混频器的设计

课程设计

课设题目： 混频器的设计

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成 绩：

电子与信息工程学院

线路

高频 课程设计报告

混频器的设计

摘要

模拟相乘器的主要技术指标是工作象限、线性度和馈通度。工作象限是指容许输入变量的符号范围。只容许ux和uy均为正值的相乘器称为一象限的,而容许ux和uy都可以取正、负值的则称为四象限的。线性度是指相乘器的输出电压u O与输入电压ux(或uy)成线性的程度。馈通度是指两个输入信号中一个为零时，另一个在输出端输出的大小。

混频是将载波为高频的已调信号，不失真地变换为载波为中间的已调信号，必须保持

①调制类型，调制参数不变，即原调制规律不变。

②频谱结构不变，各频率分量的相位大小，相互间隔不变

混频是将已调波中载波频率变换为中频频率，而保持调制规律不变的频率变换过程。

f I = f L - f C 或f I = f L+f C （其中f I表示中频频率，f L表示本振频率，f C表示载波频率。一般取差频）

在通信接收机中, 混频电路的作用在于将不同载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频(一般称为中频)的高频已调波信号, 而保持其调制规律不变。例如, 在超外差式广播接收机中, 把载频位于535 kHz～1605kHz中波波段各电台的普通调幅信号变换为中频为465kHz的普通调幅信号, 把载频位于88 MHz～10.8MHz的各调频台信号变换为中频为10.7MHz的调频信号, 把载频位于四十几兆赫至近千兆赫频段内各电视台信号变换为中频为38 MHz的视频信号。

由于设计和制作增益高, 选择性好, 工作频率较原载频低的固定中频放大器比较容易, 所以采用混频方式可大大提高接收机的性能。此设计就是利用仿真软件，采用模拟相乘器实现混频电路的。

关键词：模拟相乘器；混频电路

高频电子线路课程设计评分标准

评分项目得分

报告书写及格式具有题目、摘要、目录、正文、参考文献（5分）

正文格式，图、表、参考文献引用等正确，排版美观（5分）

基础原理

报告中是否体现被仿真系统的原理以及原理框图（5分）

仿真目的，仿真方法，仿真结果的意义表述清楚（5分）

M文件仿真做出信源，调制信号，解调信号波形（10分）

仿真参量丰富（如对频谱，信噪比，误码率等的分析），仿真波形直观。（10分）

Simulink仿真是否实现设计功能，各个模块的设计参数是否清晰（10分）框图直观，有对不同参数条件下的仿真对比及结论（10分）

仿真参量丰富（如对频谱，信噪比，误码率等的分析），仿真波形直观。（10分）

答辩是否存在抄袭（10分）

对所仿真系统原理的提问回答情况（10分）对仿真过程提问的回答情况（10分）

总分

目录

摘要 (2)

第一章模拟乘法器 (5)

1.基本概念 (5)

2.传输特性 (6)

第二章混频器 (6)

第三章混频电路 (8)

第四章仿真 (9)

第五章设计总结 (11)

参考文献 (12)

第一章 模拟乘法器

1. 基本概念

含义：可实现任意两个互不相关模拟信号相乘的三端口的非线性电子器件

（A M 为相乘增益，亦称比例系数或标尺因子）

模拟乘法器是一种完成两个模拟信号（连续变化的电压或电流）相乘作用的电子器件，通常具有两个输入端和一个输出端，电路符号如图1所示。

若输入信号为x u , y u ,则输出信号o u 为：

o u =k y u x u (k 为乘法器的增益系数或标尺因子，单位为V 1-.)

根据两个输入电压的不同极性，乘法输出的极性有四种组合，如图2所示的工作象限来说明。

若信号x u 、y u 均限定为某一极性的电压时才能正常工作，该乘法器称为单象限乘法器；若信号x u 、y u 中一个能适应正、负两种极性电压，而另一个只能适应单极性电压，则为二象

I

(+) (+)=(+)

II

(-) (+)=(-) III (-) (-)=(+) IV (+) (-)=(-)

图2模拟乘法器的工作象限

U x

图1模拟乘法器电路符号

U y

U o

K

0M 12v v v =+A

限乘法器；若两个输入信号能适应四种极性组合，称为四象限乘法器。

一个理想的乘法器中，其输出电压与在同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。

对于一个理想的乘法器，当x u 、y u 中有一个或两个都为零时，但在实际乘法器中，由于工作环境、制造工艺及元件特性的非理想性，当0=x u ，0=y u 时，0≠o u ，通常把这时的输出电压称为输出失调电压；当0=x u ，0≠y u （或0=y u ，0≠x u ）时，0≠o u ，这是由于y u （或x u ）信号直接流通到输出端而形成的，称这时的输出电压为y u （或x u ）的输出馈通电压。输出是调电压和输出馈通电压越小越好。此外，实际乘法器中增益系数K 并不能完全保持不变，这将引起输出信号的非线性失真，在应用时需加注意。

2．传输特性

① 直流和低频传输特性

零输入响应 ：零输入状态时，是非零的输出，存在误差电压（输出失调电压和馈通误差电压）

直流传输特性 （一个输入为直流时） 平方律特性 （V1=V2） ② 非线性传输特性 ③ 正弦信号传输特性

第二章 混频器

混频是将已调波中载波频率变换为中频频率，而保持调制规律不变的频率变换过程。 f I = f L - f C 或f I = f L+f C （其中f I 表示中频频率，f L 表示本振频率，f C 表示载波频率。一般取差频）

图3是混频电路组成原理图。混频电路的输入是载频为f c 的高频已调波信号u s (t)和频率为f L 的本地正弦波信号(称为本振信号)u L (t), 输出是中频为f I 的已调波信号u I (t)。通常取f I =f L -f c 。以输入是普通调幅信号为例,若u s (t)=U cm ［1+m a u Ω(t)］cos2πf c t, 本振信号为u L (t)=U Lm cos2πf L t, 则输出中频调幅信号为u I (t)=U Im ［1+m a u Ω(t)］cos 2πf I t 。可见, 调幅信号频谱从中心频率为f c 处平移到中心频率为f I 处, 频谱宽度不变, 包络形状不变。 图4是相应的频谱图。

图4中（a ）混频前（b ）混频后

中频调幅波上下边带与原调幅波上下边带是倒置的 本地振荡信号为高频等幅波

虽然混频电路与调幅电路、检波电路同属于线性频率变换电路, 但它却有两个明显不同的特点:

① 混频电路的输入输出均为高频已调波信号。由前几节的讨论可知, 调幅电路是将低频调制信号搬移到高频段, 检波电路是将高频已调波信号搬移到低频段, 而混频电路则是将已调波信号从一个高频段搬移到另一个高频段。

② 混频电路通常位于接收机前端, 不但输入已调波信号很小, 而且若外来高频干扰信号能够通过混频电路之前的选频网络, 则也可能进入混频电路。选频网络的中心频率通常是输入已调波信号的载频。

混频电路中的非线性器件对于实现频谱搬移这一功能是必不可少的。 但是另一方面, 其非线性特性不但会产生许多无用的组合频率分量, 给接收机带来干扰, 而且会使中频分量的振幅受到干扰, 这两类干扰统称为混频干扰。它们都会使有用信号产生失真。由于以上两个特点, 混频电路的干扰来源比其它非线性电路要多一些。 分析这些干扰产生的

f c f L

f (a) (b)

f I = f L -f c

图4

图3混频电路原理图 C L C c L I L C I C

f f f f

f f f f f f f f ?-?=+=?

-?? 或 >>

具体原因, 提出减小或避免干扰的措施, 是混频电路讨论中的一个关键问题。

第三章混频电路

图11 MC1496构成的混频电路

上图为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1496完成。本实验中输入信号频率为fS＝10MHz(由DDS信号发生器输出)，实验箱自己提供的信号源作为本振信号，其频率fL＝16.465MHz。

为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压VS和本振电压VL外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。干扰影响最大的是中频干扰和镜象干扰。

MC1496采用双电源+12V，-12V供电。R12，R13组成平衡电路，J7为本振信号输入端；J8为接收信号输入端；F2为中心频率为4.5MHz带通滤波器。输入信号频率f

s

=4.5MHZ,本振

频率f

L =8.7MHZ。电路的作用是将中心频率为f

s

的信号，变换为中心频率为f

I

的信号。电

路的基本工作过程是，接收到的频率为f

s 的信号和频率为f

L

的本振信号分别加到非线性集

成模拟相乘器的两个相乘端，相乘的结果经过晶体滤波器，选出其中的f

I

信号，实现了频率变换的功能。

第四章仿真

电路仿真如下：

显示输出得到双边带的调幅波波形，及调幅波的频谱。

第五章设计总结

这次课程设计我们按照课程设计上的程序下一步一步完成，先复习混频电路的原理，然后选择电路，计算关键元件的值，学习Multisim的使用，最后连线调试出预期的混频和滤波效果。

在做开题报告时我对混频的认识只限于基本原理和理论---在通信接受机中，混频电路的作用在于将不同载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频（中频）的高频已调波信号。调幅信号频谱宽度不变，包络形状不变。正式开始设计后，在对电路的实现中，我先学习了Multisim软件的使用，这个虚拟电子实验室可以仿真各种电路。应用过程中我发现这个软件确实功能强大，操作简单，可以免去直接用硬件做实验带来的各种麻烦。而且这个软件是英文版的，使我的专业英语的词汇量大大增加。同时对设计格式的严格要求，也让我掌握了WORD 的一些高级编辑技巧。

在搭设电路的过程中，我对混频电路有了进一步的认识，将理论知识加入实际设计当中去，更加加深了我对理论知识的理解和认识。在设计过程中曾遇到高频干扰，输出波形失真相当严重，经过同学的帮助，失真现象有了明显的改善，最终得到比较理想的结

果。

一周月的课程设计中遇到过各种困难，有学习软件时的困难，有调试时的学术问题。同学的帮助下，终于克服了困难。从中我学习到遇到问题时怎么分析问题，解决问题，如何分清主次。课程设计使我获益良多，它将很好地衔接理论与实际的工作

参考文献

[1]《Mlutisim电路设计及仿真入门与应用》郑步生，吴渭主编

[2]《EDA技术基础》郭勇，许戈，刘豫东主编

[3]《高频电子技术》张义芳主编

[4]《高频电路实验与仿真》李新春陈俊霏主编