通信接收機(jī)變頻電路的虛擬仿真分析

侯衛(wèi)周, 蔣俊華

(1.河南大學(xué) 民生學(xué)院，河南 開封 475003；2.河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475003)

變頻電路通常又稱為變頻器，常用于通信接收機(jī)中，能大大提高接收機(jī)的靈敏度。變頻電路靠近接收天線(特別在不設(shè)有高頻放大器的接收機(jī)中)，它的性能會(huì)直接影響接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍等特性。目前高質(zhì)量的通信接收機(jī)主要使用二極管環(huán)形變頻器、由雙差分對(duì)平衡調(diào)制器或模擬乘法器組成的變頻器[1-3]。由模擬乘法器組成的變頻器具有輸出電壓信號(hào)且包含其余組合頻率分量的信號(hào)較少，對(duì)帶通濾波器要求不高等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛。本文主要針對(duì)由乘法器組成的變頻電路進(jìn)行仿真研究。

1 接收機(jī)中變頻的基本原理

變頻器是將已調(diào)制信號(hào)的載頻變?yōu)榱硗庖粋€(gè)載頻，變化后的新載頻調(diào)制類型(調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相)和調(diào)制參數(shù)(如調(diào)制頻率、調(diào)制指數(shù)等)不會(huì)發(fā)生變化，且頻譜結(jié)構(gòu)(即各頻率分量的相對(duì)振幅和相互間隔)不變。變頻器變頻前后的波形如圖1所示。

圖1 變頻前后的波形示意圖

圖1中ui(t)表示接收的有用信號(hào)，它的載波頻率為fc；uI(t)表示接收的有用信號(hào)和本振信號(hào)經(jīng)過變頻后轉(zhuǎn)換為頻率固定的中頻信號(hào)，它的中頻載波頻率為fI。例如在某些接收機(jī)中，能將超外差接收機(jī)收到的調(diào)幅波載頻變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的465 kHz，將收到的調(diào)頻波載頻變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的10.7 MHz。從頻率角度理解，變頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，即波形基本不變，只是使波形中載波的頻率變化了[4]。通常講變頻后的載頻大于變頻前的載頻，稱為向上變頻(又稱高中頻方案，fI>fc)；將變頻后的載頻小于變頻前的載頻，稱為向下變頻(又稱低中頻方案，fI

圖2 變頻前后的頻譜圖

在常見的要求不高的變頻電路中，一般采用輸入信號(hào)us(t)和本振信號(hào)uL(t)通過一個(gè)非線性器件進(jìn)行時(shí)間域內(nèi)相乘，再利用濾波器取出固定的中頻，原理框圖如圖3所示。

圖3 用非線性器件實(shí)現(xiàn)變頻功能的原理框圖

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子電路更多地采用模擬乘法器(輸出的無用頻率分量較少)和帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜搬移。以普通已調(diào)幅信號(hào)us(t)作為接收信號(hào)為例，說明變頻電路的工作原理如下(ω與f的物理關(guān)系為：ω=2πf，其中ω是信號(hào)角頻率，單位是rad/s；f是信號(hào)頻率，單位是Hz)。

設(shè)變頻前的輸入信號(hào)為us(t)，則：

us(t)=Usm[1+mauΩ(t)]cosωst

(1)

式中uΩ(t)為某調(diào)制信號(hào)，ma為調(diào)幅指數(shù)，Usm為已調(diào)制信號(hào)振幅，ωs為變頻前已調(diào)制信號(hào)的載波角頻率。

設(shè)本地振蕩器信號(hào)(本振信號(hào))為uL(t)則：

uL(t)=ULmcosωLt

(2)

式中ULm為本振信號(hào)振幅，ωL為本振信號(hào)的角頻率。若ωL>ωs，則變頻前的已調(diào)幅信號(hào)us(t)與本振信號(hào)uL(t)經(jīng)過模擬乘法器后的輸出電壓uo(t)表達(dá)式為：

uo(t)=km×us(t) ×uL(t)=km×Usm

[1+mauΩ(t)]cosωst×ULmcosωLt=

km×Usm×ULm[1+mauΩ(t)] ×

[ cos(ωs-ωL)t+ cos(ωs+ωL)t]/2

(3)

式中km表示模擬乘法器的系數(shù)。如果電路需要低中頻，則可以將變頻輸出信號(hào)的中頻分量ωI=ωs-ωL(或ωI=ωL-ωs)取出來，那么在模擬乘法器后面接上一個(gè)中心頻率為ωI的帶通濾波器濾除不需要的ωs+ωL的高頻成分，從而實(shí)現(xiàn)變頻；如果需要在輸出的信號(hào)中取出頻率成分是ωI=ωL+ωs，則乘法器的輸出后面接一個(gè)中心頻率為ωI的帶通濾波器(簡(jiǎn)稱BPF)，濾除不需要的ωL-ωs(或ωs-ωL)的低頻成分。需要用乘法器實(shí)現(xiàn)變頻功能的框圖如圖4所示。本文對(duì)通信接收機(jī)中的變頻電路的虛擬仿真分析采用了低中頻方案。

圖4 用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)變頻功能的組成框圖

2 通信接收機(jī)變頻電路的虛擬仿真分析

用Multisim10.1軟件可交互式地搭建電子電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行虛擬仿真[5-6]。Multisim 10.1提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，使用者無需深入了解SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬器技術(shù)，使用者可以完成從理論到原理圖的捕獲與仿真，進(jìn)而完成原型設(shè)計(jì)和測(cè)試完整的綜合設(shè)計(jì)流程[7-8]。

(1) 搭建變頻電路測(cè)試電路。按照us(t)、uL(t)信號(hào)源和二極管、三極管、電阻及電容等特定的設(shè)置參數(shù)要求搭建一個(gè)變頻電路，并按照上述介紹的接收機(jī)中變頻電路的原理來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜搬移，從而掌握虛擬仿真電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(2) 掌握變頻電路的工作原理。目的是通過變頻電路讓輸入信號(hào)us(t)和本振信號(hào)uL(t)在時(shí)間域相乘，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)信號(hào)的頻率相加減(即頻譜搬移)，再通過帶通濾波器取出所需要的頻率固定的低中頻或高中頻ωI。

(3) 觀察變頻前和變頻后的波形變化規(guī)律。在理解正弦波振蕩器和模擬乘法器工作原理的基礎(chǔ)上，改變調(diào)幅信源載頻高低和正弦波振蕩器某些電阻的大小來觀測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形變化規(guī)律。

3 Multisim 10.1對(duì)變頻電路的虛擬仿真測(cè)試

(1) 變頻器虛擬仿真測(cè)試電路如圖5所示。圖中左半部分是由分立元器件組成的LC并聯(lián)回路電容反饋三端式振蕩電路；模擬乘法器A1輸出普通調(diào)幅波作為變頻器A2的一個(gè)輸入信號(hào)us(t)，LC正弦波振蕩電路產(chǎn)生的正弦波是本振信號(hào)源uL(t)，作為模擬乘法器A2的另一個(gè)輸入信號(hào)。圖5中R5C5構(gòu)成濾波器。

(2) 為了更好地觀察變頻前后的波形變化規(guī)律，從虛擬儀器工具條中調(diào)出四通道示波器，將示波器的4個(gè)通道一一進(jìn)行適當(dāng)連接。其中A通道用來觀察讓原調(diào)幅波的載波信號(hào)頻率fc為150 kHz的波形；B通道用來觀察已調(diào)幅信號(hào)us(t)波形(即A1的輸出信號(hào))；C通道用來觀察本振信號(hào)uL(t)波形；D通道用來觀察變頻后的中頻信號(hào)uI(t)波形，即最終的輸出信號(hào)波形。

圖5 變頻器虛擬仿真測(cè)試電路

4 仿真結(jié)果及其結(jié)論

開啟Multisim 10.1的虛擬仿真開關(guān)，雙擊圖5中的四通道示波器圖標(biāo)(各通道參數(shù)設(shè)置見表1)，從放大面板的屏幕上可以看到A、B、C、D這4個(gè)通道的波形圖(見圖6)。

表1 各通道參數(shù)的設(shè)置(時(shí)基：200 μs)

圖6 V4信源頻率為150 kHz時(shí)各通道波形

圖中，A通道波形為調(diào)幅時(shí)150 kHz的載波波形，B通道為變頻前的已調(diào)幅波形(即模擬乘法器A1的輸出，同時(shí)作為模擬乘法器A2的一個(gè)輸入信號(hào)us(t))，C通道A2的另一個(gè)輸入信號(hào)uL(t)的波形，D通道為變頻后的輸出波(即中頻信號(hào))的波形。

從圖6可以看出，B通道的波形屬于變頻前的波形，D通道的波形屬于變頻后的波形，變頻前后的波形結(jié)構(gòu)基本沒發(fā)生變化，變化的僅僅是包絡(luò)線中間的載波信號(hào)頻率發(fā)生改變，而包絡(luò)線形狀沒發(fā)生變化，這也正體現(xiàn)了變頻理論的本質(zhì)，這與上述介紹的變頻工作的理論原理是一致的。

當(dāng)電路的其余參數(shù)不變，而僅將圖5中的信源V4(調(diào)幅載波)頻率由150 kHz改為60 kHz時(shí)，各通道波形變化規(guī)律如圖7所示

圖7 V4信源頻率為60 kHz時(shí)各通道波形

由于信源V4(調(diào)幅載波)頻率變低，根據(jù)變頻工作原理的公式(1)和公式(3)可知，A、B、D的波形頻率必定變化。對(duì)比圖6和圖7的A、B、D三個(gè)通道的波形發(fā)現(xiàn)，在單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)波形的稀疏程度發(fā)生了變化，但波形結(jié)構(gòu)和包絡(luò)線形狀均不發(fā)生變化。這說明仿真結(jié)果體現(xiàn)了變頻電路的本質(zhì)。當(dāng)圖5中乘法器A1的兩個(gè)輸入信號(hào)不變時(shí)，改變圖5正弦波發(fā)生器中的電阻Rp1或Rp2或電容C3、C4或電感L1的大小，均會(huì)讓C通道波形發(fā)生變化，而變化了的C通道波形一定會(huì)影響變頻后中頻信號(hào)uI(t)波形變化，測(cè)試結(jié)果同樣可滿足波形結(jié)構(gòu)和包絡(luò)線形狀均不發(fā)生變化的規(guī)律[9]。由于篇幅有限，在此不予以詳述。

通過上述實(shí)例，說明了利用Multisim 10.1軟件對(duì)變頻前、后電路的波形進(jìn)行測(cè)試，對(duì)應(yīng)的B通道和D通道波形變化規(guī)律驗(yàn)證了變頻的原理，得出虛擬仿真的結(jié)果是正確的。

5 結(jié)束語

通過對(duì)某通信接收機(jī)中變頻電路的虛擬仿真分析，改變調(diào)幅信源頻率或正弦波振蕩器的一些電路參數(shù)，利用四通道示波器觀測(cè)A、B、C、D通道的波形變化，進(jìn)一步理解和掌握變頻電路工作原理和Multisim 10.1軟件中多種電路分析方法。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)理論講解和虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的同步進(jìn)行、完美結(jié)合，既增強(qiáng)教學(xué)直觀性與認(rèn)知性，又能最大限度地利用有限的授課學(xué)時(shí)，加深學(xué)生對(duì)通信電子電路理論知識(shí)的充分理解和掌握，是一種有著強(qiáng)大活力的現(xiàn)代教學(xué)方法。

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