通信接收機變頻電路的虛擬仿真分析

侯衛(wèi)周, 蔣俊華

(1.河南大學(xué) 民生學(xué)院，河南 開封 475003；2.河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475003)

變頻電路通常又稱為變頻器，常用于通信接收機中，能大大提高接收機的靈敏度。變頻電路靠近接收天線(特別在不設(shè)有高頻放大器的接收機中)，它的性能會直接影響接收機的動態(tài)范圍等特性。目前高質(zhì)量的通信接收機主要使用二極管環(huán)形變頻器、由雙差分對平衡調(diào)制器或模擬乘法器組成的變頻器[1-3]。由模擬乘法器組成的變頻器具有輸出電壓信號且包含其余組合頻率分量的信號較少，對帶通濾波器要求不高等優(yōu)點，故應(yīng)用廣泛。本文主要針對由乘法器組成的變頻電路進行仿真研究。

1 接收機中變頻的基本原理

變頻器是將已調(diào)制信號的載頻變?yōu)榱硗庖粋€載頻，變化后的新載頻調(diào)制類型(調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相)和調(diào)制參數(shù)(如調(diào)制頻率、調(diào)制指數(shù)等)不會發(fā)生變化，且頻譜結(jié)構(gòu)(即各頻率分量的相對振幅和相互間隔)不變。變頻器變頻前后的波形如圖1所示。

圖1 變頻前后的波形示意圖

圖1中ui(t)表示接收的有用信號，它的載波頻率為fc；uI(t)表示接收的有用信號和本振信號經(jīng)過變頻后轉(zhuǎn)換為頻率固定的中頻信號，它的中頻載波頻率為fI。例如在某些接收機中，能將超外差接收機收到的調(diào)幅波載頻變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的465 kHz，將收到的調(diào)頻波載頻變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的10.7 MHz。從頻率角度理解，變頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，即波形基本不變，只是使波形中載波的頻率變化了[4]。通常講變頻后的載頻大于變頻前的載頻，稱為向上變頻(又稱高中頻方案，fI>fc)；將變頻后的載頻小于變頻前的載頻，稱為向下變頻(又稱低中頻方案，fI

圖2 變頻前后的頻譜圖

在常見的要求不高的變頻電路中，一般采用輸入信號us(t)和本振信號uL(t)通過一個非線性器件進行時間域內(nèi)相乘，再利用濾波器取出固定的中頻，原理框圖如圖3所示。

圖3 用非線性器件實現(xiàn)變頻功能的原理框圖

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子電路更多地采用模擬乘法器(輸出的無用頻率分量較少)和帶通濾波器來實現(xiàn)信號的頻譜搬移。以普通已調(diào)幅信號us(t)作為接收信號為例，說明變頻電路的工作原理如下(ω與f的物理關(guān)系為：ω=2πf，其中ω是信號角頻率，單位是rad/s；f是信號頻率，單位是Hz)。

設(shè)變頻前的輸入信號為us(t)，則：

us(t)=Usm[1+mauΩ(t)]cosωst

(1)

式中uΩ(t)為某調(diào)制信號，ma為調(diào)幅指數(shù)，Usm為已調(diào)制信號振幅，ωs為變頻前已調(diào)制信號的載波角頻率。

設(shè)本地振蕩器信號(本振信號)為uL(t)則：

uL(t)=ULmcosωLt

(2)

式中ULm為本振信號振幅，ωL為本振信號的角頻率。若ωL>ωs，則變頻前的已調(diào)幅信號us(t)與本振信號uL(t)經(jīng)過模擬乘法器后的輸出電壓uo(t)表達式為：

uo(t)=km×us(t) ×uL(t)=km×Usm

[1+mauΩ(t)]cosωst×ULmcosωLt=

km×Usm×ULm[1+mauΩ(t)] ×

[ cos(ωs-ωL)t+ cos(ωs+ωL)t]/2

(3)

式中km表示模擬乘法器的系數(shù)。如果電路需要低中頻，則可以將變頻輸出信號的中頻分量ωI=ωs-ωL(或ωI=ωL-ωs)取出來，那么在模擬乘法器后面接上一個中心頻率為ωI的帶通濾波器濾除不需要的ωs+ωL的高頻成分，從而實現(xiàn)變頻；如果需要在輸出的信號中取出頻率成分是ωI=ωL+ωs，則乘法器的輸出后面接一個中心頻率為ωI的帶通濾波器(簡稱BPF)，濾除不需要的ωL-ωs(或ωs-ωL)的低頻成分。需要用乘法器實現(xiàn)變頻功能的框圖如圖4所示。本文對通信接收機中的變頻電路的虛擬仿真分析采用了低中頻方案。

圖4 用模擬乘法器實現(xiàn)變頻功能的組成框圖

2 通信接收機變頻電路的虛擬仿真分析

用Multisim10.1軟件可交互式地搭建電子電路原理圖，并對電路進行虛擬仿真[5-6]。Multisim 10.1提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，使用者無需深入了解SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬器技術(shù)，使用者可以完成從理論到原理圖的捕獲與仿真，進而完成原型設(shè)計和測試完整的綜合設(shè)計流程[7-8]。

(1) 搭建變頻電路測試電路。按照us(t)、uL(t)信號源和二極管、三極管、電阻及電容等特定的設(shè)置參數(shù)要求搭建一個變頻電路，并按照上述介紹的接收機中變頻電路的原理來實現(xiàn)信號的頻譜搬移，從而掌握虛擬仿真電路的結(jié)構(gòu)特點。

(2) 掌握變頻電路的工作原理。目的是通過變頻電路讓輸入信號us(t)和本振信號uL(t)在時間域相乘，從而實現(xiàn)2個信號的頻率相加減(即頻譜搬移)，再通過帶通濾波器取出所需要的頻率固定的低中頻或高中頻ωI。

(3) 觀察變頻前和變頻后的波形變化規(guī)律。在理解正弦波振蕩器和模擬乘法器工作原理的基礎(chǔ)上，改變調(diào)幅信源載頻高低和正弦波振蕩器某些電阻的大小來觀測輸入信號和輸出信號的波形變化規(guī)律。

3 Multisim 10.1對變頻電路的虛擬仿真測試

(1) 變頻器虛擬仿真測試電路如圖5所示。圖中左半部分是由分立元器件組成的LC并聯(lián)回路電容反饋三端式振蕩電路；模擬乘法器A1輸出普通調(diào)幅波作為變頻器A2的一個輸入信號us(t)，LC正弦波振蕩電路產(chǎn)生的正弦波是本振信號源uL(t)，作為模擬乘法器A2的另一個輸入信號。圖5中R5C5構(gòu)成濾波器。

(2) 為了更好地觀察變頻前后的波形變化規(guī)律，從虛擬儀器工具條中調(diào)出四通道示波器，將示波器的4個通道一一進行適當(dāng)連接。其中A通道用來觀察讓原調(diào)幅波的載波信號頻率fc為150 kHz的波形；B通道用來觀察已調(diào)幅信號us(t)波形(即A1的輸出信號)；C通道用來觀察本振信號uL(t)波形；D通道用來觀察變頻后的中頻信號uI(t)波形，即最終的輸出信號波形。

圖5 變頻器虛擬仿真測試電路

4 仿真結(jié)果及其結(jié)論

開啟Multisim 10.1的虛擬仿真開關(guān)，雙擊圖5中的四通道示波器圖標(biāo)(各通道參數(shù)設(shè)置見表1)，從放大面板的屏幕上可以看到A、B、C、D這4個通道的波形圖(見圖6)。

表1 各通道參數(shù)的設(shè)置(時基：200 μs)

圖6 V4信源頻率為150 kHz時各通道波形

圖中，A通道波形為調(diào)幅時150 kHz的載波波形，B通道為變頻前的已調(diào)幅波形(即模擬乘法器A1的輸出，同時作為模擬乘法器A2的一個輸入信號us(t))，C通道A2的另一個輸入信號uL(t)的波形，D通道為變頻后的輸出波(即中頻信號)的波形。

從圖6可以看出，B通道的波形屬于變頻前的波形，D通道的波形屬于變頻后的波形，變頻前后的波形結(jié)構(gòu)基本沒發(fā)生變化，變化的僅僅是包絡(luò)線中間的載波信號頻率發(fā)生改變，而包絡(luò)線形狀沒發(fā)生變化，這也正體現(xiàn)了變頻理論的本質(zhì)，這與上述介紹的變頻工作的理論原理是一致的。

當(dāng)電路的其余參數(shù)不變，而僅將圖5中的信源V4(調(diào)幅載波)頻率由150 kHz改為60 kHz時，各通道波形變化規(guī)律如圖7所示

圖7 V4信源頻率為60 kHz時各通道波形

由于信源V4(調(diào)幅載波)頻率變低，根據(jù)變頻工作原理的公式(1)和公式(3)可知，A、B、D的波形頻率必定變化。對比圖6和圖7的A、B、D三個通道的波形發(fā)現(xiàn)，在單位時間內(nèi)各個波形的稀疏程度發(fā)生了變化，但波形結(jié)構(gòu)和包絡(luò)線形狀均不發(fā)生變化。這說明仿真結(jié)果體現(xiàn)了變頻電路的本質(zhì)。當(dāng)圖5中乘法器A1的兩個輸入信號不變時，改變圖5正弦波發(fā)生器中的電阻Rp1或Rp2或電容C3、C4或電感L1的大小，均會讓C通道波形發(fā)生變化，而變化了的C通道波形一定會影響變頻后中頻信號uI(t)波形變化，測試結(jié)果同樣可滿足波形結(jié)構(gòu)和包絡(luò)線形狀均不發(fā)生變化的規(guī)律[9]。由于篇幅有限，在此不予以詳述。

通過上述實例，說明了利用Multisim 10.1軟件對變頻前、后電路的波形進行測試，對應(yīng)的B通道和D通道波形變化規(guī)律驗證了變頻的原理，得出虛擬仿真的結(jié)果是正確的。

5 結(jié)束語

通過對某通信接收機中變頻電路的虛擬仿真分析，改變調(diào)幅信源頻率或正弦波振蕩器的一些電路參數(shù)，利用四通道示波器觀測A、B、C、D通道的波形變化，進一步理解和掌握變頻電路工作原理和Multisim 10.1軟件中多種電路分析方法。虛擬仿真實驗教學(xué)和理論教學(xué)相結(jié)合，能實現(xiàn)理論講解和虛擬實驗驗證的同步進行、完美結(jié)合，既增強教學(xué)直觀性與認(rèn)知性，又能最大限度地利用有限的授課學(xué)時，加深學(xué)生對通信電子電路理論知識的充分理解和掌握，是一種有著強大活力的現(xiàn)代教學(xué)方法。

[1] 曾興雯,劉乃安.高頻電路原理與分析[M].3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[2] 高如云,陸曼茹.通信電子線路[M].3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[3] 于洪珍.通信電子線路[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[4] 談文心,鄧建國.高頻電子線路[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1996.

[5] 胡偉,李勇帆.基于Multisim的RC文式電橋振蕩電路虛擬仿真實驗[J].實驗室研究與探索.2011.30(5):13-15.

[6] 顏芳,黃揚帆，劉曉.Multisim 10在高頻電子線路教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù).2010(2):66-69.

[7] 黃培根,任清褒.Multisim 10計算機模擬虛擬仿真實驗室[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[8] 唐贛,吳翔.Multisim 10&Ultiboard原理圖仿真與PCB設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[9] 侯衛(wèi)周，顧玉宗.高頻小信號單調(diào)諧放大器的分析與仿真[J].實驗技術(shù)與管理.2011，28(8):57-59，63.