上变频器与下变频器的简单介绍

在通信系统中,为了易于信号发射以及实现信道复用,传输的信号频率很高,因而信号的频率变换是通信系统研究的重要内容。根据频率变换前后的情况可以分为下变频(频率减少)和上变频(频率增加)。

一、下变频器

在接收机中,如果经过混频后得到的中频信号比原始信号低,那么此种混频方式叫做下变频。

下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。由于下变频方式的电路简单,成本较低,所以被广泛应用于民用设备和对性能要求不高的军用设备中。

下变频的方法是将接收信号与本地振荡器产生的本振信号相乘,然后通过低通滤波器获得变频后的信号。两个相乘信号通过实数或复数表示可以分为实混频和复混频。

下变频方式最大的缺点是对镜像干扰的抑制能力较差。

下面简单介绍一下实混频和复混频

1.实混频下变频:

为了将包含所需通道的信号进行下变频,所接收到的射频信号可以与一个实的本振信号进行混频或相乘,并进行低通滤波,若本振频率为fLO,中频频率为fIF。实混频下变频可以将中心频率位于fc=fLO+fIF的信号转换为中心频率为fIF的信号。由于采用了实混频,因此还有一个频率转换的过程,即中心频率位于fM=fLO-fIF的信号也可通过与本振信号相乘滤波而转换为中心频率为fIF的信号。

在中频观察到的信号包含两个不同的信号,分别称为所需信号及其镜像信号,这种现象也称为镜像信号干扰现象。从另一个角度来看,镜像频率干扰现象是因为实信号的正频率部分和负频率部分分别向中频移动而发生混叠造成的。

根据本地振荡器的频率fLO低于或高于所需信号的中心频率的情况,镜像信号频率将相应低于或高于所需信号频率。无论何种方式,所需频道与镜像频道之间的间隔均为2fIF。

对于镜像信号现象,传统的方法是采用镜像抑制滤波(IR),即通过采用带通滤波器在频率变换之前对镜像信号进行抑制。这需要对中频频率进行正确的选择:一方面,中频频率应该足够高,因为所需信号与镜像信号之间的间隔为2fIF,且镜像抑制滤波器工作在射频,为了能够抑制镜像信号,需要高的中频;另一方面,为了实现高Q值的带通滤波器,以抑制带内的干扰信号,实现高选择性的信道滤波,需要低的中频。在接收机设计中需要进行综合考虑。

2.复混频下变频:

信号的频谱分为正频率部分和负频率部分,镜像干扰问题是下变频时由信号的正负频率部分向中频移动而造成的。如果可以将正频率部分和负频率部分相分离,则镜像问题就可以得到轻松解决,这可以通过复信号处理技术来实现。

在理想情况下,正交下变频技术具有完全的镜像信号抑制能力,消除了射频镜像抑制滤波器的使用,大大放宽了对模拟射频滤波器的总要求,简化了射频前端,使接收机集成更为方便。然而,这需要同相信号和正交信号(I、Q信号)两个支路完全平衡。但在实际应用中,这一点是不可能实现的,镜像信号的抑制能力为20～40dB。

除镜像频率问题外,在频率和相位调制系统中,接收机解调需要采用正交下变频方式。

二、上变频器

在通信系统中,为了易于信号发射以及实现信道复用,传输的信号频率很高,因而信号的频率变换是通信系统研究的重要内容。根据频率变换前后的情况可以分为下变频(频率减少)和上变频(频率增加)。在接收机中进行的是下变频。下变频的方法是将接收信号与本地振荡器产生的本振信号相乘,然后通过低通滤波器获得变频后的信号。两个相乘信号通过实数或复数表示可以分为实混频和复混频。

上变频(up conversion),将具有一定频率的输入信号,改换成具有更高频率的输出信号(通常不改变信号的信息内容和调制方式)的过程。 在超外差式接收机中,如果经过混频后得到的中频信号比原始信号高,那么此种混频方式叫做上变频。由于变频获得的中频频率较高,所以对接收机中中频放大、滤波、解调都提出了更高要求,使整个接收机成本较高。上变频可获得极高的抗镜像干扰能力,且可获得整个频段内非常平坦的频率响应。综合以上因素,使这种变频方式通常只有军用等特殊场合(如军用电台)得到广泛应用,但在民用级产品中极少见到。

上变频原理:

上变频(up conversion),变频器输入端同时作用着两个信号,一个是输入信号,一个是本机振荡信号。所谓上变频是指这样的变频作用:其输出信号频率高于输入信号频率,亦即将输入信号频率向提高的方向变换。

在高频电子线路中,常常需要将信号的频谱进行线性搬移。所谓频谱线性搬移,是指频谱结构不变,即各个频率分量的相对幅度无变化、频率分量无增减,只是在频率轴上的平行移动。这种频谱搬移不仅有利于提高设备的性能,而且能够适应许多应用系统,比如广播系统、电视系统、移动通信系统等。

变频电路广泛用于各种电子设备中。最典型的应用就是超外差式接收机,它将较高的载频变成较低的固定中频,然后进行中频放大、检波等处理,使整个接收机的灵敏度和选择性大大提高。超外差式接收机正是利用变频电路把不同中心频率的频道信号变换成固定中频信号,而信号的调制方式、频谱结构都不变,提高了接收机的灵敏度、选择性和可靠性。

这是变频电路提高设备性能的典型例证。在广播系统中,需要传输几个节目,不同节目的信号分配的频谱不一样,发射机需要把各个节目的信号按预定的频谱安排进行线性搬移。在频率合成器中,常用变频电路完成频率加减运算,从而得到不同的频率,这些频率的稳定度可以与主振荡器的高稳定度相同。在多路微波中继接力系统中,接收机常常把微波频谱变换成频率较低的中频信号,在中频上进行电压放大和功率放大,达到足够的电压增益和功率增益后,再用变频电路把中频信号变换成微波信号,转发给下一站。

由此可见,变频电路的功能是将已调波的载波频率变换成另一个载波频率,一般为固定的中频载波频率,而且保持其调制规律不变。变频电路是一种频率变换电路,或者说是一种频谱线性搬移电路。

上变频器主要功能是:

将70MHz调相或扫描信号变换到所要求的频率上。上变频器使用系统提供的10MHz频标,保证输出信号的相关性。对上变频器的要求是:满足系统对频带和频率步进量的要求;输出信号具有良好的噪声性能和杂波抑制;满足高功率放大器激励电平的要求等。