号号频频率率范范围围内内的的信信号号变变换换通通道道。通通常常我我们们称称这这些些无无用用信信号号为为变变频频(或或混频混频)干扰和失真。干扰和失真
11、。1.组合频率干扰组合频率干扰组组合合频频率率干干扰扰是是在在无无输输入入干干扰扰和和噪噪声声情情况况下下，仅仅由由有有用用信信号号vs和和本本振振vL通通过过频频率率变变换换通通道道形形成成的的组组合合频频率率干干扰扰，信信号号环环境境如图如图7-3-1所示。所示。图7-3-1 干扰哨声形成环境显显然然，最最小小的的无无用用组组合合干干扰扰点点发发生生在在p 1、q 2，即即 2fC fL 2927-1392462kHzfI，与与中中频频465kHz误误差差3kHz，属属于于中中频频通通频频带带内内。462kHz的的载载波波与与465kHz同同时时加加到到检检波波器器上上，将将产产生生由由载
12、载频频产产生生的的465-4623kHz的的固固定定差差频频信信号号输输出出，即即出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。组组合合频频率率干干扰扰由由有有用用信信号号产产生生，与与外外界界干干扰扰信信号号无无关关，它它不不能能靠靠提提高高前前端端电电路路的的选选择择性性来来减减少少干干扰扰。具具体体方方法法有有：合合理理进进行行中中频频和和本本振振频频率率的的安安排排，提提高高最最低低干干扰扰点点的的阶阶数数（q+p的的值值）；优优化化混混频频电电路路，使使有有用用信信号号强强度度增增强强，无无用用信信号号强强度度减减弱弱、分分量量减减少少。对对前前者者，可可考考虑虑选
13、选用用中中频频大大于于输输入入信信号号载载频频的的高高中中频频方方案案；后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。2.组合副波道干扰组合副波道干扰组组合合副副波波道道干干扰扰是是指指外外来来干干扰扰电电压压vM 与与本本振振电电压压vL，在在混混频频非非线线性性作作用用下下形形成成的假中频，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(1)中频干扰中频干扰在在(7-3-8)式式中中，取取p0，q1，即即fMfI时时，可可以以形形成成干干扰扰。常常称称此此干干扰扰为为中中频频干扰。干扰
14、。(2)镜像干扰镜像干扰从从图图上上可可看看到到，fM与与fc对对称称地地位位于于fL的的两两侧侧，即即显显现现为为镜镜像像关关系系，因因此此，称称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3.交叉调制干扰交叉调制干扰交交叉叉调调制制干干扰扰也也称称交交调调失失真真，它它是是有有用用信信号号vS、干干扰扰信信号号vM和和本本振振信信号号vL通通过过混频器组合后形成的。混频器组合后形成的。混混频频器器中中，除除了了非非线线性性器器件件的的四四次次方方项项外外，更更高高的的偶偶次次方方项项也也可可形形成成交交调调干干扰扰，但但幅幅值值较较小小，一一般般可可不不
15、考考虑虑，由由于于混混频频器器正正常常工工作作的的中中频频是是由由二二次次项项产产生生的的，其其中中本本振振电电压压占占了了一一阶阶，所所以以习习惯惯上上仍仍将将四四次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。4.互相调制干扰互相调制干扰互互相相调调制制干干扰扰，也也称称互互调调干干扰扰。它它是是指指两两个个或或两两个个以以上上干干扰扰信信号号和和本本振振信信号号通通过过混混频频器器形形成成的的组组合合频频率率干干扰扰，信信号号环环境境如图如图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】某某 混混 频频 器器 的的 中中 频
16、频 为为0.5MHz，在在接接收收25MHz信信号号时时，若若同同时时有有24.5MHz和和24MHz的的两两个个干干扰扰信信号号，则则四四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。通通过过上上面面的的分分析析可可知知，互互调调失失真真的的强强弱弱与与干干扰扰信信号号电电压压的的振振幅幅成成正正比比、与与非非线线性性器器件件的的系系数数有有关关、与与有有用用信信号号无无关关。因因此此，要要减减小小互互调调干干扰扰，一一方方面面要要提提高高前前端端电电路路的的选选择择性性，尽尽量量减减少少加加到到混混频频器器件件上上的的干干扰
17、扰电电压压，另另一一方方面面要要提提高高混混频频器器的的线线性性，即即混混频频器器件件具具有有理理想想平平方方(或或相相乘乘)特特性性，如如场场效效管管混混频频器器、二二极极管管环环形形和和桥桥式式混频器的互调干扰都较小。混频器的互调干扰都较小。5.倒易混频倒易混频(相互混频相互混频)这这种种以以本本振振噪噪声声电电压压作作为为“输输入入信信号号”，干干扰扰电电压压作作为为“本本振振电电压压”的的混混频频现现象，称为倒易混频。象，称为倒易混频。6.邻道干扰邻道干扰邻邻道道干干扰扰是是指指与与有有用用信信号号频频率率的的频频差差很很近近的的其其它它通通信信信信号号在在发发送送时时，由由于于滤滤波
18、波电电路路的的不不理理想想，也也送送出出了了不不该该送送出出的的落落于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）。7.4 变频（或混频）电路与变频（或混频）电路与干扰抑制干扰抑制7.4.1 三极管混频器的失真分析三极管混频器的失真分析1.工作原理工作原理在在图图7-4-1中中，本本振振电电压压vL、信信号号电电压压vS和和直直流流电电压压VBB相相加加后后，作作用用在在晶晶体体管管的的发发射射结结，并并利利用用三三极极管管iC与与vBE之之间间的的非非线线性性实实现现混混频频和和放放大大，通通过过集集电电极极回回路路中中的的中频滤波电路取得中频输出电压。中频
19、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2.输出有用信号的分析输出有用信号的分析根根据据电电路路的的信信号号目目标标，我我们们应应该该关关心心式式(7-4-5)中中的的和和频频或或差差频频信信号号分分量量。为为此此，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代代入入式式(7-4-4)，并并设设vs=Vsmcosct可可推得输出有用信号为推得输出有用信号为式式中中，gfc=0.5gf1为为三三极极管管的的变变频频跨跨导导。它它取取决决于于时时变变偏偏压压VB(t)和和三三极极管管的的传传输输特特性，与输入信号大小无关。
20、性，与输入信号大小无关。3.输入回路的分析输入回路的分析在在三三极极管管混混频频电电路路中中，本本振振电电压压的的注注入入方方式式有有射射极极注注入入和和基基极极注注入入两两种种，如如图图7-4-3所所示示。基基极极注注入入时时，本本振振功功耗耗较较小小，vs但但vL与与vL两两回回路路耦耦合合较较紧紧，不不利利于于各各自自电电源源电电路路的的隔隔离离，如如调调谐谐信信号号源源谐谐振振回回路路时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4.等效电路及变频增益等效电路及变频增益由由式式(7-4-7)和和式
21、式(7-4-9)可可以以得得到到信信号号变变换换通通道道的的等等效效电电路路如如图图7-4-4所所示示。图图中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7.4.2 二极管混频器的结构与失真二极管混频器的结构与失真利利用用二二极极管管非非线线性性构构成成的的混混频频器器称称为为二二极极管管混混频频器器。它它们们具具有有结结构构简简单单、噪噪声声低低、工工作作频频率率高高等等优优点点，被被广广泛泛应应用用于于高高质质量量的的通通信信系系统统中中。当当然然，二二极极管管混混频频器器也存在着混频增益小于
22、也存在着混频增益小于1的缺点。的缺点。1.平衡混频器平衡混频器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2.环形混频器环形混频器环环形形混混频频器器是是由由两两个个平平衡衡混混频频器器组组成成的的，电电路路如如图图7-4-11所所示示。图图中中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
23、图7-4-11 环形混频器环形混频器7.4.3*场场效效应应管管和和模模拟拟乘乘法法混混频器的分析频器的分析场场效效应应管管的的转转移移特特性性具具有有平平方方律律的的特特点点，正正是是这这一一特特点点使使它它成成为为叠叠加加型型混混频频器器最最理理想想的的非非线线性性混混频频元元件件；而而模模拟拟乘乘法法器器则则是是乘乘积积型型混混频频器器最最理理想想的的非非线线性性混混频频元元件。件。1.场效应管混频器场效应管混频器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。(1)工作原理工作原理单单管管混混频频器器的的原原理理电电路路如如图图7-4-12所
24、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为了了减减少少由由于于场场效效应应管管作作理理想想平平方方律律特特性性而而产产生生的的非非线线性性产产物物，场场效效应应管管混混频频器器还还可可接接成成平平衡衡或或交交叉叉耦耦合合的的型型式式。图图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。图图中中信信号号源源电电压压vs同同时时加加在在VT1管管栅栅极极和和VT2管管的的源源极极，本本振振电电压压vL同同时时加加在在VT1的的源源极极和和VT2的的栅栅极极，因因此此称称该该电电路路为为交交叉叉耦合电路。耦合电路。图图7-4-14交叉耦合场效应管混频
25、器交叉耦合场效应管混频器2.模拟乘法混频器模拟乘法混频器模模拟拟乘乘法法混混频频器器的的电电路路结结构构如如图图7-4-15所所示示。利利用用乘乘法法器器实实现现的的混混频频电电路路可可以以最最大大限限度度地地减减少少输输出出无无用用频频率率分分量量形形成成的的干扰。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模拟拟乘乘法法器器混混频频的的具具体体优优点点可可归归纳纳如如下：下：(1)混混频频输输出出电电流流频频谱谱纯纯净净，组组合合频频率率分分量量少少，用用于于接接收收机机时时可可大大大大减减少少寄寄生生通道干扰。通道干扰。(2)对对本本振振电电压压的的大大
26、小小无无严严格格限限制制，前前面面我我们们在在分分析析晶晶体体管管小小信信号号混混频频时时，一一般般要要求求VLm较较大大；而而乘乘法法混混频频时时，本本振振电电压压幅幅度度基基本本与与输输出出失失真真无无关关，但但会会影影响响中中频频变频增益。变频增益。(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。7.5 电路与信号和系统的关系电路与信号和系统的关系第一，找到了电路优化的出发点。
27、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。可可以以推推得得，fL+fI和和q=2以以上上的的强强干干扰扰部部分分都都不不会会落落入入890915MHz以以内内，即即都都能能被被混混频频输输出出滤滤波波器器及及其其后后续续电电路路滤滤除除。因因此此，不不会会在在无无线线空空间间对对其其它它手手机机占占用用的的载载波波频频道道形形成成干干扰扰。但但是是，在在考考虑虑到到实实际际中中不不尽尽理理想想的的情情况况，手手机机天天线线仍仍会会发发射射出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。