5.5 混频器原理及电路 一 混频概述二 混频电路三 混频器的干扰

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5.5.1 混频器原理 1. 混频器的变频作用

混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络

本地振荡信号 )( LL fu 一个中频输出信号： )( II fu

两个输入信号与输出信号之间的关系： 的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心频率：

su输入信号 Iu与输出信号

cLI fff 其中

输出高中频

输出低中频

cL

cLI

ff

fff

5.5 混频器原理及电路 返回 休息 1休息 2

uc (fc)

uL (fL)

uI (fI)混频器t

uc (t)

t

uI (t)

t

uL (t)

有两个输入信号： 高频调制波 )( cc fu

fc fc+Ffc+F f

uc 的频谱

fc fL f

uL 的频谱 fI fI+FfI+F f

uI 的频谱

t

uc (t)

t

uc (t)

t

uL (t)

t

uL (t)

t

uI (t)

t

uI (t)

混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关键是获得两个输入信号的乘积项，具有这个乘积项，就可以实现所需的频谱线性搬移功能。

2Ωmax

ωI= ωL- ωc

乘法器 带通滤 波器

混频器的一般结构框图设输入已调波信号： ttUu ccc coscos

tUu cLL cos那么两信号的乘积项为：

tttUU

tttUUu

cLcLLc

LcLcI

)cos()cos(cos2

1

coscoscos

2. 混频器的基本工作原理：

ωL

uL

ωL- ωc ωL+ ωc

uI

本振信号 :

uc

ωc

如果带通滤波器的中心频率为 cLI , 带宽 max2B

则经带通滤波器的输出为：

ttU

ttUU

ttUUu

I

ILc

cLLcI

coscos

coscos2

1

)cos(cos2

1

I

仿真

uI

返回

uc

uL

休息 1休息 2

可见输出中频信号 的包络形状没有变化，只是填充频率Iu由 c 变化成 I cL

uL

uc

非线形 元件

带通滤 波器

(1) 调幅 (DSB 为例 )

uΩ 乘法器 带通滤波器uDSB

uo 2Ωmax

ωo（ 2 ）检波 uDSB 乘法器 低通滤波器

uo

uΩ

Ωmax

（ 3 ）混频 uDSB

= uc乘法器

uL

带通滤波器 uI

ωI=ωL-ωc

ωL

ωc

3. 振幅调制、检波与混频器的相互关系

ωI=ωL-ωC

2 Ωmax

返回

仿真 2

仿真 1

仿真 3

休息 1休息 2

因为混频器常作为超外差接收系统的前级，对接收机整机的噪声系数影响大。 所以希望混频级的 越小越好。 nF

(1) 变频增益： 变频电压增益 : s

Iu U

UA

输入高频电压振幅输出中频电压振幅

变频功率增益 :c

I

P

PGP

(2) 噪声系数 :

噪声功率比输出端中频信号噪声功率比输入端高频信号

/

/

0

n

I

ni

c

n

PP

PP

F

5.5.2 混频器主要性能指标

(3) 失真与干扰变频器的失真主要有 :

频率失真 非线性失真

(4) 选择性 在混频器中，由于各种原因总会混入很多与中频频率接近的干扰信号 , 为了抑制不需要的干扰，要求中频输出回路具有良好的选择性，矩形系数趋近于 1 。

ttUttgR

tutSgRu

ccLLdL

cdLI

cos)(...3cos3

2cos

2

2

1

)()(

高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用 平衡型混频器环形混频器优点：噪声低，电路简单，组合分量少。

例 1. 二极管平衡混频器 设输入信号 ttUtu ccc cos)()(

本振信号 : tUtu LLL cos)( 若 cL UU

则输出电压 :

5.5.3 实用混频电路

如果输出中频滤波器的中心频率为 : )( cLI max2B

谐振阻抗为 LR ，则输出电压 ttUttURgttURgtu IIIcLdcLcLdI

cos)(cos)(

4)cos()(

π

4)(

而环形混频器的输出是平衡混频器输出的 2 倍。且减少了输出信号频谱中组合频率分量 , 即减少了混频器所特有的组合频率干扰。

仿真

休息 1休息 2

+uI

_

+ uL -

+uc

-

VD1

VD2

2C RL2L

T1 T2

+ uL -T3

uc+-

uc+-

1. 二极管混频器

利用第 4 章所述的时变跨导电路，可构成晶体管混频器。 由于时变偏置电压 )()( tuEtU LBB

如果 cL UU 则集电极电流为 )()()( tutgtii ccoC

2. 晶体三极管混频器

其中 )(tg 为时变跨导，受 tUtu LLL cos)( 的控制 , 而输入信为 : ttUu ccc coscos

利用付里叶级数可将展开成 :...3cos2coscos)( 321 tgtgtggtg LLLo

ttUtgtgtgg

tii

ccLLLo

coC

coscos...3cos2coscos

)(

321

如果输出回路的谐振频率为 )( cLI ，而 max2B

选出的中频电流 CIi 为：

ttI

ttUgttUgi

I

IccLc

coscos

coscos2

1)cos(cos

2

1

CI

11CI

uc

+

-+

-uL

EB EC

VT

CL

UB(t)

ic

其中变频跨导：

1CI

2

1g

U

Ig

Cc

输入高频电压振幅输出中频电流振幅

变频 ( 混频 ) 增益 Au 为 ：

L1c

Iu 2

1

)(

)(Rg

tU

tUA

中频输出电压 uI 为 ：ttUttURgu IIIcL1I cos)(cos)(

2

1

双极型晶体三极管混频器基本电路的交流通道 :

共射极混频电路 ：本振信号由基极串联方式注入 本振信号由射极注入 共基极混频电路：

(a)

uc+-

uL+-

LC

VT

(d)

uL+-

uc+- L

C

VT

(c)

uc+-+-uL

LC

VT

(b)

LC

uL+-

uc+-

VT

C L

ED

Rg

Rs

FET 混频器的转移特性是平方律，输出电流中的组合频率分量比BJT 混频器少得多，故其互调失真低。 FET 混频器容许的输入信号动态范围也较大。因此，尽管 FET 混频器的变频增益比 BJT 混频器低，却在短波、超短波接收机中获得了广泛应用。

设输入已调制信号： uc= Uc(t)cosωct

3 FET 混频电路

uI

右图为 FET 混频器原理电路

其中， Uc(t)= Ucm(1+macosΩt)

本振电压 uL=ULcos ωLt

LC 回路调谐在中频 ωI= ωL-ωc或 ωI= ωc-ωL ，通频带 B=2Ω ，回路的谐振阻抗为 RL 。栅—源间的电压 uGS 为： uGS=UGSQ+uc-uL= UGSQ+Uc(t)cos ωct -ULcos ωLt

转移特性为平方律关系，即 ：2

)off(

GSDSSD )1(

GSU

uIi

式中， UGS （ off ）为 FET 管的夹断电压， IDSS 为漏极饱和电流 。

恒流区内的漏极电流为 :

])cos()[cos(]2cos2cos)([

]coscos)([])([)(

cLcL4L2Lc

2c3

LLcc22L

2c1DSD

ttktUttUk

tUttUkUtUkIti

uc

uL

uGS

iD

)(2GS(off)

4 tUU

UIk c

LDSS

式中， k1 、 k2 、 k3 、 k4 为常数。可见， iD(t) 中含有差频 (ωc-ωL)

电流分量，其幅值正比于 Uc(t)为 :

通过漏极 LC负载回路选频后，输出的中频电压为 :

IL2GS(off)

cLL4I cos)()cos( tURU

UItRku c

LDSS

6.8 kΩ

C

EC=15V

14

13.3 kΩ

12

9

4

8

133

13kΩ10kΩ

2

7

-EE=-15V

+15V

5 6 10 11

-15V

10kΩ

10kΩ

Rwx

Rwy

2kΩ

2kΩ

8.2 kΩ 8.2 kΩ

BG314 (MC1595)

L

N1N2

BG314 构成的混频电路 ，如果本振电压 uL 、高频信号电压 uc

分别从 4 、 9脚输入， BG314 的输出端 2 、 14脚间接 LC 谐振回路。设输入已调高频信号 :

4. 模拟乘法器混频电路

仿真

休息 1休息 2

uL

uc

uI

uc= Uc(t)cos ωct

本振电压 :uL=ULcos ωLt

LC 回路的谐振频率 ωI= ωL-ω

c ，其带宽 B≥2Ω ，回路谐振阻抗为 RP, ，变压比为 n=N2

／ N1 ，输出中频信号电压 uI

为 : IIIcyxox

LPI cos)(cos)( tUtU

RRI

UnRu

混频增益 Au 为 :

yxox

LP

c

Iu )(

)(

RRI

UnR

tU

tUA

由于混频器是依靠非线性元件来实现变频，而通过非线性元件的信号将含有许多频率成份 cL qfpf , (p , q=0,1, 2,3,….)

uc(f c)

uL(f L)

uI(f I)

un(f n)

非线形元件 中频滤波器uo( )cL qfpf

如果设输入信号为 )( cc fu , 本振频率信号为 )( LL fu

则通过 非线性元件的信号 cLo qfpfu ，其中 2,1,0, qp

而这 些组合频率的信号中只要和中频频率 cLI fff 相同或接近， 都会和有用信号一起被选出，并送到后级中放，经放大后解调输出而引起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。

三 混频器的干扰

一般混频器存在下列干扰： (1) 干扰哨声：接收的射频信号 )( cc fu 与本振信号 )( LL fu

的自身组合干扰，即 Bfqfpf cL 2

1I

B

)( nn fu(2)副波道干扰：外来干扰信号 与本振信号 )( LL fu

的组合频率产生的干扰 Bfqfpf nL 2

1I

)( cc fu(3) 交叉调制干扰：有用信号 与干扰信号 )( nn fu

混频产生的干扰。 (4) 互调干扰：指两个或多个信号同时作用在混频器

输入端，经混频产生的组合分量而形成的干扰。 (5) 阻塞干扰(6)倒易混频

fI

1. 信号与本振信号的自身组合干扰（干扰哨声）

如果中频 cLI fff ，则除 cL ff 的中频被选出外，还有可能选出其它的组合频率：即

IcLILc

IcL fqfpffpfqf

fqfpf

IcIcI

ILc

fq

pf

q

pf

qff

q

p

fq

fq

pf

11)(

1

所以有

Ic fpq

pf

1

pq

pf

fI

c

1

其中 I

cf

f 称为变频比。 显然当变频比一定时，并能找到对应的整数 p, q 时，就会形成自身组合干扰。

例：调幅广播接收机的中频 Kzf I 465 ，某电台发射频率 Kzfc 931

当接收该电台广播时，接收机的本振频率 Kzfff cIL 1396

由于变频比 2465

931

I

cf

f 可推算出： 当 1p ， 2q ，可得

KHzff Lc 466139693122

设输入高频信号的载频为 )( cc fu ，本振信号 )( LL fu ，则 经过混频器后产生的频率为 ，其中 p,q=0,1,2,…cL qfpf

由于组合频率与中频差 1KHz ，经检波后可产生 1KHz 的哨声 .（三阶干扰） .

另外，当 p=3, q=5 时，可得： KHzff Lc 46735 , 也可以通过中频通道而形成干扰。（ 8阶干扰）。

注意点 :

(1)自身组合干扰与外来干扰无关，不能靠提高前级电路的选择性来抑制。 (2) 减少这种干扰的方法：

正确选择中频，尽量减少阶数较低的干扰

正确选择混频器的工作点，减少组合频率分量 采用合理的电路形式，从电路上抵消一些组合频率， 如平衡电路，环形电路，乘法器。

设串台干扰信号为 )( nn fu ，它与本振信号的组合频率为：

nL qfpf

其中 p, q=0,1,2,3…. 。如果选频器所选择的正常中频信号为 :

2. 外干扰信号与本振的组合频率干扰（副波道干扰）

cLI fff

则可能形成的副波道干扰为：

ILn

InL

fpfqf

fqfpf

IcILn fppfq

fpfq

f )1(11

可见，凡是能满足上式的串台信号都可能形成干扰，在这类干扰中主要有：中频干扰，镜频干扰，及其它副波道干扰。

(1) 中频干扰当 p=0 , q=1 时， In ff

即表明当一种接近中频的干扰信号一旦进入混频器，可以直接通过混频器进入中放电路，并被放大、解调后在输出端形成干扰抑制中频干扰的方法： 提高混频器前级的选择性

在混频器前级增加中频吸收电路 合理选择中频数值，中频选在工作波段之外

当 p=1 , q=1 时，则有：

)(

)(

cLILn

cLILn

fffff

fffff

或

f c f L f n

f I虽然这种干扰信号频率 nf与输入信号频率 cf 以本振频率 Lf为对称轴形成镜像对称的关系。

(2)镜像频率干扰

f I

抑制镜像干扰的方法： 提高混频前级的选择性

提高中频频率，使镜像干扰频率 nf 远离 sf

例：中央台第一套节目的载波为 Kzfc 639 , 那么收音机在接收此节目时的本振频率 KzKzfff cL 1104465639I , 如果有一外来 电台的频率 KzKzfff Ln 15694651104I , 在混频级之前没有被 抑制，则这个电台进入混频器后，混频可得 Kzff Ln 465

的中频将被选出进入后级输出而形成镜像干扰，产生串台及啸叫。

当 1p , 1q 时形，成组合频率干扰，其中最主要的一类干扰为：

f c f n1 f L f n2

2

1

2

32

1

22

1)2(

2

1

nIc

nIc

IIcILn

fff

fff

ffffff

可见 1nf 与 2nf 对称分布在本振频率 Lf 的两边，其中 1nf 离 cf

最近 , 经混频器前的滤波后进入混频器的可能性最大。

(3) 组合频率干扰

2qp 的情况，则有：

抑制这类干扰的方法：

提高混频器前级的选择性

提高中频 选择合适的混频电路，合理选择混频器的工作点

f I

继续

交叉调制干扰的形成与本振无关。它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时，由混频器的非线性作用，将干扰的调制信号调制到了中频载波上，即将干扰的调制信号转移到有用信号的载波上而形成的一种干扰。 例：由非线性元件： 2

210)( uauaaufi

其中四阶项为 44ua ，若设 Lnc uuuu

而

tUu

ttmUu

ttUu

LLL

nnnnn

ccc

cos

cos)cos1(

cos)(

则 44

44 )( Lnc uuuaua 展开后其中可分解出 )(6 2

4 Lcn uuua 项

3. 交叉调制干扰（交调干扰）

将信号代入此项，并经中频滤波后可得：

ttmU

tUUUtma

In

ILcnnn

cos)cos1(

cos)cos21(2

3 24

其中

n

Lcn

mm

UUUaU

22

3 24 ，可以看出干扰信号中的调制信号转移到中频

载波上，与有用信号一同输出而形成干扰。

uc(f c)

uL(f L)

uI(f I)

un(f n)

非线形元件 中频滤波器uo( )cL qfpf

交调干扰的特点：

(2) 与干扰的载频无关，任何频率的强干扰都可能形成交调干扰，所以交调干扰是危害较大的一种干扰。 只有当 nf 与 Cf

相差很大，受前级电路的抑制很彻底时 , 形成的干扰较小。

(1) 交调干扰与有用信号并荐，通过有用信号而作用，一旦有用信号 0cu ，交调干扰也消失。

(3) 混频器中，除了非线性特性的 4次方项以外，更 高的偶次方项也可以产生交调干扰，但一般由于幅值较小，可以不考虑。 抑制交调干扰的措施： ①提高前级电路的选择性②选择合适的器件，合适的工作点，使不需要的非线性项（ 4次方项）尽可能小，以减少组合分量。

非线形 元件

中频滤 波器

un1 （ fn1

）

uL （ f

o ）

i ouI （ f

I ）

un2 （ fn2

）

互调干扰是指两个或多个干扰信号同时作用于混频器的输入端，由混频器的非线性作用，两个干扰信号之间产生混频，当混频后，产生的信号接近于有用信号的频率 时，将与有用信号一起进入后级电路输出而产生干扰。

cf

4. 互调干扰

互调干扰的特点：设混频器输入的两个干扰为：

tUu

tUu

nnn

nnn

222

111

cos

cos

而本振信号 tUu LLL cos则三个信号同时作用于非线元件上，则混频输出的电流为 :

...22100 uauaai

由 4次方项 40214

44 )( uuuaua nn 中展开可得 Lnn uuu 2

21 项，

即： tttUUU

tUtUtU

LnnLnn

LLnnnn

coscos)2cos1(2

1

coscoscos

21221

22122

1

其中有：

LnnLnn ttUUU coscos2cos2

1212

21

其组合频率为： LnnLnn fff 2121 22 或

继续

返回

如果当

ILnncnn

cnn

2121

21 22

2形成互调干扰 .

（注意： IcL ） 讨论： (1)当 cnn 212 时， 1n 或 2n 必有一个远离 c

容易被滤除，可能产生的干扰不严重。(2)当 cnn 212 时， 1n 或 2n 均可能离 c 较近 , 滤除比较困难，可能会产生比较严重的干扰。即由于

121 ncnn 可见，两个干扰频率都小于（或大于）工作信号频率，且三者等距时，就可形成互调干扰。

ωn2 ω n1 ω S

（ 3 ）互调干扰的大小主要决定于：

)(4

1222

21

四次方项系数或

a

UUUU nnnn

减少互调干扰的方法 ：提高前级电路的选择性 选择合适的电路和工作状态