混頻器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用(論文)

1、混頻器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用一 選題的意義 混頻器在通信工程和無線電技術(shù)中，應(yīng)用非常廣泛，在調(diào)制系統(tǒng)中，輸入的基帶信號(hào)都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號(hào)。在解調(diào)過程中，接收的已調(diào)高頻信號(hào)也要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換，變成對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)。特別是在超外差式接收機(jī)中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如AM 廣播接收機(jī)將已調(diào)幅信號(hào)535KHZ-一1605KHZ要變成為465KHZ中頻信號(hào)，電視接收機(jī)將已調(diào)485M一870M 的圖象信號(hào)要變成38MHZ的中頻圖象信號(hào)。移動(dòng)通信中一次中頻和二次中頻等。在發(fā)射機(jī)中，為了提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，采用多級(jí)式發(fā)射機(jī)。用一個(gè)頻率較低石英晶體振蕩器做為主振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)頻率非常穩(wěn)定的主振蕩信號(hào)，然后經(jīng)

2、過頻率的加、減、乘、除運(yùn)算變換成射頻，所以必須使用混頻電路，又如電視差轉(zhuǎn)機(jī)收發(fā)頻道的轉(zhuǎn)換，衛(wèi)星通訊中上行、下行頻率的變換等，都必須采用混頻器。由此可見，混頻電路是應(yīng)用電子技術(shù)和無線電專業(yè)必須掌握的關(guān)鍵電路。二 總體方案對(duì)于混頻電路的分析，重點(diǎn)應(yīng)掌握，一是混頻電路的基本組成模型及主要技術(shù)特點(diǎn)，二是混頻電路的基本原理及混頻跨導(dǎo)的計(jì)算方法，三是應(yīng)用電路分析?；祛l電路的基本組成模型及主要技術(shù)特點(diǎn)：混頻，工程上也稱變頻，是將信號(hào)的頻率由一個(gè)數(shù)值變成另一個(gè)數(shù)值的過程，實(shí)質(zhì)上也是頻譜線性搬移過程，完成這種功能的電路就稱為混頻電路或變頻電路?；祛l電路的組成模型及頻譜分析圖a是混頻電路的組成模型，可以看出是由三

3、部分基本單元電路組成。分別是相乘電路、本級(jí)振蕩電路和帶通濾波器(也稱選頻網(wǎng)絡(luò))。當(dāng)為接收機(jī)混頻電路時(shí)，其中us(t)是已調(diào)高頻信號(hào)。U1(t)是等幅的余弦型信號(hào)，而輸出則是U i(t)為中頻信號(hào)?；祛l電路的基本原理： 圖2中，Us(t)為輸入信號(hào)，Uc(t)為本振信號(hào)。ui(t)輸出信號(hào)。分析：當(dāng)Us(t)=Usmcosstuc(t)=Ucmcosct則Up(t)=Us(t)*Uc(t)= U sm cos·stUcm cosct= Am cosst*cosct其中：Am=Usm*Ucm對(duì)上式進(jìn)行三角函數(shù)的變換則有Up(t1=Am cosst*cosct：l2Am cos(c+s)t

4、+COS(c一s)t從上式可推出，Up(t)含有兩個(gè)頻率分量和頻為(c+S)，差頻為(C一S)。若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想上邊帶濾波器則輸出為Ui(t)=12Amcosc+s t若選頻網(wǎng)絡(luò)是理想下邊帶濾波器則輸出：Ui(t)=12Amcosc一st工程上對(duì)于超外差式接收機(jī)而言，如廣播電視接收機(jī)則有c >>S往往混頻器的選頻網(wǎng)絡(luò)為下邊帶濾波器，則輸出為差頻信號(hào)，Ui(t)= 12Amcosc一St為接收機(jī)的中頻信號(hào)。衡量混頻工作性能重要指標(biāo)是混頻跨導(dǎo)。規(guī)定混頻跨導(dǎo)的計(jì)算公式：混頻跨導(dǎo)g：輸出中頻電流幅度偷入信號(hào)電壓幅度。三 各部分的設(shè)計(jì)及原理分析1 乘法器的設(shè)計(jì)和原理在工程上常用的混頻電路有三

5、極管、場(chǎng)效應(yīng)管集成模擬乘法器。我們以模擬乘法器混頻電路為例分析，以掌握基本原理及分析方法：在數(shù)?；旌想娐分?，時(shí)鐘反饋和電荷的注人是模擬電路設(shè)計(jì)的最嚴(yán)重的噪聲，是數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)的難題，而FDCC II能有效地抑制偶次諧波和不需要的共模信號(hào)，提高信號(hào)輸人的線性范圍，非常適合數(shù)?；旌螴c設(shè)計(jì)的構(gòu)造模塊，因此，F(xiàn)DCC II受到越來越多設(shè)計(jì)者的關(guān)注。其電路符號(hào)如圖1所示，端口特性可用如下混合矩陣方程表示：式(1)表明，當(dāng)Vy3=Vy =0時(shí)，V+ V- FDCC的CMOS實(shí)現(xiàn)電路基本四象限模擬乘法器根據(jù)FDCC II的端口特性，由兩個(gè)FDCC II和MG1、MG2組成一個(gè)四象限模擬乘法器，如圖所示?；?/p>

6、四象限模擬乘法器實(shí)現(xiàn)電路 1MOS管MG1、MG2接在FDCC 11的x+和x一端且工作在電阻區(qū)，根據(jù)MOS管的電流方程，有I = 2K(Vcs VT)VDs 0.5VDS*VDS當(dāng)MOS管工作在電阻區(qū)時(shí)，VGs>VT，但 Vds 值很小，此時(shí)，括號(hào)中的第2項(xiàng)可以忽略，將得到：I = 2K(Vcs VT)Vcs成立的條件為VDS <<（VCS-VT）。為了擴(kuò)展模擬乘法器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，在Yl和Y2端接入一個(gè)VC ，以保證MOS管MG1、MG2工作在電阻區(qū)。對(duì)圖中的FDCC IIB和MG2，由式(13)、式(14)和式(16)可得：，D2=，x+=4K(VG2一 VT)( lV

7、y2) Ia2 = 4K(Vc2 Vc VT)(VY1 VY2)由于，Ia2和Ia2的電流都流過MG1，因此，對(duì)圖3中的FDCC 1IA和MG1，有Iol=4K(VGlVG2)( YlVY2)表明由兩個(gè)FDCC II和兩個(gè)MOS管MG1、MG2完成了一個(gè)四象限模擬乘法器，但由于MG1、MG2工作在電阻區(qū)，所以信號(hào)線性輸入范圍較小，于是在信號(hào)輸入端引入有源衰減器。有源衰減器為了在較低的工作電壓下保持較大的線性輸入范圍，在信號(hào)輸入端引入有源衰減器。2 本振源的設(shè)計(jì)ADF4217L是一款低功耗電流型雙頻頻率合成器，能夠同時(shí)提供射頻中頻兩個(gè)頻率，它包含一個(gè)低噪聲的數(shù)字鑒相器，一個(gè)精確電荷泵，可編程的參

8、考分頻器，AB計(jì)數(shù)器和一個(gè)雙模預(yù)分頻器，AB計(jì)數(shù)器和雙模分頻器PP+1共同實(shí)現(xiàn)N分頻，即N=PB+A，14位的參考計(jì)數(shù)器R 實(shí)現(xiàn)鑒相器輸入端可選擇的參考輸入。壓控振蕩器的輸出頻率Fvco由下式確定：Fvco= (PB+A) *FrefR，F(xiàn)ref是輸入的參考晶振頻率。所設(shè)計(jì)的頻率源應(yīng)用在一無線系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要兩個(gè)頻率，165MI-Iz和750MI-Iz， 其中165MHz由ADF4217L的IF提供，750MI-Iz由其RF提供，如下圖：ADI SinlPLL 20提供了使用ADF系列鎖相頻合器的集成環(huán)境，可以對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行配置，仿真，并直接給出所指定的環(huán)路濾波器的元件參數(shù)。大大簡化了相關(guān)計(jì)算。

9、3 帶通濾波器設(shè)計(jì)原理數(shù)字帶通濾波器的主要參數(shù)包括階數(shù)、濾波器類型、兩個(gè)截止頻率等。高階濾波器的阻帶衰減特性很好，但是，階數(shù)高了之后難以實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于有源濾波器來說，基波和主要諧波的頻率相隔比較大，所以對(duì)阻帶衰減率的要求不是很高，選用2階濾波器就可以滿足條件；又因?yàn)锽utterworth濾波器在通帶內(nèi)特性較平，而且實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，經(jīng)綜合考慮后，選用2階Butterworth帶通濾波器。濾波器截止頻率的選取和品質(zhì)因數(shù)Q密切相關(guān)。Q越大，對(duì)諧波衰減越快，經(jīng)帶通濾波器提取出的基波分量越精確；但是，Q越大，帶寬越小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度會(huì)越慢，還會(huì)使數(shù)字濾波器的參數(shù)相差倍數(shù)過大，將增高對(duì)字長的要求。帶通濾波器

10、的通帶寬度BW= 0(2Q)= f0Q。,f0 是系統(tǒng)中心頻率。這里我們Q取在5左右，使得帶寬大概在10Hz左右。選取兩個(gè)截止頻率分別為45Hz和556 Hz。這里要注意的是，由于帶通濾波器的幅頻特性的不對(duì)稱性，中心頻率并不是兩個(gè)截止頻率的平均值。兩個(gè)截止頻率的選取標(biāo)準(zhǔn)是保證50 Hz中心頻率的相移為0并且幅值沒有衰減。根據(jù)上面的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出濾波器傳遞函數(shù)為濾波器的幅頻和相頻特性如圖所示：不、 帶通濾波器相頻特性曲線 帶通濾波器幅頻特性曲線 四 參數(shù)的計(jì)算和選擇頻譜器的主要技術(shù)特點(diǎn)：混頻增益KpcKpc= PiPs或Kpc=101ogPiPs(dB)Pi 代表混頻器輸出中頻信號(hào)功率。Ps 代表輸

11、入信號(hào)的功率。Kpc的大小與混頻電路的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，若對(duì)于二極管混頻電路而言Kpc<l，對(duì)于由三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和模擬乘法器構(gòu)成的混頻電路則Kpc>1。 噪聲系數(shù)NF：由于采用了有源器件進(jìn)行混頻，所以電路內(nèi)部存在噪聲而且輸出信噪比總是小于輸入信噪比，噪聲系數(shù)總是大于1NF=輸入信號(hào)功率偷入噪聲功率÷輸出信號(hào)功率偷出噪聲功率=Si/Ni ÷SoNo NF越大，說明電路內(nèi)部噪聲越大，NF越小則說明電路內(nèi)部噪聲越小。在理想情況下，電路內(nèi)部無噪聲則NF=1?；祛l失真與干擾由于有源器件的非線性。則在混頻過程中，存在著組合頻率干擾，而這種干擾往往是伴隨著有用信號(hào)，因此嚴(yán)重的影

12、響了混頻器正常工作，因此而采取措施抑制組合干擾。另外混頻器的失真分為頻率失真和非線性失真，此失真也將影響混頻器正常工作，必須加以降低。選擇性：選擇性是指混頻器的輸出選擇有用中頻信號(hào)而濾除干擾信號(hào)的能力。此參數(shù)主要是由帶通濾波器的性能決定的。所以在混頻電路中帶通濾波器也稱選頻網(wǎng)絡(luò)，選擇性是由選擇網(wǎng)絡(luò)Q值來決定。五 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用若以常規(guī)AM 變頻為例，若：Us(t)：Ao+f（t)COS0 tU1(t) C0S1t則Up(t)=Ao+f(t)cost*coslt=12Ao+f(t)COS(c+1)t+cos(c一1)t若BPF是下邊帶濾波器則輸出：Ui(t)=0.5Ao+f(t)cos(c一1)

13、t則實(shí)現(xiàn)了頻率的變換。對(duì)應(yīng)的頻譜分析為3應(yīng)用電路分析如圖3摩托羅拉手機(jī)CD928系列接收電路混頻器電路圖。此混頻電路是由分立元件組成的。在移動(dòng)通信中，常需要使信號(hào)從一個(gè)頻率變換成另外一個(gè)頻率，以滿足電路的要求。要完成此任務(wù)，就必須采用昆頻電路。在移動(dòng)通信接收機(jī)中，混頻電路是一個(gè)核心電路。從圖電路形式看，要進(jìn)行混頻，須通過元件參數(shù)的設(shè)置，使VT460工作在三極管的非線性區(qū)域。電阻R462、R461、R468構(gòu)成了VT460偏置電路。該電路的形式是一典型分壓偏置共射電路。由IA61、CA70、C463、L465組成選頻網(wǎng)絡(luò)?；祛l電路有兩個(gè)信號(hào)輸人端，GSM 是射頻輸人信號(hào)，DCs是本機(jī)振蕩信號(hào)輸人

14、，若GSM 輸入頻率為fl，DCS信號(hào)頻率為f2經(jīng)VT460非線性混頻?？傻弥饕l率為f2+f1和f2一f1經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻可得f2一fl。則稱為移動(dòng)電話的中頻信號(hào)。不同的手機(jī)接收機(jī)中混頻器有所不同。有超外差一次變頻，有超外差二次變頻機(jī)。如圖4是摩托羅拉一次變頻機(jī)，如圖5是諾基亞3210二次變頻接收機(jī)。六 結(jié)論 致謝 混頻器的設(shè)計(jì)有三部分，乘法器，本振器和濾波器組成，其中乘法器是主要部分，有它產(chǎn)生分頻信號(hào)，再通過濾波器得到基波信號(hào)?；祛l器在通信工程和無線電技術(shù)中，應(yīng)用非常廣泛，在調(diào)制系統(tǒng)中，輸入的基帶信號(hào)都要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換變成高頻已調(diào)信號(hào)。在解調(diào)過程中，接收的已調(diào)高頻信號(hào)也要經(jīng)過頻率的轉(zhuǎn)換，變成對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)。特別是在超外差式接收機(jī)中，混頻器應(yīng)用較為廣泛，如AM 廣播接收機(jī)將已調(diào)幅信號(hào)535KHZ-一1605KHZ要變成為465KHZ中頻信號(hào)，電視接收機(jī)將已調(diào)485M一870M 的圖象信號(hào)要變成38M