混频技术在宽带模拟信号隔离传输中的应用

刘 鑫，孟昭为

（山东理工大学理学院，山东淄博255091）

模拟信号隔离技术是使模拟信号在传输时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电流连接．这允许发送端和接收端处的地或基准电平之差值可以高达几千伏，并且防止了可能干扰信号和损坏电气设备的不同地电位之间的环路电流的产生．物理上的隔离将信号分别分离到一个干净的子信号系统地，使传感器、仪器仪表或控制系统与电源之间互相隔离，从而保证整个系统装置的安全、可靠及稳定．隔离是模拟信号采集传输过程中的一个非常重要的环节；混频是通讯原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术，它在模拟信号通信中扮演着十分重要的角色．由于一般磁性隔离耦合器件只能传输高频模拟信号，因此为了通过磁性耦合器件传输低频模拟信号，首先需要将低频模拟信号通过模拟乘法器或混频器上变频的方法调制到合适的频段，然后通过磁性隔离器件进行线性传输，再通过下混频的方法在另一端将原始信号还原出来，从而实现宽带模拟信号的隔离传输．

1 模拟信号在传输过程中需要隔离的原因及需求

1．1 安全性及准确性

毋庸置疑，在任何领域仪器仪表使用者的安全问题［4]应当放在第一位．没有良好的隔离，往往给设备的使用者和操作者带来很大的不便和安全隐患，容易造成事故．尤其是在医疗仪器领域更是显而易见的，因此医用安全隔离栅的使用变成了标准．在保证使用者或操作者都安全的前提下，数据采集仪器等系统的隔离也能保证设备间的安全稳定的运行．在非隔离的数据采集系统采集多路［5]数据时，常常会遇到通道间的共地问题，尤其是在一个复杂的系统下进行测试，共地问题往往是一般非隔离仪器难以解决的，不同的共地之间形成着电位差很容易造成环路电流，处理不好共地问题很容易造成测量仪器设备的损坏．而且不同参考地之间的噪声也易相互串扰，从而影响的模拟信号采集的质量和精度

1．2 宽带模拟信号隔离的难点

模拟信号的隔离早已不是什么新鲜事，但主要的技术瓶颈是信号的带宽和线性度．传统的模拟信号隔离技术一般有光电隔离［7]、隔离放大器［8]和光纤隔离等．光电隔离一般是使用线性光耦作为主要器件，但线性光耦的带宽一般非常低，无法满足越来越高的信号带宽需求；虽然隔离放大器技术日趋成熟，使用也简单，但在带宽特性方面存在着与线性光耦同样的带宽低的问题，而且价格昂贵性价比较低．虽然光纤隔离技术通带带宽多在GHz级别，但实现起来较为复杂，而且成本极高．模拟信号的高速化和高带宽化提高了对被隔离模拟信号的带宽需求，这同时也成为模拟信号隔离技术的难点及关键所在．相比之下，混频调制隔离技术成为实现宽带模拟信号隔离传输的较高性价比的选择．

2 混频隔离的实现

2．1 混频隔离的模型

混频也称为变频，是一种频谱线性搬移过程，是指将原信号的各频率分量搬移到新的频率上．混频是一种信号的调制技术．混频隔离技术是指将原有信号与本振调制，通过隔离变压器等磁性元件耦合至磁性元件的另一端，再把原始信号解调出来由于磁性元件的材料及形状对信号的线性度及频率响应都有很大的影响，因此磁性元件的选择对于实现所要隔离带宽的数量级起着很重要的作用．本设计中选用了一颗100～400MHz频带范围内线性度较好的磁性耦合元件，实现了10～100MHz宽带模拟信号的隔离传输．混频隔离方案如图1所示．

图1 混频隔离方案示意图

2．2 混频器调制解调模块

2．2．1 混频器简介

混频器是产生的振荡频率为两个输入振荡或信号频谱分量中的频率的整数倍的线性组合的非线性器件．输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路器件．混频器通常由非线性元件和选频回路构成．混频器有两个输入电压：输入信号us和本地振荡信号uL，其工作频率分别为fc和fL；混频器的输出信号称为中频信号uI，其频率是fc和fL的差频或和频，称为中频fI．fI＝fL＋fc时称为向上变频，输出高中频，用于信号发送系统；fI＝fL－fc或fI＝fc－fL时称为向下变频，输出低中频，用于信号接收系统．

本设计中混频器采用了美国亚德诺半导体的ADL5801，该器件具有线性度高、噪声低的特点，可提供1．8dB功率转换增益、＋28．5dBmIIP3和9．75dB的噪声系数．混频器电路如图2所示．

图2 混频器电路

发送部分将原始信号进行上变频调制到磁性隔离元件线性范围内，即100MHz到400MHz之间，在磁性元件的另一端采用同样的混频电路进行下变频解调，线性地恢复原始信号．

2．2．2 混频实现线性调制与解调的理论基础

那么，对于需要变频的宽频带模拟信号怎样将其搬移至目的频带上，并从接收方将其真实线性地还原出来呢？

图3 虑波法实现线性调制模型

调制输出的信号表达式为

式中

相应的频域表示式为

对于式（3），模拟线性调制的模型可换成另一种形式．基于上式的模拟线性调制移相法的一般模型如图4所示．

图4 拟线性调制移相法的一般模型图

解调是调制的反过程，是将已调信号的频谱中位于载频的信号频谱再搬回到低频处．

相干解调的一般模型如图5所示．

图5 线性调制相干解调的一般模型

相干解调的输入信号为

与同频同相的本地载波相乘后

经过低通滤波器（LPF）后

2．2．3 混频器的抗干扰设计

工作于非线性状态的变频器除了能把有用的输入信号变换为规定的输出频率外，其他频率不同的输入信号（或其谐波）在满足某种条件时也能被变换到该输出频段，形成对有用信号的干扰，称为变频干扰［10]．因此，抗干扰也是混频器电路设计中需要注意的环节．根据本次设计的带宽指标，电路中设计了简单的高通滤波器（HPF）和低通滤波器（LPF），以保证整个模块的抗干扰性能．

2．3 实验论证

为了保证实验的顺利，首先使用ADS2009设计试验模型进行理论仿真［11]，通过仿真分析后进行后期PCB Layout与电路调试，并使用FLUKE校准仪FLUKE5820A、Tektronix示波器TDS2042B和耐压测试仪对3块样品进行了测试，测试结果见表1和表2．

通过测试结果可以看到，整个模块的输入与输出在10MHz至100MHz频带范围内具有良好的线性度，0．1dB增益平坦度达到30MHz，－3dB带宽不低于100MHz．模块具有较好的抗干扰特性，隔离电压达到1．5kV，基本满足了设计需求，很好的解决了宽频带模拟信号的隔离传输问题．

表1 幅频响应特性测试

表2 隔离电压特性测试

［1] 周炯槃．通讯原理［M] ．3版．北京：北京邮电大学出版社，2008：127－284，61－109．

［2] 雷振亚．射频／微波电路导论［M] ．西安：西安电子科技大学出版社，2005：11－94．

［3] 李延辉，胡东亮，潘英锋．混频器设计中的关键技术研究［J] ．现代电子技术，2008（5）：95－97．

［4] 赵红强，徐建源．模拟信号隔离技术用于高压电器监测［J] ．电气时代，2005（2）：72－74．

［5] 陈华婵，孙卫真，何积铨．多通道信号隔离的高精度数据采集系统［J] ．微计算机信息．2008，24（10－1）：157－159．

［6] 刘常澍，彭艮鹏，李志华．模拟信号隔离的实验与研究［J] ．实验技术与管理，2003（6）：87－88．

［7] 那文鹏，王昊，陈东．线性光耦合器模拟信号隔离电路［J] ．辽宁工学院学报，2000，20（5）：12－14．

［8] 深圳市顺源科技有限公司．模拟信号隔离放大器技术应用［J] ．电源世界，2006（2）：51－53．

［9] 向楠．基于锁相环技术实现单边带调制的研究［J] ．工业控制计算机，2008，21（7）：93－94．

［10] 王亚斌．仪器仪表抗干扰技术［J] ．江苏冶金．2007，35（5）：51－52．

［11] 黄玉兰．ADS射频电路设计基础与典型应用［M] ．北京：人民邮电出版社，2010：85－115．

［12] 市川裕一，青木胜．高频电路设计与制作［M] ．卓圣鹏，译．北京：科学出版社，2006．

［13] 铃木雅臣．高低频电路设计与制作［M] ．邓学，译．北京：科学出版社．2006．