基本混頻器的工作原理

混頻器是輸出信號(hào)頻率等于兩輸入信號(hào)頻率之和、差或?yàn)閮烧咂渌M合的電路?；祛l器通常由非線性元件和選頻回路構(gòu)成?；祛l器位于低噪聲放大器 (LNA )之后 , 直接處理 LNA 放大后的射頻信號(hào)。

?混頻器的工作原理是通過(guò)非線性元件將兩個(gè)不同頻率的信號(hào)混合，生成新的頻率成分。?混頻器通常由非線性元件和選頻回路組成，其核心功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的變換?；祛l器在通信系統(tǒng)中扮演著重要角色，主要用于接收機(jī)系統(tǒng)和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。在接收機(jī)系統(tǒng)中，混頻器將接收到的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為較低的中頻信號(hào)，便于后續(xù)的信號(hào)放大和解調(diào);在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，混頻器則將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)，以便于無(wú)線傳輸。?1混頻器的工作過(guò)程涉及三個(gè)主要信號(hào)：射頻信號(hào)(RF)、本振信號(hào)(LO)和中頻信號(hào)(IF)。

射頻信號(hào)和本振信號(hào)通過(guò)混頻器的非線性特性進(jìn)行相乘，生成包含多個(gè)頻率成分的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)中包含的中頻信號(hào)是后續(xù)處理所需的主要信號(hào)。混頻器的設(shè)計(jì)需要考慮頻率轉(zhuǎn)換效率、信號(hào)失真和噪聲系數(shù)等因素，以確保其在通信系統(tǒng)中的穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

混頻器是輸出信號(hào)頻率等于兩輸入信號(hào)頻率之和、差或?yàn)閮烧咂渌M合的電路?；祛l器通常由非線性元件和選頻回路構(gòu)成?；祛l器位于低噪聲放大器 (LNA )之后 , 直接處理 LNA 放大后的射頻信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)混頻功能, 混頻器還需要接收來(lái)自壓控振蕩器的本振 (LO)信號(hào) ,其電路完全工作在射頻頻段。變頻，是將信號(hào)頻率由一個(gè)量值變換為另一個(gè)量值的過(guò)程。具有這種功能的電路稱為變頻器(或混頻器)。一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號(hào)：混頻器將天線上接收到的射頻信號(hào)與本振產(chǎn)生的信號(hào)相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2可以這樣理解，α為射頻信號(hào)頻率量，β為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號(hào)被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來(lái)。由于本振電路的振蕩頻率隨著時(shí)間變化，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信號(hào)必須進(jìn)行上變頻或下變頻后才能進(jìn)行信號(hào)傳播和處理。這種變頻步驟在傳統(tǒng)上稱為混頻，是接收和發(fā)射信號(hào)鏈必不可少的過(guò)程。

于是，混頻器和調(diào)制器就成為射頻(RF)系統(tǒng)的基本構(gòu)件。隨著無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，查看這些構(gòu)件的特征并了解混頻器如何影響總體系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

在所有的無(wú)線設(shè)計(jì)中，混頻器和調(diào)制器都支持變頻并實(shí)現(xiàn)通信。它們確定整個(gè)信號(hào)鏈的基本規(guī)格。它們的接收信號(hào)鏈具有最高功率，對(duì)來(lái)自發(fā)射通路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的信號(hào)進(jìn)行上變頻，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真(DPD)系統(tǒng)，從而影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。

那么，基本混頻器的工作原理如何?有哪些重要規(guī)格要考慮?目前有哪些混頻器和調(diào)制器方案可用來(lái)改進(jìn)和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

基本混頻器工作原理

最簡(jiǎn)單的混頻器就是一個(gè)乘法器?；祛l器實(shí)際上是個(gè)對(duì)輸入信號(hào)相乘以產(chǎn)生新頻率的輸出信號(hào)。射頻調(diào)制器和解調(diào)器本質(zhì)上就是混頻器。這些器件獲取基帶輸入信號(hào)，并輸出射頻調(diào)制信號(hào)(反之亦然)。

由于影響混頻器的因素同時(shí)也會(huì)影響調(diào)制器，因此本文主要從混頻器的角度進(jìn)行探討。接收器一般采用下變頻來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻RF信號(hào)的處理，發(fā)射器則將低頻基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速射頻?；祛l器的所有部分都像負(fù)載和源一樣。

在第一個(gè)示例中，我們以下變頻為例。兩個(gè)輸入分別為RF和本地振蕩器(LO)。輸出為中頻(IF)。輸出信號(hào)包含輸入的和與差(圖1)。我們可以從數(shù)學(xué)上解釋這些混頻輸出分量：

RF輸入 = A1sin(ω1t + φ1)

LO輸入 = A2sin(ω2t + φ2)

輸出IF = A1A2sin(ω1t + φ1) sin(ω2t + φ2)

通過(guò)三角恒等式，我們可以得到包含和與差的輸出：

輸出IF = (A1A2/2) {cos[(ω1 + ω2)t +(φ1 + φ2)] + cos[(ω1 – ω2)t – (φ1 - φ2)]}

要獲得進(jìn)行信號(hào)處理所需的信號(hào)質(zhì)量，可能需要多個(gè)下變頻過(guò)程和濾波，具體取決于IF頻率和系統(tǒng)級(jí)規(guī)劃。(LO 〉 RF為本振上注入式，RF 〉 LO為本振下注入式。)

上隔離

混頻器中的隔離在以下端口之間指定：RF與IF;LO與IF;IF與RF以及LO與RF。隔離量度計(jì)算一個(gè)端口到另一個(gè)端口的泄漏功率。例如，要測(cè)量LO到RF的隔離，只需將一個(gè)信號(hào)施加到LO端口，然后測(cè)量RF端口的這個(gè)輸入LO信號(hào)的功率。

由于輸入信號(hào)(特別是LO)較高，足以導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因此隔離至關(guān)重要。LO泄漏會(huì)通過(guò)干擾RF放大器或在天線端口輻射RF能量，從而干擾輸入信號(hào)。LO至IF輸出的泄漏會(huì)壓縮接收器陣列中剩余的IF單元，引起處理錯(cuò)誤。

RF至IF的泄漏以及IF至RF的泄漏表示電路平衡性能，該性能與變頻損耗有關(guān)?；祛l器的平衡性能越好，變頻損耗就越低;因此，也具有較好的變頻性能平坦度。理想情況下，隔離規(guī)格盡可能高，并且在最終的外形板設(shè)計(jì)上具有屏蔽和良好的布局。

1dB壓縮點(diǎn)

在接收系統(tǒng)中，混頻器最有可能是整個(gè)系統(tǒng)中功率最高的器件。因此線性規(guī)格非常重要，它可以確定整個(gè)接收器的諸多系統(tǒng)規(guī)格。

在標(biāo)準(zhǔn)或線性工作條件下，混頻器的變頻損耗是恒定的，與RF功率無(wú)關(guān)。這意味著，當(dāng)你以1dB的幅度增加輸入功率時(shí)，輸出功率也會(huì)以1dB遞增。在P1dB壓縮點(diǎn)，輸入功率增加，輸出不隨輸入功率線性增加，其值比線性輸出低1dB。

在P1dB點(diǎn)或更高點(diǎn)運(yùn)行混頻器會(huì)使需要的IF或RF信號(hào)失真，同時(shí)會(huì)增加頻譜中的雜散量。完整信號(hào)鏈的1dB壓縮點(diǎn)會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍?；祛l器的典型P1dB規(guī)格介于0至15 dB之間。P1dB越高，性能越高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍相應(yīng)地越好。

變頻，是將信號(hào)頻率由一個(gè)量值變換為另一個(gè)量值的過(guò)程。具有這種功能的電路稱為變頻器(或混頻器)。一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號(hào)：混頻器將天線上接收到的射頻信號(hào)與本振產(chǎn)生的信號(hào)相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2可以這樣理解，α為射頻信號(hào)頻率量，β為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號(hào)被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來(lái)。由于本振電路的振蕩頻率隨著時(shí)間變化，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。

混頻過(guò)程會(huì)產(chǎn)生輸入信號(hào)的和與差的輸出以及大量額外的有害雜散信號(hào)(圖3)。這些雜散信號(hào)包括基本的混頻器輸入和輸出、其諧波產(chǎn)物(nRF、mLO或kIF)和交調(diào)產(chǎn)物、nRF ± mLO(下變頻)和nLO ± mIF(上變頻)。

圖3：混頻器輸出的頻譜圖顯示產(chǎn)生的所有不同產(chǎn)物。需要的信號(hào)為和頻或差頻，不過(guò)請(qǐng)注意，有害鏡像信號(hào)和二階和三階信號(hào)為諧波的結(jié)果。濾波有助于減少這些有害信號(hào)。

混頻器是輸出信號(hào)頻率等于兩輸入信號(hào)頻率之和、差或?yàn)閮烧咂渌M合的電路。混頻器通常由非線性元件和選頻回路構(gòu)成。混頻器位于低噪聲放大器 (LNA )之后 , 直接處理 LNA 放大后的射頻信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)混頻功能, 混頻器還需要接收來(lái)自壓控振蕩器的本振 (LO)信號(hào) ,其電路完全工作在射頻頻段。

直流偏置

輸出頻譜的另一個(gè)關(guān)鍵部分是LO泄漏或直流偏置和載波抑制。隔離會(huì)影響混頻器的這種功能，直流偏置是表示混頻器不平衡的量度。此規(guī)格在I/Q調(diào)制器和解調(diào)器中特別重要。由于I/Q調(diào)制器和解調(diào)器本身就是兩個(gè)混頻器，因此這些混頻器的部分不平衡受兩個(gè)內(nèi)部混頻器之間的增益差或偏置差影響。

具體來(lái)講，對(duì)于采用這些調(diào)制器和解調(diào)器的零IF系統(tǒng)，由于泄漏在信號(hào)帶寬內(nèi)，因此直流偏置(載波抑制)會(huì)降低性能。

LO驅(qū)動(dòng)電平

LO驅(qū)動(dòng)電平是混頻器中需要設(shè)計(jì)工程師嚴(yán)密考量的一個(gè)規(guī)格。系統(tǒng)LO的可用輸出功率可能限制設(shè)計(jì)中的混頻器選擇方案。驅(qū)動(dòng)電平不足或者過(guò)高會(huì)降低總混頻器性能。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電平過(guò)高還可能損壞器件。與無(wú)源混頻器相比，有源混頻器所需的LO功率往往較少，并且LO功率范圍具有更高的靈活性，可獲得完整的混頻器性能。

混頻器拓?fù)?

混頻器分為無(wú)源混頻器和有源混頻器。無(wú)源混頻器采用二極管和無(wú)源器件進(jìn)行混頻和濾波。無(wú)源混頻器一般具有更高的線性度，但變頻損耗或噪聲較高。此外還有單平衡混頻器和雙平衡混頻器。單平衡混頻器具有有限的隔離，而雙平衡混頻器的端口間隔離好得多，并且線性度更高。

大部分人都熟悉基本的肖特基二極管雙平衡混頻器。這種混頻器是性能最高的混頻器之一，僅需要輸入端的一些匹配良好、低損耗的平衡-不平衡變換器和具有四橋配置的二極管。為了獲得更高的隔離，輸出信號(hào)在輸入信號(hào)端口(非LO)被分出。肖特基二極管的低導(dǎo)通電阻(Ron)和高頻性能使得這種混頻器成為理想之選，不過(guò)它有一個(gè)不足：需要高LO功率。

我們擁有各種有源混頻器選擇方案，包括雙極結(jié)晶體管(BJT)和FET混頻器以及可創(chuàng)建真正的乘法器，從而提升隔離和偶次諧波的吉爾伯特單元拓?fù)?。吉爾伯特單元拓?fù)涫堑侥壳盀橹棺钍軞g迎的有源混頻器設(shè)計(jì)。

雖然這些混頻器可以提供極高的性能，但是我們?nèi)匀恍枰獮V波和多個(gè)IF級(jí)從需要的輸出中消除鏡像。鏡像始終距離需要的IF信號(hào)2IF。由于可調(diào)諧系統(tǒng)的復(fù)雜性越來(lái)越高，濾波器必須跟蹤LO以維持性能。這種系統(tǒng)可能需要多個(gè)級(jí)和濾波，以便徹底消除較高IF的鏡像。

采用IRM時(shí)，我們可以通過(guò)相位抵消實(shí)現(xiàn)境像抑制，而不采用濾波或多個(gè)IF級(jí)。設(shè)計(jì)從正交IF混頻器開始進(jìn)行。這種混頻器整合了兩個(gè)雙平衡混頻器、一個(gè)90°分流器和一個(gè)零度分流器。要實(shí)現(xiàn)IRM的功能，只需要在IF端口后面添加一個(gè)90°混合電路，以分隔鏡像和實(shí)信號(hào)，使鏡像輸出終止或用于進(jìn)一步的處理(圖4)。

圖4：鏡像抑制混頻器在接收器中最受歡迎。它可以通過(guò)相移去掉和頻或差頻產(chǎn)物，產(chǎn)生單個(gè)輸出，而不需要濾波。LO進(jìn)行90°相移，產(chǎn)生同相和正交相位信號(hào)，與輸入的RF信號(hào)進(jìn)行混頻。然后混頻器輸出互相進(jìn)行90°相移，從而去掉部分產(chǎn)物。

根據(jù)上文的討論，這種設(shè)計(jì)內(nèi)部的兩個(gè)混頻器可能不匹配，因此在需要的IF輸出端口出現(xiàn)了一些下變頻鏡像。鏡像抑制是所需IF與同一端口的輸出端的鏡像之比。為提高IRM的性能，良好的抑制匹配是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖5：?jiǎn)芜厧献冾l器或調(diào)制器用于發(fā)射信號(hào)鏈中。此過(guò)程類似于接收信號(hào)鏈的鏡像抑制混頻器(圖4)。基帶(BB)信號(hào)被施加到同相(I)和90°相移(Q)混頻器，并與分成90°相移分量的LO信號(hào)進(jìn)行混頻。增加了混頻器輸出，單個(gè)產(chǎn)物或邊帶為RF輸出。

混頻器原理當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行掃描時(shí)，屏幕上就顯示出了被測(cè)信號(hào)在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號(hào)的幅度記錄下來(lái)，就得到了被測(cè)信號(hào)的頻譜。

為實(shí)現(xiàn)混頻功能, 混頻器還需要接收來(lái)自壓控振蕩器的本振 (LO)信號(hào) ,其電路完全工作在射頻頻段。變頻，是將信號(hào)頻率由一個(gè)量值變換為另一個(gè)量值的過(guò)程。具有這種功能的電路稱為變頻器(或混頻器)。一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號(hào)：混頻器將天線上接收到的射頻信號(hào)與本振產(chǎn)生的信號(hào)相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2可以這樣理解，α為射頻信號(hào)頻率量，β為本振頻率量，產(chǎn)生和差頻。當(dāng)混頻的頻率等于中頻時(shí)，這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號(hào)被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來(lái)。由于本振電路的振蕩頻率隨著時(shí)間變化，因此頻譜分析儀在不同的時(shí)間接收的頻率是不同的。

混頻器原理當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行掃描時(shí)，屏幕上就顯示出了被測(cè)信號(hào)在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號(hào)的幅度記錄下來(lái)，就得到了被測(cè)信號(hào)的頻譜。

同時(shí)影響典型混頻器的接收通路和發(fā)射通路的一種信號(hào)是鏡像。與輸入信號(hào)距離2IF的信號(hào)將在下變頻過(guò)程中直接被轉(zhuǎn)換成與需要的輸入信號(hào)相同的IF。濾波和采用多個(gè)IF級(jí)和鏡像抑制混頻器(IRM)等方法可以最大限度地降低這種有害信號(hào)的影響。

鏡像就是按照系統(tǒng)規(guī)劃來(lái)自需要的輸出信號(hào)的“其它”輸出，這是因?yàn)槿魏魏?jiǎn)單的混頻器的輸出都包含混頻的和與差。可在混頻器輸出端實(shí)現(xiàn)更高的鏡像抑制的高級(jí)混頻器設(shè)計(jì)稱為SSB或同相/正交(I/Q)調(diào)制器。例如，TI公司的TRF372017是一款高集成度鎖相環(huán)/壓控振蕩器(PLL/VCO) I/Q調(diào)制器。