基于模擬開關(guān)的混頻器設(shè)計(jì)*

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)

基于模擬開關(guān)的混頻器設(shè)計(jì)*

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)

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(hào)的影響，最大限度地保留輸入信號(hào)的參數(shù)信息。

模擬開關(guān)；混頻器；乘法器；本振；接收機(jī)

0 引言

通?；祛l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(huì)在輸出信號(hào)中引入本振信號(hào)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(huì)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(huì)對(duì)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(gè)輸入信號(hào)分別為:v1=Acos(ω1t+φ1)，v2=Acos(ω2t+φ2),則其輸出為:

(1)

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

(2)

顯然乘法器輸出信號(hào)幅值、相位和頻率與兩個(gè)輸入信號(hào)均相關(guān)。

而對(duì)于接收機(jī)來說，只關(guān)心接收的回波信號(hào)參數(shù)變化對(duì)接收機(jī)輸出的影響，而不希望過多引入本振信號(hào)的參數(shù)。同時(shí)由于乘法器屬于非線性器件，因此會(huì)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(hào)幅值增大時(shí)，由于幅度相乘的作用，輸出信號(hào)很有可能會(huì)出現(xiàn)限幅，因而發(fā)生失真[3]。這些因素都會(huì)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

(3)

將其展開成傅里葉級(jí)數(shù)可得：

(4)

cos[n(ω1+ω2)t+φ1]}

(5)

則經(jīng)過低通濾波器，濾除和頻以及差頻高次諧波可得:

(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(hào)有關(guān)，頻率為輸入信號(hào)與本振信號(hào)差值的信號(hào)。顯然以這樣的方式混頻可以最大程度保持信號(hào)的原始信息，而盡量減小本振信號(hào)的影響。

3 開關(guān)混頻器實(shí)現(xiàn)

(7)

圖1 開關(guān)混頻器原理框圖

圖2 開關(guān)混頻波形圖

混頻后的輸出結(jié)果含有高次諧波，因此需要后續(xù)采用低通濾波處理才能得到v1與v2的差頻信號(hào)。

4 結(jié)論

由以上分析可知，開關(guān)混頻同樣也可以實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)乘法，并且輸出信號(hào)的相位和幅度僅和輸入信號(hào)相關(guān)，而與本振信號(hào)無關(guān)，因此更加有利于后續(xù)電路對(duì)輸入信號(hào)的檢測以及相關(guān)參數(shù)的識(shí)別處理。

對(duì)于多路輸入的接收機(jī)系統(tǒng)來說，開關(guān)混頻方式更加有利于消除由于本振信號(hào)的不一致而引入的參數(shù)畸變，提高接收機(jī)對(duì)有效目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別處理能力。

[1] 丁鷺飛,陳建春.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

[2] 陳科山,王燕.現(xiàn)代測試技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2011.

[3] 謝嘉奎.電子線路(非線性部分)[M].北京：高等教育出版社,2002.

[4] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013.

[5] MAXIM.DG201 Datasheet[Z].2001.

The design of mixer based on analog switches

Tang Bo,Huang Wenling,Zhang Jingyuan

(Department of Weaponry Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Based on the mathematical principle,this paper presents the implementation of switch mixer.It is proved theoretically and practically that switch mixer can remove the effect of local oscillator and retain the information of input signal,which typical mixer of nonlinear component and multiplier is a lack of.

analog switches; mixer; multiplier; local oscillator; receiver

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11602300)

TN76

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.027

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.

2016-10-23)

唐波(1980-)，通信作者，男，博士研究生，講師，主要研究方向：兵器科學(xué)與技術(shù)。E-mail：39023784@qq.com。