上變頻器與下變頻器的簡單介紹

在通信系統(tǒng)中,為了易于信號發(fā)射以及實現(xiàn)信道復(fù)用,傳輸?shù)男盘栴l率很高,因而信號的頻率變換是通信系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。根據(jù)頻率變換前后的情況可以分為下變頻(頻率減少)和上變頻(頻率增加)。

一、下變頻器

在接收機(jī)中,如果經(jīng)過混頻后得到的中頻信號比原始信號低,那么此種混頻方式叫做下變頻。

下變頻的目的是為了降低信號的載波頻率或是直接去除載波頻率得到基帶信號。由于下變頻方式的電路簡單,成本較低,所以被廣泛應(yīng)用于民用設(shè)備和對性能要求不高的軍用設(shè)備中。

下變頻的方法是將接收信號與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號相乘,然后通過低通濾波器獲得變頻后的信號。兩個相乘信號通過實數(shù)或復(fù)數(shù)表示可以分為實混頻和復(fù)混頻。

下變頻方式最大的缺點是對鏡像干擾的抑制能力較差。

下面簡單介紹一下實混頻和復(fù)混頻

1.實混頻下變頻:

為了將包含所需通道的信號進(jìn)行下變頻,所接收到的射頻信號可以與一個實的本振信號進(jìn)行混頻或相乘,并進(jìn)行低通濾波,若本振頻率為fLO,中頻頻率為fIF。實混頻下變頻可以將中心頻率位于fc=fLO+fIF的信號轉(zhuǎn)換為中心頻率為fIF的信號。由于采用了實混頻,因此還有一個頻率轉(zhuǎn)換的過程,即中心頻率位于fM=fLO-fIF的信號也可通過與本振信號相乘濾波而轉(zhuǎn)換為中心頻率為fIF的信號。

在中頻觀察到的信號包含兩個不同的信號,分別稱為所需信號及其鏡像信號,這種現(xiàn)象也稱為鏡像信號干擾現(xiàn)象。從另一個角度來看,鏡像頻率干擾現(xiàn)象是因為實信號的正頻率部分和負(fù)頻率部分分別向中頻移動而發(fā)生混疊造成的。

根據(jù)本地振蕩器的頻率fLO低于或高于所需信號的中心頻率的情況,鏡像信號頻率將相應(yīng)低于或高于所需信號頻率。無論何種方式,所需頻道與鏡像頻道之間的間隔均為2fIF。

對于鏡像信號現(xiàn)象,傳統(tǒng)的方法是采用鏡像抑制濾波(IR),即通過采用帶通濾波器在頻率變換之前對鏡像信號進(jìn)行抑制。這需要對中頻頻率進(jìn)行正確的選擇:一方面,中頻頻率應(yīng)該足夠高,因為所需信號與鏡像信號之間的間隔為2fIF,且鏡像抑制濾波器工作在射頻,為了能夠抑制鏡像信號,需要高的中頻;另一方面,為了實現(xiàn)高Q值的帶通濾波器,以抑制帶內(nèi)的干擾信號,實現(xiàn)高選擇性的信道濾波,需要低的中頻。在接收機(jī)設(shè)計中需要進(jìn)行綜合考慮。

2.復(fù)混頻下變頻:

信號的頻譜分為正頻率部分和負(fù)頻率部分,鏡像干擾問題是下變頻時由信號的正負(fù)頻率部分向中頻移動而造成的。如果可以將正頻率部分和負(fù)頻率部分相分離,則鏡像問題就可以得到輕松解決,這可以通過復(fù)信號處理技術(shù)來實現(xiàn)。

在理想情況下,正交下變頻技術(shù)具有完全的鏡像信號抑制能力,消除了射頻鏡像抑制濾波器的使用,大大放寬了對模擬射頻濾波器的總要求,簡化了射頻前端,使接收機(jī)集成更為方便。然而,這需要同相信號和正交信號(I、Q信號)兩個支路完全平衡。但在實際應(yīng)用中,這一點是不可能實現(xiàn)的,鏡像信號的抑制能力為20～40dB。

除鏡像頻率問題外,在頻率和相位調(diào)制系統(tǒng)中,接收機(jī)解調(diào)需要采用正交下變頻方式。

二、上變頻器

在通信系統(tǒng)中,為了易于信號發(fā)射以及實現(xiàn)信道復(fù)用,傳輸?shù)男盘栴l率很高,因而信號的頻率變換是通信系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。根據(jù)頻率變換前后的情況可以分為下變頻(頻率減少)和上變頻(頻率增加)。在接收機(jī)中進(jìn)行的是下變頻。下變頻的方法是將接收信號與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號相乘,然后通過低通濾波器獲得變頻后的信號。兩個相乘信號通過實數(shù)或復(fù)數(shù)表示可以分為實混頻和復(fù)混頻。

上變頻(up conversion),將具有一定頻率的輸入信號,改換成具有更高頻率的輸出信號(通常不改變信號的信息內(nèi)容和調(diào)制方式)的過程。 在超外差式接收機(jī)中,如果經(jīng)過混頻后得到的中頻信號比原始信號高,那么此種混頻方式叫做上變頻。由于變頻獲得的中頻頻率較高,所以對接收機(jī)中中頻放大、濾波、解調(diào)都提出了更高要求,使整個接收機(jī)成本較高。上變頻可獲得極高的抗鏡像干擾能力,且可獲得整個頻段內(nèi)非常平坦的頻率響應(yīng)。綜合以上因素,使這種變頻方式通常只有軍用等特殊場合(如軍用電臺)得到廣泛應(yīng)用,但在民用級產(chǎn)品中極少見到。

上變頻原理:

上變頻(up conversion),變頻器輸入端同時作用著兩個信號,一個是輸入信號,一個是本機(jī)振蕩信號。所謂上變頻是指這樣的變頻作用:其輸出信號頻率高于輸入信號頻率,亦即將輸入信號頻率向提高的方向變換。

在高頻電子線路中,常常需要將信號的頻譜進(jìn)行線性搬移。所謂頻譜線性搬移,是指頻譜結(jié)構(gòu)不變,即各個頻率分量的相對幅度無變化、頻率分量無增減,只是在頻率軸上的平行移動。這種頻譜搬移不僅有利于提高設(shè)備的性能,而且能夠適應(yīng)許多應(yīng)用系統(tǒng),比如廣播系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)等。

變頻電路廣泛用于各種電子設(shè)備中。最典型的應(yīng)用就是超外差式接收機(jī),它將較高的載頻變成較低的固定中頻,然后進(jìn)行中頻放大、檢波等處理,使整個接收機(jī)的靈敏度和選擇性大大提高。超外差式接收機(jī)正是利用變頻電路把不同中心頻率的頻道信號變換成固定中頻信號,而信號的調(diào)制方式、頻譜結(jié)構(gòu)都不變,提高了接收機(jī)的靈敏度、選擇性和可靠性。

這是變頻電路提高設(shè)備性能的典型例證。在廣播系統(tǒng)中,需要傳輸幾個節(jié)目,不同節(jié)目的信號分配的頻譜不一樣,發(fā)射機(jī)需要把各個節(jié)目的信號按預(yù)定的頻譜安排進(jìn)行線性搬移。在頻率合成器中,常用變頻電路完成頻率加減運(yùn)算,從而得到不同的頻率,這些頻率的穩(wěn)定度可以與主振蕩器的高穩(wěn)定度相同。在多路微波中繼接力系統(tǒng)中,接收機(jī)常常把微波頻譜變換成頻率較低的中頻信號,在中頻上進(jìn)行電壓放大和功率放大,達(dá)到足夠的電壓增益和功率增益后,再用變頻電路把中頻信號變換成微波信號,轉(zhuǎn)發(fā)給下一站。

由此可見,變頻電路的功能是將已調(diào)波的載波頻率變換成另一個載波頻率,一般為固定的中頻載波頻率,而且保持其調(diào)制規(guī)律不變。變頻電路是一種頻率變換電路,或者說是一種頻譜線性搬移電路。

上變頻器主要功能是:

將70MHz調(diào)相或掃描信號變換到所要求的頻率上。上變頻器使用系統(tǒng)提供的10MHz頻標(biāo),保證輸出信號的相關(guān)性。對上變頻器的要求是:滿足系統(tǒng)對頻帶和頻率步進(jìn)量的要求;輸出信號具有良好的噪聲性能和雜波抑制;滿足高功率放大器激勵電平的要求等。