（测试计量技术及仪器专业论文）宽带大动态标量网络分析仪的接收机设计.pdf

、 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 新签名：肆 日期：洲啤7 日 ， _ _ k i 1 1 ，僻 u 摘要 摘要 在现代微波测量领域中，网络分析仪是最主要的测量仪器之一。由于微波技 术的迅速发展，对现代微波测量工具的性能提出了越来越高的要求。国外的网络 分析仪技术在该行业中一直处于领先地位，而国内由于微波技术起步相对较晚， 在技术竞争力上和国外存在着一定的差距。目前，国内市场上的网络分析仪相当 多的都是低频段的产品。针对目前国内市场的低频段用户，主要是指从事广播电 视领域传输、反射参数测量的用户，本课题在此背景下提出研发一款频率范围在 3 0 0 k h z 1 3 0 0 m h z ，动态范围不低于9 0 d b 的标量网络分析仪。 本论文给出了宽带大动态标量网络分析仪接收机的总体设计方案采用三 级混频的超外差接收机方式。论文详细分析了接收机中各个指标的重要性，最后 给出了接收机的a d s 仿真结果。本文的主要工作包括以下几点：接收机中第一级 本振的方案确定及设计和频率控制、接收机中2 个微带滤波器和2 个低频带通滤 波器的设计及a d s 软件仿真、接收机中放大器和混频器的选型及电路设计和其他 模块的设计。 本论文的特色是采用窄带接收机检测的方式，比传统的二极管宽带检波方式 具有更好的灵敏度、更大的动态范围和更高的谐波抑制能力。 关键字：标量网络分析仪，接收机，大动态范围，滤波器，a d s 仿真 毒 m 、 v k v a b s t r a c t a b s t r a c t n e t w o r ka n a l y z e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t si nt h e m o d e r nm i c r o w a v em e a s u r e m e n tf i e l d s i n c et h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o w a v e t e c h n o l o g y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h em o d e r nm i c r o w a v em e a s u r e m e n ti si ni n c r e a s i n g l y h i g hd e m a n d f o r e i g nn e t w o r ka n a l y z e ri nt h ei n d u s t r yh a sal e a d i n gp o s i t i o n t h e r ei s ag a pi nt h et e c h n o l o g i c a lc o m p e t i t i v e n e s s ，b e c a u s ed o m e s t i cm i c r o w a v et e c h n o l o g y h a sar e l a t i v e l yl a t es t a r t a tp r e s e n t , m o s to ft h en e t w o r ka n a l y z e ri nt h ed o m e s t i c m a r k e ti sl o w - f r e q u e n c yp r o d u c t f o rt h el o w f r e q u e n c yu s e r so ft h ed o m e s t i cm a r k e t , e s p e c i a l l yt 1 1 0 s ew h ow o r ko nt h em e a s u r eo ft r a n s m i s s i o no rr e f l e c t i o np a r a m e t e r si n t h ef i e l do ft 1 1 er a d i oa n dt e l e v i s i o n , w er e s e a r c ha n dd e v e l o pt h es c a l a rn e t w o r k a n a l y z e rw h i c hh a sa3 0 0 k h z 1 3 0 0 m h zf r e q u e n c yr a n g ea n d9 0 d bd y n a m i cr a n g e t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g np r o g r a mo ft h eb r o a d b a n dh i 曲d y n a m i cs c a l a r n e t w o r ka n a l y z e r sr e c e i v e r a n di tm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ei m p o r t a n c eo ft h e v a r i o u si n d i c a t o r s t h e n , w eg i v et h ea d ss i m u l a t i o nr e s u l to ft h er e c e i v e r i t sm a j o r w o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n g ：t h ed e s i g no ft h er e c e i v e r sf i r s tv i b r a t i o n ，t h ed e s i g no f t h ef i l t e r sa n da d ss i m u l a t i o n ，t h es e l e c t i o no ft h ea m p l i f i e r sa n dm i x e r sa n dt h ed e s i g n o fo t h e rm o d u l e si nt h er e c e i v e r t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sp a p e ri st h a tw ea d o p tt h et u n e dr e c e i v e r t h i sm e t h o d c a np r o v i d eh i g h e rd y n a m i cr a n g ea n db e t t e rs e n s i t i v i t yt h a nt h et r a d i t i o n a lm e m o d d i o d ed e t e c t i o n k e y w o r d s ：s c a l a rn e t w o r ka n a l y z e r ，r e c e i v e r ，h i 曲d y n a m i cr a n g e ，f i l t e r ，a d s s i m u l a t i o n u 一 一 一 - k 一 i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 网络分析仪的研究背景1 1 2 网络分析仪的国内外研究现状1 1 3 本论文主要研究的内容3 第二章标量网路分析仪简介4 2 1 测试原理及s 参数简介4 2 1 1 标量网络分析仪的测试原理4 2 1 2s 参数5 2 2 标量网络分析仪的分类6 2 2 1 宽带检波标量网络分析仪6 2 2 2 窄带检波标量网络分析仪7 2 3 标量网络分析仪的系统组成8 第三章标量网络分析仪的接收机总体设计方案和指标分析1 0 3 1 超外差接收机的原理1 0 3 2 接收机的指标分析1 0 3 3 接收机指标的物理意义1 1 3 3 1 噪声特性分析1 1 3 3 1 1 噪声来源1 l 3 3 1 2 噪声系数1 3 3 3 2 接收机灵敏度1 5 3 3 3 接收机的非线性1 6 3 3 4 无杂散动态范围1 8 3 3 5 接收机镜像频率干扰1 9 3 4 接收机的总体设计方案与分析1 9 第四章接收机第一本振的设计2 1 4 1 频率合成技术概述2 1 4 2 设计原理2 2 i l l 目录 4 2 硬件实现2 2 4 3 各部分电路设计和频率的控制2 4 4 3 1 对d d s 的设定2 4 4 3 2 对扫频p l l 的设定2 7 3 3 3 对扫频v c o 的设定3 0 4 3 4 对定频信号源的设定“3 3 4 4 输出信号测试3 6 第五章接收机模块中的滤波器设计3 8 5 1 滤波器的概述3 8 5 2 低通滤波器原型3 9 5 3 频率变换4 0 5 3 1 由低通到高通的频率变换与网络变换4 1 5 3 2 由低通到带通的频率变换4 2 5 3 3 由低通到带阻的频率变换4 4 5 4 滤波器的设计与仿真4 5 第六章接收机中其他模块的设计5 3 6 1 衰减器电路的设计5 3 6 2 第一级变频电路的设计5 5 6 3 第二级和第三级变频电路的设计5 7 6 4 接收机模块中各级放大电路的设计5 9 6 5 检波电路的设计6 1 第七章结论6 2 7 1 仿真分析6 2 7 2 改进措施6 4 致谢6 6 参考文献6 7 在校期间的研究成果6 9 i v 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 在现代微波测量领域中，网络分析仪扮演着越来越重要的角色，有着“仪器 之王 的美誉，可见网络分析仪在微波测量仪器中的地位。网络分析仪是通过正 弦测量来获得线性网络的全面频域描述的仪器，是研究线性系统的重要工具之一。 1 1 网络分析仪的研究背景 在网络电器特性测量中，经常需要测量设备或网络的传输特性，主要包括增 益、衰减、幅频特性、相频特性和时延特性。在早期测量体系中，采用点频测量 方案，即在一个或多个固定频率点上进行测量，较为简单，但是在测量宽频器件 时就显得繁琐，工作效率极其低下，并且由于测量频率点选取的疏密程度不同而 影响测量结果。随着元器件逐步向宽频带方向的发展，便出现了扫频测量方案， 即将间断的点频测量改为连续的扫频测量，这大大提高了工作效率和测量质量。 网络分析仪就是在扫频测量技术的基础上发展起来的。随着计算机和大规模集成 电路技术的迅速发展，网络测量技术走过了以前的测量线性阶段、手动分析阶段， 逐步发展成为今天这种多参数、高精度、频段宽、速度快、自动化程度高的测量 系统1 1 。 根据电路系统理论知识可知，任何复杂的电路都可以用四端口网络来示意， 由网络参数特性即可求得该电路的传输、反射等特性。网络分析仪主要用于测量 四端网络、滤波器、放大器等等。它的出现代替了过去模拟测量滤波器、放大器 的方法，使测量工作变得更为自动化和精确【2 1 。 1 2 网络分析仪的国内外研究现状 现代网络分析仪为全面评价网络特性以及诸如杂散电容、引线电感及不可预 料的吸收损耗等寄生成分的测量提供了高质量的测试。它应用微波扫频技术在宽 带内以相当高的精度对各种微波元器件的大部分参数进行快速、连续的测量，并 电子科技大学硕士学位论文 且能直观地显示和自动记录所测量的结果【3 4 】。 现代网络分析仪大都通过标准系统外总线组建自动测试系统，即自动网络分 析仪( a u t on e t w o r ka n a l y z e r , 简称a n a ) 。在微处理器的调度下，自动网络分析 仪可以自动进行误差校准测量及修正，并可充分运用强大的计算能力将s 参数换 算成任何所需要的参量，无论在准确度、速度和灵活性上均达到非常高的水平【5 】。 此外，现代网络分析仪大都采用数字化的测量与显示，波形显示不再使用显示一 指示器，而是用主控制器将通道采集回来的数据经过计算和处理后，再显示到 c r t 或者l c d 显示器上。与传统网络分析仪相比，现代网络分析仪的数据处理 速度更快、频率范围更宽、精确度更高、显示效果更好。 目前，国外厂家主要有美国的a g i l e n t 公司、德国的r s 公司、日本的a n r i t s u 和a d v a n t e s t 公司，这些公司的主要产品集中在射频、微波及其以上频率，在 低频方面的产品很少。其中，a g i l e l l t 公司生产的网络分析仪向来被业界认为是参 考标准。 1 9 8 3 年，a g i l e n t 公司推出第一部有微处理器的微波网络分析仪8 5 1 0 型，同 轴测量频率范围：4 5 m h z - 2 6 5 g h z 。1 9 8 6 年推出自动化矢量网络分析仪既有良 好性能又有自动测量能力的8 7 5 3 型被业界称为的网络分析仪的标准。1 9 8 9 年， 同轴s 参数测量系统上限频率扩展至4 0 g h z 。1 9 9 0 年，毫米波波导反射传输测 试装置工作频段扩展至l1 0 g h z 。1 9 9 1 年，a g i l e n t 公司推出第三代矢量网络分析 仪h p 8 5 1 0 c ，同轴测量系统频率上限扩展至5 0 g h z 。2 0 0 0 年底的p n a 系列： 3 0 0 k h z - - 3 g h z 的e 8 3 5 6 a ；3 0 0 k h z - - 6 g h z 的e 8 3 5 7 a 。但到2 0 0 5 年底，该公司 的r fp n a 系列网络分析仪( e 8 3 5 6 a ，e 8 3 5 7 a 等) 停产。在低频方面，该公司的 h p 3 5 8 9 a ，其频率特性范围是1 0 h z - - 1 5 0 m h z ，另外还有e 5 1 0 0 a ，其频率范围 为10 k h z , - - 3 0 0 m h z 6 , 7 , 8 , 9 】。 国内生产网络分析仪的厂家也有不少，其中信息产业部电子第四十一研究所 较为领先。产品较多使用的是经济型一体机，内置扫频源和s 参数测试装置，性 能优良、使用方便，而高性能分体机系统则精度很高、易于扩展。它们成功研制 的a v 3 6 1 5 网络分析仪的测量频段高达4 5 m h z - - 1 1 0 g h z ，测量速度可达每点0 0 4 毫秒，动态范围达到1 4 0 d b 以上。有些网络分析仪还附加了时域分析功能，可用 于电缆、谐振腔等的故障定位和调型1 0 】。 在微波网络特性的测量中，按照最常用的网络散射参数的概念，把有关网络 特性的参量分为反射参量( 例如，反射系数幅值或驻波比) 和传输参量( 例如， 衰减量或增益) 。测量上述两个参量是分析微波网络及研究自动测量技术的基础。 2 第一章绪论 通常，无论反射参量还是传输参量，都包含了幅值和相位两部分，但在许多情况 下并不需要相位信息。这种只测量幅值的网络分析仪就是标量网络分析仪( s c a l a r n e t w o r ka n a l y z e r ) ，而既能测量幅值又能测量相位的网络分析仪则称之为矢量网 络分析仪( v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r ) 。无论何种网络分析仪，都是通过测定网络 的反射参数和传输参数，从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测 量仪器。 网络分析仪按照测量的频率范围不同，又可分为低频网络分析仪、高频网络 分析仪和微波、射频网络分析仪。不同频率范围的网络分析仪所测量的网络参数 也不同。低频和高频网络分析仪主要用于测量线性非时变网络的频率特性，包括 幅频特性和相频特性，微波、射频网络分析仪主要用于测量线性与非线性网络的 特性，例如s 参数、传输和反射信号的幅度、相位和群延时、微波元器件的绝对 输入和输出功率。 1 3 本论文主要研究的内容 本课题着眼于微波测量在广播电视领域的应用，因此研制开发了一款频率范 围在3 0 0 k h z 1 3 0 0 m h z 的标量网络分析仪。它采用程控射频信号源和窄带检测 技术，具有很宽的扫频频率范围和很大的动态范围，精确度高。对很多微波应用 领域来讲，仅有幅度信息已经足够了，矢量网络分析仪中的相位信息要求并不是 特别多，而且由于矢量网络分析仪的价格过于昂贵，因此与成都某科技有限公司 一起研发了该款标量网络分析仪。本课题主要研究由射频合成信号源与大动态范 围的接收机实现一款频率3 0 0 z 1 3 0 0 m h z ，动态范围不低于9 0 d b 的标量网络 分析仪，可进行射频网络的传输反射特性的测量。课题主要包括以下几个方面的 内容： 1 、采用三级混频的外差接收机方式进行窄带检波，提高标量网络分析仪的 动态范围。 2 、接收机模块中射频微带滤波器的设计以及a d s 软件仿真。 3 、接收机中第一级本振的设计及频率控制，具体分析了对a d 9 8 3 5 、 a d 5 3 2 2 、a d f 4 1 1 3 和a d f 4 3 6 0 2 芯片的控制。 4 、接收机中其他模块的设计，主要包括混频器、衰减器和放大电路的选型 设计。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章标量网路分析仪简介 本章给出了标量网络分析仪的测试原理和模块的组成，讨论了宽带检波标量 网络分析仪和窄带检波标量网络分析仪的优缺点，最后着重论述了本设计中标量 网络分析仪的具体组成。 2 1 测试原理及s 参数简介 2 1 1 标量网络分析仪的测试原理 典型的标量网络分析仪包括五个主要部分：内置的扫频信号源发生器、信号 分离器件、用于检测信号的接收器、信号处理和显示等部分。其原理图如图2 1 所示。 图2 - 1 典型的标量网络分析仪框图 标量网络分析仪的基本工作原理是：信号分离电路将扫频信号源产生的信号 分成两路，一路作为参考信号直接进入接收电路，另一路作为激励信号进入待测 网络，经过待测网络后产生两种信号，一种是传输信号，另一种是反射信号，分 4 第二章标量网络分析仪简介 别送入接收电路，对这几路信号进行比较，就可得出待测网络的传输和反射特性， 如增益、回波损耗等s 参数。 2 1 2s 参数 一般地，对于一个网络有y 、z 和s 参数可用来测量和分析，y 称导纳参数， z 称为阻抗参数，s 称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，z 和y 参数 对于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中， 由于确定非t e m 波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存 在实际困难。因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳 参数变得较为抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射 参数，即s 参数矩阵，它更适合于分布参数电路。s 参数就是建立在入射波、反 射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，用器件端口的反射信号以及从 该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同n 端口网络的阻抗和导纳矩阵那 样，用散射矩阵亦能对n 端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口 的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关 系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只 要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。二端口的网络是整个 大型网络系统的基本组件，因此下面我们对二端口的s 参数矩阵进行讨论。如图 2 2 所示，是一个二端口的网络。 图2 2 二端e l 网络的s 参数 从图中可以看出，入射波和反射波的关系可用下式表示： 时艮墨2 1 i a l ： 协， 对式( 2 1 ) 展开，即可得到如下表达式： 电子科技大学硕士学位论文 争呱a i + s 1 2 a 21 ( 2 - 2 ) 如= s 2 i 口l + 口2j 一 可以看出，墨。是在端口2 匹配情况下端口1 的反射系数，是是在端口1 匹 配情况下端口2 的反射系数，足。是在端口2 匹配情况下端口1 到端口2 的正向传 输系数，墨：是在端口1 匹配情况下端口2 到端口1 的反向传输系数。它们都是复 数，即包含幅度和相位。一般来说，墨。和是：的模均小于l 1 i , 1 2 。 2 2 标量网络分析仪的分类 信号检测部分是标量网络分析仪的核心部分，根据不同的信号检测方法可分 为不同的标量网络分析仪：宽带检波标量网络分析仪和窄带检波标量网络分析仪。 2 2 1 宽带检波标量网络分析仪 宽带检波标量网络分析仪的信号检测模块采用的是二极管检波器，它将射频 信号按一定比例变换到直流信号。如果激励信号是调幅信号，则二极管就能从调 制波中分离出射频载波信息，也被称为a c 检波，如图2 3 所示。二极管检波只 能检测出幅度信息，而射频载波的相位信息都丢失。 d i o d e 纠一 州一越 群 峭r | _ h 赡 f 1nn船 1 0 枷缸 2 6 5b 图2 - 3 二极管检波 二极管检波的标量网络分析仪最主要的优势就是能提供很宽的频率覆盖范围 6 第二章标量网络分析仪简介 ( 1 0 m h z 到2 6 5 g h z ) ，而且相对通道接收机检波的方式价格上要便宜很多。二 极管检波的方式能有较好的灵敏度和较高的动态范围。能够测量的信号最小能到 6 0 d b m 左右，能提供6 0 7 5 d b 左右的动态范围( 取决于检波二极管的类型) 。这 么宽的带宽特性限制了此类标量网络分析仪的灵敏度，而且对信号源产生的谐波 和杂波抑制能力较差。要想改善这种标量网络分析仪的动态范围只能通过提高输 入信号的功率。 2 2 2 窄带检波标量网络分析仪 窄带检波标量网络分析仪的信号检测模块是采用外差接收机的方式，用一个 本地振荡器产生的本振信号和射频输入信号通过混频器，把射频信号下变频至中 频信号进行处理，如图2 - 4 所示，中频信号经过带通滤波器进行滤波。现代标量 网络分析仪都是通过a d c 和d s p 技术从中频信号中提取有用信息。 t u n e di l e c e i v e t 褂 符f 山f 舴 1 0 嘲h z2 五j6 h z 图2 - 4 外差式接收机检波 外差式接收机检波的标量网络分析仪能够提供更高的灵敏度和更大的动态范 围，而且对谐波和杂波的抑制能力也能做到很高。增大输入信号或者减小中频带 宽均可实现大动态范围。但是，这两种方式带来的后果就是使接收机的本底噪声 增加和系统的测量速度降低。外差式接收机检测到的信号既有幅度信息，又有相 位信息，一般运用在矢量网络分析仪和大动态范围的标量网络分析仪中。 7 电子科技大学硕士学位论文 为了实现本文设计标量网络分析仪大动态范围的设计，我们采用外差接收机 的方式进行设计。 2 3 标量网络分析仪的系统组成 我们设计的标量网络分析仪系统组成可分为主控部分、显示和按键部分、射 频部分、信号分离部分、通道部分等几个主要模块。其硬件系统设计框图如图2 5 所示。 图2 5 标量网络分析仪系统框图 标量网络分析仪的系统工作流程为：主控制器接收键盘按键值的按键信息， 对其进行处理，经过判定后对标量网络分析仪的射频频率、显示模式、测量模式 以及其它系统功能做出相应的设定，然后接收通道数据，处理后将数据转换为波 形数据和衰减值，通过显示控制器显示到l c d 上。 主控模块我们采用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 2 0 和它的外挂存储器2 m b 的 f l a s h 、1 m b 的s r a m 和1 m b 的串行f l a s h 构成，用于完成标量网络分析仪 的系统控制。由于l p c 2 2 2 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 b i t 定时器、8 路1 0 b i t a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部中断管脚使得它特别适用于工业控制、 医疗系统、访问控制和电子收款机。通过配置总线，l p c 2 2 2 0 最多可提供7 6 个 g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接口，l p c 2 2 2 0 也非常适用于通信网关、协 议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。 扫频信号源部分我们采用d d s 激励p l l 的混合频率合成方案实现宽带扫频， 主要包括锯齿波发生器扫频压控振荡器v c o ( v 6 0 0 m e l l f ) 、及其粗调控 第二章标量网络分析仪简介 制器数模转换器d a ( a d 5 3 2 2 ) 和细调控制器直接数字频率合成器d d s ( a d 9 8 3 5 ) 及射频p l l 频率合成器( a d f 4 11 3 ) 、定频信号源a d f 4 3 6 0 2 组成。 信号分离部分是为了从输入的激励信号中分离出一部分作为参考信号，以及 提取反射信号和传输信号。一般信号分离可采用无方向性的电阻功率分配器或者 有方向性的定向耦合器。在我们的标量网络分析仪中，采用的是驻波比电桥来实 现信号的分离，该电桥为内带检波的直流电阻桥，驻波比电桥利用的是电阻惠斯 通电桥技术，利用平衡原理的失衡特性检测电桥测试端口失衡大小来确定驻波比， 用驻波比电桥测量反射直观方便。电桥是根据被测件阻抗偏离参考终端阻抗的情 况，根据检波输出电压的大小来测量被测件的驻波。检波输出电压越大，被测件 偏离标准负载的阻抗越远，驻波越大，反之，则越小。 通道接收部分由三级混频的超外差接收机、对数检波管和模数转换器a d 组 成。三级混频的超外差接收机对通道接收的射频信号进行变频，将射频信号变频 至4 6 5 k h z 的中频信号，然后通过对数检波管a d 8 3 0 7 将信号电压转换成对数值 传给模数转换器a d ( a d 7 6 8 3 ) ，由模数转换器a d 进行采样，将采样值传送给 主控制器l p c 2 2 2 0 。其中接收机模块的设计将在第四章中做详细讨论。 显示部分的设计采用夏普公司的l q 0 8 4 s 3 d g 0 1 ，8 0 0 6 0 0 的8 寸t f t - l c d 真彩屏幕、显示控制器c p l d 和它的外挂存储器( i m b 的s r a m ) 构成。标量网 络分析仪并没有使用专门的l c d 控制器，而是用c p l d 模拟l c d 控制器，按照 其内部的时序电路，接收从主控制器传输来的数据，将它们暂存在c p l d 的外挂 s r a m 中，并传输给l c d 实现显示。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章标量网络分析仪的接收机总体设计方案和指标分析 接收机是标量网络分析仪中最重要的部分，接收机指标性能的优劣直接关系 到标量网络分析仪整机指标的好坏。接收机的设计是一个系统工程，因此在接收 机设计的时候需要综合考虑各种因素，包括其内部电路和外部环境。本章主要分 析了课题的系统指标和外差式接收机的原理以及系统的总体设计方案，在后续章 节中陆续给出接收机其他模块的设计。 3 1 超外差接收机的原理 超外差接收机主要利用频率固定的中频放大器对信号进行放大，容易得到足 够大而且比较稳定的放大量，具有较高的选择性和较好的频率特性，但是电路比 较复杂，干扰较多，如中频干扰、镜像频率干扰等。典型的二级混频超外差接收 机的原理框图如图3 1 所示。 图3 - 1 二级混频超外差接收机的原理图 3 2 接收机的指标分析 接收机的主要功能就是实现标量网络分析仪的大动态范围和更好的测试灵敏 度。接收机将射频输入信号通过混频变频至窄带中频信号进行处理。大动态范围 的接收机通常在低失真的情况下，不仅要能够检测并放大所有的有用信号，而且 1 0 第三章标量网络分析仪的接收机总体设计方案和指标分析 更重要的是接收机对信道中大信号的非线性互调失真产生的杂散响应要具有很高 的抑制能力。要实现接收机大的动态范围、很好的线性等，就必须对接收机的各 种性能指标提出高的要求。 接收机的主要性能指标包括噪声特性、灵敏度、中频频率及分辨率带宽、l d b 压缩点及动态范围、非线性失真、杂散响应等。 下面论文将对接收机的各个指标性能作详细分析。 表3 - 1 接收机的指标要求 频率范围3 0 0 k h z l3 0 0 m h z 最大输入电平1 0 d b m 输入衰减2 0 d b 噪声系数2 0 d b 镜像频率抑制7 5 d b m 三阶互调失真 6 0 d b c 动态范围 9 0 d b 频率分辨率 1 0 0 k h z 3 3 接收机指标的物理意义 3 3 1 噪声特性分析 接收机中的噪声通常会掩盖系统中的微弱信号，限制了接收机对微弱信号的 检测能力。噪声通常是由自身产生的系统噪声和外部噪声两部分，要检测出信号， 噪声基底必须比待测信号电平低。针对噪声的特性，本文对噪声做了如下简要分 析。 3 3 1 1 噪声来源 热电子和固态电子设备中的噪声可分为三种主要类型：热噪声、散粒噪声、 闪烁噪声。 1 、热噪声 热噪声又称为白噪声或j o h n s o n 噪声，是由导体中电子的热震动所引起的， 它存在于所有电子器件和传输介质中。它是温度变化的结果，但不受频率变化的 l l 电子科技大学硕士学位论文 影响。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，它是不能够消除的，因此，对 通信系统性能构成了上限。通常，用在工作带宽为b 的电阻上噪声电压k 的均方 值来表征： 砰= 4 k t b r ( 3 1 ) 式中，k 为玻尔兹曼常数1 3 8 x 1 0 - 2 3 j k ；t 为电阻绝对温度，单位k ；b 为工 作带宽，单位h z ；r 为电阻值，单位q 。上式说明，噪声能量存在于给定带宽内， 与中心频率无关，频带越宽，温度越高，阻值越大，噪声电压就越大。因此，热 噪声的功率为： 只( 蛾) = l o l g k t + l o l g b ( 3 2 ) 上式可以计算出常温下( t = 2 9 0 k ) ，1 h z 单位带宽上的热噪声功率为 17 4 d b m h z 。 2 、散粒噪声 散粒噪声又称为颗粒噪声，一般存在于固态器件和晶体管中，是s e h o t t k ) r 在 1 9 1 8 年研究此类噪声时，用子弹射入靶子时所产生的噪声命名的。在晶体管的 p n 结中( 包括二极管的p n 结) ，每个载流子都是随机地通过p n 结的，大量载 流子流过p n 结的平均值决定了它的直流电流，因此，真实的结电流是围绕直流 电流起伏的。这种由于载流子随机起伏流动而产生的噪声称为散粒噪声。 3 、闪烁噪声 由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪 烁噪声，闪烁噪声又称为l 厂噪声或低频噪声。它与半导体表面少数载流子的复 合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比。 实际电阻中，单边噪声电流功率谱密度和噪声电压功率谱密度为： s ( 胪罕22 (3-3) 式中，k 为常数，与电阻材料、制造工艺有关。l 为流过电阻的直流电流。 由此可见，当电阻中没有直流电流通过时，电阻中就仅有热噪声，而不会有 其他噪声。因此，一个实际电阻在低频段以闪烁噪声为主，它主要在低频1 h z - - , 1 m h z 之间影响很大，超过1 m h z 的频率热噪声影响更为明显，闪烁噪声可以忽 1 2 第三章标量网络分析仪的接收机总体设计方案和指标分析 略不计。因此，从低噪声设计用途考虑，不仅要选闪烁噪声小的电阻，如绕线电 阻、金属膜电阻等，而且要尽量减小电阻中的直流压降以减小低频噪声。 3 3 1 2 噪声系数 接收机的噪声系数是一个非常基本的参数，也是衡量接收机电路所附加的噪 声大小的量度。研究噪声的目的在于如何减小它对信号的影响，因此，离开信号 谈噪声是毫无意义的。从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的大 小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，即信噪比，记为s n ( 信号功率噪声 功率) 。即便噪声电平绝对值很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响可以忽 略；否则，即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低于1 ，则信号 仍然会淹没在噪声中而无法辨别。因此，信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物 理量。 1 、噪声系数的定义 要描述系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数。噪声系数表征了信号通过 系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度，与系统增益无关，其定义为： f_器=貉或0,vz),m=lolgsn)eo( 器) ( 3 4 ) ( 。乞。、圪7 式e e - f 为噪声因数，n f 为噪声系数，只为信号源的输入信号功率；p m 为信号 源内阻产生的噪声功率。 输 信号s i噪声嬲输出1 f 鹁s o 增啪 r 埔砘i 丑 附加噪声功鞫妇 图3 2 二端口网络 对于图3 2 中所示的二端口网络，其增益为g ，附加噪声功率为m ，有： n o = 只巩 ( 3 5 ) 通常用分贝值来表示噪声系数n f 的值，对式( 3 5 ) 两边取对数可得： n o ( d b ) = n f + g ( d b ) + m ( d b ) ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 表明，以分贝值计算，通过二端1 ：3 网络后，输出噪声功率是输入噪 电子科技大学硕士学位论文 声功率加上噪声系数和增益。因为元件或系统的噪声系数与输入噪声无关，是其 本身固有的特性。因此，噪声系数n f 的定义是基于室温下带宽为b 的标准输入 噪声源f 而言的。m 由下式给出： m = k t b ( 3 7 ) 即带宽为b 的热噪声功率。式中，k 为玻尔兹曼常数1 3 8 1 0 之3 j k ，在室温 t = 3 0 0 k 时，1 h z 带宽时的值约为一1 7 4 d b m 。则二端口网络的附加噪声功率可表示 为： n o = n o g k t b = ( f 一1 ) g k t b ( 3 8 ) f = 磊( 3 - 9 ) 2 、级联网络的噪声系数 通常一个网络包含着许多个级联的二端网络，图3 3 中为两个级联的二端网 络，其增益分别为g l 和g 2 ，噪声因数分别为互和五，级联后的噪声因数和增益 分别为互：和g l ：。 为： 输黼i噪声嘲 l q l 劳僦输出i 瓢 增益3 1 l 增盏五r m 蚰刚加螭訇 b 酮电lp 曲啷雾啦眦b b 图3 3 二端口网络的级联 则两级二端级联网络的噪声因数为： f ，：j l ：二l 只+ 型 ( 3 1 0 ) “g 1 2 k t bg l g 2 k r b 1 g l 式( 3 1 0 ) 可以推广到如图3 - 4 所示的n 个二端网络的级联，总的噪声因数 ，：只+ 掣+ 型+ + 互= ! ( 3 1 1 ) 1 g lg l g 2 g l g 2 q 一。 式中：g l 为第一级的功率增益，q 一。为第咒一1 级功率增益；e 为第一级的 1 4 第三章标量网络分析仪的接收机总体设计方案和指标分析 噪声因数，c 一。为第n - 1 级的噪声因数。从式( 3 1 1 ) 中可以看到，要使系 统总的噪声系数低，第一级的增益和噪声系数至关重要，若系统第一级具有高的 增益，则系统总的噪声系数基本等于第一级的噪声系数，因此，要降低接收机的 总噪声系数，系统第一级不但要具有低噪声系数，还要具有高的增益。在使用该 式时，所有的f 和g 都是倍数而不是d b 。接收机的噪声系数主要取决于它的前 端电路。 需要特别说明的是，对于滤波器、混频器等损耗性电路，在计算中其损耗就 是噪声系数，且增益是损耗的倒数。 3 3 2 接收机灵敏度 图3 _ 4 n 个二端口网络级联 接收机灵敏度是接收机系统的一个关键技术指标。灵敏度定义为：当接收机 输出端为解调提供了充分的信噪比s n 时，接收机可检测到的最低可用信号功率。 灵敏度是指仪器检测出微弱信号的能力，是用来衡量接收机对给定电平信号 的检测能力的，它取决于仪器内部的噪声电平，后者取决于中频滤波器的带宽， 一般信号电平应比平均噪声电平高3 d b 左右，这一信号被认为是最小可检测信号 电平。 设信号源的内阻为r 。= 7 5 q ，则所需的最小信号电势为： e = 4 4 r , s , ( 3 1 2 ) 由上式可知，为了提高接收机的灵敏度( 即降低s 的值) ，有两条途径：一是 尽量降低接收机的噪声系数；二是降低接收机前端设备的温度。 一个噪声系数为n f 的系统中，系统要引入噪声，基底噪声需加上n f ( d b ) ， 在中频带宽( 即分辨率带宽) 为b w ( h z ) 的前提下，接收机的灵敏度为： s = - 1 7 4 d b m + 1 0 1 9 b w + n f 十3 ( 3 - 1 3 ) 由上式可知，灵敏度是随着噪声系数的减小或中频带宽的减小而改善的，在 电子科技大学硕士学位论文 接收机最小中频带宽确定的情况下，只能降低接收机的噪声系数，才能提高灵敏 度。 3 3 3 接收机的非线性 接收机的线性度是描述接收机失真的技术指标，我们最希望看到的是输出随 着输入以增益为倍数线性变化。理想的无损耗线性网络的输出响应与输入激励信 号之间是线性关系，但在实际中是并不存在的，有损耗就会产生热噪声，导致网 络在小信号输入时的非线性失真。在有源网络中，由于晶体管或f e t 等非线性器 件的存在，它们本身在大信号时如增益压缩、谐波失真及非线性杂散响应等特性， 会导致网络的非线性失真。而系统中所有的混频器、放大器等一般都工作在其线 性区域。 l d b 压缩点 随着输入信号的增大，电路的非线性特性是不容忽视的，此时，电路的增益 也跟随着开始发生变化，l d b 压缩点就是用来表征系统的非线性失真程度。l d b 压缩点的定义：由于器件饱和的影响，因输入电平过高而引起的系统增益下降l d b 的点，用异。表示。从图3 5 中可以看出，实际输出响应与它线性响应的延长线在 输出功率差l d b 时的输入功率点为l d b 压缩点，它主要由接收机前端的放大器或 混频器决定。 输入1d b 压缩点 图3 5l d b 压缩点 通常为了避免非线性失真带来的不期望的频率成分，所显示的最大输入电平 ( 参考电平) 必须在l d b 压缩点之下。 三阶互调阻断点 三阶互调功率达到和基波功率相等的点定义为三阶互调阻断点，又称为三阶 1 6 第三章标量网络分析仪的接收机总体设计方案和指标分析 互调阻断点或三阶截点或三阶交点，其值越高，就越不容易受带内大信号引起的 虚假响应的影响。 通常互调失真功率随输入功率的三次方而变化，即输入功率每增加l d b ，互 调失真功率就要增加3 d b ，随输入3 ：1 的速度上升，如图3 - 6 所示，而正常产生 的输出是按1 ：l 的速度上升的，两条曲线的交叉点就称为三阶互调阻断点，通常 用皿( d b m ) 表示。系统三阶互调阻断点不能直接测量，但可以根据下式计算得 到： 皿= 1 2 ( 足) + 最 ( 3 - 1 4 ) 式中，皿为三阶互调阻断点，单位d b mr 为基波分量对三阶互调量的相 对抑制度，单位d b ；兄为在测量r 时的等幅双音信号功率，单位d b m 。 输出 输入三阶截止点 图3 - 6 三阶互调截断点 由图可知，该点对应的输入功率称为输入三阶截点，所对应的输出功率称为 输出三阶截点。 三阶互调失真并不只局限于接收机的射频前端设计，同样适用于接收机的中 频设计。当两个强干扰信号的频率间隔小于第一级中频带宽时，互调失真就可能 在中频级产生。三阶互调阻断点越高，杂散响应对系统的影响就越小。为了提高肥 通常选用l d b 压缩点高的放大器和双平衡混频器，但是l d b 压缩点高的放大器通 常有高的噪声系数和功耗，大信号的双平衡混频器需要更大的本振信号来驱动， 使得本振泄露信号增加，在设计中要综合考虑这些因素，以达到接收机性能的最 优化。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 3 3 4 无杂散动态范围 无杂散动态范围是指当两个等功率信号输入时，没有超过噪声基底3 d b 的虚 假信号的范围。接收机的动态范围是指可用的输入信号范围，许多标准已经被用 于定义这个可用范围的上限和下限。一个经常用来确定动态范围下限的标准被称 为最小可检测信号( m d s ) ，被定义为在一个给定的中频( ) 带宽内，大于等 效噪声功率3 d b 的信号。