【电路笔记 通信】混频器+混频器芯片(FSK/ASK收发器IC超外插接收器IC)+外差接收机 超外差接收机

上变频和下变频

特征	上变频	下变频
变频原因	发射信号时，低频需要的天线尺寸大，所以搬移到高频发射	高频信号难以高增益放大和高效滤波，接收信号时处理较低频率的比较容易
目的	发射、调制	接收、解调
位置	发射机的末端	接收机的前端
频率变换	低频 → 高频:将低频信号搬到高频进行发射	高频 → 低频:将高频信号搬到低频进行处理
输入信号	经过调制的中频信号或基带信号	从天线接收的射频信号
本地振荡器	频率为 $f_{lo}$，通常 $f_{lo}>f_{if}$	频率为 $f_{lo}$，通常 $f_{lo}<f_{rf}$
输出信号	射频信号	中频信号
目标	取出差频分量	取出和频分量
示例	输入调制低频 $f_{if}$ ( 100 MHz),本振$f_{lo}$ ( 2.3 GHz), 混频输出$f_{if}+f_{lo}=2.4GHz$ & $|f_{if}-f_{lo}|=2.2GHz$,使用一个带通滤波器滤除2.2 GHz，保留2.4 GHz	输入射频信号 $f_{rf}$ (如 2.4 GHz) , 本振：$f_{lo}$ (2.3 GHz), 混频$f_{rf}-f_{lo}=100MHz$ & $f_{rf}+f_{lo}=4.7GHz$ (不需要的和频)，使用一个低通滤波器和频分量 4.7 GHz，保留低频的差频分量 (100 MHz)

混频器

• 上变频和下变频都通过混频器这一核心器件来实现，但其在系统中所处的位置和目的完全不同。

实现核心：乘法器

• 输入1：数字化的输入信号（例如，从ADC来的中频或射频信号）,$S_{rf}=A\cdot cos({\omega }_{rf}\cdot t+\varphi )$。
• 输入2：本振信号NCO/DDS生成的正弦波或余弦波, $S_{lo}=cos({\omega }_{lo}\cdot t)$。

• 混频输出：
  $S_{out}=S_{rf}\cdot S_{lo}=A\cdot cos({\omega }_{rf}\cdot t+\varphi )\cdot cos({\omega }_{lo}\cdot t)$
  根据三角函数积化和差公式：
  $S_{out}=\frac{A}{2}[cos(({\omega }_{rf}-{\omega }_{lo})t+\varphi )+cos(({\omega }_{rf}+{\omega }_{lo})t+\varphi )]$
  输出包含 ${\omega }_{rf}-{\omega }_{lo}$（差频）和 ${\omega }_{rf}+{\omega }_{lo}$（和频）两个分量。

• 注：还有叠加法实现的混频器，利用非线性器件的泰勒展开“拼凑”乘积项，但带有其他额外非乘法项

• 混频器性能对外差接收机的影响

  • 转换增益/损耗：理想的混频器最好能有增益，但大多数混频器会有几个分贝的损耗，这会影响接收机的整体灵敏度。
  • 噪声系数：混频器本身会引入噪声。一个低噪声的混频器对接收弱信号至关重要，因为前级电路的噪声会被后续各级放大。
  • 线性度：混频器需要能处理强干扰信号而不产生失真。线性度差的混频器在遇到强信号时会产生交叉调制、互调失真等现象，导致接收效果恶化。
  • 隔离度：指本振端口、射频端口和中频端口之间的信号泄漏程度。例如，本振信号泄漏到天线端辐射出去，会造成干扰；射频信号泄漏到本振端会造成牵引等现象。

混频器芯片

• ADF7020-1 不推荐用于新设计 高性能ISM频段FSK/ASK收发器IC 低功 耗、低中频收发器 RF，RFID，无线评估板

• LNA（Low Noise Amplifier, 低噪声功率放大器）
• 本振输入信号频率100MHz、幅度200mVpp;射频输入信号频率98MHz;滤波器为5MHz的通滤波器，输入输出阻抗为5092;信号源的输出负载阻抗设置为509，示波器输入阻抗设置为502。由于滤波器阻抗匹配原因，输出信号是输入射频信号的一半。——本例来源于淘宝
• TRF37x32 是具有集成中频放大器的宽带双通道下变频混频器。中频放大器在集电极开路拓扑结构中的工作频率为30MHz至600MHz，支持多种中频频率和带宽。非常适用于时域双工(TDD)应用。芯片采用抗干扰能力更强的差分输出。
  

外差接收机 & 超外差接收机

• 超外差接收机针对外差接收机的缺点进行了全面优化，成为了最主流接收机架构。

特性	外差接收机	超外差接收机
核心结构	混频 + 中频处理	射频放大 + 混频 + 高性能中频处理
灵敏度	较低	高（因有射频放大）
选择性	较差	极高（因有固定频率的锐利中频滤波器）
稳定性	一般	好（增益和滤波性能不随频率变化）
AGC	通常没有	有（输出稳定，动态范围大）
应用	早期收音机	几乎所有现代无线电设备（收音机、电视、手机、对讲机、卫星接收机）

混频器芯片

CG

• 后边需要进行IQ解调（或以此为基础的解调如OFDM解调）获得基带信号，频率与载波信号频率相同。

• Analog Devices Inc. HMC8362/HMC 8364低噪声四频带VCO

• https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/short-range-wireless-in-a-multi-metering-system.html