信息与通信射频通信电路混频器.pptx

蔡竟业 混频器就是变频器，起着频谱搬移作用混频器就是变频器，起着频谱搬移作用,它是电子通信系统中的重要组成部分之一。它是电子通信系统中的重要组成部分之一。LNA本振本振1(LO1)BPF(2)IF1 Amp(1)BPF(3)解调解调BPF(1)本振本振2(LO2)IF2 Amp(2)二次变频超外差式接收机二次变频超外差式接收机蔡竟业 混频器工作原理就是将射频信号与本振信号混频器工作原理就是将射频信号与本振信号混频器工作原理就是将射频信号与本振信号混频器工作原理就是将射频信号与本振信号相乘，然后再利用滤波器选出相应频率的信号。相乘，然后再利用滤波器选出相应频率的信号。相乘，然后再利用滤波器选出相应频率的信号。相乘，然后再利用滤波器选出相应频率的信号。&6.1&6.1 混频器工作原理混频器工作原理蔡竟业 射频信号射频信号本振信号本振信号蔡竟业 用滤波器选出差频信号用滤波器选出差频信号用滤波器选出差频信号用滤波器选出差频信号下混（变）频器下混（变）频器上混（变）频器上混（变）频器用滤波器选出和频信号用滤波器选出和频信号用滤波器选出和频信号用滤波器选出和频信号 混频器应仅实现频谱的线性搬移混频器应仅实现频谱的线性搬移混频器应仅实现频谱的线性搬移混频器应仅实现频谱的线性搬移,输出信号与输出信号与输出信号与输出信号与输入输入输入输入RFRF信号的频谱结构（已调制谱）相同，不同信号的频谱结构（已调制谱）相同，不同信号的频谱结构（已调制谱）相同，不同信号的频谱结构（已调制谱）相同，不同的是载波频率，因此，变频的是载波频率，因此，变频的是载波频率，因此，变频的是载波频率，因此，变频仅对载波仅对载波仅对载波仅对载波进行。进行。进行。进行。蔡竟业 理想混频器即乘法器，实现时可采用如吉理想混频器即乘法器，实现时可采用如吉理想混频器即乘法器，实现时可采用如吉理想混频器即乘法器，实现时可采用如吉尔伯特乘法器，也可以利用电子器件的非线性尔伯特乘法器，也可以利用电子器件的非线性尔伯特乘法器，也可以利用电子器件的非线性尔伯特乘法器，也可以利用电子器件的非线性来完成相乘。前者动态（幅度）范围较小，故来完成相乘。前者动态（幅度）范围较小，故来完成相乘。前者动态（幅度）范围较小，故来完成相乘。前者动态（幅度）范围较小，故实际中较多的采用后者。实际中较多的采用后者。实际中较多的采用后者。实际中较多的采用后者。混频器的电路模型混频器的电路模型Mixer 要求要求要求要求v vLoLo为大信号，起开关作用，此时混频器为大信号，起开关作用，此时混频器为大信号，起开关作用，此时混频器为大信号，起开关作用，此时混频器表现为非线性器件表现为非线性器件表现为非线性器件表现为非线性器件;v;vRFRF为小信号，混频器表现为线为小信号，混频器表现为线为小信号，混频器表现为线为小信号，混频器表现为线性器件性器件性器件性器件,使输出信号的频谱结构与输入信号相同。使输出信号的频谱结构与输入信号相同。使输出信号的频谱结构与输入信号相同。使输出信号的频谱结构与输入信号相同。蔡竟业 实际非线性器件不具有理想的平方特性实际非线性器件不具有理想的平方特性（乘法功能），因而会产生很多其它不需要（乘法功能），因而会产生很多其它不需要的频率分量，当某些频率分量一旦进入后接的频率分量，当某些频率分量一旦进入后接滤波器的通带，将成为噪声滤波器的通带，将成为噪声,影响电路性能。影响电路性能。解决措施解决措施1.1.选择特性较好的非线性器件及混频信号选择特性较好的非线性器件及混频信号选择特性较好的非线性器件及混频信号选择特性较好的非线性器件及混频信号的大小关系。的大小关系。的大小关系。的大小关系。2.2.系统设计中选好变频频率关系。系统设计中选好变频频率关系。系统设计中选好变频频率关系。系统设计中选好变频频率关系。蔡竟业 &6.2 混频器主要性能指标混频器主要性能指标1.频率变换频率变换-变频增益变频增益 输出变频信号的大小与输入输出变频信号的大小与输入输出变频信号的大小与输入输出变频信号的大小与输入RFRF信号大小之比。信号大小之比。信号大小之比。信号大小之比。电压增益电压增益功率增益功率增益当混频器输入阻抗为当混频器输入阻抗为当混频器输入阻抗为当混频器输入阻抗为R Rinin，输出负载为，输出负载为，输出负载为，输出负载为R RL L时时时时蔡竟业 对于二极管无源混频器，通常对于二极管无源混频器，通常对于二极管无源混频器，通常对于二极管无源混频器，通常GGp p11，工程，工程，工程，工程上称为变频损耗，用上称为变频损耗，用上称为变频损耗，用上称为变频损耗，用L Lp p表示。表示。表示。表示。常见二极管无源混频器常见二极管无源混频器常见二极管无源混频器常见二极管无源混频器常见三极管有源混频器常见三极管有源混频器常见三极管有源混频器常见三极管有源混频器蔡竟业 无源混频器的线性范围较有源混频器大，无源混频器的线性范围较有源混频器大，无源混频器的线性范围较有源混频器大，无源混频器的线性范围较有源混频器大，损耗高，对后接电路噪声特性要求较高损耗高，对后接电路噪声特性要求较高损耗高，对后接电路噪声特性要求较高损耗高，对后接电路噪声特性要求较高;有源混频有源混频有源混频有源混频器增益高，对后接部分噪声要求低。器增益高，对后接部分噪声要求低。器增益高，对后接部分噪声要求低。器增益高，对后接部分噪声要求低。2.噪声系数噪声系数（1）双边（）双边（DSB）噪声系数）噪声系数 噪声噪声信号频谱信号频谱信号频谱信号频谱0 LoLo=RFRF，混频时将信号搬移至零中频，混频时将信号搬移至零中频，混频时将信号搬移至零中频，混频时将信号搬移至零中频,变变变变频后无镜像频率频后无镜像频率频后无镜像频率频后无镜像频率.当不考虑混频器本身噪声时，变当不考虑混频器本身噪声时，变当不考虑混频器本身噪声时，变当不考虑混频器本身噪声时，变频前后信噪比不发生变化。频前后信噪比不发生变化。频前后信噪比不发生变化。频前后信噪比不发生变化。测得噪声系数称为测得噪声系数称为测得噪声系数称为测得噪声系数称为DSB NFDSB NF蔡竟业 （2）单边）单边(SSB)噪声系数噪声系数LoLoRFRF，混频时将信号搬移至非零中频。，混频时将信号搬移至非零中频。，混频时将信号搬移至非零中频。，混频时将信号搬移至非零中频。存在镜像频率存在镜像频率存在镜像频率存在镜像频率,其对应通带内的噪声也会被搬移其对应通带内的噪声也会被搬移其对应通带内的噪声也会被搬移其对应通带内的噪声也会被搬移到信号通带内到信号通带内到信号通带内到信号通带内.若射频和镜像两个通带内噪声相同，则若射频和镜像两个通带内噪声相同，则若射频和镜像两个通带内噪声相同，则若射频和镜像两个通带内噪声相同，则蔡竟业 3.线性线性-动态范围动态范围（1）G1dB压缩点压缩点（2）三阶截点）三阶截点（3）线性范围）线性范围(1dB1dB压缩点与本地噪声功率之比压缩点与本地噪声功率之比压缩点与本地噪声功率之比压缩点与本地噪声功率之比)（4）线性无杂散动态范围）线性无杂散动态范围(三阶截点与本地噪三阶截点与本地噪三阶截点与本地噪三阶截点与本地噪声功率之比声功率之比声功率之比声功率之比)4.失真失真（1）镜像干扰）镜像干扰BFP蔡竟业 当输入信号中存在镜像信号当输入信号中存在镜像信号当输入信号中存在镜像信号当输入信号中存在镜像信号f fLoLo-f-fRFRF时，其时，其时，其时，其与与与与f fLoLo的差信号也将进入并通过的差信号也将进入并通过的差信号也将进入并通过的差信号也将进入并通过BFP(BFP(通带通带通带通带f fIFIFB/2)B/2),构成镜像干扰。构成镜像干扰。构成镜像干扰。构成镜像干扰。射频信号与镜像频率信号的频谱关系射频信号与镜像频率信号的频谱关系B高本振高本振高本振高本振fRFfLOfLO+fIFf镜像干扰镜像干扰镜像干扰镜像干扰f fimim中频信号中频信号中频信号中频信号 f fIFIF=f=fLOLO-f-fRFRF镜像干扰信号镜像干扰信号镜像干扰信号镜像干扰信号 f fimim=f=fLOLO+f+fIFIFfRFfLOfLO-fIFBf镜像干扰镜像干扰镜像干扰镜像干扰f fimim低本振低本振低本振低本振中频信号中频信号中频信号中频信号 f fIFIF=f=fRFRF-f-fLOLO镜像干扰信号镜像干扰信号镜像干扰信号镜像干扰信号 f fimim=f=fLOLO-f-fIFIF蔡竟业 干扰干扰干扰干扰f fimim与与与与f fRFRF相对于相对于相对于相对于f fLOLO如同镜像，故称为镜像如同镜像，故称为镜像如同镜像，故称为镜像如同镜像，故称为镜像干扰。要消除变频的镜像干扰，根本措施是不让干扰。要消除变频的镜像干扰，根本措施是不让干扰。要消除变频的镜像干扰，根本措施是不让干扰。要消除变频的镜像干扰，根本措施是不让镜像干扰进入混频器。常在混频器之前加上预选镜像干扰进入混频器。常在混频器之前加上预选镜像干扰进入混频器。常在混频器之前加上预选镜像干扰进入混频器。常在混频器之前加上预选频滤波器频滤波器频滤波器频滤波器BFPBFPp p将其滤除。将其滤除。将其滤除。将其滤除。BFPBFPp BFP BFPp p能否滤除镜像信号，关键看其有载品质能否滤除镜像信号，关键看其有载品质能否滤除镜像信号，关键看其有载品质能否滤除镜像信号，关键看其有载品质因数因数因数因数QQL L。在高。在高。在高。在高f fRFRF时，则很难做到的高时，则很难做到的高时，则很难做到的高时，则很难做到的高QQ。BFPBFPp p调谐于调谐于调谐于调谐于f fRFRF，若要求镜像抑制，若要求镜像抑制，若要求镜像抑制，若要求镜像抑制60dB60dB蔡竟业 系统解决方案系统解决方案系统解决方案系统解决方案则要求镜像抑制滤波器有载品质因数则要求镜像抑制滤波器有载品质因数则要求镜像抑制滤波器有载品质因数则要求镜像抑制滤波器有载品质因数a.增大中频增大中频fIF 如取如取fIF=70MHz,则则Q3.2103,下降约下降约一个量级一个量级.b.采用抑制镜像干扰之系统方案采用抑制镜像干扰之系统方案蔡竟业 (2)干扰哨声干扰哨声(3)寄生通道干扰寄生通道干扰 当当|pfRFqfLO|(p,q为整数为整数)进入进入fIB/2时，时，会影响信号的传送，及在解调时产生差频会影响信号的传送，及在解调时产生差频信号信号.对音频体现为单音（频）哨叫声，故对音频体现为单音（频）哨叫声，故称为干扰哨声。解决措施是合理适当选取称为干扰哨声。解决措施是合理适当选取fLO及及fIF 当混频输入中伴有其他信道的干扰信号当混频输入中伴有其他信道的干扰信号当混频输入中伴有其他信道的干扰信号当混频输入中伴有其他信道的干扰信号f fmm，若，若，若，若|pf|pfmmqfqfLOLO|进入滤波器通带时也会带来干扰。镜像进入滤波器通带时也会带来干扰。镜像进入滤波器通带时也会带来干扰。镜像进入滤波器通带时也会带来干扰。镜像干扰是该类干扰中最严重的一种（干扰是该类干扰中最严重的一种（干扰是该类干扰中最严重的一种（干扰是该类干扰中最严重的一种（p=q=1p=q=1），若），若），若），若输入输入输入输入f fRFRF信号较大时，还需考虑信号较大时，还需考虑信号较大时，还需考虑信号较大时，还需考虑|pf|pfmmqfqfRFRF|带来的同带来的同带来的同带来的同类干扰。类干扰。类干扰。类干扰。蔡竟业 (4)互调干扰互调干扰 寄生通道干扰和互调干扰中的低阶成分寄生通道干扰和互调干扰中的低阶成分寄生通道干扰和互调干扰中的低阶成分寄生通道干扰和互调干扰中的低阶成分(干干干干扰扰扰扰)，主要从系统方案上考虑并消除掉，主要从系统方案上考虑并消除掉，主要从系统方案上考虑并消除掉，主要从系统方案上考虑并消除掉.当多个干扰信号当多个干扰信号当多个干扰信号当多个干扰信号f fm1m1，f fm2m2同时进入混频器时，同时进入混频器时，同时进入混频器时，同时进入混频器时，若若若若|pf|pfm1m1qfqfm2m2 rf rfLOLO|进入混频器后滤波器通带时所进入混频器后滤波器通带时所进入混频器后滤波器通带时所进入混频器后滤波器通带时所产生的干扰称为互调干扰。产生的干扰称为互调干扰。产生的干扰称为互调干扰。产生的干扰称为互调干扰。a.a.增大增大增大增大f fIFIF;b.;b.选特性好的选特性好的选特性好的选特性好的BFP1p BFP1p。寄生通道干扰和互调干扰中的高阶成分寄生通道干扰和互调干扰中的高阶成分寄生通道干扰和互调干扰中的高阶成分寄生通道干扰和互调干扰中的高阶成分(干干干干扰扰扰扰)，主要从设计上考虑并降低，主要从设计上考虑并降低，主要从设计上考虑并降低，主要从设计上考虑并降低.a.a.降低降低降低降低f fRFRF的功率要求的功率要求的功率要求的功率要求;b.;b.选择线性范围大的非选择线性范围大的非选择线性范围大的非选择线性范围大的非线性器件线性器件线性器件线性器件(混频器混频器混频器混频器)。蔡竟业 5.隔离度隔离度 理想混频器信号的流向是确定的，但实际混频器存理想混频器信号的流向是确定的，但实际混频器存理想混频器信号的流向是确定的，但实际混频器存理想混频器信号的流向是确定的，但实际混频器存在频谱泄露、反射（阻抗不匹配）、窜透等现象，各端在频谱泄露、反射（阻抗不匹配）、窜透等现象，各端在频谱泄露、反射（阻抗不匹配）、窜透等现象，各端在频谱泄露、反射（阻抗不匹配）、窜透等现象，各端口间信号相互影响，严重时将会影响系统的正常工作。口间信号相互影响，严重时将会影响系统的正常工作。口间信号相互影响，严重时将会影响系统的正常工作。口间信号相互影响，严重时将会影响系统的正常工作。f fRFRF向向向向f fLOLO的窜通可能对之产生频率牵引作用。的窜通可能对之产生频率牵引作用。的窜通可能对之产生频率牵引作用。的窜通可能对之产生频率牵引作用。f fLOLO向向向向f fIFIF的泄露可能导致其后级电路发生阻塞。的泄露可能导致其后级电路发生阻塞。的泄露可能导致其后级电路发生阻塞。的泄露可能导致其后级电路发生阻塞。f fLOLO 向向向向f fRFRF的窜通可能是本振大信号影响的窜通可能是本振大信号影响的窜通可能是本振大信号影响的窜通可能是本振大信号影响LNALNA的正常工作。的正常工作。的正常工作。的正常工作。6.端口阻抗匹配端口阻抗匹配阻抗匹配要求对混频器来讲十分重要阻抗匹配要求对混频器来讲十分重要阻抗匹配要求对混频器来讲十分重要阻抗匹配要求对混频器来讲十分重要,要求要求要求要求（1 1）三个端口都应匹配以减小反射）三个端口都应匹配以减小反射）三个端口都应匹配以减小反射）三个端口都应匹配以减小反射;（2 2）每个端口相）每个端口相）每个端口相）每个端口相对其它两个端口都应尽可能呈现交流短路特性以减小对其它两个端口都应尽可能呈现交流短路特性以减小对其它两个端口都应尽可能呈现交流短路特性以减小对其它两个端口都应尽可能呈现交流短路特性以减小相互间的窜扰。相互间的窜扰。相互间的窜扰。相互间的窜扰。蔡竟业 &6.3 混频器电路及设计混频器电路及设计一、无源混频器一、无源混频器vovLovRF 单二极管混频器单二极管混频器tvLogDgg(t)vDvDiDiD v vLoLo为大信号，对为大信号，对为大信号，对为大信号，对二极管起开关控制二极管起开关控制二极管起开关控制二极管起开关控制作用作用作用作用.伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性蔡竟业 二极管变频跨导二极管变频跨导二极管变频跨导二极管变频跨导单二极管混频器组合频率分量太多。单二极管混频器组合频率分量太多。单二极管混频器组合频率分量太多。单二极管混频器组合频率分量太多。蔡竟业 二极管双平衡（环形）混频器二极管双平衡（环形）混频器RL+VIF_+VRF -+VLO_1:11:1+VLO_+VLO_D4D3D2D1蔡竟业 V VLOLOVVRFRF，V VLOLO控制二极管开断控制二极管开断控制二极管开断控制二极管开断(开关特性开关特性开关特性开关特性)vLovRFvLoRL+-+-D2D1回路方程回路方程回路方程回路方程（1）VLO正半周时正半周时 D1、D2导通，导通，D3、D4截截止，得到如下等效电路止，得到如下等效电路蔡竟业 解回路方程组，且利用单向开关函数，得到解回路方程组，且利用单向开关函数，得到解回路方程组，且利用单向开关函数，得到解回路方程组，且利用单向开关函数，得到（2 2）V VLOLO负半周时负半周时负半周时负半周时 D1D1、D2D2截止，截止，截止，截止，D3D3、D4D4导通，导通，导通，导通，等效电路如下等效电路如下等效电路如下等效电路如下vLovRFvLoRL+-+-D2D1蔡竟业 回路方程回路方程回路方程回路方程解回路方程组，利用单向开关函数，得到解回路方程组，利用单向开关函数，得到解回路方程组，利用单向开关函数，得到解回路方程组，利用单向开关函数，得到(3)(3)负载负载负载负载R RL L中流过的总电流中流过的总电流中流过的总电流中流过的总电流蔡竟业 混频器基波输出混频器基波输出混频器基波输出混频器基波输出(中频中频中频中频)分量分量分量分量若若特点特点:(1)S2(t)无偶次分量，因此输出中没有无偶次分量，因此输出中没有VRF、VLO的基波分量与偶次分量。的基波分量与偶次分量。(2)由于对称性，任意时刻流过本振与射频线由于对称性，任意时刻流过本振与射频线圈两个部分的电流均相向，从而，环形混频圈两个部分的电流均相向，从而，环形混频还有良好的端口隔离特性。还有良好的端口隔离特性。蔡竟业 (3)(3)环形混频器靠四只工作在线性时变状态的二环形混频器靠四只工作在线性时变状态的二环形混频器靠四只工作在线性时变状态的二环形混频器靠四只工作在线性时变状态的二极管完成混频，当器件（包括线圈）对称性良好极管完成混频，当器件（包括线圈）对称性良好极管完成混频，当器件（包括线圈）对称性良好极管完成混频，当器件（包括线圈）对称性良好时，不但能抑制载漏与交调，且端口间还有良好时，不但能抑制载漏与交调，且端口间还有良好时，不但能抑制载漏与交调，且端口间还有良好时，不但能抑制载漏与交调，且端口间还有良好的隔离度。是的隔离度。是的隔离度。是的隔离度。是目前最为常用的无源混频器目前最为常用的无源混频器目前最为常用的无源混频器目前最为常用的无源混频器!无源三极管混频器无源三极管混频器LoRFIFIFRF非线性失真小，噪声小非线性失真小，噪声小非线性失真小，噪声小非线性失真小，噪声小,适用于窄带信号变频。适用于窄带信号变频。适用于窄带信号变频。适用于窄带信号变频。蔡竟业 二、有源混频器二、有源混频器 单管跨导型混频器单管跨导型混频器 实质上就是（大信号）非线性放大器，与无源实质上就是（大信号）非线性放大器，与无源实质上就是（大信号）非线性放大器，与无源实质上就是（大信号）非线性放大器，与无源混频器相比，只不过具有一定的增益混频器相比，只不过具有一定的增益混频器相比，只不过具有一定的增益混频器相比，只不过具有一定的增益。蔡竟业 单平衡有源混频器单平衡有源混频器 大信号作差分放大器开关信号输入（大信号作差分放大器开关信号输入（大信号作差分放大器开关信号输入（大信号作差分放大器开关信号输入（V VLOLO），），），），小信号（小信号（小信号（小信号（V VRFRF）调控差分射极衡流源。）调控差分射极衡流源。）调控差分射极衡流源。）调控差分射极衡流源。蔡竟业 吉尔伯特（乘法）双平衡混频器吉尔伯特（乘法）双平衡混频器利用可控跨导双差分对已实现信号相乘。利用可控跨导双差分对已实现信号相乘。利用可控跨导双差分对已实现信号相乘。利用可控跨导双差分对已实现信号相乘。V2V1VccI0Q5Q6Q1Q2Q3Q4iIiIIv0i1i2i3i4i5i6+-+-蔡竟业 输出电流输出电流输出电流输出电流V V1 1、V V2 2均为小信号时均为小信号时均为小信号时均为小信号时输出中仅有输出中仅有输出中仅有输出中仅有1 1 2 2频率频率频率频率成分成分成分成分,但动态范围较小。但动态范围较小。但动态范围较小。但动态范围较小。蔡竟业 V V2 2为大信号（为大信号（为大信号（为大信号（V VLOLO），），），），V V1 1为小信号（为小信号（为小信号（为小信号（V VRFRF）大小与大小与大小与大小与V V1 1呈线性呈线性呈线性呈线性一般情况下要求一般情况下要求一般情况下要求一般情况下要求 V V1 1、V V2 2均为大信号时，都起开关作用，输出均为大信号时，都起开关作用，输出均为大信号时，都起开关作用，输出均为大信号时，都起开关作用，输出与它们的幅度变化无关。与它们的幅度变化无关。与它们的幅度变化无关。与它们的幅度变化无关。蔡竟业 目前有源混频器基本上都采用上述电路及目前有源混频器基本上都采用上述电路及目前有源混频器基本上都采用上述电路及目前有源混频器基本上都采用上述电路及其改进型，集成于其改进型，集成于其改进型，集成于其改进型，集成于ICIC中。中。中。中。MC13143 DC-2.4GHz MC13143 DC-2.4GHz混频器，可用于无绳电混频器，可用于无绳电混频器，可用于无绳电混频器，可用于无绳电话中。话中。话中。话中。输入阻抗输入阻抗输入阻抗输入阻抗5050GpGp3dB3dBNFNF12dB12dB1dB1dB点点点点3dBm3dBmIIPIIP3 320dBm20dBmf fRFRF、f fLoLo400M2.5400M2.5GGf fIFIF10500M10500MGpGp7.6dB7.6dBNFNF8.3dB8.3dBIIPIIP3 3-8.2dBm-8.2dBm蔡竟业