李 程

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 杭州 310023)

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應(yīng)用于聲納信標(biāo)的鏡像抑制混頻器設(shè)計(jì)*

李 程

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 杭州 310023)

論文提出了一種改進(jìn)的鏡像抑制混頻器設(shè)計(jì)方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的混頻器具有良好的鏡像抑制性能,鏡像抑制比大于40dB,且對(duì)正交信號(hào)幅相失配不敏感,能較好的滿足所需指標(biāo)要求。

聲納信標(biāo); 鏡像抑制; 混頻器

Class Number TN929.3

1 引言

當(dāng)船只或飛機(jī)失事沉入海底時(shí),為了快速對(duì)其進(jìn)行定位,船只或飛機(jī)上都安裝有聲納信標(biāo)。入水后,聲納信標(biāo)便自動(dòng)激活,開(kāi)始向水中周期性地發(fā)射特定信號(hào)形成的聲信號(hào),供搜尋設(shè)備接收聲信號(hào)從而對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)定位[1]。

搜尋設(shè)備接收到的水聲信號(hào)頻率較高,通常需要將信號(hào)放大、濾波并混頻至可聽(tīng)范圍[2],通過(guò)耳機(jī)中的信號(hào)有無(wú)和強(qiáng)弱來(lái)判斷聲納信標(biāo)的方位。

2 工作原理

混頻器不僅需要有頻率變換作用,還應(yīng)具有鏡像信號(hào)抑制等功能。鏡像抑制技術(shù)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電子對(duì)抗技術(shù)的一種。為了有效進(jìn)行反干擾,在大型電子設(shè)備中幾乎都采用了鏡像抑制技術(shù)。此種技術(shù)應(yīng)用在混頻器設(shè)計(jì)上,使有用的信號(hào)能更充分地被利用,最大限度地抑制了鏡像干擾信號(hào)。

普遍采用的混頻器結(jié)構(gòu)主要有Hartley結(jié)構(gòu)和Weaver結(jié)構(gòu)[3]。Hartley結(jié)構(gòu)如圖1所示,是Hartley于1928年提出的一種鏡像抑制結(jié)構(gòu),它源于單邊帶(SSB)調(diào)制器。利用射頻信號(hào)和鏡像信號(hào)混頻后得到的中頻信號(hào)相位相差90°的現(xiàn)象,把輸入信號(hào)分成兩路進(jìn)行處理,使得在兩路輸出信號(hào)中所希望得到的中頻信號(hào)為同相位,而由鏡象信號(hào)產(chǎn)生的中頻信號(hào)相位相差180°,再把兩路信號(hào)相加,使得鏡像信號(hào)抵消。

圖1 Hartley鏡像抑制結(jié)構(gòu)

若只考慮基波混頻,而混頻器的輸入信號(hào)分別為:射頻信號(hào)fS=VScosωSt,本振信號(hào)fL=VLcosωLt,鏡頻信號(hào)fJ=VJcosωJt,并假設(shè)fS>fL>fJ,混頻過(guò)程中產(chǎn)生的和頻信號(hào)被完全濾除。當(dāng)射頻信號(hào)和鏡頻信號(hào)同時(shí)輸入混頻器時(shí),根據(jù)三角公式,90°本振混頻通路經(jīng)濾波移相后的混頻產(chǎn)物為

(1)

0°本振混頻通路經(jīng)濾波后的混頻產(chǎn)物為

(2)

經(jīng)過(guò)加法器電路,混頻器最后的輸出信號(hào)為

VIF=VSVLcos(ωS-ωL)t

(3)

通過(guò)以上的推導(dǎo),發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)的混頻電路可以抑制鏡頻信號(hào)產(chǎn)生的同頻假中頻信號(hào):VLVJcos(ωL-ωJ)t,而對(duì)于fS

Hartley結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是對(duì)相位和增益失配很敏感[4]。當(dāng)存在相位和增益失配時(shí),在相加后只能部分的抵消鏡像信號(hào),從而降低了鏡像抑制。另外,90°移相網(wǎng)絡(luò)引起的增益損失和噪聲以及相加電路的線性度也是很重要的性能參數(shù)。90°移相網(wǎng)絡(luò)由于電阻與電容的不匹配,還會(huì)引入附加的增益與相位失配,從而降低鏡像抑制。

3 電路實(shí)現(xiàn)

圖2為改進(jìn)的鏡像抑制混頻器結(jié)構(gòu)。

圖2 改進(jìn)的鏡像抑制混頻器

可以證明,在電路內(nèi)部只要滿足90°的相位差,即φ1-φ2=90°,這種混頻電路同樣可以抑制鏡頻干擾。并且電路結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱設(shè)計(jì),更容易獲得理想的幅相平衡,鏡頻抑制的效果會(huì)比較理想,同時(shí)對(duì)溫漂也會(huì)有很好的抑制。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的混頻器的輸入信號(hào)為40KHz的音頻脈沖信號(hào),脈沖寬度10ms,周期1s,將其通過(guò)混頻器下變頻到7KHz,要求具有40dB的鏡頻抑制比。

3.1 混頻電路

本項(xiàng)目使用雙平衡混頻器(DBM)電路[5～7]。DBM電路是對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算的常用電路。有利用二極管的DBM電路與利用晶體管的DBM電路,在這里使用電路簡(jiǎn)單由二極管構(gòu)成的DBM電路。采用稱之為肖特基勢(shì)壘二極管四合一元件的ND487C1-3R(NEC)構(gòu)成,這是由特性一致的四個(gè)二極管在內(nèi)部連接而成的DBM專用零件。輸入功率以3dBm(約2mW)～12dBm(約16mW)為好,此時(shí)的變換損失為5.5dB,電路整體的變換損失合計(jì)應(yīng)為8.5dB。

3.2 移相電路

由一階RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的移相電路原理圖如圖3所示。取φ1=135°,φ2=45°,電阻R=1kΩ,計(jì)算可得135°和45°移相電路對(duì)應(yīng)的電容C取值分別為1582PF和9200PF。

圖3 移相電路

3.3 濾波器

所需設(shè)計(jì)的低通濾波電路指標(biāo)為:截止頻率fC=7kHz,增益10dB,四階巴特沃斯型低通濾波電路[8～9],如圖4所示。

圖4 四階巴特沃斯型低通濾波電路

圖5 加法電路

3.4 加法電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該混頻電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[10～11],工作電壓為5V,本振信號(hào)頻率為33KHz,射頻信號(hào)頻率為40KHz,鏡像信號(hào)頻率為26KHz,其中射頻信號(hào)和鏡像信號(hào)的功率均為3dBm。圖6為示波器測(cè)得的輸入信號(hào)波形。圖7為示波器測(cè)得的輸出信號(hào)波形?？梢钥闯龌祛l后的輸出信號(hào)頻率已降到7KHz。頻譜儀測(cè)量可得中頻信號(hào)的功率為2.43dBm,而假中頻信號(hào)的功率為-41.34dBm,則可以得出鏡像抑制比約為43.7dB。因此本文所設(shè)計(jì)的鏡像抑制混頻器滿足鏡像抑制比優(yōu)于40dB的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 射頻信號(hào)波形

圖7 中頻信號(hào)波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于Hartley混頻器結(jié)構(gòu)進(jìn)而提出了一種改進(jìn)的鏡像抑制解決方案,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積較小,混頻效率高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的鏡像抑制解決方案的鏡像抑制比達(dá)到了40dB以上,該方案能夠有效實(shí)現(xiàn)鏡像抑制。在聲納信標(biāo)、捷變頻雷達(dá)、遙測(cè)遙控、通信及測(cè)量等系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of Image Rejection Mixer for Sonar Beacon

LI Cheng

(No. 715 Research Institute of CSIC, Hangzhou 310023)

This paper presents a design scheme of the improved image rejection mixer. The experimental results show that the mixer with the structure has good image rejection performance, its image rejection ratio is greater than 40dB and it is insensitive to the orthogonal signal amplitude and phase mismatch. The mixer can meet the required specifications better.

sonar beacon, image rejection, mixer

2014年11月13日,

2014年12月20日

李程,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:聲納低頻電路。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.036