在没有乘法器的情况下如何混合RF信号？

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本文介绍了一种用于在现代RF电路中执行频率混合的重要技术。

该混频器是在射频电路设计的基本组成部分。RF混频器（与音频混频器相反）执行数学乘法，其效果是频率转换。“下变频”混频器是指并入RF接收器并用于将接收信号向下移位到基带或中频的混频器。

只要我们留在数学领域，这一切都非常简单。看看三角形身份，你会看到当你乘以两个正弦曲线时会发生什么。然而，电子器件通常通过电路而不是公式实现，这意味着我们需要乘法器电路。更具体地说，我们需要一种在高（可能是极高）频率下执行乘法的电路。

模拟调音台
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可以设计一个接受两个模拟输入并产生与输入产品相对应的输出信号的电路。它们围绕二极管或晶体管构建，并利用这些器件固有特性的乘法关系。我将这些设备称为“模拟”混频器，以强调乘法不涉及数字开关操作的事实。

这种模拟混合方法非常直观。不幸的是，现代RF接收器经常采用远不那么直观的数字/切换方法作为降低功耗的手段。模拟混频器绝不是无用的，基于二极管的版本在极高频系统中很有价值，因为BJT和FET不可避免的带宽限制会影响性能。尽管如此，“数字”下变频混频器或“开关”混频器，或（在某些实现中）“电流换向”混频器 - 在当今的RF系统中得到广泛应用，因此了解它们是什么以及它们如何工作是一个好主意。

开关混音器

切换混频器提出的第一个概念障碍是本地振荡器（LO）信号。这是一个方波（或者，如果它是一个正弦波，混频器将其视为方波）。就我而言，这是不可原谅的。在我对世界的看法中，RF是模拟电子产品的最高点 - 你看到的任何地方的正弦曲线，古老的数学关系......甚至数字数据都是使用模拟波形传输的。一旦你接受这种切换混频器业务允许笨重的数字信号进入平滑变化的RF世界这一事实，你就必须面对这样一个事实，即开/关切换是一种倍增形式。

下图表示下变频切换混频器的最基本表现形式。

实际上，这只不过是一个电压控制开关。接收的RF信号用作输入电压，LO控制开关。所以我们在这里所做的就是根据LO的频率打开和关闭输入信号。

我知道你问的第一个问题：“这怎么可能混合？”嗯，首先要记住混合是乘法。如果您将LO视为在0 V和1 V之间转换的方波，则开关实际上将输入信号乘以LO：当开关闭合时，输出等于输入乘以1。当开关打开时，输出等于输入乘以零。

下一个问题：“这怎么可能相当于乘以正弦曲线？当然，频率可能是相同的，但表明乘法产生频率转换的数学关系是基于两个正弦波，而不是一个正弦波和一个方波。“很好的一点，但你忘了一件事：正弦波在里面那个方波。傅立叶告诉我们，我们不敢怀疑他。我们无法看到它，因为它无可救药地与所有谐波分量混合在一起，但它存在于某处，这意味着以下内容：如果此开关布置将输入信号乘以LO方波，则它也会使输入倍增由频率等于LO频率的正弦波信号ICfans。

此时你可能想知道为什么我们想要用所有这些谐波分量来消除乘法，但是谐波能量可以通过滤波来抑制，并且事实证明，在许多情况下，谐波的问题比由基于模拟混频器的解决方案。

这真的有效吗？

我们来看一个例子。这是LTspice电路：

让我们假设这个混频器正在将接收到的RF信号向下移动到中频（IF）。接收信号为11 MHz，LO为10 MHz方波。乘法通过连接到LO信号的压控开关实现。输出信号的频率应等于输入频率减去LO频率，即1 MHz。

我们来看看一些波形。第一个图显示了输入信号和LO。

这是相同的图，但输出包含在单独的窗格中。

你可以在这里看到乘法关系，但到目前为止看起来我们所做的一切都是非常好的正弦波。但是，当您缩小时，图片会开始出现：

你可以看到，所有这些黑客都以某种方式导致看起来模糊的正弦曲线，这种模糊的正弦曲线事件恰好有1 MHz的频率。我们的最终确认来自FFT，它显示1 MHz的主导峰值（以及大量谐波含量）：

结论

混音器电路是一个广泛的主题，本文只不过是对基于开关的混音基本概念的介绍。尽管如此，我们必须从某个地方开始，你实际上可以通过使用CMOS传输门代替理想化的电压控制开关来实现上述电路来创建一个真正的混频器。

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CCxiaom

文章太有技术元素了，值得收藏

saladrf

神奇啊。谢谢！