開關(guān)混頻器的原理及實(shí)現(xiàn)
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。
0 引言
*基金項(xiàng)目：國家自然科學(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:
vo=AB2{cos [(ω1+ω2)t+(φ1+φ2)]+cos[(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)] (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:
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
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(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:
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。
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。
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