高頻電子線路李春生13

1、v調幅波的頻率成分有哪些？調幅波的頻率成分有哪些？v集電極調幅電路能否產生雙邊帶調幅波集電極調幅電路能否產生雙邊帶調幅波dsb？v包絡檢波能夠解調雙邊帶調幅波包絡檢波能夠解調雙邊帶調幅波dsb？v如果出現(xiàn)惰性失真，應該怎樣調整包絡檢波器？如果出現(xiàn)惰性失真，應該怎樣調整包絡檢波器？v如果出現(xiàn)底部切割失真，應該怎樣調整包絡檢波如果出現(xiàn)底部切割失真，應該怎樣調整包絡檢波器？器？復習與提問晶體管混頻電路晶體管混頻電路二極管混頻電路二極管混頻電路模擬乘法器混頻電路模擬乘法器混頻電路 在通信接收機中在通信接收機中, 混頻電路的作用在于將不混頻電路的作用在于將不同載頻的高頻已調波信號變換為同一個固定載頻同載

2、頻的高頻已調波信號變換為同一個固定載頻(一般稱為中頻一般稱為中頻)的高頻已調波信號的高頻已調波信號, 而保持其調制而保持其調制規(guī)律不變。規(guī)律不變。6.5 混混 頻頻超外差式接收機超外差式接收機圖 0.2 無線模擬發(fā)送、 接收系統(tǒng)方框圖 音頻或視頻信號音頻或視頻放大調制高頻功放高頻放大混頻中頻放大解調音頻或視頻功放本地振蕩高頻放大倍 頻高頻振蕩圖圖 6.5.1 混頻電路原理圖混頻電路原理圖 非線性器 件帶 通濾波器本 地振蕩器us(t)ui(t)ul(t)6.5.1混頻原理及特點混頻原理及特點fsfl|pfl q fs|fl - fs圖圖 6.5.2 普通調幅信號混頻頻譜圖普通調幅信號混頻頻譜圖

3、(a) 混頻前；混頻前； (b) 混頻后混頻后fcfl(a)(b)ffi fl fcf 1. 信號和本振產生的組合頻率干擾信號和本振產生的組合頻率干擾|pflqfc|=fif例如例如, 當當fc=931 khz, fl=1396 khz, fi=465khz時時, 對應于對應于p=1, q=2的組合頻率分量為的組合頻率分量為:|1396-2931|=466khz=465khz+1khz (6.5.2) 6.5.2混頻干擾混頻干擾 2. 一個外來干擾和本振產生的組合頻率干擾一個外來干擾和本振產生的組合頻率干擾 若外來干擾和本振產生的無用組合頻率分量滿足若外來干擾和本振產生的無用組合頻率分量滿足

4、|pflrfn1|=fi p、 r=0, 1, 2, (6.5.3) 1) 中頻干擾。中頻干擾。 2) 鏡頻干擾。鏡頻干擾。 圖6.5.3 鏡頻位置示意圖 flfcfn1fifif 3.兩個外來干擾和本振產生的組合頻率干擾兩個外來干擾和本振產生的組合頻率干擾 | flrfn1sfn2|=fi (6.5.4)其中其中r=1, s=2和和r=2, s=1 兩個組合頻率分量影響最大兩個組合頻率分量影響最大, 由于由于r+s=3, 故稱為三階互調干擾。故稱為三階互調干擾。 -fn1+2fn2=fc2fn1-fn2=fc(6.5.5)交調干擾有兩個特點交調干擾有兩個特點: 一是當信號消失一是當信號消失,

5、 即即us=0, 則它也消失；則它也消失；二是能否產生交調干擾與外來干擾的頻率無關二是能否產生交調干擾與外來干擾的頻率無關, 只取決只取決于此外來干擾能否順利通過混頻電路之前的選頻網絡。于此外來干擾能否順利通過混頻電路之前的選頻網絡。 若設若設u=us+ul+un, 在輸出電流表達式中在輸出電流表達式中, 偶次方項均會產生偶次方項均會產生中頻分量中頻分量, 其中四次方項其中四次方項a4u4產生的中頻分量為產生的中頻分量為3a4usu2nulcos 2(fl-fc)t。 4 外來干擾和信號、外來干擾和信號、 本振產生的交叉調制干擾本振產生的交叉調制干擾 5 .包絡失真和強信號阻塞干擾包絡失真和強

6、信號阻塞干擾 在式在式(6.5.1)中中, 若設若設u=us+ul, 則在輸出電流表達式中則在輸出電流表達式中, 電壓電壓偶次方項均會產生中頻分量。其中二次方項產生的振幅為偶次方項均會產生中頻分量。其中二次方項產生的振幅為a2usul, 四次方項產生的振幅為四次方項產生的振幅為 可見可見, 實實際中頻分量振幅并非與信號振幅際中頻分量振幅并非與信號振幅us成正比。成正比。us越大越大, 失真越嚴失真越嚴重。因為重。因為us就是已調波的包絡就是已調波的包絡, 所以稱此為包絡失真。所以稱此為包絡失真。若若us太大太大, 包絡失真太嚴重包絡失真太嚴重, 使晶體管進入飽和區(qū)或截止使晶體管進入飽和區(qū)或截止

7、區(qū)區(qū), 則無法將調制信號解調出來則無法將調制信號解調出來, 通常稱這種現(xiàn)象為強信號阻塞通常稱這種現(xiàn)象為強信號阻塞干擾。干擾。 )(23334slsluuuua 6 減小或避免混頻干擾的措施減小或避免混頻干擾的措施 從以上分析可知從以上分析可知, 產生混頻干擾的根本原因是器件的非線性特產生混頻干擾的根本原因是器件的非線性特性?；祛l干擾又可分成兩類性?；祛l干擾又可分成兩類, 一類是由于非線性特性產生了眾多一類是由于非線性特性產生了眾多無用組合頻率分量而引起的無用組合頻率分量而引起的, 另一類是由于非線性特性產生了一另一類是由于非線性特性產生了一些受外來干擾控制或與調制信號不成線性關系的有用頻率分量

8、而些受外來干擾控制或與調制信號不成線性關系的有用頻率分量而引起的。引起的。 針對混頻干擾產生的具體原因針對混頻干擾產生的具體原因, 可以采取以下三個方面可以采取以下三個方面的措施來減小或避免。的措施來減小或避免。 圖6.5.4 二次混頻接收機組成方框圖 高 頻 放 大第 一 混 頻第 一 中 放第 二 混 頻第 二 中 放解 調第 一 本 振第 二 本 振u(t)fl1fl2fcfi1 fl1 fc 10.7 mhzfi2 fl2 fi1 455 khz (1) 選擇合適的中頻。選擇合適的中頻。 (2) 提高混頻電路之前選頻網絡的選擇性提高混頻電路之前選頻網絡的選擇性, 減少進入混頻電減少進入

9、混頻電路的外來干擾路的外來干擾, 這樣可減小交調干擾和互調干擾。對于鏡頻可這樣可減小交調干擾和互調干擾。對于鏡頻可采用陷波電路將它濾掉。采用陷波電路將它濾掉。 (3) 采用具有平方律特性的場效應管、采用具有平方律特性的場效應管、 模擬乘法器或利用模擬乘法器或利用平衡抵消原理組成的平衡混頻電路或環(huán)形混頻電路平衡抵消原理組成的平衡混頻電路或環(huán)形混頻電路, 可以大可以大大減少無用組合頻率分量的數目大減少無用組合頻率分量的數目, 尤其是靠近有用頻譜的無尤其是靠近有用頻譜的無用組合頻率分量用組合頻率分量, 從而降低了各種組合頻率干擾產生的可能從而降低了各種組合頻率干擾產生的可能性。性。 6.5.3 混頻

10、器的性能指標混頻器的性能指標 混頻器的主要性能指標有混頻器的主要性能指標有混頻增益混頻增益、 噪聲系數噪聲系數、 隔離度隔離度和和兩項線性指標兩項線性指標。 1. 混頻增益混頻增益 混頻增益定義為混頻器輸出中頻信號與輸入信號大小之比，混頻增益定義為混頻器輸出中頻信號與輸入信號大小之比， 有電壓增益和功率增益兩種，通常用分貝數表示。有電壓增益和功率增益兩種，通常用分貝數表示。 2. 噪聲系數噪聲系數 混頻器的噪聲系數定義為混頻器輸入信噪功率比和輸出中混頻器的噪聲系數定義為混頻器輸入信噪功率比和輸出中頻信號噪聲功率比的比值，頻信號噪聲功率比的比值， 也是用分貝數表示的。也是用分貝數表示的。 由于混

11、頻器處于接收機前端，由于混頻器處于接收機前端， 因此要求它的噪聲系數很小。因此要求它的噪聲系數很小。 3. 隔離度隔離度 隔離度是指三個端口（輸入、本振和中頻）相互之間的隔隔離度是指三個端口（輸入、本振和中頻）相互之間的隔離程度，即本端口的信號功率與其泄漏到另一個端口的功率之離程度，即本端口的信號功率與其泄漏到另一個端口的功率之比。比。 例如，例如， 本振口至輸入口的隔離度定義為本振口至輸入口的隔離度定義為 )(lg10db號功率泄露到輸入口的本振信本振口的本振信號功率 顯然，顯然， 隔離度應越大越好。隔離度應越大越好。 由于本振功率較大，由于本振功率較大， 故本振故本振信號的泄漏更為重要。信

12、號的泄漏更為重要。 4. 1 db壓縮點功率和三階互調截點功率壓縮點功率和三階互調截點功率i=a0+a1u+a2u2+a3u3+a4u4+ （6.5.1） 理想混頻器輸出的中頻信號振幅應該和輸入已調波信號理想混頻器輸出的中頻信號振幅應該和輸入已調波信號的振幅成正比，的振幅成正比， 即混頻增益為常數。即混頻增益為常數。由由6.5.2節(jié)關于包絡失真的分析可知，式（節(jié)關于包絡失真的分析可知，式（6.5.1）中二次）中二次方項產生這一線性關系，方項產生這一線性關系， 而四次方項產生的中頻分量振幅與輸而四次方項產生的中頻分量振幅與輸入信號振幅入信號振幅us 的三次方成正比。的三次方成正比。1 db壓縮點

13、圖壓縮點圖 理想輸出中頻信號功率線理想輸出中頻信號功率線斜率是斜率是1實際輸出中頻信號功率線實際輸出中頻信號功率線增益壓縮增益壓縮（相當于減少了（相當于減少了21%）三階互調截點（三階互調截點（third order intermodulation intercept point）三階互調失真功率線三階互調失真功率線3a4ulu3n/2斜率是斜率是3圖圖6.5.5 混頻器線性性能指標示意圖混頻器線性性能指標示意圖 輸出功率 / dbmoip3輸出 p1db1dbmbpi1pi2apm3輸入 p1dbiip3輸入功率 / dbm p1db和和ip3數值大小與器件非線性特性有直接關系，而且數值大小

14、與器件非線性特性有直接關系，而且三階互調失真在各種混頻非線性失真中是較嚴重的一種，所以三階互調失真在各種混頻非線性失真中是較嚴重的一種，所以這是衡量混頻器線性性能的兩個重要指標。顯然，這兩個指標這是衡量混頻器線性性能的兩個重要指標。顯然，這兩個指標數值越大，數值越大， 表示混頻器的線性工作范圍越寬，線性性能越好。表示混頻器的線性工作范圍越寬，線性性能越好。 作為實例，下面給出混頻器作為實例，下面給出混頻器mc13143的一些主要性能指標。的一些主要性能指標。 mc13143是由模擬乘法器組成的雙平衡混頻器，是由模擬乘法器組成的雙平衡混頻器，電源電壓：電源電壓：1.86.5 v，工作頻帶：直流一

15、直到工作頻帶：直流一直到2.4ghz輸入輸入p1db ：3.0dbmiip3：20dbm。當電源電壓為當電源電壓為3v，輸入信號頻率為，輸入信號頻率為1ghz， 功率為功率為-25 dbm， 本振功率為本振功率為-50.0 dbm， 負載電阻為負載電阻為800時，典型值時，典型值混頻功率增益為混頻功率增益為-2.6db，混頻電壓增益為，混頻電壓增益為9.0 db，噪聲系數為，噪聲系數為14 db， 本振口至輸入口、輸出口的隔離度分別為本振口至輸入口、輸出口的隔離度分別為40db和和33db。 6.5.4 混頻電路混頻電路晶體管混頻電路晶體管混頻電路優(yōu)點：增益高、噪聲低。缺點：混頻干擾大。優(yōu)點：

16、增益高、噪聲低。缺點：混頻干擾大。場效應管混頻電路場效應管混頻電路由于其平方律特性由于其平方律特性, 受混頻干擾小。受混頻干擾小。 二極管平衡和環(huán)行混頻電路二極管平衡和環(huán)行混頻電路結構簡單結構簡單, 噪聲低噪聲低, 受混頻干擾小受混頻干擾小, 工作頻率高工作頻率高(可達近可達近千兆赫千兆赫)。模擬乘法器組成的集成混頻電路模擬乘法器組成的集成混頻電路受混頻干擾小受混頻干擾小, 而且調整容易而且調整容易, 輸入信號動態(tài)范圍較大。輸入信號動態(tài)范圍較大。圖圖 6.5.6 晶體管混頻電路原理圖晶體管混頻電路原理圖 l2uiicuccubb0l1c1ulusc21. 晶體管混頻電路晶體管混頻電路us振幅很

17、小振幅很小, ul振幅較大振幅較大 ic中含有的組合頻率分量為中含有的組合頻率分量為:|nflfc|, n=0, 1, 2 其中中頻電流分量為其中中頻電流分量為:ii= g1uscos 2fit, fi=fl-fc (6.5.6)21上式中上式中us是是us的振幅的振幅, g1是晶體管跨導中的基頻是晶體管跨導中的基頻(fl)分量振幅。分量振幅。 可令式可令式(5.3.2)中中n=1, 1=l, 對對g(t)進行積分而求出進行積分而求出g1, 而跨導而跨導lbbbbtuubecuutuuitgbbbe0)()(,)( 若定義混頻跨導若定義混頻跨導 , 即中頻電流振幅即中頻電流振幅ii與輸入信號與

18、輸入信號振幅振幅us之比之比, 則有則有: sicuig 121ggc 若若l2c2回路總諧振電導為回路總諧振電導為g, 則可以求得混頻電壓增益則可以求得混頻電壓增益 ggugiuuacssuc11(6.5.7)(6.5.8)1000 pucc2200 pc6c75/15 pc8l42200 p1.5 k0.01 6.8 kl2l122 p7/270 p27 k5/15 pl3l5圖 6.5.7 晶體管變頻器 變頻器的優(yōu)點是電路簡單變頻器的優(yōu)點是電路簡單, 節(jié)省元器件節(jié)省元器件, 缺點是本振頻率缺點是本振頻率容易受信號載頻的牽引容易受信號載頻的牽引, 無法兼顧使振蕩與混頻都處于最佳工無法兼顧使

19、振蕩與混頻都處于最佳工作狀態(tài)作狀態(tài), 且一般工作頻率不高。且一般工作頻率不高。 )(4)(3)(2)(342321)(tuatuatuaauitgbbbbtuubecbbbbbe例例 6.4在圖在圖6.5.3所示晶體管混頻電路中所示晶體管混頻電路中, 已知本振電壓已知本振電壓ul=ulmcoslt,且且ulus,晶體管轉移特性為晶體管轉移特性為,輸出回路諧振電阻輸出回路諧振電阻是是r, 求混頻跨導求混頻跨導gc和混頻電壓增益和混頻電壓增益auc。 解：解： 先求時變跨導先求時變跨導g(t), 然后再根據式然后再根據式(5.3.2)對對g(t)積分積分, 求出求出g(t)傅里葉展開式中的基波振幅

20、傅里葉展開式中的基波振幅g1, 再由式再由式(6.5.7)和和(6.5.8)得到得到gc和和auc。因為。因為44332210bebebebecuauauauaai所以tdttuatuatuaagllbbbbbb)cos()(4)(3)(213423211lmlmbbcuuauauaaggbb242402212363210 將將ubb(t)=ubb0+ulmcos lt代入代入, 得到得到g1=(2a2+6a3ubb0+12a4u2bb0+3a4u2lm)ulm由此可求得由此可求得:ruuauauaargggalmlmbbccucbb242403223630圖 6.5.8 二極管平衡混頻電路原

21、理圖 ululi1rlii2usv2u2u1v1usul2 .二極管混頻電路二極管混頻電路u1=ul+usu2=ul-usus ul故根據故根據kvl可寫出兩個回路電壓方程分別為可寫出兩個回路電壓方程分別為0)()()(0)()()(12211211ldlslldlslriiritkuuriiritkuu,costuucssi中頻率分量中頻率分量., 2 , 1|,) 12(|nnclc和其中中頻電流分量為其中中頻電流分量為trruicllds)cos()2(21其中其中,rd是二極管導通電阻是二極管導通電阻.兩方程相減兩方程相減,得得ldlsrrtkuii2)(2112tnntknn1111

22、1) 12cos() 12(2) 1(21)(圖 6.5.9 二極管環(huán)形混頻電路原理圖 ululi4rlus2v3v4i4 i3i3(b)ululiulrlv4v3v2v1usus1us2112211(a)abcdi3i4i2i1雙平衡雙平衡(環(huán)形環(huán)形)混頻電路混頻電路ldlsrrtkuii2)(2134)(22)()(222113412tkrrutktkrruiiiiilldslllds(6.5.11)所以，通過所以，通過rl的總電流為的總電流為 i中組合頻率分量中組合頻率分量|(2n-1)lc|, n=1, 2, 3, 。其中中頻電流分量為其中中頻電流分量為 trruiclldsi)cos

23、()2(4(6.5.12) 平衡混頻電路與環(huán)形混頻電路輸出的無用組合頻率分量均平衡混頻電路與環(huán)形混頻電路輸出的無用組合頻率分量均比晶體管混頻電路少比晶體管混頻電路少, 而環(huán)形電路比平衡電路還要少一個而環(huán)形電路比平衡電路還要少一個c分量分量, 且增益加倍。且增益加倍。 【例【例 6.5】 在圖例在圖例6.5（a）所示二極管平衡電路原理圖中，）所示二極管平衡電路原理圖中， u1和和u2是輸入信號，是輸入信號，uo是輸出信號。若采用此電路進行普通調是輸出信號。若采用此電路進行普通調幅、幅、 雙邊帶調幅和同步檢波，雙邊帶調幅和同步檢波， u1和和u2各應該是什么信號？各應該是什么信號？ 負負載載zl1

24、、zl2各應該采用什么形式元件？各應該采用什么形式元件？ 試寫出有關表達式。試寫出有關表達式。 圖例6.5 i1i211i2(b)i1cci2rruo1uo2uo(c)u1u1u2i1i2zl1zl2uo(a)解：解：（1）普通調幅）普通調幅u1載波信號載波信號,u2是調制信號，是調制信號，u2 u1 則有則有 u1=ucm cosct， u2=u（t）i1=gd(u1+ u2)k1(ct)i2= gd(u1+ u2)k1(ct -) 所以 tttugtugtkugugtktkugtktkugiiiccdccmdcddccdccd3cos34cos4)(cos)()()()()(2211121

25、1121（2）雙邊帶調幅）雙邊帶調幅u1是調制信號是調制信號,u2是載波信號，是載波信號，u1 u2tttugtkugiiitkuugitkuugiccdcdcdcd3cos32cos221)(2)(2)()()()(112112121211所以 （3）同步檢波）同步檢波u1是雙邊帶調幅波是雙邊帶調幅波, u1 =ku（t） cosctu2是本地載波，是本地載波， u2 =urm cosctu1 u2tttuttkugtkuugicccrmcdcd3cos32cos221coscos)()()(1211其中，低頻分量為其中，低頻分量為 ，k是比例系數。從而，是比例系數。從而， 同理可求得同理可

26、求得 )(tukgd)(1turkgudo)(2turkgudo所以 )()(221tuturkguuudooo 考慮到負載電壓的反饋作用，考慮到負載電壓的反饋作用， 上述三種情況下實際輸出上述三種情況下實際輸出要比計算值小。要比計算值小。 3. 模擬乘法器組成的混頻電路模擬乘法器組成的混頻電路 圖圖6.5.10是由是由mc1596組成的混頻電路。本振和已調波信組成的混頻電路。本振和已調波信號分別從號分別從x、y通道輸入通道輸入, 中頻信號中頻信號(9mhz)由由腳單端輸出后腳單端輸出后的的型帶通濾波器中取出。調節(jié)型帶通濾波器中取出。調節(jié)50k電位器電位器, 使使、腳直流腳直流電位差為零。電位

27、差為零。 圖 6.5.10 mc1496組成的混頻電路 mc14965150 k0.001 ul8 v6.8 k1 k8 v10 k10 k510.001 us0.001 511 k100 100 0.001 ui(rl50 )580 p90480 p0.01 9.5 23810141451266.6.1倍頻原理及用途倍頻原理及用途 倍頻電路輸出信號的頻率是輸入信號頻率的整數倍倍頻電路輸出信號的頻率是輸入信號頻率的整數倍, 即倍頻即倍頻電路可以成倍數地把信號頻譜搬移到更高的頻段。所以電路可以成倍數地把信號頻譜搬移到更高的頻段。所以, 倍頻電倍頻電路也是一種線性頻率變換電路。路也是一種線性頻率變

28、換電路。 實現(xiàn)倍頻的原理有以下幾種：實現(xiàn)倍頻的原理有以下幾種： 利用晶體管等非線性器件產生輸入信號頻率的各次諧波利用晶體管等非線性器件產生輸入信號頻率的各次諧波分量分量, 然后用調諧于然后用調諧于n次諧波的帶通濾波器取出次諧波的帶通濾波器取出n倍頻信號。倍頻信號。 6.6 倍倍 頻頻 將輸入信號同時輸入模擬乘法器的兩個輸入端進行自身線性相乘, 則乘法器輸出交流分量就是輸入的二倍頻信號。比如,若輸入是單頻信號,則輸出)2cos1 (2coscos211tkututkuukuucmcmcmo 利用鎖相倍頻方式進行倍頻, 在第8章第8.5節(jié)將具體進行討論。 倍頻電路在通信系統(tǒng)及其它電子系統(tǒng)里均有廣泛的應用, 以下僅舉幾例: 對振蕩器輸出進行倍頻, 得到更高的所需振蕩頻率。 這樣, 一則可以降低主振的振蕩頻率, 有利于提高頻率穩(wěn)定度; 二則可以大大提高晶振的實際輸出頻率, 因為晶體受條件的限制不可