混频器

3.3 混频失真与干扰 3.3.2失真与干扰的抑制
•
•
变工作状态，减少混频的高次谐波分量。 3) 从电路结构上考虑，采用多个非线性器件构成平 衡混频电路，抵消一部分无用的组合频率分量； 4) 采用补偿及负反馈技术实现接近理想的相乘运算。
• 消除或减少互易混频干扰的方法： • 1) 采用线性度较好的混频器 • 2) 提高本振信号频谱纯度
当射频输入端口有多个干扰信号fm1、fm2同时进入时， 每个干扰信号与本振作用的组合频率并不等于中频， 但可能会产生如下式的组合频率分量：
[(rf m1 sf m2 ) f LO ] f IF
这些频率分量使混频器的输出中频失真。它是由 非线性器件的(r+s+1)次方产生的。与线性放大器 一样，这种由两个干扰信号互相作用而产生的干 扰称为互调失真
•变频压缩是指本振功率不变，中频输出功率随着射频 输入功率的增长而线性增加，其转换增益为常数。
PIF(dBm) 1dB
1dB 压缩点
PRF(dBm)
3.4 混频器的主要指标 ——隔离度
•混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离， 包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频 之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄 漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位为 dB。

2
t

2
t 2
v 二极管开关工作状态 K1 (t ) RD 1 2 2 其中, K1 (t ) cos(t ) cos(3t ) ..., 为单向开关函数 2 3
• 二极管的大信号开关等效电
路
3.5.1
D K1(ωt) RD
无源混频器
iD RL uo
3.3 混频失真与干扰 ——本振和射频的组合频率干扰
•射频信号与本振的组合频率 f = pfL qfR，n = p + q， 若组合频率接近接收中频附近，就会对接收机产生 干扰。 •这类干扰是指在本振或是在射频信号频率上下对称 分布。影响最大的是三阶组合干扰频率，即 fL 2fR 或 2fL fR 。 •产生这种干扰的原因是混频器的非线性或由于本振 信号的频谱不纯，含有丰富的谐波成份，产生了这 种组合频率的干扰。
3.3 混频失真与干扰 3.3.1 失真与干扰的种类
•镜像频率（Images） 即使是理想的下混频器，若有一个射频输入信号fR 和一个干扰信号fIMG = fR ＋2fI，与本振混频后可 能产生频率相同的中频信号： fL - fR = fI = fIMG - fL 上式中产生两个中频信号，由干扰信号所产生的中频 信号称为镜频，用fIMG表示。
3.3 混频失真与干扰 ——互易混频（Reciprocal Mixing）
理想振荡器 输出频谱 实际振荡器 输出频谱
fL
fR fR
f
fI fI fL
fL
f 互易混频 输出频谱
• 消除或减少交调、互调干扰的方法： • 1) 采用线性度好的混频器，选择合适静态工作点； • 2) 降低射频信号输入幅度，使混频器工作在线性时
3.2 混频原理 3.2.2 混频原理(时域)
•混频器为三端口器件。 •混频器有两个输入端：分别为射频（ RF）与本振（LO, Local Oscillator）信号，一个输出端：中频（IF, Intermediate Frequency）。 •中频频率fI可以有两种关系式表达 上变频
下变频
3.2 混频原理 3.2.2 混频原理(频域)
3.5.1
无源混频器
• 通常由非线性器件或开关元件构成，电路简单。 • 不能提供变频增益，作为下变频的接收机电路
为了得到更小的噪声系数，在前级一般要加 LNA，由此会引起更多的互调失真。
• 无源混频器的变压器通常会限制混频器的最高
工作频率，从而影响带宽，且集成度差，体积 较大。
3.5.1 无源混频器
其中
f 1 d f (u ) an n n! du u U
n
Q
(n)
(U Q )
n!
n! nm m (u1 u2 ) u1 u2 m 0 m!(n m)!
n
n
n! nm m i anu1 u2 n 0 m 0 m!(n m)!

n
当m=1,n=2, 有i = 2a2u1u2
|± pfL±fR |
1 1 iIF (t ) U Rm cos(RF LO )t |fR ± fL| RD RL
•泄露形成原因是混频器内部电路的不对称性
3.4 混频器的主要指标——三阶互调阻 断点(IP3, Third Order Intercept Point)
•三阶互调阻断点是一个理论上的外推值，是表征混 频器线性性能的重要指标 。 它是由混频器非线性特性中的三次方项产生的2f1f2或2f2-f1组合干扰频率信号，再与本振混频后位 于中频带内的干扰，当三阶互调干扰分量增长到 和中频基波分量相等时，混频器输入信号称为混 频器的输入IP3。 IP3越大，则表明混频器的线性动态范围越宽，本 振功率不同，IP3的值也不同。通常混频器产品的 IP3指标是规定在标准本振功率下的参数
•代入电流表达式 i = i0(u1) +g(u1)u2，得
i ( I 0 I1m cos1t I 2m cos 21t ) ( g 0 g1 cos1t g 2 cos 21t )U 2m cos2t I 0 I1m cos1t I 2m cos 21t g 0U 2m cos2t g1U 2m cos1t cos2t g 2U 2m cos 21t cos2t
• 混频器的变频增益Gc定义为在本振功率PLO不变的 情况下，负载获得的最大中频功率PIF与射频输入 功率PRF之比的对数，即
PIF (W ) Gc 10 log PRF (W ) P
(dB )
常 数
LO
• 若变频增益Gc > 0，则混频器有增益；反之为损耗。
3.4 混频器的主要指标 ——变频压缩（Conversion compression）
3.2.2 混频原理 ——线性时变工作状态下的混频器
•把i = f (UQ + u1 + u2)在(UQ + u1)上对 u2 Taylor展开
i f (U Q u1 u2 ) 1 '' 2 f (U Q u1 ) f (U Q u1 )u2 f (U Q u1 )u2 2!
H ( )
3.3 混频失真与干扰 ——镜像频率的产生
I I
0
R
L I

输入到混频器的射频信号 与镜频干扰信号频谱
H ( )
本振信号频谱
0
H ( )
L

混频结果

L
2 L I
0 L R
3.3 混频失真与干扰 ——互相调制（Inter Modulation）
3.3 混频失真与干扰 ——互相调制（Inter Modulation）
• r和s的值越小，相应产生的寄生中频分量的
幅度越大，互调失真就越严重
• 其中以r+s＝3最为严重，它由混频器非线
性器件的4次方项产生
• 三阶互调干扰的信号频率与射频信号频率
之间满足2fm1-fm2≈fRF或2fm2-fm1≈fRF
uL(t) uR(t) D iD RL uo
uL(t)
uR(t)
RF直通
U Rm cos(Rt ) U Rm 1 2 2 iD K1 (Lt ) cos(Rt ) [ cosLt cos3Lt ] RD RL RD RL 2 3
流经二极管的电流iD为
3.4 混频器的主要指标——三阶互调阻 断点(IP3, Third Order Intercept Point)
PIF(dBm) OIP3
信 三阶 号 互调 1: 产物 1 3:1
IP3
所 需
IP3是规定在标准 本振功率下的参数。
线 性
IIP3
PRF(dBm)
3．4混频器的主要指标——端口隔离度
•二极管或三极管等电路的非线性特性可以用幂级数来表
示。当输入端同时作用着两个输入电压时，其表示式为：
i f (u ) a0 a1u a2u 2 a3u 3 anu n a0 a1 (u1 u2 ) a2 (u1 u2 ) 2 a3 (u1 u2 )3 an (u1 u2 ) n
i iD(t)
u g gD u u
-π/2
π/2
π
ωLt
g(t)
-π/2
π/2
π
ωLt
ULm ωLt
单二极管混频电路
二极管的大信号开关工作状态
3.5.1 无源混频器
• 加在二极管上的信号电压幅度足够大，二极管的 伏安特性可近似用从原点出发的斜直线表示
•若
v Vm cos t

Vm cos t 则 iD RD 0 即 iD
混频器 低噪声 放大器 中频 滤波 中放 解调 功放
本振
3.2 混频原理
•混频器是一种频率变换器件，理想混频器是把两输 入信号在时域中相乘：
和频，上变频
差频，下变频
•取出和频为上变频（Up-conversion）； •取出差频为下变频（Down-conversion） •必须通过滤波器滤除不需要的频率成分。
3.2 混频原理 ——线性时变工作状态下的混频器
•线性时变工作时产生的组合频率分量的频率通式为 |±pω1± ω2| ; •当两个信号u1和u2同时作用于一个非线性电路时， 若u1的幅度足够大，u2的幅度足够小，则输出电流i 与u2成线性关系，而系数g1(u1)为时变参量，这种工 作状态为线性工作状态，而u1为时变控制信号。在 下面讨论的所有混频器电路中，都设计成这种工作 状态。
'
•若u2足够小，简化为
i f (UQ u1 ) f ' (UQ u1 )u2 I 0 (u1 ) g (u1 )u2
• i与u2是线性关系，但它们的系数是时 变，即线性时变工作状态。
3.2.2 混频原理 ——线性时变工作状态下的混频器
•当u1 = U1mcosω1t 时，u2=U2mcosω2t时，g(u1)将是角 频率为ω1的周期性函数，Fourier级数展开式为 g (u1 ) g (U1m cos1t ) g0 g1 cos1t g2 cos21t
混频器
张宾宾
• 3.1 引言 • 3.2 混频原理 • 3.3 混频失真与干扰 • 3.4 混频器的主要指标 • 3.5 混频器电路结构 • 3.6 混频器的级联
3.1 引 言
•混频器（mixer）是通信系统的重要组成部分，用 于在所有的射频和微波系统进行频率变换。 •这种频率变换应该是不失真的，原载频已调波的调 制方式和所携带的信息不变。 •在发射系统中，混频器用于上变频；在接收系统中 一般用作下变 频。
•从频域角度来看，混频是一种频谱的线性搬移，输出IF 与输入RF的频谱结构相同。
H ( R )
射频信号
R
R
0 H ( L )
本振信号
L
0
H ( I )
L

R L
L | L R |
0
| L R |
混频输出
L R L

3.2 混频原理——非线性电路的混频功能
3.4 混频器的主要指标
•变频增益或损耗（Conversion Gain or Loss） • •变频压缩点（Conversion compression） •三阶互调阻断点（IP3, Third Order Intercept
Point）
•端口隔离度（LO与RF，LO与IF，RF与IF）
3.4 混频器的主要指标——变频增益或损耗 （Conversion Gain or Loss）
•LO与RF、LO与IF、RF与IF之间的隔离;
表3.4.1 典型的混频器主要参数
指标名称 增益 NF IIP3 输入阻抗 端口间隔离
数值 10dB 12dB +5dBm 50 30-40dB
3． 5
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混频器电路结构
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下混频器都设计成为线性时变工作状态。 混频电路类型
I. 无源混频器 1) 单二极管混频电路 2) 二极管平衡混频电路 3) 双平衡类型的二极管环形混频器 II. 有源混频器 1) 三极管混频电路 2) 单平衡混频电路 3) 吉尔伯特单元(Gilbert Cell)混频电路