混频器交调产物分析和预测

号。理想的系统具有极好的选择性，只允许有用信号通过并得到处理，而干扰信号被
良好地抑制，在系统输出端不会产生任何响应。但实际情况并非如此，复杂的电磁环
境中存在各种频率信号，这些信号都会被接收天线感应并进入系统前端。为了避免这
些信号对有用信号形成干扰，必须认真进行系统的频率规划和中频选择，使落入中频
的干扰组合尽量少，并且使能形成低阶组合干扰的干扰频率落在接收系统带外一定距
混频器是三端口器件，分别是输入端口、本振端口和中频端口，为表达方便，用 fO 代表本振信号， fS 代表调谐信号， fI 代表中频信号，则有
fI = ± pfO ± qfS ，（其中 p 和 q 为正整数） （1） 上式表示混频器的中频输出包含输入信号和本振信号的各次谐波的线性组合。通常 情况下，我们仅需要其中一种频率，差频 fI = fO − fS 或和频 fI = fO + fS ，对其他的输 出频率分量需要用滤波器进行抑制。 在进行射频或微波无线通信系统设计时，需要对混频器的交调产物频率进行详细的 分析和预测，细心选择变频方案和中频频率，使落入中频带内的交调频率分量尽量少， 而且其阶次尽量高，电平过大的干扰落入带内会使系统的效能大大降低。预测混频器 的交调产物有多种方法，但其原理都是利用等式 1 进行适当的变形，从而使干扰频率 点的计算和判断变得容易。下文对几种常用方法进行了说明，分析了不同方法的优点 和缺点，并编写了相应的程序对曲线图进行了进一步的处理，使干扰的分析更加简单 和直观，大大提高了干扰预测的效率。
器抑制。一般情况下， q <4 的频率需要重点考虑。
第二类是在使用低中频时需要考虑 fn = fSR * q 的频率，如果该频率信号在宽带射频 前端的带内，就会直接和本振信号的谐波混频产生中频干扰。对于这些频率必须使用
预选器进行抑制。
带外组合干扰预测
这类干扰频率位于接收频带之外，大多数情况下都可以使用滤波器进行足够的抑
y = x 相交的直线则代表能形成带内干扰的（ p , q ）组合，交点处代表受干扰的频率。
同理，当调谐信号满足 fS − fO = fI 时，干扰频率满足式 9。
fN fI
=
1 q
⎡ ⎢ ⎣
p
fS fI
+ ( p ±1)⎤⎥
⎦
=
p q
fS fI
−
p ±1 q
（9）
从等式 8、9 可以看出，随着 p 和 q 的增大，直线的数量众多，在图形上会非常拥
中可以看出在和信号线 F=Fs 相交的组合是（0,3），和表 4 相同。附近的带外干扰有
（1,2），（1,3），（0,2），（2,3），这些干扰线没有和信号线相交，因此可以用预选滤波
器抑制，为了有效抑制干扰，可以采用调谐滤波器或分段滤波器。滤波器的带宽取决
于干扰和信号的距离。
5
图2 图 3 是对低频端干扰距离的估算，可以看出在频带的下限只有 1MHz（1,2）和 1.33MHz （1，3）的距离，需要使用高阶的高通滤波器进行抑制，而在频带的高端，距离计算 见图 4 所示。最小距离为 5.26MHz,即中频的二次分频，从前面的分析可知，该类干扰 影响严重，因此必须对其进行 30dB 以上的衰减。图中 40.5MHz（0,1）表示和中频干扰 的安全距离。
fS
/
f
（-）
I
-
-
-
-
-
-
-
-
000 0
p
1 1 1 2 2 2 2 2 233 3
q
6 7 8 3 4 5 6 7 845 6
fS
/
f
（+）
I
0.4
1/3
2/7
3
3/2
1
3/4 3/5 0.5 4
2 4/3
fS
/
f
（-）
I
0
0
0
1 0.5 1/3 1/4 0.2 1/6 2 1 2/3
p
3 3 4 4 4 4 5 5 566 7
用式 5 表示：
fS = p ±1 ( p > q > 0) fI p − q
不同的 p 和 q 组合如表 2 所示。 表2
p

2
34
5
6
7
q
1
11
1
1
1
fS / fI （+） 3
2 5/3 3/2 7/5 4/3
fS / fI （-） 1
11
1
1
1
p
6
78
4
5
6
q
2
22
3
3
3
fS / fI （+） 7/4 8/5 1.5 5
f SR
=
⎛ ⎜ ⎝
p ±1 p−q
⎞ ⎟ ⎠
fI
（表
2）
现代高性能接收系统中，由于良好的中频选择性设计，这类干扰的影响很小 ，但
有两类干扰需要重点考虑，这两类干扰在设计宽带射频前端时需要详细分析。
第一类是高中频方案中 p =0 的情况，当输入信号的谐波等于中频时，在混频器中
通过谐波失真对中频产生干扰。影响相当严重，这类频率必须尽可能减少或通过预选
⎦
=
p q
fS fI
+
p ±1 q
（8）
设 y = fn / fI , x = fS / fI , k = p / q, b = ( p ±1) / q ，则上式表示两组直线簇，其中每一
条直线对应的 y 的范围代表一个能够对 x 形成干扰的频段。而直线 y = x 则代表接收频
段，通过计算干扰直线和 y = x 的距离就可以判断最近的干扰组合和频率，而与直线
表3
p
4
5
6
7
q
5
6
7
8
fS
/
f
（+）
I
5
6
7
8
fS
/
f
（-）
I
5
6
从数据可以看出，可能的干扰均为高阶干扰，几乎没有什么影响。但由于中频太
低，其镜像频带（ fJ =2 fI + fS ）和接收频带重叠，很难用预选器进行抑制，显然这种 变频方式并不合理，虽然电路简单，但抗干扰能力差。
方案二：为提高抗干扰能力，使用两次变频设计，首先将接收频率外差到一个高中
1
交调频率预测
混频器是一个非线性器件，其输入输出关系可以用下式表示：
eout = k1ein + k2ei2n + k3ei3n + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ +kneinn + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅
（2）
其中 ein = E0 + Asin ω1t + B sin ω2t 表示输入信号，包含直流分量和不同频率的两个信号。
fS = p ±1 fI q − p
（4）
2
不同的 p 和 q 组合如表 1 所示（8 ≥ q > p ≥ 0 ）： 表1
p
0 0 0 0 0 0 0 0 111 1
q
1 2 3 4 5 6 7 8 234 5
fS
/
f
（+）
I
1
0.5 1/3 0.25 0.2 1/6 1/7 1/8
2
1 2/3 0.5
fS
fI
fO
图1 带内组合干扰预测
预测带内干扰时采用计算的方法比较方便，计算简单准确，干扰的判断比较直观。
但用其计算带外干扰并不方便，说明如下。
组合频率干扰是指输入信号的谐波与本振信号的谐波混频产生落入中频通带的干
扰信号，满足等式 1 的 fS 称为带内组合干扰频率。当变频方案满足 fO − fS = fI 时，将 其代入等式 1 变形可得:
4
挤，难以进行精确的计算。如果结合计算的方法进行带内干扰预测，不仅效率高，而
且精确。
设计实例分析
为了更清晰地说明以上方法在实际工作中的应用，现考虑一个具体的接收机的变频
方案设计。该接收机工作频段为 2MHz～30MHz,输出中频为 455kHz。
方案一：使用一次变频实现， fI =455kHz， fS / fI ≈4.3956～65.934，查表 1 可知， 可能的带内组合干扰如表 3 所示。
概述 混频器是射频电路中应用最广泛的器件之一，主要用于对射频频谱进行线性搬移。
实现方式分数字和模拟两种，数字混频是利用数字信号处理技术实现频谱搬移，如数 字上/下变频器。模拟混频器是利用模拟器件的非线性实现频谱搬移，具有电路简单、 工作频带宽等特点，在射频收发电路中极为常见。根据所用器件的不同，模拟混频器 可以分为二极管混频器、场效应管混频器和参量混频器等，根据实现混频的方式，可 以分为单管混频器、平衡混频器、双平衡混频器、镜像抑制混频器和谐波混频器等。 本文论述的交调频率预测方法对各种模拟混频器都适用，但不同种类的混频器对无用 交调产物的抑制度有所不同。
频 70.455MHz，然后再下变频到第二中频 455kHz。此时， fS / fI ≈0.0284～0.426。查 表 1 可知，可能的组合干扰如表 4 所示。干扰几乎都是信号的高次谐波引起，影响很
小，需要考虑的是 p =0， q =3 的组合，对应频率为 23.485MHz。如果为宽带前端，该
频点存在的干扰会影响整个工作频段。 表4
离，能够被预选器抑制。干扰主要分为带内干扰频率和带外干扰频率，这里带内表示
干扰频率落在预选器的通带内。
我们首先建立接收系统前端的通用模型如图 1 所示。该模型是超外差变频设计，包
含预选器、低噪声放大器、衰减器、混频器和中频滤波器，代表了大多数系统的前端
设计。其中 fn 表示带外频率。