上變頻器與下變頻器的簡(jiǎn)單介紹

在通信系統(tǒng)中,為了易于信號(hào)發(fā)射以及實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用,傳輸?shù)男盘?hào)頻率很高,因而信號(hào)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(guò)混頻后得到的中頻信號(hào)比原始信號(hào)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(hào)的載波頻率或是直接去除載波頻率得到基帶信號(hào)。由于下變頻方式的電路簡(jiǎn)單,成本較低,所以被廣泛應(yīng)用于民用設(shè)備和對(duì)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(hào)與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)相乘,然后通過(guò)低通濾波器獲得變頻后的信號(hào)。兩個(gè)相乘信號(hào)通過(guò)實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)表示可以分為實(shí)混頻和復(fù)混頻。

下變頻方式最大的缺點(diǎn)是對(duì)鏡像干擾的抑制能力較差。

下面簡(jiǎn)單介紹一下實(shí)混頻和復(fù)混頻

1.實(shí)混頻下變頻:

為了將包含所需通道的信號(hào)進(jìn)行下變頻,所接收到的射頻信號(hào)可以與一個(gè)實(shí)的本振信號(hào)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(shí)混頻下變頻可以將中心頻率位于fc=fLO+fIF的信號(hào)轉(zhuǎn)換為中心頻率為fIF的信號(hào)。由于采用了實(shí)混頻,因此還有一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換的過(guò)程,即中心頻率位于fM=fLO-fIF的信號(hào)也可通過(guò)與本振信號(hào)相乘濾波而轉(zhuǎn)換為中心頻率為fIF的信號(hào)。

在中頻觀察到的信號(hào)包含兩個(gè)不同的信號(hào),分別稱為所需信號(hào)及其鏡像信號(hào),這種現(xiàn)象也稱為鏡像信號(hào)干擾現(xiàn)象。從另一個(gè)角度來(lái)看,鏡像頻率干擾現(xiàn)象是因?yàn)閷?shí)信號(hào)的正頻率部分和負(fù)頻率部分分別向中頻移動(dòng)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(hào)的中心頻率的情況,鏡像信號(hào)頻率將相應(yīng)低于或高于所需信號(hào)頻率。無(wú)論何種方式,所需頻道與鏡像頻道之間的間隔均為2fIF。

對(duì)于鏡像信號(hào)現(xiàn)象,傳統(tǒng)的方法是采用鏡像抑制濾波(IR),即通過(guò)采用帶通濾波器在頻率變換之前對(duì)鏡像信號(hào)進(jìn)行抑制。這需要對(duì)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?yàn)樗栊盘?hào)與鏡像信號(hào)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(hào),需要高的中頻;另一方面,為了實(shí)現(xiàn)高Q值的帶通濾波器,以抑制帶內(nèi)的干擾信號(hào),實(shí)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(jì)中需要進(jìn)行綜合考慮。

2.復(fù)混頻下變頻:

信號(hào)的頻譜分為正頻率部分和負(fù)頻率部分,鏡像干擾問(wèn)題是下變頻時(shí)由信號(hào)的正負(fù)頻率部分向中頻移動(dòng)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(wèn)題就可以得到輕松解決,這可以通過(guò)復(fù)信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)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(hào)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(duì)模擬射頻濾波器的總要求,簡(jiǎn)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(hào)和正交信號(hào)(I、Q信號(hào))兩個(gè)支路完全平衡。但在實(shí)際應(yīng)用中,這一點(diǎn)是不可能實(shí)現(xiàn)的,鏡像信號(hào)的抑制能力為20～40dB。

除鏡像頻率問(wèn)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(hào)發(fā)射以及實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用,傳輸?shù)男盘?hào)頻率很高,因而信號(hào)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(hào)與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)相乘,然后通過(guò)低通濾波器獲得變頻后的信號(hào)。兩個(gè)相乘信號(hào)通過(guò)實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)表示可以分為實(shí)混頻和復(fù)混頻。

上變頻(up conversion),將具有一定頻率的輸入信號(hào),改換成具有更高頻率的輸出信號(hào)(通常不改變信號(hào)的信息內(nèi)容和調(diào)制方式)的過(guò)程。 在超外差式接收機(jī)中,如果經(jīng)過(guò)混頻后得到的中頻信號(hào)比原始信號(hào)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(duì)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(gè)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(gè)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(chǎng)合(如軍用電臺(tái))得到廣泛應(yīng)用,但在民用級(jí)產(chǎn)品中極少見(jiàn)到。

上變頻原理:

上變頻(up conversion),變頻器輸入端同時(shí)作用著兩個(gè)信號(hào),一個(gè)是輸入信號(hào),一個(gè)是本機(jī)振蕩信號(hào)。所謂上變頻是指這樣的變頻作用:其輸出信號(hào)頻率高于輸入信號(hào)頻率,亦即將輸入信號(hào)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(hào)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(gè)頻率分量的相對(duì)幅度無(wú)變化、頻率分量無(wú)增減,只是在頻率軸上的平行移動(dòng)。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(dòng)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(gè)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(hào)變換成固定中頻信號(hào),而信號(hào)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(gè)節(jié)目,不同節(jié)目的信號(hào)分配的頻譜不一樣,發(fā)射機(jī)需要把各個(gè)節(jié)目的信號(hào)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(hào),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(hào)變換成微波信號(hào),轉(zhuǎn)發(fā)給下一站。

由此可見(jiàn),變頻電路的功能是將已調(diào)波的載波頻率變換成另一個(gè)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(shuō)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(hào)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(hào)的相關(guān)性。對(duì)上變頻器的要求是:滿足系統(tǒng)對(duì)頻帶和頻率步進(jìn)量的要求;輸出信號(hào)具有良好的噪聲性能和雜波抑制;滿足高功率放大器激勵(lì)電平的要求等。