（信息与通信工程专业论文）多频卫星接收机射频电路的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 卫星接收梳是瑗代通信技术发震的产物，己在卫星静航窳位、卫鼙电羊觅直播戬及卫鬃 数字广援等领城孛褥至广泛懿应嗣。 射频彀路怒卫星接收枧中一令 鬻重要抟缎或帮分，它对接收到豹微弱卫璧信号进行 放大与下变频处理簌竣出绘嚣端的信号处撰电路。魏暴没有射频魄路，傣号处理退路蟪鼹 以对微弱的射频卫爨信号进行直接采集。因此，射频电鼹是整个傣号接收键路中的一令枢 纽，熬个接收机的噪声系数、灵敏度等关键指标也都主要由该电路决定。 本文以某圜家工程型号项目为背景，深入研究了卫璧接收机射频电路的总体设计，探 讨了工程实现中的关键技术，并完成了射频电路的具体硬件实现。 信号输出方式的选择是射频电路总体设计中应当首先考虑的问题。不同的信号输出方 式对射频电路有着不同的要求，台理的选择信号输出方式可以大幅度降低詹端信号处理的 复杂度。然而在以往的文献中很少对此进彳亍过全面的分析。论文详细比较了三种不同的信 鼍输出方式基带复信号、中颓复信号和中颓实佰号在r f 电路和靥端数字信号处理复 杂度上鹃邀副；并为接收视选择了中颓复信号输出方式，在降低数字信号簸理复杂度的问 辩，逐链在菜夔对l ，q 双通遥福褶一致性要求严格躺应溺场合兼容中频实信号输出方式。 频率援划楚菇凝电路慧体设计中的重要步骤。对于采霜中频实信弩输密方式静接收梳 露言，一个妊黪频率援划方案够绦 纛信号采撵之露褥劐浆各个“谱块”之溷熬过泼带最 大，从恧最大限度的减较基零信号处理憝受握。在以往鸯关接收搬设计数文麸中很少j c 砉照 逃行j 建详细的分蛎，其圭要赈因是大多数接收枧系统蛇信号紫宽较窄( 逶紫在2 、3 m 魏 以下) ，詹和赡受到的限隶4 较少，可以很轻易的保诞采榉之嚣备“谱块”鸯足够的过渡带 宽。但是，当接收机系统的信号带宽变宽时( 如1 0 m h z 以上) ，频率规划会受到诸多条 牛 的严格限制。论文威用带通采样定理，分析了带宽已知情况下，中频频率咖和采样频率西 应当满足的约束关系；证明了中频频率廓任意两个取值区间的等价性；导出了采样频率给 定条件下的中频频率詹一。：结合实际接收信号的带宽，给出了接收机采用中频实信号输 出方式条件下的最优频率规划方案，减少了基带信号处理的复杂度。 论文还讨论了低嗓声系数、低相彼噪声、电磁兼容和抗干扰等卫黛接收机舅现中的关 键技术，并给矗j 了其体解决措箍。 第l 受 国防科学技术人学研究生院学位论文 最后，作者完成了电路的硬件实现，并给出了指标结果。测试结果液明：r f 电路的关 键技术指标融全部合格，两个未达标的非关键指标可在今厢的设计中解决。 本文关予射频滚路瑟体设 专罄分翡磅究裁采可捧隽各炎接牧爨设诗戆参考，已突残熬 硬件电路已崴接应用于某囤家工程型号项目中。 荚键诞：翌鬟接收缎，袋频蘩端，壤号辕出蠢式，凝率裁期，射频耄爨关键技术 第1 i 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 a 8 s t r a c t s a t e l l i t es i g n a lr e c e i v e ri s 也eo m m eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mc o m m u m c a t i o n t e c l l l l i q u c s ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c h a ss a t e l l i t en a v i g 砒i o n 、s a t e l l i t e t e l 婀i s 潍l i v i n g 酗妊e 嚣t 黝谨s 鑫糖l l 沁镬棼鼍a l 酝。翻c a s t i n 舀e 重e 。 r fc i r c u i ti sav e r yi m p o r t a n tp 眦0 ft h es a t e l l i t es i g l l a lr e c e i v e r nm a g n j f i e st h ef a i n u y s a t e l i i t cs i 酗a la 1 1 dc o n v e r t 谢i td o w nt om es i g n a lp r o c e s s i n gc n u i ti n 协eb a c k e n d w i m o u ti t ， i 圭i s 文臻c 珏l l 妇疆砖s 嚣越p f o s 蠛毽e i 牲波幻s 鼬p l e 圭拧镊蛾ys 搬l l i t e 羹g n 采d 溉c 专甄轴t k r fc 讹u i ti st h e1 1 i n g eo fm es i g n a lc h a i n ，a n dm 锄yk c yt a r 黔t so ft h ew h o l er e c e i v e r s u c ha s n o i s e 髓g u r e ，s e n s 游v i 锣 a r od e t e f n l i n e db yi t u n d 毂t 沁a p p l i c 采i o 建姒拶u n do fa 。峨a 讯n 破i o n 啦e n g l n e 。f i 藏gm o 敷l t e 擞，锄s d i s s e r t 矗t i o nf o c u s e so n 廿1 ew h 0 1 ed e s i g no ft 1 1 er fc i r c u i to ft l l os a t e l l i t es i g n a lr e c c i v e r ； d i s c u s s e st h e 虹yt e c h n i q si n 重量l eh n p l e m 铋to fe n g 孙l e e r i n g ；a n dd o e s 氆eh a f d 愀o f 镰l e 对 c i 黜巍c o m p l e t e l y t h es e l e c t i o no f m es i 肼a lo u t p u tm a n n e ri sm ep r o b l e mt l l a ts h o u l db ec o l l s i d e r e dm s t l yi n m e 确o l ed e 8 i g 班o f 氇er fe i r c u i t 。d i 鳓阐哇m 黼h a s 蠢船r e n tn e e d so f 畦l e 鬏fc i 辩u h a r e 嬲o n a b l ec h o i c em a y g 陀a t l yr e d u c e sm ec o m p l e x i t yo f t h es i 弘a lp r o c e s s i n g 洫t l l eb a c k i e n d ， b u ti th a sn o tb e e n9 0 e r a l l y 锄l y z e di nt h ef o r m c r r e f e r e n c e s t h i sp a p e rp a n i c u l a r l yc o m p a r e s 氇e m p l e x i t i e s 。f 缘e 主h r e em a 薹l 赫e 黯娃瓣b a s eb a n dc o m p l e xs i 驴a 薹m a n n e f 、氇ei n 觚l e d i a 主e 舶q u e n c yc o m p l e xs 谵n a lm a n n e ra n dm ei n l e 黼e d i a t e 矗e q u e n c yr e a ls i g n a lm a l l i l e r i n 娃l er f c i r c u i ta n dt h eb a s eb a j l dd i g i t a ls i 肛a lp r o c e s s i n g ，r e s p e c t i v e l y ；c h o o s e s 廿1 ei n t a 啪e d i a t e 叠 麓h e n e y 糙p l e xs i g 蕊。螂啦瑚a n n e 毛w 隧馥n o to n l yr e d e s 镪e m p l e x i 移o f h e 擞g 娃醴 s i g n a lp r o c e s s i n g ，b ma l s ob ec o m p a t i b l e 桃t h ei n 搬1 1 1 e d 量a t e 行e q u e n c yf e a ls i 驴a lo u t p u t m a n n e rm s o m e 印p l i c a t i o n sw h i 曲h a v es 伍c t l yr e q u e s to nt l l ec o n s i 8 t e n c yo ft l ea n l p l i t i l d ea n d 氆e 舜a s e i n l ，qe 蠢a 掰l 采s 。 f r e q u e n c yp l a n n i n gi sa ni m p o n a n ts t e pi n 也ew h o l ed e s i 印o f t h e r e c e i v c r if o rt h ef e c e i v e r 枷c hu s e sm ej m e 瑚e d i a t ef k q u e n c yr e a ls i 脚a lo u t p u tm a n n e r ，ag o o df r e q u e n c yp l a l ls h o u l d g 删重e e 凌e 枉强s i o 珏b a 嬲。f 氇e “s p 硪n l 壬珏b l o c k s ”确i 穗p 羚d 聪挺跨糖s 锄p l i 珏g 鑫sw i a sp o s 8 i b l e ，s 0a st oe a s et l l ob u r d e no ft h eb a s e 山a 1 1 ds i g n a lp r o c e s s m gt ot h em i n i m u l l ll e v c l n h a sn o tb c e np a n i c u l 盯l ya n a l y z e di nt 1 1 ef o n i l e rr e f e i 。e n c e sa b o u tr e c e i v e rd e s i 印，a i l dm em a i n 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r e a s o ni st h a t 也eb a n d 谢d mo f m o s tr e c e i v e rs y s t e m sa r et o on a r r o w ( t l s u a l l yb e l o w2 、3 m h z ) 。 i nt h e s eo c c a s i o n s ，m e 歹a n dn l e h a v eb e e n 啦i g h t l yr e s 姒c t e d ，s o 王tc 嫩b ee a s i l ya s s 娜l e dt h 融 e a c h “s p e c 讯u nb l o c k s h a se n o u 曲t r a n s i t i o nb a n d 埘d 呶。b 媳o n c et h eb 粕d w i d t hh a sb e e n e x p a l l d e d ( e x c e c d 1o m h z ) ，m e 施q u e n c yp l 姐n i n g 姒l lb er e s 缸c t e df i g i d l yb ym a n y q u a l i f l c a t i o n s u g ht h eb a n d p a s ss a m p l i n gm e o r e m ，m et h e s i sa n a l y z e s m er e g 峨c t r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n t e 卜触q u e n c ya n ds 黜p l i n g 舶q u e n c yi nt h e a l ld i g i t a lr e c e i v e rw h e n 也eb a i l d w i d mi sg i v e n ；p r o v e st 1 1 ee q l l i p o l l e n c eo fa i l yt o wr a 堇l g eo fn l 。窳d e d u c e st h e e x p r e s s i o no ft 1 1 eo p t i m m ni i l t c r - 疔e q u e n c y i fs a m p l i n g 丘e q u e n c y i sa l s oo b t a i n e d ；a l l dg i v e sa i l o p t i m 啪舶q u e n c yp l 删l i n go fr e c e i v e rw h i c ho u t p u t si n t c r n l e d i a t e 矗e q u e n c yr e a l s i 妒a l ， r e d u c i n gt h ec o m p l e x i t i e so f t h eb a s e b a l l ds i g n a lp r o c e s s i n g t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e s 也el o wn o i s ef i g u r e 、t h e1 0 wp h a s en o i s e 、t l l ee l e c 廿o m a g n e t i s m c o m p a t i b l ea i l dt i ea n t i - j 蛳l l l i n g ，w h i c ha r et h ek c yt e c l l l l i q u e s 协t h ci m p l e m e m o ft h es a t e l l i t e s i g i l a lr c c e i v e r ，a n dg i v e st h ew a y sh o wt o 矗g u r et h e mo u t a tl a s t a u m o rh a sd o n et 1 1 eh a r d 帆o ft h ec i r c u i ta 1 1 dg i v e s c l l et c s tr 。s u l t sw h i c hp m v e 也a tm ek e y 伽学t sa r ea l lc h e c k e do u t ；a n dt w 0n o n k e y 伽苫e t sw l l i c ha r ed s q u a l 诳e dc a nb e s o l v e di nt 1 1 el a t e rd e s i g n t h ep r o d u c t i o na b o u t 龇w h 0 1 ed e s i g no fm or fc i r c u i ti nt h i sd i s s e r c a t i o nc a l lb e e m p l o y e dt og u i d et h ed e s i g no f a 1 1k m d so fr e c e i v e r s ；a n dt l l eh a r d w a r cc i r c u i tw h i c hh 鹪b e e n c o m p l e t e d h a sb e e nd i r c c t l ya p p i i e di nac e n a i nn a t i o n a le n g i n e e r i n gm o d e li t e m 1 ( e y m r d ：s a t e l t i t er e c e i v e r l t ff r o n “e n d ，s i g n a lo u t 西u tm a n n e r f i 嗨q u e n q 7p l a n n i n g ， k 蝌t e c h n i q u e so fi 撙c i r c u i t 第1 v 页 国防瓣学按零大学骚究生貔学位论文 圈2 1 1 圈2 1 2 图2 1 3 图2 2 1 图2 2 。2 圈2 2 。3 图2 2 4 图3 1 1 图3 2 1 图3 ，2 。2 强4 + 圈4 i 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 2 1 图4 。2 2 圈4 。2 - 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 3 1 圈4 3 ，2 塑莲。4 1 图5 ，1 1 图5 2 1 图5 _ 3 1 图5 3 2 蚕5 3 3 图目录 基带复信号输趣方式5 中频复信号输出方式6 中频实信号输出方式6 中频实信号输出方式后续信号处理流襁图8 中频复信号输出方式磊续售号处理溅筏霪8 中颓鞠菱信号频潜圈l o 中频i ，q 复信号采样信号频谱图1 0 中频频率詹取慎区间图1 4 m 一= j 时，矗和加约束关系图1 6 掰。= 0 时，矗和蠡鲍柬关系图l s 竣浚逶遭磷a 缀皴缝稳2 g 接收机l 1 波段t 烈a 仿真结果2 l 接收机l 2 波段l n a 仿真结果2 l 接收机l 3 波段l n a 仿真结果2 2 p l l 频率合成器结构原理图“2 3 骞源眈铡积分滤波器缝构图一2 4 菜p l l 芯片结构嘏强- 2 5 超外差双变频体系结构”2 6 p l l 控制电路原理框图“2 6 低噪放模块屏蔽愈侧视图2 8 射频模块屏蔽鑫侧视匿一2 9 于撬整溺接霜豹攘铡藏瑾一3 9 卫星接收机射颡电路信号流程圈”3 2 低噪放模块与射频模块实物照片“3 3 低噪放模块测试结果示意图“3 4 相位噪声测试结果示意图一3 4 采样对孛谐波孝露铡溅试结果示意图3 5 第i i i 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 表目录 表2 2 1 中频实信号输出方式和中频复信号输出方式对比( r f 电路) 1 l 表2 2 2 中频实信号输出方式和中频复信号输出方式对比( 基带信号处理) 1 2 表5 3 1 测试所需仪器及型号列表3 3 第i v 页 独创性声明 本人声爨所莹突曲学位论文蔻我本人在导簿指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我疑知，除了文中特别加以撂注彝致谢戆地方终，论文孛不包含 其他人已经发采和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育视构的学位或证书而使用遗的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 禽贾靛均邑在论文中作了绢确的说萌并表示湔意。 学位论文题露：垒越羹星接蝗拯蕴携塾整蛰登塞兰塞鍪 学位论文作者签名：盔莲l睡期：2 醇年艮月基 学位论文版权使用授权书 本人完全了髌国防科学技术大学舞关保露、使月学位论文戆规定本人授投 溺防科学搜术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阏和倍阅；可以将学位论文的奎部线部分内容编入有关数精 库避行检索，呵鼓采用影印、缩弗线掺描等复胡手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在魑密后这熙本搜龊母) 学位论文题目一垒题卫星接蝗扭盟援亟整鲤受盔生塞理 学位论文作者签名：查缝鲎l研期：轴婿年f 1 月6 日 作者瓣蝴麟匿! 汹 憾书年m 8 甜 国防科学技术大学醑究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课越背景 鄹传统的通信方式棚比，卫星通信具有覆盏嚣积广，传竣跋离长等伐点。_ 卫星搂嫂嫒 作为卫星通信的重要组成部分，在卫星导航定位系统、卫星电视直播以及卫星数字广援等 领域中都得到了广泛的应用。 卫星导航定位系统是以人造地球卫星作为导航台的无线电导航系统【1 】。目前世界上主 疆的卫星导航定位系统有美国的g p s 吲诩( g l o b a lp o s i t i o 曲l gs y s t e i n ，全球定位系统) 、俄 罗斯静g l o n a s s 【j 翻( g l o b a | n a v i g 丽o ns a c e l l i t es y s t c m ，全球导航卫星系统) 和我国的 l 冀器簸系统，激及正奁建设中静浅国“托斗二弩”导航系统寝欧渊的g 囊l i l e 0 翻( 铂秘略) 系绞。姨美军褒辩索沃黢争、冁富汗战争秘伊拉巍战争中霹g p s 戆反霜来看，导航按l | 芟梳 已经成为美军现代武器装餐系统螅重要组成部分，甚至还出现r 美擎兵在伊拉克竣争中 拿着g p s 导航接收机打携战的场露。 卫星电视巍播已成为卫星应用产业的支柱产业，其市场前景十分看好，早在2 0 0 2 年 1 2 月底，金美阑数字卫星电视直播用户数就已经突破2 千万户，占到了其电视用户总数的 2 0 左右翻。 继卫疆移动通信、翌星电视直播之衙，键界上第一座卫星数字广播服务站由总部位予 荑嚣华盛镞枣豹x m 公谣予2 0 0 1 年在美国建成，衍众通过数字收音辊胃轰接收骄粥1 多个波段浆节爨【5 l 。2 5 年s 月1 日，德尔榻室奄，其已与越广卫星集溪公司签署镑谈， 茸次将移动卫星广播弓l 入亚洲。薅家公霹将共同农印度推出并销售德尔疆牲广移动卫 星收诗机，该产品预计将于2 0 0 6 年上半年在印度上市【6 l o 射频电路怒卫璧接收机中一个非常熏要的组成部分，它对接收到的微弱卫星信号进杼 放大与下变频处理后输出给后端的信号处理电路。如粜没有射频电路，信号处理电路将很 难对徽弱的射频卫基信号进行直接采集。因此，射频电路蔻整个信号接收链路中的一个枢 纽，凝个接枝税的嗓声系数、灵敏度等关键指标也都主要由该电路决定。 论文采源予某髫家型号工程瑗譬，该顼瓣需求是设计一款多频卫基接收梳，并装求接 收规的噪声系数饯予2 d b ；接收灵敏度裹于。1 3 0 鹃氆。 不同的信母输出方式对射频电路有羲不网的要求，合理的选择信号竣蹬方式可以大蠛 度降低后端信号处理的复杂度，因此，信号输出方式的选择是射频电路总体设计中艨当酋 第l 页 翻防科学技术大学研究生院学位论文 先考虑的问题。然而在以往的文献中很少对此进行过全面的分耄睡。论文详细比较了基谚复 信号、中频复信号和中频实信号三种信号输出方式在r f 电路和蜃端数字信号处理上的复 杂度上的区别，最终为接收机选择了中频复信号输出方式。该方式不仅可以有效降低数字 信号处理复杂度，还能在某些对i q 双通道幅相一致性要求严格的成用场合兼容中频实信 号输出方式。 对于采用中频实信号输出方式的接收机而畜，一个好的频率规划方案应当保证信号采 样之后得到的各个“谱块”之间的过渡带最大，从而最大限度的减轻基带信号处理的负担。 在以往有关接收机设计的文献中很少对此进行过详细的分析，其主要原因是大多数接收机 系统的信号带宽较窄( 邋常在2 、3 m h z 以下) ，五，一和居的选择较为容易，可以很轻易鲍保 证采样之后各“谱块”有足够的过渡带宽。但是，当接收机系统的信号带宽变宽时( 如l o m h z 以上) ，频率规划会受到诸多条件的严格限制。因此，将频率规划作为射频电路总体设计 中的重要步骤。 接收机的噪声系数和本振信号的相位噪声是影响接收机灵敏度的重要因素，所以将低 噪声系数与低相位噪声列为接收机r f 电路具体实现的关键技术。电磁兼容和抗干扰技术 和撩收机的性能指标密切相关，因此也将它们列为接收机r f 电路实现的关键技术。 本文正是在某国防工程型号项目需求的驱动下，以射频电路的最优化设计为目标深 入研究了卫星接收机射频电路的总体设计，探讨了工程实现中的关键技术，并完成了射频 电鼹的县休硬件实现。 l 。2 卫星接收税l 理电路研巍现状 当前卫星接收机r f 电路的设计技术已经楣对成熟，文皴【7 】绘出了g p s 接收投熬r f 电路设计，文献【8 1 介绍了我鄹“北斗一号”定位接收枧的r f 电路设计，文献 l l 】飨出 了g p s 接收机r f 电路集成芯片的设计，这反映出导航接收虮r f 电路设计在工攫实现上 已经比较成熟。文献 1 2 h 1 3 】讨论了无线通信系统中射频电路设计联西峻的挑战以及应对 的措施。文献 1 4 】- 1 7 】则探讨了软l 牛无线电的最高级形式射频鸯接采样的实现问题。 以上文献的深入研究工作，为本文中的r f 电路设计提供了指导。 卫爨接收机r f 电路在产鼎化方面，也已经进入工稷应用阶段。在卫星导航领域，芯 片化和低功耗已经成为g p s 接收机r f 电路的发展趋势，以便嵌入到便携式产品中，并实 现在各种复杂应用环境下的可靠应用【。在该领域比较领先的i c 制造商有s i r f 、s t 觏 t r i m b l e 等。s i i 搏公司将一系列新型g p s 技术集成在最新的s i r f s t a r i i 结构中，该结构具 有体积小、低功耗和功能强等特点，使g p s 设器可以做到只有一张邮票大小，从耐扩大了 第2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 g p s 的传统应羯范围，健其胃黻广泛应用予消费类亳孑产晶中，甚至可隘液用于手表和项 链坠中。在卫星电视直播领域，国肉的许多厂家也推出了多款夔号的接收机，铡如长甄生 产的s 3 0 0 0 数字卫璧接收视以及长征火箭技术股份有限公司生产的r t s 8 0 1 8 数字电视卫星 接收视。在卫基数字广播领域，德尔福公司推出了县有内置天线的m y f i 便携式卫星收音 机，它能在任何地点、任何时间接收x m 卫星广播1 3 0 多个频道节目1 6 】。g a r f i n 也不甘 落后，推出了一款装备了g x m 3 0 智能天线的x m 卫星收音机，它最大卖点在于安装了 g p s m a p 3 7 6 c 系统，使得用户在世界上任何一个地方都能准确地得到自己所需的天气信 息，包括风速，n e 认d 雷达圈，风暴移动方向，地表温度，森林分布情况以及其他信息， 其信息的可靠性宠全可以和荚国最专业的气象人员使用的数据相当 1 9 】。 虽然当魏卫星接收枫r f 电路的设计技术已经栩对成熟，芯片饯也鑫戏法了r f 电路设 计蛉一个长远趋势，瞧强懿国内懿楣关祭 睾还不够艘熟，露显作为本文应霸背最的菜圄家 型号工程矮鑫嚣翦逐灵是楚在磷毒l 阶段，警潜誉可能具有g p s 那祥广泛静波焉背景，辩采 采溺芯片纯设计，郡将会导致接收梳研究成本的大幅度增翮，风险急尉的增大，不和予项 舀韵研发。闵j 琏：，本交中的卫璧接收机r f 电路仍然基于通用芯片的方法设计。 1 3 本文主餮工作 本文蛙菜国家型号工程矮爨为背景，深入磷究了翌星接收辊射频鸯路豹总体设计方面 应考虑瓣阕题，详缎分柝了瓣鬏输爨方式帮频率痰划瑟接收机撬棍复杂度的影响，给出了 相疲结论。探讨了工程实现中酶关键技术，并完成了射频电路的具体硬件实现。本文关于 射频电路总体设计部分的研究成果可作为各类接收机设计的参考，已完成的硬件电路己直 接应用予菜国家工程型鼍项目中。本文的研究内容安排如下。 1 绪论( 第一章) 本章介绍了卫星接收机在各领域的广泛应用，给出了课题来源；通过查阅、分析大量 文献，总结了该领域的研究现状，并指出了本文中的r f 电路纂于通用芯片设计的原因； 介绍了本文的研究内容。 2 。射频电路信号输出方式选择( 第二誊) 合理鳃选择魅频毫路豹信号蜍爨方式可以大辐波降l 氏接收毫嚏磊端信号处理的复杂瘦， 因此是射频逄鼹总体设计中应当蔷螫考毖懿蠲瑟。然焉在| 三 往泌文献中缀少对耽进行邈全 溪的分析。本章详细跑较了基带复镑号、中频复信号帮中频实信号三稀信号输出方式在r f 逛路帮麓端数字信号处疆土豹复杂度上静送嗣，并为接收梳选择了能兼容中频实信号输出 方式酶中频复信号输出方式，不仅能大大减轻了后端数字信号处理的负担，并能适用在不 第3 页 圜防科学技术大学研究坐院学位论文 同场合的应髑。 3 频率规划( 第三章) 频率规划是射频电路总体设计中的重要步骤，一个好的频率攫划方寨能够最大限度豹 减轻基繁信号处理静受攫。在以往有关接收枫设讨静文献中穗稷少封毖进行过详细的分 析。本章根据带遥采样定理，得到了带宽已知情况下，接收杌中频频率与采样频率之间的 约束关系，证明了中频频率任意两个取值区间的等价性，并以企数字正交检波器中滤波器 过渡带宽最大为准则，推导出了采样频率给定条件下的最优中频频率；缝合实际接收信号 的带宽，给出了接收机采用中频实信譬辕出方式条终下的最优频率规划方案。采鼹该频率 援划方案基，数字域上熬过渡繁宽达到符3 ，大大潜低了数字滤波器实魂韵薤杂度。 4 关键技术( 第瑟章) 本章针对多颓卫星接收机的特点，结合其体工程实现给出了包括低噪声系数、低相位 嗓声、电磁兼容戳及抗干扰等关键技术的解决方案。 5 实际制作与测试( 第五章) 本章给出了多频卫星接收机r f 电路的设计框架：根据设计框架，完成了r f 电路实现； 给出了r f 电路的测试搬标。测试继果褒明，多频卫星接收枧r f 电鼹憋设谢潢足指标要求。 6 + 终束语( 第六章) 本章总络了全文工作，提出了尚待锵决的问题和迸一步的研究计划。 第4 页 国防科举技术大学研究生院学位论文 繁二章射频电路输畿信号方式选择 不秘黪信号输出方式对采样频率有蓿不嚣韵要求，合毽蠡冬输出方式选择可戳大幅度洚 氐接收梳君端信号媳理静复杂废，因诧这是龛于籁电路总体设计中庭警首先考虑瀚蠲遂。本 肇其体肉容安稚翔下：2 1 给出了射频电路各种信号输出方式的概述；2 2 秆对项目具 体的应用需求，详缅对比三种信号输出方式在射频电路以及后端信号处理复杂度上的优缺 点，为接收机选择了可以兼容中频实信号输出方式的中频复信号输出方式；2 3 对本章的 内容进行了总结。 2 i 射频电路各种信号输逝方式概述 射频电路主爱宥以下三稀信号输出方式：墓带复信号输出、中频复信号输出和中频实 信号输出。 2 1 1 基带复傣号输出方式 基带复信号输出方式如图2 1 1 所示，射频信号经过b p f 、l n a 和射频模块后，输出 模拟的蒸带i q 双通道信号。 图2 。l 。l 基带复信号输爨方武 q 2 。l 。2 中频复馈号输如方式 中獭复信号输出方式如图2 1 2 所示，其与鏊带复信号输出方式基本相同，不同的只是 输出的是中频的i ，q 双通道信号。 第5 页 塑墼型宝垫查盔兰鐾窒兰鎏鲎筵鎏塞 闰2 1 2 中频复信号输出方式 2 1 3 中频实信号输瀣方式 中频实信号输出方式搬舀2 1 3 所示，它与中频复信譬输出方式的区剐在于它只输出一 路中频信号。 圈2 3 中频实信号输出方式 2 2 兰种信号辕出方式的性能对跑 菜国家型号工程项目要求卫星接收机能够同时接收三个l 波段的卫星信号，卫星信号 采用c d m a 调制方式，调制娼率慰= 脚妊陵，媾宽嚣= 2 = ：鑫始礅。 本节将针对项萌的典体需求，从电路体积、直流漂移与低频嗓声干扰、后续信母处理 流程以及硬件实现复杂度等四个方顽详细对比三罩申射频电路售号输出方式豹优缺点。 2 。2 。l 电路体积 二十世纪七、八十年 弋以来，隧着微遗予技术熬不断发展，掇嵩电路的集成凌已经逐 渐成为电路设计者的筵识。基带复信号输瀣方式通常怒与零中频接收机联系在一起的。由 于零中频接收机不存在镜频间题，艇以只添要用集成技术已经缀成熟熬低逮滤波器来选择 信遂，甚至可戳采用廉价静电感和电容来实磷。函诧，可以只瀚极少的片外元件而达到极 高的集成度1 2 ”。 第s 页 垦堕型兰垫查查兰竺窒生堕鲎垡丝苎 2 2 2 直流漂移与低频噪声干扰 基带复信号输出方式可以达到较高的集成度，在寻呼机中得到了广泛的应用。但是， 它也存在着两个致命伤，那就是直流漂移和低频噪声干扰。 直流漂移是由本振信号的泄漏所引起的。在一个实际的无线接收机中，电路中总是存 在一些寄生的元件，因此本振信号与射频输入信号之间不可能做到完全隔离，有一部分本 振信号会泄漏到混频器的射频信号输入端，与接收的有用信号混杂在一起，并进入混频器， 再经过频谱搬移出现在直流频段。这种泄漏后的本振信号与本振信号自身相混频的现象被 称为“白混频”。这也就是说，在混频器的中频输出端除了所需要的零中频信号之外，还 混杂了一个不需要的直流分量或者称为直流漂移。为了使混频电路具有一定的增益，通常 本振信号的功率都会选得比较大，即使经过了泄漏路径上的大幅衰减，最后所造成的直流 漂移仍然可以轻易地淹没有用信号【2 ”。 低频噪声干扰是采用基带复信号输出方式的另一个致命伤。最常见的低频噪声为闪烁 噪声，也常被称为，厂厂噪声，因其功率谱密度近似正比于频率的倒数而得名。闪烁噪声存 在于所有的有源器件和一些电阻中，主要是由半导体的一些缺陷引起的。 直流漂移和低频噪声干扰在寻呼机中没有造成大的危害，究其原因，在于传统寻呼系 统使用了简单的二进制f s k 调制方式。从频域上分析，仅有少量的信号能量存在于中心频 率附近，因此在混频之后可以牺牲这部分能量，而使用电容隔直流的办法将大部分的直流 漂移和低频噪声滤除，事实证明它非常有效。但是，在采用c d m a 调制方式的应用中， 中心频率附近能量十分集中，使用简单隔离直流的方式将对信号造成严重破坏，因此零中 频结构不适合本文中的设计。对于采用中频复信号输出方式和中频实信号输出方式的射频 电路而言，通过合理的选择中频频率，可以大大降低低频噪声干扰的影响。 2 2 3 后续信号处理流程 采用中频实信号输出方式的射频电路后续信号处理流程如图2 2 1 所示，其中：肪表示 中频信号的中心频率，卿= 2 石知表示中频信号角频率，居表示采样频率，珏= ，伪表示 采样周期。在图2 2 1 中： x o ) = ( ) c o s ( 俨+ d ) f + 】 f2 - 2 11 y 加) = 彳( 仃瓦) c o s ( ”t + 庐) f2 2 21 y 。( 疗) 24 ( ”瓦) 8 i n ( 吼胛t + 妒) f2 2 31 第7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 “功 ”( 功 q 通道 图2 2 1中频实信号输出方式后续信号处理流程图 采用中频复信号输出方式的射频电路的后续处理流程如图2 2 2 所示，其中： x 加) 2 删。3 【( 国m + ) + 纠 ( 2 2 4 ) x 。( f ) = 4 0 ) s i n 【( 国矿+ d y + 矿】 x ( f ) = x j ( r ) + - ，场( r ) = 爿( f 弘“”+ “+ x ( n ) = x ，( 胛) + _ ，x q ( h ) = 4 ( n t ) e 。【8 忸+ 蛳嘎+ 而 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 图2 2 2 中频复信号输出方式后续信号处理流程图 第8 页 望堕型兰堇遗盔兰篓壅生堕鲎垡笙苎 图2 2 + 2 中毒令乘法器帮2 个热法器实瑰黪是复乘法xf 雅jgo “一“，有； y ( h ) = j ，砌) 十，j ，。( h ) = x ( 聍) e 一。= 一( h 疋) g 加一 ( 2 2 8 1 可觅，i 、q 篾采样后的下交频便是简单静频率搬移，不产生穰频分量，闲此不需要后 续的抗倍频数字低通滤波器。 2 。2 。4 硬件实现复杂度 采用中频实僚号输出方式时，记层为信号带窕，扫一+ 彰2 ，五= 居t - 嚣璧，由带邋采 样定理1 2 2 1 f 2 3 j ，根据采样值茏失真的黧建信号的充要条件怒采样频率西必须满足： 盗蔓五兰萼 2 。2 。9 ) 撤拼一i 其中一j 卅。，坍一一肠，彰，脚为不大于x 的最大整数。 在第三章的3 + 2 小结中，通过详细的分析褥出；采用中频实信号输出方式时，采样频 率乐至少应当取在6 拄瑟融蔽上。在零搴中，我艇矗接把这个努撰终祭当佟一个结论寒燕戳 应用。 由技，我们可以看到，采用中频实信号输滋方式会导致以下鼹个翊题： 1 图2 2 1 中的本搬和两个乘法器工伟在6 z 以上，硬件电路的功耗增加、稳 定性降低，增大了硬件电路的调试难度。 2 为了保证线挂籀位特性，图2 2 1 中的l p f 郝是采嗣f l r 滤波器策实现的。在 采样频率疋比较商，中频输出信号频谱与其镜像频率之间的过渡带比较宽的情况 f ，f l 鬟滤波器戆狳数至少嚣要j 7 除，蓑信号频谱与其镳像频率之润静过渡鬻跑 较窄，则需要实现一个1 0 阶以上的锐截止滤波器才能保证信号损耗较小，工作 予较裹速率下的硬传电路会母致运算爨懿大幅度增加，淡耗f p g a 雯多豹资源。 蔻魄甩审频疑镱号输进责式，x ( t = a t ) e j l 。* “d ) ”9 i 啦撅谖x f = a f 鼢一 西，为单边谱，如强2 2 3 所示，其中f 力表示信号一f f ，豹频谱。 图2 2 4 给出了xr 以j = 柳f j + f 以j = xr 玎b j 的频谱图，它是工fr j 频谱的周期 延菸。嚣然，其黉满是条 孛西露，辩x f 栉，藩频谱蕊巍频城主没有漉叠，x f f ， 能够由并r 糟j 无失真的重建出来。可见，选用中频复信号输出方式，采样率店仅需大于 信号带变，量与中频频率酝无关。 第9 烫 国醛秘学技术大学毳拜究生院学整论文 x 时 。 卜- 一詹叫 图2 2 3中频l ，q 复信母频谱圈 2 。2 5 小结 l f 一 s i f f ，f f s 卜 一曰叫 黼2 2 4中频l ，q 复信号采桴信蜉频谱图 基带复倍号输出方式鼠然具有电路设计简单、电路集成度高等优点，但由于存在直流 穰移鞠低频襟声予挽嚣令羧翕痿，霾魏不适合波蠲予c d 秘a 翌避搂浚筑中。对于采蕊孛 频复信号输如方式翻中频实信号输出方式鲍射频电路露害，遥过合理髂选择中频频率，低 频嗓声干扰和直流漂移的影响可以得到有效的抑制。 孛频复蘩号输懑方式秘中蒙安信等埝爨方式稳魄，箕鬏f 电路霄黻下差鄹； 1 ) 中频复信号输出方式需饕做射频i q 下变频，存猩i q 双通道的幅度和相位不一 致径闷题，但是随着射频集成魄路的笈展，蕊在的瓶交下变颓芯片已经能够将l ，q 第1 0 页 国防秘学菠零大学毳莲究生貔学位论文 双通道的幅度不一致性按制在o 2 5d b 以内，相位不一致性控制在o 5 度以内。 2 ) 由于卫星接收机i 心电路同时接收3 个l 波段的信号，所以需要同时输出三个频点 的中频信号，中频复信号输出方式只会在数字中频结构的基础上增加蘸个滤波器 耧裁令赣奎接头，不会影响到r f 电路小鹫缘。 中频实信号输出方式和中频复信号输出方式在r f 电路上的对比总缩如表2 2 1 所示。 表2 2 1中频寰信号输出方式和中频复信号输出方式对比( r f 电路) 中频复信号输出方式中频灾信号输出方式 袋撵频率 ， 仪嚣大予接收信号繁燮毖颁满足祭奎麓特采撵定律 射额l q 下交频 有无 每个接收通道输出中频信号2 路 1 路 i q 幅桐不一致问题 有无 采矮中凝复薅号羲塞方式粒孝颓实莹号竣崮方式瓣瓣频毫路奁惹螭簇豢售号处理缢葳 整机模块纯鹩差剃包括： 1 ) 在每个接收频点上，前者多用了一个a ，d ，但是，随着双a d 套片的大量出现， 双a d 器件的性价比已经超过了单a d 器件，因此硬件电路的成本也不会有太 大的增加。 2 羲黉懿慕嚣搴蠢纹鬟大予2 懿她帮爵，嚣麓蠹靛采撵率秀必绥大于裙撼隆，麓 者的采样率大幅度降低，飘仅与信号带宽有关，与射频电路的输出中频信号频率加 无关。这一特点也保证了未来即使射频电路的频率规划方式改变，前者的后续信 号处理电路的采样率和信号处理算法可以保持不变，只需简单设凝n c o 扩展参数。 3 ) 如黧2 2 2 瘊示，中频l ，q 复信号输奎的蓐绥信号处理滚程中鼓然毒霾令乘法器， 毽遮溺个黍法器可戳王律在2 殖霉融f 玉的低速率下，裙院子霞2 。2 1 中豹两个工作于 甜3 8 m 胁上的乘法器丽言，可以有效的降低运算量，减小对f p c 限中资源的占用。 4 ) 中频实信号输出每个接收频点需要两路工作在6 l z 扬以上的7 1 5 阶滤波器， 丽中频复信号输出方式不需要倍频抑制数字滤波器，大大简化了电路设计。 5 ) 中簇筻绩号辕窭兼容了中频实痿号辕窭，蒸蠢更强憨逶焉瞧。中簇实售号餐警方 式存在着i q 双通道的幅度和相位不一致憾闯题，不适用于浆魑对l ，q 双通道的 幅度和相位一致