混频器的作用是什么？

本文中KEYSIGHT来给大家介绍混频器的作用，希望对各位工程师有所帮助。

什么是混频？

混频是指将相信号从一个频率变换到另外一个频率的过程，它是频谱线性搬移的过程。

通信里的一切都是建立在数学的基础上的，这里我们可以通过三角函数的积化和差来理解混频。

我们可以我们假设Y是射频输入信号，L是本振信号：

我们将两个信号相乘，也就是混频：

通过上面的公式我们可以看出，两个信号经过混频器混频后会生成两信号频率之和、差的信号，也就是信号发生了频谱搬移。

混频器原理

在无线通信系统中中，在发射端，需要把一个基带信号变频到射频频率；在接收端，需要把一个射频频率变频到基带信号。这种频率搬移的操作，称为混频，而实行这种操作的器件，称为混频器。所有的混频器，都可以看作乘法器。但是，从混频器实现的角度看，混频器可以分为加性混频和乘性混频。

当RF和LO信号施加在同样的输入端口上时，称为加性混频；当RF和LO信号施加在不同的端口时，称为乘性混频。一般来说，乘性混频器会比加性混频器具有更好的LO和RF端口隔离度。

混频器实际上是一种非线性装置，用于将信号从频谱中的一个频率移到另一个频率点。但在实际使用中，我们常常把它当成一个线性器件，因为它在进行频率转换时保持输入信号的特性不变。

如上图所示，图中描述了射频混频器中所有的频谱信号，假设Input1和Input2是输入信号，那么在混频器中将产生+/-m（Input1）+/-n（Input2）的其他信号。其中，m和n的取值范围为0,1,2,3……

混频器必须是非线性或是时变的，以提供所需的频率变换。它的核心是对射频信号(RF)和本振信号（LO）在时间域的相乘。这样就得到含有输入和频和差频的输出信号,输出信号幅度与RF 信号和LO信号幅度的乘积成正比。

混频器的原理图

什么是混频器？

在射频里用来混频的射频器件我们称做混频器，它需要一个射频输入信号和一个本振信号，通过将两个信号相乘产生新的混频信号，也就是我们这里所说的中频信号。混频器可称为“变频器”或者“频率转换器”，将输入信号的频率转换成另一个频率。

如下图所示，射频混频器有3个端口，这三个端口分别为射频(RF)输入端、本振(LO)输入端和中频(IF)输出端。其中两个为输入端口，一个为输出端口。对于上变频，IF和LO用作输入端口，RF端口作为输出端口。对于下变频，RF和LO用作输入端口，IF端口作为输出端口。

理想混频器如下图所示。RF(或IF)混频器(不要与视频和音频混频器相混淆)是一种可转换信号频率的有源或无源器件。它既可以调制信号，也可以解调信号。

混频器将频率为f RF的RF输入信号与频率为f LO的LO信号进行混频处理，并产生由和与差频率 f RF ± fLO组成的IF输出信号。用户可以在混频器后连接带通滤波器，从而选择和频率(fRF + f LO) 或差频率(fRF – fLO)。

在射频里用来混频的射频器件我们称做混频器，它需要一个射频输入信号和一个本振信号，通过将两个信号相乘产生新的混频信号，也就是我们这里所说的中频信号。

混频器

混频器（Mixer）是实施频率转换的核心元件。它可以将输入信号与用于通断二极管或晶体管的本振（LO）信号混频或倍频，得到两者之和或差。在大多数情况下，这些产物只有一个是有用的，其他的则通过滤波消除。混频器可以是无源器件，也可以是有源器件（图 1），取决于应用情况，输入信号可进入 IF（中频）端口进行上变频，或进入 RF（射频）端口进行下变频。虽然变频或混频过程在本质上是非线性的，但混频器有时候也会呈现出一定的线性 — 例如，输入信号变化 1 dB，输出信号也会变化 1 dB，混频器的幅度和相位响应与频率的关系应与输入功率无关。不过，就像放大器一样，取决于输入驱动电平的高低，混频器也具有线性和非线性工作区域。

图 1. 无源二极管混频器（左）和有源晶体管混频器（右）的示例。

混频器的作用

混频器的作用是将载频为fc(高频）的已调波信号不失真地变换为载频为 f1（固定中频）的已调波信号，并保持原调制规律不变（即信号的相对频谱分布不变）。因此，混频器也是频谱的线性搬移电路，它是将信号频谱自载频为fc的频率上线性搬移（或变换）到中频 f1上。

混频器是一个三端口的网络。它有两个输入信号，即输入信号uc和本地振荡信号uL，工作频率分别为 fc 和 fL；输出信号为ul，称为中频信号，其频率是fc和fL的差频或和频，称为中频f1，f1=fL±fc (也可采用谐波的和频或差频)。由此可见，混频器在频域上起着加/减法的作用。

由于混频器的输入信号uC、本振uL都是高频信号，而输出的中频信号uL是已调波，除了中心频率与输入信号uc不同外，其频谱结构与输入信号uc的完全相同。表现在波形上，中频输出信号uL与输入信号uc的包络形状相同，只是填充频率不同（内部波形疏密程度不同)。下图表示了这一变换过程。

混频器的频率变换作用

典型的混频器结构图

混频器参数

混频器的性能参数包括：

• RF，IF，LO Frequency（射频频率，中频频率，本振频率）

• LO Power（本振激励功率）

• Conversion Loss/Gain（变频损耗/增益）

• Noise Factor（噪声系数）

• Isolation（端口间隔离度）

• Conversion compression（变频压缩）

• Dynamic Range（动态范围）

• Third-order Intercept Point（三阶交调截点）

混频器注意以下几点

• 以和频率用作IF时，混频器称为“上变频器”；使用差频率时，混频器则称为“下变频器”。前者通常用于发射通道中，而后者则用于接收通道中。

• 在接收机中，当LO频率低于RF时，称为“低端注入”，此时混频器为“低端下变频器”；当LO高于RF时，称为“高端注入”，此时混频器为“高端下变频器”。

• 每个输出的幅度只有各输入的一半(功率为四分之一)；因此，该理想线性混频器具有6dB的损耗。

混频器术语

RF，IF，LO Frequency

一般来说，射频混频器有3个端口，这三个端口分别为射频(RF)输入端、本振(LO)输入端和中频(IF)输出端。

频率范围

指射频混频器各个端口（包括RF、Lo、IF端口）能正常工作、提供最优性能的频率范围。

功率电平

功率电平指馈送到混频器各端口的功率电平，一般指本振端口的功率电平。

在使用混频器时，应注意本振信号功率电平应比射频信号功率高15-20dB，这样可以获得更佳的性能，这也有助于我们确定其他输入端口（射频或中频）的功率电平。

本振功率 LO Power

混频器的指标受本振功率控制，本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。若本振功率不够，就会降低混频器的性能，甚至使混频器无法工作。因此，混频器要求给出本振功率的参数，以dBm为单位。实际使用的混频器也是按本振功率进行分类，如7dBm、10dBm LO等。

混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善(1dB压缩点上升，三阶交调系数改善)。

下变频

在接收机中，它将射频频率或较高的频率转换为较低的中频频率或基带，使信号在射频接收机中更容易处理。

对于下变频，RF和LO用作输入端口，IF端口作为输出端口。

下变频

上变频

在发射机中，它将较低的中频或基带频率转换到较高的中频或射频频率，便于在发射机中提供更为高效的功率传输。对于上变频，IF和LO用作输入端口，RF端口作为输出端口。

上变频

转换损耗

转换损耗指混频器输出信号与输入信号的比值，也是输入射频功率和输出信号功率电平之间的差值。

例如，如果我们将信号从中频转换到射频，那么：

转换损耗（dB）=输出射频信号功率（dBm）-输入中频信号功率（dBm）。

假设PRF=-10 dBm和PIF=-17 dBm，

则射频混频器的转换损耗=PRF- PIF=-10dBm-(-17dBm)=7 dB

一般的，混频器典型的转换损耗值在5到10dB之间。

1dB压缩点

1dB压缩点的定义为增益压缩1dB时，输入或输出的功率值。由于器件的非线性，实际的增益曲线并不是条直线。实际的输出功率不可能随输入功率的增加一直成比例的放大，当输入信号增大到一定程度，器件会饱和，输出不再增加。

如我们所知，在混频器正常工作时，转换损耗是一个恒定值，与输入信号功率不相关，即输入功率增加1dB，输出功率相应增加1dB。然而，当输入功率的幅值过大时，不在是1dB到1dB的关系，而是呈现出非线性关系的变化。

1dB压缩点定义为转换损耗从理想值增加1dB时所需的输入功率，它是衡量射频混频器线性度的指标。在射频电路上的功率电平设计时，混频器的输出功率应远远小于输出1dB的压缩点值，否则容易导致混频器饱和。

动态范围

动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。

隔离度

隔离度（Isolation/feedthrough）是衡量器件端口间信号泄露或者馈通地指标。混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离，即LO-IF间隔离、LO-RF间隔离和RF-IF间隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。

它是从一个混合器端口泄漏到另一个端口的功率大小。混频器的隔离通常是指LO端口和RF端口直接的隔离，典型值范围15-25dB之间。

实际上，本振、射频和中频端口之间或多或少总会存在一定量的信号泄漏。

隔离度是输入信号功率和泄漏到其他端口功率的差值。例如，如果我们在LO端口输入一个信号，在RF端口也能获得该信号，则这两个端口之间的隔离度（dB）表示为：

LO和RF端口之间的隔离 = PinLO - PoutRF

混频器端口之间的隔离是相互的，因此只需要测量一个方向上的隔离即可。比如：从端口1到端口2的混频器隔离与从端口2到端口1的隔离相同。

驻波比

如果混频器的驻波比是完美的，将有最小的反射。端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。

回波损耗 Return Loss

通常情况下，射频RF输出信号不是全部输出的，会有一部分信号被反射回到发射端。这种反射性能的大小可以用回波损耗来描述。单位dB。

互调失真（TOI或输入输出IP3）

如果有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加2dB。

三阶交调截点 Third-order Intercept Point

三阶交调是两个频率为f1和f2（基频信号）信号，在经过一个非线性系统后，产生频率分量mf1士nf2 (m, n=0, 1,

2, ......)的现象。其中m+n的值称为分量的阶，比如f1+f2称为2阶分量，2f1-f2称为3阶分量。

IP3 - 3阶截获点 (Third-order Intercept Point)是一个理论值，定义为基频增益变化曲线与3阶交调信号增益变化曲线相等时的功率

IIP3 - 输入3阶截获点(Input Third-order intercept point)定义为基频增益曲线与3阶增益曲线的相等时的输入功率。

OIP3 - 输出3阶截获点(Output Third-order intercept point)定义为基频增益曲线与3阶增益曲线的相等时的输出功率。

表征线性度或失真性能的参数，IIP3越高表示线性度越好、失真越小。

噪声系数 Noise Factor

噪声系数是输入信噪比与输出信噪比之比。它由混频器转换损耗的值近似。

Pn_out 输出端噪声功率
CG 变频增益
Pn_in 输入端噪声功率

对于低功率应用，转换损耗和噪声系数应尽量小。

镜像响应

即便使用这种数学理论上完美无缺的混频器，接收机也存在一个基本问题，即镜像响应。

在RF的镜像频率处，即使没有人为产生的干扰信号，在镜像频率处的噪声，也还是会混频到中频，恶化信噪比。可以通过滤波和相位抵消，来减小RF镜像响应。当滤波器对镜像干扰能提供足够的抑制，可以使用滤波技术；如果镜像频率离有用信号很近，无法滤除的时候，可以采用相位抵消的方法，如镜像抑制混频器。

以使用低端下变频器为例，所需输出的频率为ωIF = ωRF – ωLO。

因此，我们可能认为 RF频谱中能够通过混频器“滤网”并进入狭窄IF通带的唯一分量就是所需分量ωRF。不过， 我们可以轻松地将公式写成：

因为该余弦函数相对于t = 0对称。因此，RF输入端的另一频谱分量也会进入IF通带，此处也就是

所表示的，那就是镜像频率。

在上述示例中，当f LO = 10 MHz且f IF = 1 MHz时，所需响应为IF频率，因此对于f IF = 1 MHz， 则RF = 11 MHz。不过，混频器还会响应“镜像”频率并产生相同的IF，因此f IMAGE = 9 MHz (参见下图）。

镜像响应

如果本振频率低于射频频率，则镜像频率=本振频率-中频频率，也就是说镜像频率比本振频率低，这被称为低本振系统。

如果本振频率高于射频频率，则镜像频率=本振频率+中频频率，也就是说镜像频率比本振频率高，这被称为高本振系统。

在下变频混频器中，镜像频率和中频频率本身一起直接转换到中频位置。在上变频混频器中，镜像频率是不需要的，其振幅和所需的期望信号相同。这个镜像频率需要在上变频中滤除。有专门设计的镜像抑制混频器，可以去除这些混频器的镜像频率。

镜像抑制

对于I/Q混频器和镜像抑制混频器，这个会在混频器数据表中指定，它们表示对镜像频率的抑制能力。