基本混频器的工作原理

混频器是输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。混频器位于低噪声放大器 (LNA )之后 , 直接处理 LNA 放大后的射频信号。

‌混频器的工作原理是通过非线性元件将两个不同频率的信号混合，生成新的频率成分。‌混频器通常由非线性元件和选频回路组成，其核心功能是实现信号频率的变换。混频器在通信系统中扮演着重要角色，主要用于接收机系统和发射机系统。在接收机系统中，混频器将接收到的高频信号转换为较低的中频信号，便于后续的信号放大和解调;在发射机系统中，混频器则将基带信号转换为高频信号，以便于无线传输。‌1混频器的工作过程涉及三个主要信号：射频信号(RF)、本振信号(LO)和中频信号(IF)。

射频信号和本振信号通过混频器的非线性特性进行相乘，生成包含多个频率成分的输出信号。输出信号中包含的中频信号是后续处理所需的主要信号。混频器的设计需要考虑频率转换效率、信号失真和噪声系数等因素，以确保其在通信系统中的稳定和高效运行。

混频器是输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。混频器位于低噪声放大器 (LNA )之后 , 直接处理 LNA 放大后的射频信号。为实现混频功能, 混频器还需要接收来自压控振荡器的本振 (LO)信号 ,其电路完全工作在射频频段。变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器(或混频器)。一般用混频器产生中频信号：混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2可以这样理解，α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。

在无线通信系统中，信号必须进行上变频或下变频后才能进行信号传播和处理。这种变频步骤在传统上称为混频，是接收和发射信号链必不可少的过程。

于是，混频器和调制器就成为射频(RF)系统的基本构件。随着无线通信标准的不断演进，查看这些构件的特征并了解混频器如何影响总体系统性能至关重要。

在所有的无线设计中，混频器和调制器都支持变频并实现通信。它们确定整个信号链的基本规格。它们的接收信号链具有最高功率，对来自发射通路中的数模转换器(DAC)的信号进行上变频，并实现数字预失真(DPD)系统，从而影响整个通信系统的性能。

那么，基本混频器的工作原理如何?有哪些重要规格要考虑?目前有哪些混频器和调制器方案可用来改进和简化系统设计?

基本混频器工作原理

最简单的混频器就是一个乘法器。混频器实际上是个对输入信号相乘以产生新频率的输出信号。射频调制器和解调器本质上就是混频器。这些器件获取基带输入信号，并输出射频调制信号(反之亦然)。

由于影响混频器的因素同时也会影响调制器，因此本文主要从混频器的角度进行探讨。接收器一般采用下变频来实现高频RF信号的处理，发射器则将低频基带信号转换成高速射频。混频器的所有部分都像负载和源一样。

在第一个示例中，我们以下变频为例。两个输入分别为RF和本地振荡器(LO)。输出为中频(IF)。输出信号包含输入的和与差(图1)。我们可以从数学上解释这些混频输出分量：

RF输入 = A1sin(ω1t + φ1)

LO输入 = A2sin(ω2t + φ2)

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

通过三角恒等式，我们可以得到包含和与差的输出：

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

要获得进行信号处理所需的信号质量，可能需要多个下变频过程和滤波，具体取决于IF频率和系统级规划。(LO 〉 RF为本振上注入式，RF 〉 LO为本振下注入式。)

上隔离

混频器中的隔离在以下端口之间指定：RF与IF;LO与IF;IF与RF以及LO与RF。隔离量度计算一个端口到另一个端口的泄漏功率。例如，要测量LO到RF的隔离，只需将一个信号施加到LO端口，然后测量RF端口的这个输入LO信号的功率。

由于输入信号(特别是LO)较高，足以导致系统性能下降，因此隔离至关重要。LO泄漏会通过干扰RF放大器或在天线端口辐射RF能量，从而干扰输入信号。LO至IF输出的泄漏会压缩接收器阵列中剩余的IF单元，引起处理错误。

RF至IF的泄漏以及IF至RF的泄漏表示电路平衡性能，该性能与变频损耗有关。混频器的平衡性能越好，变频损耗就越低;因此，也具有较好的变频性能平坦度。理想情况下，隔离规格尽可能高，并且在最终的外形板设计上具有屏蔽和良好的布局。

1dB压缩点

在接收系统中，混频器最有可能是整个系统中功率最高的器件。因此线性规格非常重要，它可以确定整个接收器的诸多系统规格。

在标准或线性工作条件下，混频器的变频损耗是恒定的，与RF功率无关。这意味着，当你以1dB的幅度增加输入功率时，输出功率也会以1dB递增。在P1dB压缩点，输入功率增加，输出不随输入功率线性增加，其值比线性输出低1dB。

在P1dB点或更高点运行混频器会使需要的IF或RF信号失真，同时会增加频谱中的杂散量。完整信号链的1dB压缩点会影响系统的动态范围。混频器的典型P1dB规格介于0至15 dB之间。P1dB越高，性能越高，系统动态范围相应地越好。

变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器(或混频器)。一般用混频器产生中频信号：混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2可以这样理解，α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。

混频过程会产生输入信号的和与差的输出以及大量额外的有害杂散信号(图3)。这些杂散信号包括基本的混频器输入和输出、其谐波产物(nRF、mLO或kIF)和交调产物、nRF ± mLO(下变频)和nLO ± mIF(上变频)。

图3：混频器输出的频谱图显示产生的所有不同产物。需要的信号为和频或差频，不过请注意，有害镜像信号和二阶和三阶信号为谐波的结果。滤波有助于减少这些有害信号。

混频器是输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。混频器位于低噪声放大器 (LNA )之后 , 直接处理 LNA 放大后的射频信号。为实现混频功能, 混频器还需要接收来自压控振荡器的本振 (LO)信号 ,其电路完全工作在射频频段。

直流偏置

输出频谱的另一个关键部分是LO泄漏或直流偏置和载波抑制。隔离会影响混频器的这种功能，直流偏置是表示混频器不平衡的量度。此规格在I/Q调制器和解调器中特别重要。由于I/Q调制器和解调器本身就是两个混频器，因此这些混频器的部分不平衡受两个内部混频器之间的增益差或偏置差影响。

具体来讲，对于采用这些调制器和解调器的零IF系统，由于泄漏在信号带宽内，因此直流偏置(载波抑制)会降低性能。

LO驱动电平

LO驱动电平是混频器中需要设计工程师严密考量的一个规格。系统LO的可用输出功率可能限制设计中的混频器选择方案。驱动电平不足或者过高会降低总混频器性能。同时驱动电平过高还可能损坏器件。与无源混频器相比，有源混频器所需的LO功率往往较少，并且LO功率范围具有更高的灵活性，可获得完整的混频器性能。

混频器拓扑

混频器分为无源混频器和有源混频器。无源混频器采用二极管和无源器件进行混频和滤波。无源混频器一般具有更高的线性度，但变频损耗或噪声较高。此外还有单平衡混频器和双平衡混频器。单平衡混频器具有有限的隔离，而双平衡混频器的端口间隔离好得多，并且线性度更高。

大部分人都熟悉基本的肖特基二极管双平衡混频器。这种混频器是性能最高的混频器之一，仅需要输入端的一些匹配良好、低损耗的平衡-不平衡变换器和具有四桥配置的二极管。为了获得更高的隔离，输出信号在输入信号端口(非LO)被分出。肖特基二极管的低导通电阻(Ron)和高频性能使得这种混频器成为理想之选，不过它有一个不足：需要高LO功率。

我们拥有各种有源混频器选择方案，包括双极结晶体管(BJT)和FET混频器以及可创建真正的乘法器，从而提升隔离和偶次谐波的吉尔伯特单元拓扑。吉尔伯特单元拓扑是到目前为止最受欢迎的有源混频器设计。

虽然这些混频器可以提供极高的性能，但是我们仍然需要滤波和多个IF级从需要的输出中消除镜像。镜像始终距离需要的IF信号2IF。由于可调谐系统的复杂性越来越高，滤波器必须跟踪LO以维持性能。这种系统可能需要多个级和滤波，以便彻底消除较高IF的镜像。

采用IRM时，我们可以通过相位抵消实现境像抑制，而不采用滤波或多个IF级。设计从正交IF混频器开始进行。这种混频器整合了两个双平衡混频器、一个90°分流器和一个零度分流器。要实现IRM的功能，只需要在IF端口后面添加一个90°混合电路，以分隔镜像和实信号，使镜像输出终止或用于进一步的处理(图4)。

图4：镜像抑制混频器在接收器中最受欢迎。它可以通过相移去掉和频或差频产物，产生单个输出，而不需要滤波。LO进行90°相移，产生同相和正交相位信号，与输入的RF信号进行混频。然后混频器输出互相进行90°相移，从而去掉部分产物。

根据上文的讨论，这种设计内部的两个混频器可能不匹配，因此在需要的IF输出端口出现了一些下变频镜像。镜像抑制是所需IF与同一端口的输出端的镜像之比。为提高IRM的性能，良好的抑制匹配是关键的设计参数。

图5：单边带上变频器或调制器用于发射信号链中。此过程类似于接收信号链的镜像抑制混频器(图4)。基带(BB)信号被施加到同相(I)和90°相移(Q)混频器，并与分成90°相移分量的LO信号进行混频。增加了混频器输出，单个产物或边带为RF输出。

混频器原理当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。

为实现混频功能, 混频器还需要接收来自压控振荡器的本振 (LO)信号 ,其电路完全工作在射频频段。变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器(或混频器)。一般用混频器产生中频信号：混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2可以这样理解，α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。

混频器原理当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。

同时影响典型混频器的接收通路和发射通路的一种信号是镜像。与输入信号距离2IF的信号将在下变频过程中直接被转换成与需要的输入信号相同的IF。滤波和采用多个IF级和镜像抑制混频器(IRM)等方法可以最大限度地降低这种有害信号的影响。

镜像就是按照系统规划来自需要的输出信号的“其它”输出，这是因为任何简单的混频器的输出都包含混频的和与差。可在混频器输出端实现更高的镜像抑制的高级混频器设计称为SSB或同相/正交(I/Q)调制器。例如，TI公司的TRF372017是一款高集成度锁相环/压控振荡器(PLL/VCO) I/Q调制器。