5.5混频器原理及电路混频器原理及电路一一混频概述混频概述二二混频电路混频电路三三混频器的干扰混频器的干扰返回15.5.1混频器原理混频器原理1.混频器的变频作用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）网络本地振荡信号本地振荡信号 一个中频输出信号：一个中频输出信号：两个输入信号与输出信号之间的关系：两个输入信号与输出信号之间的关系： 的的包包络络形形状状相相同同，频频谱谱结结构构相相同同，只只是是填填充充频频谱谱不不同同，即即，其其中中心心频率：频率： 其中其中5.5混频器原理及电路混频器原理及电路返回休息1休息2uc(fc)uL(fL)uI(fI)混频器混频器tuc(t)tuI(t)tuL(t)有两个输入信号：有两个输入信号： 高频调制波高频调制波 fcfc+Ffc+Ffuc的频谱的频谱fcfLfuL的频谱的频谱fIfI+FfI+FfuI的频谱的频谱tuc(t)tuc(t)tuL(t)tuL(t)tuI(t)tuI(t)2混混频频器器是是频频谱谱的的线线性性搬搬移移电电路路，完完成成频频谱谱线线性性搬搬移移功功能能的的关关键键是是获获得得两两个个输输入入信信号号的的乘乘积积项项，具具有有这这个个乘乘积积项项，就就可可以以实实现现所所需需的的频谱线性搬移功能。频谱线性搬移功能。2max I I= = L L- - c c乘法器乘法器带通滤带通滤波器波器混频器的一般结构框图混频器的一般结构框图设输入已调波信号：设输入已调波信号：那么两信号的乘积项为：那么两信号的乘积项为： 2.混频器的基本工作原理：混频器的基本工作原理：LuLL- cL+ cuI本振信号本振信号:ucc如果带通滤波器的中心频率为如果带通滤波器的中心频率为 ,带宽带宽 则经带通滤波器的输出为：则经带通滤波器的输出为：仿真uI返回ucuL休息1休息2可见输出中频信号可见输出中频信号的的包络形状没有变化，只是填充频率包络形状没有变化，只是填充频率由由 变化成变化成 uLuc非线形非线形元件元件带通滤带通滤波器波器3(1)调幅调幅(DSB为例为例) u乘法器带通滤波器uDSBuo2max o（2）检波）检波 uDSB乘法器低通滤波器uou max（3）混频）混频 uDSB= uc乘法器uL带通滤波器uII I= =L L- -c c L c3.振幅调制、检波与混频器的相互关系振幅调制、检波与混频器的相互关系 I I= =L L- -C C2maxmax返回仿真2仿真1仿真3休息1休息24因为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。声系数影响大。所以希望混频级的所以希望混频级的越小越好。越小越好。(1)变频增益：变频增益： 变频电压增益变频电压增益: 变频功率增益变频功率增益 :(2)噪声系数噪声系数: 5.5.2混频器主要性能指标混频器主要性能指标(3)失真与干扰失真与干扰变频器的失真主要有变频器的失真主要有:频率失真频率失真非线性失真非线性失真(4)选择性选择性在混频器中，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，矩形系数趋近于性，矩形系数趋近于1。5高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用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平衡型混频器环形混频器环形混频器优点：优点：噪声低，电路简单，组合分量少。噪声低，电路简单，组合分量少。例例1.二极管平衡混频器二极管平衡混频器 设输入信号设输入信号本振信号本振信号:若若 则输出电压则输出电压:5.5.3实用实用混频电路混频电路如果输出中频滤波器的中心频率为如果输出中频滤波器的中心频率为:谐振阻抗为谐振阻抗为 ，则输出电压，则输出电压而而环形混频器环形混频器的输出是平衡混频器输出的的输出是平衡混频器输出的2倍。且减少了输出信倍。且减少了输出信号频谱中组合频率分量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。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- -VD1VD22CRL2LT1T2+uL- -T3uc+- -uc+- -1.二极管混频器二极管混频器6利用第利用第4章所述的时变跨导电路，章所述的时变跨导电路，可构成晶体管混频器。可构成晶体管混频器。由于由于时变偏置电压时变偏置电压如果如果则集电极电流为则集电极电流为2.晶体三极管混频器晶体三极管混频器其中其中为时变跨导，受为时变跨导，受的控制的控制,而输入信为而输入信为:利用付里叶级数可将展开成利用付里叶级数可将展开成:如果输出回路的谐振频率为如果输出回路的谐振频率为，而，而 选出的中频电流选出的中频电流为：为： uc+- -+- -uLEBECVTCLUB(t)ic其中变频跨导：其中变频跨导： 变频变频(混频混频)增益增益Au为为：中频输出电压中频输出电压uI为为：7双极型双极型晶体三极管混频器基本电路的交流通道晶体三极管混频器基本电路的交流通道:共射极混频电路共射极混频电路：本振信号由基极本振信号由基极串联方式串联方式注入注入 本振信号由射极注入本振信号由射极注入共基极混频电路：共基极混频电路：(a)uc+- -uL+- -LCVT(d)uL+- -uc+- -LCVT(c)uc+- -+- -uLLCVT(b) LCuL+- -uc+- -VT8CLEDRgRsFET混频器的转移特性是平方律，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。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混频器容许的输入信号动态范围也较大。因此，尽管态范围也较大。因此，尽管FET混频器的变频增益比混频器的变频增益比BJT混频器低，混频器低，却在短波、超短波接收机中获得了广泛应用。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：设输入已调制信号：uc= Uc(t)cosct3FET混频电路混频电路uI右图为右图为FET混频器原理电路混频器原理电路其中，其中，Uc(t)= Ucm(1+macost)本振电压本振电压uL=ULcosLt LC回路调谐在中频回路调谐在中频I=L- -c或或I=c- -L，通频带通频带B=2，回路的谐振阻抗为，回路的谐振阻抗为RL。栅栅源间的电压源间的电压uGS为：为：uGS=UGSQ+uc- -uL= UGSQ+Uc(t)cosct - -ULcosLt转移特性为平方律关系，即转移特性为平方律关系，即：式中，式中，UGS（off）为为FET管的夹断电压，管的夹断电压，IDSS为漏极饱和电流为漏极饱和电流。恒流区内的漏极电流为恒流区内的漏极电流为: :ucuLuGSiD式中，式中，k k1 1、k k2 2、k k3 3、k k4 4为常数。可见，为常数。可见，iD(t)中含有差频中含有差频(c- -L)电流电流分量，其幅值正比于分量，其幅值正比于Uc( (t t) )为为: : 通过漏极通过漏极LC负载回路选频后，输出的中负载回路选频后，输出的中频电压为频电压为: :96.8kCEC=15V1413.3k1294813313k10k27- -EE=- -15V+15V5610 11- -15V10k10kRwxRwy2k2k8.2k8.2kBG314(MC1595)LN1N2BG314构构成成的的混混频频电电路路，如如果果本本振振电电压压uL、高高频频信信号号电电压压uc分分别从别从4、9脚输入，脚输入，BG314的输出端的输出端2、14脚间接脚间接LC谐振回路。谐振回路。设输入已调高频信号设输入已调高频信号: :4.模拟乘法器混频电路模拟乘法器混频电路仿真休息 1 休息 2uLucuIuc= Uc(t)cosct本振电压本振电压: :uL=ULcosLtLC回路的谐振频率回路的谐振频率I=L-c，其带宽，其带宽B2，回路谐振阻，回路谐振阻抗为抗为RP,，变压比为，变压比为n=N2N1，输出中频信号电压，输出中频信号电压uI为为:混频增益混频增益Au为为:10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的信号将含有许多频率成份 ,(p ,q=0,1,2,3,.)uc(f c)uL(f L)uI(f I)un(f n)非线形元件非线形元件中频滤波器中频滤波器uo( )如果设输入信号为如果设输入信号为 ,本振频率信号为本振频率信号为则通过则通过 非线性元件的信号非线性元件的信号 ，其中，其中 而而这这些组合频率的信号中只要和中频频率些组合频率的信号中只要和中频频率 相同或接近，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。起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。三三混频器的干扰混频器的干扰一般混频器存在下列干扰：一般混频器存在下列干扰： (1)干扰哨声：接收的射频信号干扰哨声：接收的射频信号 与本振信号与本振信号 的自身组合干扰，即的自身组合干扰，即 B(2)副波道干扰：外来干扰信号副波道干扰：外来干扰信号 与本振信号与本振信号 的组合频率产生的干扰的组合频率产生的干扰 (3)交叉调制干扰：有用信号交叉调制干扰：有用信号 与干扰信号与干扰信号混频产生的干扰。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。输入端，经混频产生的组合分量而形成的干扰。(5)阻塞干扰阻塞干扰(6)倒易混频倒易混频 fI111.信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）如果中频如果中频，则除，则除的中频被选出外，还的中频被选出外，还有可能选出其它的组合频率：即有可能选出其它的组合频率：即 所以有所以有 其中其中称为称为变频比变频比。 显然显然当变频比一定时，并能找到对应的整数当变频比一定时，并能找到对应的整数p,q时，就会形成自身组时，就会形成自身组合干扰。合干扰。例：调幅广播接收机的中频例：调幅广播接收机的中频 ，某电台发射频率，某电台发射频率当接收该电台广播时，接收机的本振频率当接收该电台广播时，接收机的本振频率 由于变频比由于变频比 可推算出：可推算出： 当当， ，可得，可得设输入高频信号的载频为设输入高频信号的载频为 ，本振信号，本振信号，则，则 经过混频器后产生的频率为经过混频器后产生的频率为，其中，其中p,q=0,1,2,由于组合频率与中频差由于组合频率与中频差 1KHz，经检波后可产生，经检波后可产生1KHz的哨声的哨声. （三阶干扰）（三阶干扰）.另外，当另外，当p=3,q=5时，可得：时，可得：,也可以通过中频也可以通过中频通道而形成干扰。（通道而形成干扰。（8阶干扰）阶干扰）。 注意点注意点:(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。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：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，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。如平衡电路，环形电路，乘法器。 12设串台干扰信号为设串台干扰信号为，它与本振信号的组合频率为：，它与本振信号的组合频率为：其中其中 p,q=0,1,2,3.。如果选频器所选择的正常中频信号为。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（外干扰信号与本振的组合频率干扰（副波道干扰副波道干扰）则可能形成的副波道干扰为：则可能形成的副波道干扰为：可见，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：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，及其它副波道干扰中频干扰，镜频干扰，及其它副波道干扰。(1)中频干扰中频干扰当当p=0,q=1时，时，即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：抑制中频干扰的方法：提高混频器前级的选择性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在混频器前级增加中频吸收电路 合理选择中频数值，合理选择中频数值，中频选在工作波段之外中频选在工作波段之外13当当p=1,q=1时，则有：时，则有：fcfLfnf I虽然这种干虽然这种干扰信号频率扰信号频率 与输入信号频率与输入信号频率 以本振频率以本振频率为对称轴形成镜像对称的关系。为对称轴形成镜像对称的关系。(2)镜像频率干扰镜像频率干扰f I抑制镜像干扰的方法：抑制镜像干扰的方法： 提高混频前级的选择性提高混频前级的选择性提高中频频率，使镜像干扰频率提高中频频率，使镜像干扰频率远离远离例：中央台第一套节目的载波为例：中央台第一套节目的载波为 ,那么收音机在接收此那么收音机在接收此节目时的本振频率节目时的本振频率,如果有一外来如果有一外来 电台的频率电台的频率 ,在混频级之前没有被在混频级之前没有被抑制，则这个电台进入混频器后，混频可得抑制，则这个电台进入混频器后，混频可得 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。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。14当当,时形，成组合频率干扰，其中最主要的一类干扰为：时形，成组合频率干扰，其中最主要的一类干扰为：fcf n1fLf n2可可见见与与对称分布在本振频率对称分布在本振频率的两边，其中的两边，其中离离最近最近,经混频器前的滤波后进入混频器的可能性最大。经混频器前的滤波后进入混频器的可能性最大。 (3)组合频率干扰组合频率干扰的情况，则有：的情况，则有： 抑制这类干扰的方法：抑制这类干扰的方法： 提高混频器前级的选择性提高混频器前级的选择性提高中频提高中频选择合适的混频电路，合理选择混频器的工作点选择合适的混频电路，合理选择混频器的工作点fI继续15交叉调制干扰的形成与本振无关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。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干扰的调制信号调制到了中频载波上，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。而形成的一种干扰。例：由非线性元件：例：由非线性元件： 其中四阶项为其中四阶项为，若设，若设而而 则则展开后其中可分解出展开后其中可分解出项项 3.交叉调制干扰（交调干扰）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：将信号代入此项，并经中频滤波后可得：其中其中 ，可以看出，可以看出干扰信号中的调制信号转移到中频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。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)非线形元件非线形元件中频滤波器中频滤波器uo( )16交调干扰的特点：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，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。所以交调干扰是危害较大的一种干扰。只有当只有当 与与 相差很大，受前级电路的抑制很彻底时相差很大，受前级电路的抑制很彻底时,形成的干扰较小。形成的干扰较小。(1)交调干扰与有用信号并荐交调干扰与有用信号并荐，通过有用信号而作用，一旦，通过有用信号而作用，一旦有用信号有用信号，交调干扰也消失。，交调干扰也消失。 (3)混频器中，除了非线性特性的混频器中，除了非线性特性的4次方项以外，次方项以外，更更高的偶次方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。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：抑制交调干扰的措施：提高前级电路的选择性提高前级电路的选择性选择合适的器件，合适的工作点，使不需要的非线性项选择合适的器件，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。次方项）尽可能小，以减少组合分量。17非线形非线形元件元件中频滤中频滤波器波器un1（fn1）uL（fo）iouI（fI）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，混频器的非线性作用，两个干扰信号之间产生混频两个干扰信号之间产生混频，当混频后，产生的，当混频后，产生的信号接近于有用信号的频率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时，将与有用信号一起进入后级电路输出而产生干扰。出而产生干扰。4.互调干扰互调干扰互调干扰的特点：设混频器输入的两个干扰为：互调干扰的特点：设混频器输入的两个干扰为：而本振信号而本振信号 则三个信号同时作用于非线元件上，则混频输出的电流为则三个信号同时作用于非线元件上，则混频输出的电流为:由由4次方项次方项中展开可得中展开可得项，项， 即：即： 其中有：其中有： 其组合频率为：其组合频率为：继续返回如果当如果当 形成互调干扰形成互调干扰. （注意：（注意： ） 讨论：讨论：(1)当当时，时， 或或 必有一个远离必有一个远离 容易被滤除，可能产生的干扰不严重。容易被滤除，可能产生的干扰不严重。(2)当当 时，时， 或或均可能离均可能离 较近较近,滤除比较困难，可能会产生比较严重的干扰。即由于滤除比较困难，可能会产生比较严重的干扰。即由于可可见见，两两个个干干扰扰频频率率都都小小于于（或或大大于于）工工作作信信号号频频率率，且且三三者者等等距距时时，就可形成互调干扰。就可形成互调干扰。 n2n1S（3）互调干扰的大小主要决定于：）互调干扰的大小主要决定于：减少互调干扰的方法减少互调干扰的方法：提高前级电路的选择性提高前级电路的选择性 选择合适的电路和工作状态选择合适的电路和工作状态 18