開關(guān)混頻器的工作原理及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)析

詳細(xì)推導(dǎo)了開關(guān)混頻的數(shù)學(xué)過(guò)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。

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

通?；祛l采用非線性元件或者專用的乘法器來(lái)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(lái)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：

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

對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，通常只關(guān)心信號(hào)的低頻分量，因此可通過(guò)一級(jí)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(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(lái)說(shuō)，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(guò)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

同樣假設(shè)輸入信號(hào)和本振信號(hào)分別為：

v1=Acos（ω1t+φ1），

v2=Acos（ω2t+φ2），

現(xiàn)在取與v2同頻的方波信號(hào)v′2則有：

將其展開成傅里葉級(jí)數(shù)可得：

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(hào)v1和方波信號(hào)v′2的混頻可以寫成：

則經(jīng)過(guò)低通濾波器，濾除和頻以及差頻高次諧波可得：

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)

基于以上的開關(guān)混頻原理，v1與v′2混頻可表示為：

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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(lái)實(shí)現(xiàn)混頻［5］。具體實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。

輸入信號(hào)v1分成兩路，一路為v1，另一路為-v1，分別輸入兩個(gè)模擬開關(guān)，模擬開關(guān)的通斷受信號(hào)v′2控制，正電平時(shí)上面的模擬開關(guān)導(dǎo)通，相應(yīng)地輸出v1，負(fù)電平時(shí)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(hào)v′2的乘法，完成了信號(hào)混頻。顯然這種方式輸出信號(hào)幅度和相位只取決于輸入信號(hào)v1，而與方波信號(hào)v′2無(wú)關(guān)。其波形如圖2所示。

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(wú)關(guān)，因此更加有利于后續(xù)電路對(duì)輸入信號(hào)的檢測(cè)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(lái)說(shuō)，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。