1、第5章 频率变换与混频电路,5.1 概述 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。,频率变换电路的种类很多， 1、线性频谱变换电路 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。 2、非线性频谱变换电路 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，而是较复杂的非线性关系，调频、调相、
2、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,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。,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。 本章首先介绍非线性元器件的基本特性及其分析方法，然后介绍广泛应用于超外差接收机、频率合成器等电路
3、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：,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,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
4、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,5.3.2 集成模拟乘法器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。 1.变跨导模拟乘法器的组成和工作原理 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5-10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、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,2.常用集成模拟乘法器 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: 国产XFC1596、CF1496/1596（国外产品MC1496/1596） 国产BG314、CF1595、FZ4 国外产品MCl4951595、LMl4951595。 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
6、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,5.4 混频电路 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。,1.概述 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。 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。典型的系统中频：调幅广播：465kHz；调频广播：
7、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。,2.混频器的主要性能指标混频增益混频电压增益Auc：混频器输出的中频电压振幅与输入的高频电压振幅之比。常用分贝表示，即：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
8、率之比。常用分贝表示，即：混频增益越大，接收机灵敏度越高，但混频干扰将增大。,2.失真与干扰 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。 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。,5.4.2 混频电路 混频电路种类很多，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。 1.集成模拟乘法器混频器 混频器是频谱搬移电路，可用集成模拟乘法器来
9、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
10、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,fS,fI,fL,465kHz,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(
11、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 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
12、)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 fi,465 3 = 1395 hz,信号为组合频率干扰,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。,零中频混
13、频,电路较为复杂,本章小结 1.二极管、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。 2.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，适用线性时变分析法。 3.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
14、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。,4.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。 5.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。 6.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。 7.零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。,
