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基于模擬開關(guān)的混頻器設(shè)計(jì)

2017年微型機(jī)與應(yīng)用第10期

唐波，黃文玲，張靜遠(yuǎn)

海軍工程大學(xué)，兵器工程系，湖北武漢 430033

摘要： 詳細(xì)推導(dǎo)了開關(guān)混頻的數(shù)學(xué)過程，并在此基礎(chǔ)上給出了其具體實(shí)現(xiàn)方式。理論和實(shí)踐表明，基于模擬開關(guān)的混頻方式可以克服傳統(tǒng)非線性元件或者乘法器混頻方式的缺陷，消除本振信號的影響，最大限度地保留輸入信號的參數(shù)信息。

關(guān)鍵詞： 模擬開關(guān) 混頻器乘法器本振

Abstract：

Key words :

　　唐波，黃文玲，張靜遠(yuǎn)

　　（海軍工程大學(xué)，兵器工程系，湖北武漢 430033）

　　摘要：詳細(xì)推導(dǎo)了開關(guān)混頻的數(shù)學(xué)過程，并在此基礎(chǔ)上給出了其具體實(shí)現(xiàn)方式。理論和實(shí)踐表明，基于模擬開關(guān)的混頻方式可以克服傳統(tǒng)非線性元件或者乘法器混頻方式的缺陷，消除本振信號的影響，最大限度地保留輸入信號的參數(shù)信息。

　　關(guān)鍵詞：模擬開關(guān)；混頻器；乘法器；本振；接收機(jī)

　　中圖分類號：TN76文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.027

　　引用格式：唐波，黃文玲，張靜遠(yuǎn).基于模擬開關(guān)的混頻器設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（10）：94-95，98.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11602300）

　　通常混頻采用非線性元件或者專用的乘法器來實(shí)現(xiàn)，這種混頻方式不可避免地會在輸出信號中引入本振信號的幅度和相位信息，這往往是所不希望的。并且不論非線性元件或者專用的乘法器都會產(chǎn)生很多干擾和失真，包括干擾哨聲、寄生通道干擾、交叉調(diào)制失真、互相調(diào)制失真，這些均會對接收機(jī)性能產(chǎn)生不良影響。開關(guān)混頻方式可以有效抑制以上因素的影響。

1混頻原理

　　混頻電路也叫變頻電路（Mixer, Convertor），是超外差接收機(jī)的重要組成部分，它可實(shí)現(xiàn)不失真的頻譜搬移［1］。

　　通常實(shí)現(xiàn)混頻可以采用多種方式，最常用的是相乘電路，它可以采用非線性器件或者專用的集成電路乘法器來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)乘法器的兩個輸入信號分別為:

　　v1=Acos(ω1t+φ1)，v2=Acos(ω2t+φ2),

　　則其輸出為:

　　vo=AB2{cos ［(ω1+ω2)t+(φ1+φ2)］+cos［(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)］（1）

　　對于接收機(jī)來說，通常只關(guān)心信號的低頻分量，因此可通過一級低通濾波器取其低頻分量［2］，則其輸出可寫為:

　　vo=AB2cos［(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)］（2）

　　顯然乘法器輸出信號幅值、相位和頻率與兩個輸入信號均相關(guān)。

　　而對于接收機(jī)來說，只關(guān)心接收的回波信號參數(shù)變化對接收機(jī)輸出的影響，而不希望過多引入本振信號的參數(shù)。同時由于乘法器屬于非線性器件，因此會產(chǎn)生很多干擾和失真，包括干擾哨聲、寄生通道干擾、交叉調(diào)制失真、互相調(diào)制失真等，而且當(dāng)輸入信號幅值增大時，由于幅度相乘的作用，輸出信號很有可能會出現(xiàn)限幅，因而發(fā)生失真［3］。這些因素都會極大地影響接收機(jī)的性能，因此乘法器并不是實(shí)現(xiàn)接收機(jī)混頻電路的最佳選擇。開關(guān)混頻可以有效克服模擬乘法器缺陷。

2開關(guān)混頻原理

　　同樣假設(shè)輸入信號和本振信號分別為：

　　v1=Acos(ω1t+φ1)，

　　v2=Acos(ω2t+φ2)，

　　現(xiàn)在取與v2同頻的方波信號v′2則有:

　　 [8Y@BE)3C682W39R({WLXLY.png

　　將其展開成傅里葉級數(shù)可得：

　　 ${Z3R[SSRDU9`}_JOP$)0HSM.png$

　　顯然v′2是以ω2為基波的多次諧波的集合［4］，因此同樣可以采用v1與v′2混頻，然后取其基波的方式獲得v1與v2混頻的結(jié)果。

　　于是信號v1和方波信號v′2的混頻可以寫成:

　　 E3[QIO50QR1KS27(%%39N`U.png

　　則經(jīng)過低通濾波器，濾除和頻以及差頻高次諧波可得:

　　LPF［v1×v′2］=2Anπcos［n(ω1-ω2)t+φ1］(6)

　　由式（6）可以看出，混頻后的最終結(jié)果是幅值和相位都只和輸入信號有關(guān)，頻率為輸入信號與本振信號差值的信號。顯然以這樣的方式混頻可以最大程度保持信號的原始信息，而盡量減小本振信號的影響。

3開關(guān)混頻器實(shí)現(xiàn)

　　基于以上的開關(guān)混頻原理，v1與v′2混頻可表示為:

　　 @T3VI}N_7@(07]N1}R8`(AH.png

　　由式（7）可以看出，v1與v′2混頻相當(dāng)于在v′2的正電平期間輸出v1，在v′2的負(fù)電平期間輸出-v1，因此可以采用模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)混頻［5］。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。

Image 001.jpg

　　輸入信號v1分成兩路，一路為v1，另一路為-v1，分別輸入兩個模擬開關(guān)，模擬開關(guān)的通斷受信號v′2控制，正電平時上面的模擬開關(guān)導(dǎo)通，相應(yīng)地輸出v1，負(fù)電平時下面的模擬開關(guān)導(dǎo)通，相應(yīng)地輸出-v1，顯然這樣的結(jié)果與式（7）吻合。如此就實(shí)現(xiàn)了v1與方波信號v′2的乘法，完成了信號混頻。顯然這種方式輸出信號幅度和相位只取決于輸入信號v1，而與方波信號v′2無關(guān)。其波形如圖2所示。

Image 002.jpg