通信电子线路_Sec6-All
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通信电子线路
大连理工大学 电子科学与技术学院 夏书峰 2012.11.09
夏书峰201211
混频器的应用
降频：电视机、收音机
接收45-900M信号，放大器增益与频率有关
升频：卫星上行，窗口频率、背景噪声
900MHz 7~12GHz
窗口：宽带仪器（信号分析仪、矢网仪） 分析带宽受限
3Hz 110G1.05THz，带宽160M/1GHz
14
夏书峰201211
三、混频器组成
混频器框图
(1) 高频信号输入电路：LC调谐回路，中心频率调谐 在输入高频信号频率fS上；
夏书峰201211
15
(2) 本机振荡器（本地振荡器）：LC、晶振或其它， 产生频率稳定、等幅的正弦振荡，频率f0； (3) 非线性器件：二、三极管等，实现频率变换； (4) 中频滤波器（频率选择电路）：LC或其它带通滤 波器，中心频率调谐在中频频率fi = f0-fS上 ・ 对比调幅、检波、混频过程，均为频谱搬移的非线 性过程，其基本特征：(1)都含有非线性器件，完成 频率变换； (2)都含有滤波器，但滤波器形式不同。
中周（中频变压器）－含有 多种标准谐振频率的变压器， 频率可微调，广泛应用于超 外差无线电设备。
夏书峰201211
8
把高频变为固定频率的中频，其好处在于：
(1) 工作在较低频率：
f 0 y fe PP 1 2 y fe g Au 0
更少的级联级数就能获得同样的增益，有利于提 高接收机灵敏度和稳定性。 (2) 接收外部信号频率变化时，中频放大器谐振频率 固定，不必重新进行调谐： 为获得合适的增益（如160dB），有些接收机采 用7级中放级联，并可加入自动增益控制AGC电 路，对不同电平的信号采用不同增益。
uL U L 1 0.3cos 2 103 t cos 2 107 t V
输入两个等幅波，输出是调幅波，则电路是： 二极管调幅器，各信号为： u1是载波信号： f1 107 Hz u2是调制信号： f 2 F 103 Hz
夏书峰201211
19
输入一个高频等幅波和另一个（高频）等幅波， 而输出是低频等幅波，则电路是： 叠加型差拍检波器，U2>>U1，且f2比f1高（或低） 一个音频频率，因此：
f 2 f1 F 107 103 Hz
夏书峰201211
18
(2)
u1 U1 cos 2 107 t V u2 U 2 cos 2 f 2t V
夏书峰201211
12
i a0 a1u a2u 2
1 1 2 a0 a2U S a2U 02 a1U S cos S t a1U 0 cos 0t 2 2 直流分量 信号基频 本振基频 1 1 2 2 a2U 0 cos 20t a2U S cos 2S t 2 2 本振二次谐波 信号二次谐波
夏书峰201211
16
例6.1 已知电压表达式：
u1 U1 cos 2 107 t V u2 U 2 cos 2 f 2t V
3 u U cos 2 10 t V 若：(1) L L
(2) uL U L 1 0.3cos 2 103 t cos 2 107 t V
iC IC 0 I C1 cos 0t IC 2 cos 20t g0 g1 cos 0t g 2 cos 20t U S cos S t
上式展开后，其中的差频（ω0-ωS）对应中频信号：
1 ・中频电流： ii g1U S cos 0 S t Ii cos it 2 1 Ii g1U S ——中频电流振幅 2
可调谐振回路
夏书峰201211
f S 720KHz, f0 720 465 KHz fi 465KHz f S 882 KHz, f 0 882 465 KHz fi 465KHz
7
同轴可调电容（双联、四联） －多个可调电容，能同轴 联动，广泛用于超外差式 接收机。现代数字调谐接 收机使用变容二极管代替 机械可调电容。
ui ii R p a2U 0U S R p cos i t U i cos i t
其中：中频电压振幅 Ui =a2U0USRp ・ 可见 U i U S 混频输出电压与输入电压呈线性关系 若输入是一个已调波，将US换为 U S 1 m cos t 依然是线性关系，故混频前后调制规律不变，只是 载波频率发生变化。
夏书峰201211
22
二、晶体管混频器定量分析
晶体管混频器原理电路如上图，输入高频信号uS、本 振u0、直流偏置Vbb，加在晶体管be结上。be结相当 于二极管，具有非线性，输出电流中必然含有输入 各信号的谐波和组合频率分量，其中存在ωi = ω0 - ωS 这样的频率分量，对应中频信号成分。集电极负载 采用LC调谐回路，选出所需的中频信号。
谐振
增益>250,000倍，需要 ? 级谐振放大器，失谐将 严重影响接收机灵敏度，调谐繁琐。此外：
夏书峰201211
5
放大器工作频率高会有一些局限性：
(1) 晶体管正向传输导纳与工作频率有关：
f 0 y fe PP 1 2 y fe g Au 0 灵敏度
采用多级调谐放大器级联可提高增益，但频率改 变时多级放大器同时调谐很困难。 (2) 若QL一定，工作在高频率，通频带变大 ：
t
be Vb
等效集电极电流
晶体管时变跨导
be Vb
df ube 令 g t dube u
t
f ube u
be Vb
t
be Vb
t
—— 晶体管时变跨导 表示输入电压uS对等效集 电极电流的控制能力
f ube u
夏书峰201211
be Vb
跳频：跳频电台（蓝牙、ZigBee、GSM） 避开干扰频段
夏书峰201211
2
Chapter6 混频器(Mixer)
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
夏书峰201211
混频器工作原理 晶体管混频器 二极管混频器 混频器的干扰 统一调谐
3
混频器是超外差式接收机和很多无线电接收、测量 设备的重要组成部分，用于把接收机输入回路接收 到的高频信号变成某一固定频率的中频信号，其位 置介于高放与中放之间。 中频(IF：Intermediate Frequency) 频率介于输入高频 信号与解调后的低频信号的频率之间，中是相对的 AM广播中频： fi 465 KHz f S 535 ~ 1605KHz
ui U i 1 m cos t cos i t
夏书峰201211
10
由频谱可见，混频前后： (1)调制规律不变：输入等幅波，输出也为等幅波； 输入调幅波，输出也为调幅波；对调频、调相等 调制方式同样成立； (2)混频也是频谱搬移过程，将调制信号由高频频 谱搬移到中频频谱。
夏书峰201211
f S 88 ~ 108MHz 电视图像中频： fi 37 MHz AM 伴音中频： fi 30.5 MHz FM
FM广播中频： fi 10.7 MHz 某雷达接收机： fi 30 MHz
夏书峰201211
4
为何现代接收机要用混频器和中频？
直放式接收机
21
6.2 晶体管混频器
一、电路组态 根据高频信号输入和本振信号注入位置的不同，晶 体管混频电路有如下4种组态形式。
fi uS u0 (2)
信号源对交流相当于短路，因此对uS而言，(2)、(3) 中的u0相当于短路，分别构成的是共e、共b电路。 负载回路采用LC调谐回路，中心频率调谐在中频 fi= f0 -fS上。(2)形式电路较为常用，uS、u0 、ui位于 不同端口，互相干扰小。
f 2 f1 f i 107 465 103 Hz
通过本题比较二极管调幅器、检波器、混频器异同
夏书峰201211
20
Chapter6 混频器(Mixer)
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
夏书峰201211
混频器工作原理 晶体管混频器 二极管混频器 混频器的干扰 统一调谐
夏书峰201211
26
1 ・中频电压： ui g1U S Rp cos 0 S t U i cos it 2 1 U i g1U S Rp ——中频电压振幅 2
夏书峰201211
23
・ 设输入信号 uS U S cos S t 本振信号 u0 U 0 cos 0t ・ 将混频器看作一个小信号放大器，输入信号uS，输 出信号ui，时变偏置电压用Vb(t)表示：
Vb t u0 Vbb U 0 cos 0t Vbb
Байду номын сангаас
晶体管be结电压ube：
ube uS Vb t
• 利用三极管转移特性iC=f(ube)，在时变偏置电压Vb(t) 处展开泰勒级数，取前二项可得：
夏书峰201211
24
iC a0 a1u f ube u
be Vb t
df ube dube u
f ube u
uS
夏书峰201211
9
6.1 混频器的工作原理
一、波形和频谱
uS
载频fS
ui
中频fi = f0-fS
ωSt
ωit
US
1 mU S 2 1 mU S 2
U
1 mU i 2 1 mU i 2
0
ωS-
ωS ωS+
ω
0
ω0
ω
uS U S 1 m cos t cos S t
u0 U 0 cos 0t
f0 2f 0.7 f0 QL
外界干扰进入带内机会增加，抗干扰性变差。
夏书峰201211
6
Edwin H. Armstrong，1918年发明
超外差式接收机 Superheterodyne Radio Receiver
固定谐振回路 fi
f0=fS+fi ,混频后得到频率恒为fi 的中频信号， 换台时无需重新调谐各中频回路。
4 (3) u L U L cos 93 10 t V
画出满足上述条件的原理电路图，并指出滤波器应 采用何种类型，计算频率f2=?
夏书峰201211
17
(1)
例6.1解：
u1 U1 cos 2 107 t V u2 U 2 cos 2 f 2t V
uL U L cos 2 103 t V
t
和g(t)波形都是非余弦形式，(课本P277)
25
用付氏级数展开：
f ube u
be Vb t
I C 0 I C1 cos 0t I C 2 cos 20t
g t g0 g1 cos 0t g 2 cos 20t
则混频器电流：
11
二、定性分析 输入信号 uS U S cos S t 本振信号 u0 U 0 cos 0t 要求U0>>US，且ω0> ωS（ ω0> ωS称外差） 非线性器件两端电压
u uS u0 U S cos S t U 0 cos 0t
将流过非线性器件的电流用麦克劳林级数在原点 处展开，取二次三项：
(3) u U cos 2 107 t V 1 1
u2 U 2 cos 2 f 2t V u L U L cos 93 10 4 t V U L cos 2 465 103 t V
输入两个等幅波，输出是中频等幅波，则电路是： 二极管混频器，信号频率为：
a2U 0U S cos 0 S t cos 0 S t
和频
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差频
13
其中的差频信号是关心的频率分量，对应中频信号：
ii a2U 0U S cos 0 S t I i cos i t
其中：中频电流振幅Ii =a2U0US，中频频率ωi=ω0-ωS ・ 采用LC带通滤波器做混频器负载，对中频频率呈现 谐振电阻Rp，则输出中频电压为：
大连理工大学 电子科学与技术学院 夏书峰 2012.11.09
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混频器的应用
降频：电视机、收音机
接收45-900M信号，放大器增益与频率有关
升频：卫星上行，窗口频率、背景噪声
900MHz 7~12GHz
窗口：宽带仪器（信号分析仪、矢网仪） 分析带宽受限
3Hz 110G1.05THz，带宽160M/1GHz
14
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三、混频器组成
混频器框图
(1) 高频信号输入电路：LC调谐回路，中心频率调谐 在输入高频信号频率fS上；
夏书峰201211
15
(2) 本机振荡器（本地振荡器）：LC、晶振或其它， 产生频率稳定、等幅的正弦振荡，频率f0； (3) 非线性器件：二、三极管等，实现频率变换； (4) 中频滤波器（频率选择电路）：LC或其它带通滤 波器，中心频率调谐在中频频率fi = f0-fS上 ・ 对比调幅、检波、混频过程，均为频谱搬移的非线 性过程，其基本特征：(1)都含有非线性器件，完成 频率变换； (2)都含有滤波器，但滤波器形式不同。
中周（中频变压器）－含有 多种标准谐振频率的变压器， 频率可微调，广泛应用于超 外差无线电设备。
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8
把高频变为固定频率的中频，其好处在于：
(1) 工作在较低频率：
f 0 y fe PP 1 2 y fe g Au 0
更少的级联级数就能获得同样的增益，有利于提 高接收机灵敏度和稳定性。 (2) 接收外部信号频率变化时，中频放大器谐振频率 固定，不必重新进行调谐： 为获得合适的增益（如160dB），有些接收机采 用7级中放级联，并可加入自动增益控制AGC电 路，对不同电平的信号采用不同增益。
uL U L 1 0.3cos 2 103 t cos 2 107 t V
输入两个等幅波，输出是调幅波，则电路是： 二极管调幅器，各信号为： u1是载波信号： f1 107 Hz u2是调制信号： f 2 F 103 Hz
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19
输入一个高频等幅波和另一个（高频）等幅波， 而输出是低频等幅波，则电路是： 叠加型差拍检波器，U2>>U1，且f2比f1高（或低） 一个音频频率，因此：
f 2 f1 F 107 103 Hz
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18
(2)
u1 U1 cos 2 107 t V u2 U 2 cos 2 f 2t V
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12
i a0 a1u a2u 2
1 1 2 a0 a2U S a2U 02 a1U S cos S t a1U 0 cos 0t 2 2 直流分量 信号基频 本振基频 1 1 2 2 a2U 0 cos 20t a2U S cos 2S t 2 2 本振二次谐波 信号二次谐波
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例6.1 已知电压表达式：
u1 U1 cos 2 107 t V u2 U 2 cos 2 f 2t V
3 u U cos 2 10 t V 若：(1) L L
(2) uL U L 1 0.3cos 2 103 t cos 2 107 t V
iC IC 0 I C1 cos 0t IC 2 cos 20t g0 g1 cos 0t g 2 cos 20t U S cos S t
上式展开后，其中的差频（ω0-ωS）对应中频信号：
1 ・中频电流： ii g1U S cos 0 S t Ii cos it 2 1 Ii g1U S ——中频电流振幅 2
可调谐振回路
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f S 720KHz, f0 720 465 KHz fi 465KHz f S 882 KHz, f 0 882 465 KHz fi 465KHz
7
同轴可调电容（双联、四联） －多个可调电容，能同轴 联动，广泛用于超外差式 接收机。现代数字调谐接 收机使用变容二极管代替 机械可调电容。
ui ii R p a2U 0U S R p cos i t U i cos i t
其中：中频电压振幅 Ui =a2U0USRp ・ 可见 U i U S 混频输出电压与输入电压呈线性关系 若输入是一个已调波，将US换为 U S 1 m cos t 依然是线性关系，故混频前后调制规律不变，只是 载波频率发生变化。
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22
二、晶体管混频器定量分析
晶体管混频器原理电路如上图，输入高频信号uS、本 振u0、直流偏置Vbb，加在晶体管be结上。be结相当 于二极管，具有非线性，输出电流中必然含有输入 各信号的谐波和组合频率分量，其中存在ωi = ω0 - ωS 这样的频率分量，对应中频信号成分。集电极负载 采用LC调谐回路，选出所需的中频信号。
谐振
增益>250,000倍，需要 ? 级谐振放大器，失谐将 严重影响接收机灵敏度，调谐繁琐。此外：
夏书峰201211
5
放大器工作频率高会有一些局限性：
(1) 晶体管正向传输导纳与工作频率有关：
f 0 y fe PP 1 2 y fe g Au 0 灵敏度
采用多级调谐放大器级联可提高增益，但频率改 变时多级放大器同时调谐很困难。 (2) 若QL一定，工作在高频率，通频带变大 ：
t
be Vb
等效集电极电流
晶体管时变跨导
be Vb
df ube 令 g t dube u
t
f ube u
be Vb
t
be Vb
t
—— 晶体管时变跨导 表示输入电压uS对等效集 电极电流的控制能力
f ube u
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be Vb
跳频：跳频电台（蓝牙、ZigBee、GSM） 避开干扰频段
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Chapter6 混频器(Mixer)
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
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混频器工作原理 晶体管混频器 二极管混频器 混频器的干扰 统一调谐
3
混频器是超外差式接收机和很多无线电接收、测量 设备的重要组成部分，用于把接收机输入回路接收 到的高频信号变成某一固定频率的中频信号，其位 置介于高放与中放之间。 中频(IF：Intermediate Frequency) 频率介于输入高频 信号与解调后的低频信号的频率之间，中是相对的 AM广播中频： fi 465 KHz f S 535 ~ 1605KHz
ui U i 1 m cos t cos i t
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10
由频谱可见，混频前后： (1)调制规律不变：输入等幅波，输出也为等幅波； 输入调幅波，输出也为调幅波；对调频、调相等 调制方式同样成立； (2)混频也是频谱搬移过程，将调制信号由高频频 谱搬移到中频频谱。
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f S 88 ~ 108MHz 电视图像中频： fi 37 MHz AM 伴音中频： fi 30.5 MHz FM
FM广播中频： fi 10.7 MHz 某雷达接收机： fi 30 MHz
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为何现代接收机要用混频器和中频？
直放式接收机
21
6.2 晶体管混频器
一、电路组态 根据高频信号输入和本振信号注入位置的不同，晶 体管混频电路有如下4种组态形式。
fi uS u0 (2)
信号源对交流相当于短路，因此对uS而言，(2)、(3) 中的u0相当于短路，分别构成的是共e、共b电路。 负载回路采用LC调谐回路，中心频率调谐在中频 fi= f0 -fS上。(2)形式电路较为常用，uS、u0 、ui位于 不同端口，互相干扰小。
f 2 f1 f i 107 465 103 Hz
通过本题比较二极管调幅器、检波器、混频器异同
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20
Chapter6 混频器(Mixer)
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
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混频器工作原理 晶体管混频器 二极管混频器 混频器的干扰 统一调谐
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26
1 ・中频电压： ui g1U S Rp cos 0 S t U i cos it 2 1 U i g1U S Rp ——中频电压振幅 2
夏书峰201211
23
・ 设输入信号 uS U S cos S t 本振信号 u0 U 0 cos 0t ・ 将混频器看作一个小信号放大器，输入信号uS，输 出信号ui，时变偏置电压用Vb(t)表示：
Vb t u0 Vbb U 0 cos 0t Vbb
Байду номын сангаас
晶体管be结电压ube：
ube uS Vb t
• 利用三极管转移特性iC=f(ube)，在时变偏置电压Vb(t) 处展开泰勒级数，取前二项可得：
夏书峰201211
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iC a0 a1u f ube u
be Vb t
df ube dube u
f ube u
uS
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6.1 混频器的工作原理
一、波形和频谱
uS
载频fS
ui
中频fi = f0-fS
ωSt
ωit
US
1 mU S 2 1 mU S 2
U
1 mU i 2 1 mU i 2
0
ωS-
ωS ωS+
ω
0
ω0
ω
uS U S 1 m cos t cos S t
u0 U 0 cos 0t
f0 2f 0.7 f0 QL
外界干扰进入带内机会增加，抗干扰性变差。
夏书峰201211
6
Edwin H. Armstrong，1918年发明
超外差式接收机 Superheterodyne Radio Receiver
固定谐振回路 fi
f0=fS+fi ,混频后得到频率恒为fi 的中频信号， 换台时无需重新调谐各中频回路。
4 (3) u L U L cos 93 10 t V
画出满足上述条件的原理电路图，并指出滤波器应 采用何种类型，计算频率f2=?
夏书峰201211
17
(1)
例6.1解：
u1 U1 cos 2 107 t V u2 U 2 cos 2 f 2t V
uL U L cos 2 103 t V
t
和g(t)波形都是非余弦形式，(课本P277)
25
用付氏级数展开：
f ube u
be Vb t
I C 0 I C1 cos 0t I C 2 cos 20t
g t g0 g1 cos 0t g 2 cos 20t
则混频器电流：
11
二、定性分析 输入信号 uS U S cos S t 本振信号 u0 U 0 cos 0t 要求U0>>US，且ω0> ωS（ ω0> ωS称外差） 非线性器件两端电压
u uS u0 U S cos S t U 0 cos 0t
将流过非线性器件的电流用麦克劳林级数在原点 处展开，取二次三项：
(3) u U cos 2 107 t V 1 1
u2 U 2 cos 2 f 2t V u L U L cos 93 10 4 t V U L cos 2 465 103 t V
输入两个等幅波，输出是中频等幅波，则电路是： 二极管混频器，信号频率为：
a2U 0U S cos 0 S t cos 0 S t
和频
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差频
13
其中的差频信号是关心的频率分量，对应中频信号：
ii a2U 0U S cos 0 S t I i cos i t
其中：中频电流振幅Ii =a2U0US，中频频率ωi=ω0-ωS ・ 采用LC带通滤波器做混频器负载，对中频频率呈现 谐振电阻Rp，则输出中频电压为：