射频模拟电路电子教案：5-14 混频

1、上节内容回顾与扩展,解调是调制的逆过程。从频谱搬移的角度看，解调是频谱从高频端搬到基带的过程，普通振幅波的解调常常称为检波。,问题： 1、调幅波解调有几种方法？,输入 AM信号,检出包络信息,同步检波器用于对载波被抑制的双边带或单边带信号进行解调。它的特点是必须外加一个频率和相位都与被抑制的载波相同的信号。同步检波的名称即由此而来。,同步检波电路,输入双边带信号时乘积检波器的有关波形和频谱,提取载波的方法一般分为两类： 一类是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法，也称为自同步法； 另一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正

2、弦波，接收端就利用导频提取出载波，这类方法称为插入导频法，也称为外同步法。,直接法（自同步法） 有些信号（如抑制载波的双边带信号等）虽然本身不包含载波分量，但对该信号进行某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量来，这就是直接法提取同步载波的基本原理。1、平方变换法和平方环法,利用锁相环提取载波的常用方法如图所示。加于两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号 和它的正交信号 ，因此，通常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯（Costas）环。,插入导频法,对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号的频谱分量为零， 同时对调制信号 进行适当的处理，就可以使已调信号在载频

3、附近的 频谱分量很小，这样就可以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。 但插入的导频并不是加在调制器的那个载波， 而是将该载波移相90后的所谓“正交载波”。,问题： 2、为什么包络检波不能解调DSB波？,从已调波中检出 包络信息， 只适用于AM信号。,普通调幅波的波形,DSB波的波形,问题： 3、二极管包络检波器的电路构成？ 4、D的名称？特点？ 5、RL特点？,D:检波二极管，结电容小，反向电流小。可选择点接触二极管，肖特基二极管。,RL:负载电阻，数值较大，低频电流流过时产生低频电压。,问题： 6、 7、,其中，是二极管电流通角，L为检波器负载电阻，d为二极管导通电阻。,问题： 8、检

4、波效率和输入阻抗？,问题： 9、二极管包络检波器有 哪些失真？,1、惰性失真。 2、负峰切割失真 3、非线性失真。 4、频率失真。,非线性失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。,频率失真由容抗对不同频率的信号的传输不同而引起的失真。,问题： 10、如何避免惰性失真和 负峰切割失真？,1、避免惰性失真的条件。 2、避免负峰切割失真的条件。,例1：包络检波电路如图：,试确定C2的取值条件。,为了提高频滤波能力要求：,不产生惰性失真要求：,二极管包络检波器例题1,例2：某收音机检波电路如图，若输入信号为：,1、定性画出vs(t)的波形；,2、是否会产生负峰切割失真？,3、为避免惰性失真，C

5、值应选多大？,解：由输入信号知：ma=0.3，=8103 ，c =930 103,所以不会产生负峰切割失真。,为避免惰性失真应满足：,二极管包络检波器例题2,变频或混频就是把两个不同的信号加到非线性器件上进行频率组合后取出和频或差频 的过程。 它的的基本功能均是将输入频带信号的频谱位移到新的频率范围内，即频谱的线性般移，这类似于调制信号经调幅变换前后的频谱变换关系。,1.变频损耗（增益） frequency conversion loss 在接收机中变频损耗是输入射频信号功率与输出中频信号功率之比值，一般以dB表示。在发射机的上变频器中，变频损耗是输入中频信号功率与输出射频信号功率之比值。 2

6、.噪声系数 3.动态范围 ：1dB压缩点（Pin-1dB） 4.双音三阶交调(P3)与线性度 混频器的三阶交调系数M3为一项重要的指标。,隔离度 本振端口到其他端口的隔离度的定义有两个，一个是本振功率与其泄露到信号 端口的功率之比；另外一个是本振功率与其泄露到中频输出端口的功率之比，两 者都用分贝数来表示。 6、本振功率：原则上本振功率愈大，混频器的动态范围增大，线性度改善，1dB压缩点上升，三阶交调系数改善。,Pout（2w1+/-w2）,1.用乘法器实现混频是最好的方法之一,由模拟乘法器（有源混频） 实现乘积型混频器,由双极晶体管（有源混频）、场效应管（有源混频） 、二极管（无源混频） 实

7、现叠加型混频器,两种电路都含有许多组合频率分量。,第五章 混频器,5.1 混频器的性能指标 5.2 混频器的实现模型 5.3.1 双级晶体管混频器 5.4.4单二极管开关混频器的折线近似分析 5.4.5 二极管平衡混频器 5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,5.3.1 晶体管混频器,5.3 有源混频器电路（P332）,1.主要器件 石英晶体：17.73MHz 三极管： 9018 中周： 6.5MHz 电阻电容：若干 2.技术指标要求： 1） 接收频率（点频）11.23MHz 2） 本振频率： 17.73MHz 3） 混频输出（中频）：6.5MHz,由于晶体管工作在非线性状态。转移特性的

8、非线性函数用解析式表达极为困难，但由于信号电压来源于空中信号或远距离送来的微弱信号，而本地振荡器电压是本身振荡器产生的，振幅很大。 当晶体管混频器工作在特定的状态，即本振电压的振幅值远大于信号电压的振幅值时，可采用近似分析方法-,5.3.1 晶体管混频器,线性时变分析方法,直流偏置电压,本振电压,信号电压,可把本振电压看成是晶体管偏置电压的一部分，但这种偏置是时变偏置,5.3.1 晶体管混频器,近似分析方法-线性时变分析方法,在本振电压作用下，工作点随时间而移动。由于信号电压振幅值很小，在任何时刻的工作点上，对信号而言都可以看成是线性的。,这种分析问题的方法称为线性时变分析法。,5.3.1 晶

9、体管混频器,近似分析方法-线性时变分析方法,在时变工作点上的泰勒级数展开式为：,很小,时变电导,是转移持性上随本振电压变化的时变工作点 切线的斜率。,时变的工作点,5.3.1 晶体管混频器,近似分析方法-线性时变分析方法,时变电导,时变电导是转移持性上随本振电压变化 的时变工作点切线的斜率。,时变工作点对应的,变化规律都与,的变化规律一致。,和,5.3.1 晶体管混频器,近似分析方法-线性时变分析方法,取下混频,变频跨导 ：,中频电流振幅值 与信号电压振幅制之比,5.3.1 晶体管混频器,近似分析方法-线性时变分析方法,若输入为调幅波：,或,5.3.1 晶体管混频器,近似分析方法-线性时变分析

10、方法例题,已知混频晶体三极管的近似特性如下图：,VBB0=？,g(t)=？,VBB0=0V,gc=？,中频电流由集电极中频谐振回路取出，,混频器的电压增益为：,不能混频!,5.3.1 晶体管混频器,近似分析方法-线性时变分析方法例题,已知混频晶体三极管的近似特性如下图：,二极管混频,晶体三极管混频动态范围小(信号电平范围仅为几十毫伏)，组合频率干扰大，本振泄漏严重。,二极管混频则动态范围大，组合频率分量少，本振泄漏小，无变频增益。,5.4 无源混频器电路（P353）,5.4 无源混频器电路（P353）,5.4.4 单二极管开关混频器的折线近似分析,二极管混频分小信号混频及开关混频。,小信号混频

11、，工作在二极管特性曲线的弯曲部分。,开关混频，本振电压的幅度较大( )，可认为在本振电压的正半周，二极管导通；在本振电压的负半周，二极管截止。 开关混频具有更好的性能。,1.小信号二极管平衡混频器的工作原理 （P357）,小信号状态下，工作在二极管特性的弯曲部分，二极管特性 可用级数展开：,抵消部分非线性分量，可采用平衡混频器，上下完全对称。,5.4 无源混频器电路,5.4 无源混频器电路,抵消了许多组合频率分量， 仍包含较丰富的频率分量。,平衡混频器小信号工作可实现混频,包含( ) 分量,2二极管开关混频工作原理,二极管开关混频时可忽略二极管特性曲线的弯曲部分，用折线来代替二极管。,5.4

12、无源混频器电路,开关函数,5.4 无源混频器电路,2、二极管开关混频器工作原理,包含的频率成分,少了很多组合频率分量,相比,与,5.4 无源混频器电路,2、二极管开关混频器工作原理,采用四只二极管组成的环形混频器可以进一步减少组合频率干扰。电路中二极管同样工作于受本振电压控制的开关状态。 输出电流中的组合频率成分少了很多。此外，中频分量的振幅值是平衡混频器的两倍。因此，环形混频器的灵敏度和抑制干扰的能力都更优于平衡混频器。,5.4 无源混频器电路,3、二极管环形混频器,四个二极管组成一个环环形混频器,环形混频器本振与信号端口具有良好的隔离，对本振而言，AB点是等电位，信号口无本振输出，对信号而

13、言，CD点是等电位，本振口无信号输出。信号源端口的电流 ：,信号口的输入阻抗：,中频电流,二极管环形混频器,5.4 无源混频器电路,开关函数,第五章 混频器,5.1 混频器的性能指标 5.2 混频器的实现模型 5.3.1 双级晶体管混频器 5.4.4单二极管开关混频器的折线近似分析 5.4.5 二极管平衡混频器 5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,1.组合频率干扰,组合频率干扰是混频器中的特有现象,组合频率分量,混频器由非线性器件组成,是形成干扰的源泉,中频信号,F为音频,在检波电路中再次“混频”， 差拍出频率为F的哨叫声， 这种干扰称为干扰

14、哨声 。,组合频率分量,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,在不同的 处产生干扰哨声,要形成干扰哨声,取不同的正整数,干扰信号,干扰信号进入中频通道后被放大,最强的干扰,中频干扰,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,组合频率分量,镜像干扰,例：有一超外差式广播收音机，其中频,试说明下面两种干扰现象各属于何种干扰？,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,镜像干扰,组合频率干扰,分析：,（1）本振频率,镜像干扰,干扰信号与本振的差频,（2）本振频率,组合频率干扰,干扰信号与外来信号的组合频率,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,四次项或更高的偶次项会产生中频电流,调幅

15、波,不能正确反映包络的变化规律,2非线性失真,混频器输入端作用强的有用信号,混频器工作在“强”线性状态,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,干扰阻塞,产生交叉调制,偏置直流电压,信号基波电流,混频器输入端同时输入有用信号 及干扰信号,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,调幅信号,干扰信号转移的部分,有用分量,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,信号基波电流,交叉调制,交叉调制系数,(2) ，提高前端电路的选择性可克服交调。,(1)交叉调制是由非线性器件中的三次项或更高次非线性项产生的，与 成正比,结论：,(3)干扰信号的幅度与有用信号 的大小有关,交叉干扰消失,5.5

16、混频器中的组合频率干扰与非线性失真,混频器的三阶互调,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,三阶互调,两个干扰信号,结论：,（1）平方项(或更高偶次项)产生 分量，称为二阶互调。,（2）三次方项或更高奇次项产生 或,分量，称为三阶互调。,易落在带内,很靠近时,影响最严重，必须消除。,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,(3)选用平方律特性器件或采用平衡或双平衡电路可改善三阶互调特性。,倒易混频（噪声调制）,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,（2）高频放大增益不易做得很高，一般为15dB一20dB左右，以减小干扰信号与有用信号进入混频器。,3克服干扰的措施,减小加到混频器

17、输入端干扰信号的强度，有用信号的幅度也不能太小；,减小混频器无用的非线性项,（1）接收机输入端加人选频网络与高频放大，必须提高选频网络的选频能力，阻止干扰信号进入高频放大后进入混频级。,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,（3）选用平方律特性器件。,（6）晶体管用做混频时，需选择合适的工作点电流。,（4）使用场效应管平衡混频器或双平衡混频器，可以抵消一些组合频率干扰。,（5）合理选择中频能大大减少组合频率干扰和副通道干扰，对交调、互调也有一定的抑制作用。,5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真,3克服干扰的措施,4.4 角度调制与解调,调频波的指标,寄生调幅,频谱宽度,抗干扰能力,

18、AM,FM,4.4 角度调制与解调,调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化的一种调制方式；调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调变，故将它们统称为角度调制(简称调角) 。,瞬时频率,瞬时相位,4.5 调角波的基本性质,调频,设调制信号为v (t)，,载波信号,0是未调制时的载波中心频率；kfv (t)是瞬时频率相对于0的偏移，叫瞬时频率偏移，简称频率偏移或频移。可表示为,最大频移，即频偏，表示为,瞬时频率,瞬时相位,瞬时相移,mf调频指数,4.5.2 调频数学表达式与相关参数,Kf称为调频灵敏度,常数,rad/(s.v),FM表达式:,最大相移,调相,0t+0是未调制时的载波相位；kpv (t)是瞬时相位相对于0t+ 0的偏移，叫瞬时相位偏移，简称相位偏移或相移。可表示为,最大相移，即最大相偏，表示为,瞬时相位,瞬时频率,最大频偏,调相指数,4.5.2 调相数学表达式与相关参数,Kp称为调相灵敏度,常数,rad/(v),调相波的数学表达式,数学表达式,瞬时频率,瞬时相位,最大频移,调制指数,FM波,PM波,4.5.2 调相数学表达式与相关参数,以单音调制波为例,调制信号,调频,瞬时频率,瞬时相位,已调频信号,4