（通信与信息系统专业论文）dmr数字端机射频模块实现方案研究.pdf

摘要 随着无线通信的发展，传统的模拟对讲机已经无法满足需求，对讲机数字化 成为一种必然的趋势。d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 是欧洲电信标准协会( e r s i ) 提出 的最新的全球性开放式数字无线电标准，相对于技术已经十分成熟的t e t r a 与 a p c 0 2 5 两大数字标准，d m r 通信协议开放程度更高，并且还处于不断的完善当 中。从而引起国内外集群通信设备商越来越多的重视，特别是在当今移动通信设 备数字化的趋势下，开发d m r 数字终端设备不仅具有重要的理论意义，而且还具 有非常广阔的市场前景。 本文基于d m r 协议标准，提出并改进设计了一种适用于d m r 数字集群通信 手持终端的射频模块。发射机采用锁相式频率合成器，基带信号完成两点注入式 锁相调频后，由功放电路放大以后通过天线发射出去；接收机采用超外差式两次 下变频最后鉴频出语音信号的方式。此外，本文还介绍了射频收发机的主要指标， 以及这些性能指标的测试方法和射频板的测试结果及分析。 关键词：d l d r 射频锁相环超外差 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a d i ot e l e c o m m u n i c a t i o n , t r a d i t i o n a la n a l o g w a l k i e - t a l k i ec a r ln ol o n g e rm e e tt h en e e d s ，a n dt h ew a l k i e - t a l k i ed i g i t i z a t i o na l r e a d y b e c o m e so n ei n e x o r a b l et e n d e n c y a st h el a t e s tg l o b a lo p e ns t a n d a r df o rd i g i t a lr a d i o w h i c ht h ee u r o p et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e ( e t s i ) i sd e v e l o p i n go n , c o m p a r e dw i t ht h et w od e v e l o p e dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ：t e t r aa n d a p c 0 2 5 d m rh a st h ea d v a n t a g e so fah i g h e rd e g r e eo fo p e n n e s s ，a n dw h i c hi si n c o n t i n u o u si m p r o v e m e n t n o wd m ri s e n g a g i n gm o r ea n dm o r ec o n c e n t r a t i o nf r o m c o m m u n i c a t i o no r g a n i z a t i o n sa n dd e v i c ep r o v i d e r s s od e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e r m i n a l e q u i p m e n to fd m r n o to n l yh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a s b r o a dm a r k e tp r o s p e c t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sar fm o d u l ew h i c hs p e c i a l i z e da p p l yt ot h ed m r d i g i t a l t e r m i n a l t h er fm o d u l ei n c l u d e st w op a r t s ：t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r t h et r a n s m i t t e ri s c o n s t i t u t e do fa t w o p o i n t - p l u s - p l lw h i c hi sm a d eo faf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , al fa n d av c o ，s i g n a la m p l i f i e db yp o w e ra m p l i f i e r , a n dt h e nt r a n s m i t t e db ya n t e n n a ；t h e r e c e i v e ri sas u p e r h e r o d y n e r e c e i v e r , w h i c hu s et h et w i c ed o w nc o n v e r s i o n s u p e r h e t e r o d y n ed e m o d u l a t i o n b e s i d e st h i s ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h em a i n i n d i c a t o r so ft h er fm o d u l e ，a n dt h et e s tr e s u l t sa n da n a l s i so ft h er fm o d u l e k e y w o r d ：d m r r fp l l s u p e r h e t e r o d y n e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：争堕日期型叫够 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 参妩 日期加一l 心 日期塑 第一章绪论 第一章绪论 1 1d m r 数字集群通信系统的概况与发展现状 移动通信系统按其使用性质可以分为公用移动通信系统和专用移动通信系 统，集群通信系统属于专用移动通信系统，它是一种专用高级指挥调度系统。 其特点是系统内所有可用信道可以由系统内的全体用户共享，具有自动选择 信道功能。它是一种共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、 高效能的无线调度通信系统。随着数字语音编码、数字调制技术、抗衰落技术 以及数字信令控制等技术的广泛应用， 系统。与传统的模拟集群通信系统相比， 技术优势1 】： 上世纪九十年代出现了数字集群通信 数字集群通信系统具有以下几个明显的 1 ) 频谱利用率高。模拟的集群通信系统可以实现频率复用，从而提高了系统 的容量，但是随着移动用户数量的急剧增长，模拟集群网所能提供的容量已不能 再满足用户需求，问题的关键是模拟集群通信系统频谱利用率低，模拟调频技术 很难进一步压缩己调信号频谱，从而就限制了频谱利用率的提高。与此相比，数 字集群通信系统可采用多种技术来提高频谱利用率，如利用低速语音编码技术， 这样在信道间隔不变的情况下就可增加话路，还可以采用高速数字调制解调技术， 压缩已调信号带宽，从而提高频谱利用率。 2 ) 信号抗信道衰落的能力提高。对于集群通信系统来说，信道衰落特性是影 响无线传输质量的主要原因，必须采用各种技术措施加以克服。在模拟集群通信 系统中主要的抗衰落技术是分集接收，而在数字集群通信系统中，无线传输的抗 衰落技术除采用分集接收外，还可采用扩频、跳频、交织编码及各种数字信号处 理技术。由此可见，数字集群通信系统的抗衰落特性要比模拟集群通信系统强很 多。 3 ) 保密性好。由于无线电传播是开放的，容易被窃听，因此保密性问题一直 是无线通信系统设计者重点关心的问题。在模拟集群通信系统中，采用倒频技术 实现保密，但是应用成本高、语音质量受影响，使得保密问题难以解决。对数字 集群通信系统来说，采用数字传输技术，极易实现保密。 4 ) 多种业务服务。数字集群通信系统可提供多种业务服务，也就是说除数字 语音信号外，还可以传输用户数字、图像信息等。由于网内传输的是统一的数字 信号，容易实现与综合业务数字网i s d n 的接口，这就极大的提高了数字集群网的 服务功能。 d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 数字集群通信系统是欧洲电信标准协会( e t s i ) d m r 数字端机射频模块实现方案研究 提出的最新专用数字通信标准。d m r 协议结构遵守普通的分层结构，采用双时隙 t d m a 接入方式，每个突发包括两个时隙，每个时隙3 0 毫秒，其中每个时隙都有 2 5 毫秒的保护时间。2 0 0 6 年9 月，e t s i 发布了d m r 的空中接口、语音技术、数 字业务及集群协议的相关协议e t s it s1 0 23 6 1 。新颁布的此项协议，在很多技术 细节上还需要完善，为了更好的推动d m r 的发展，2 0 0 9 年8 月1 2 日，以意大利 s e l e xc o m m u n i c a t i o n s 为首的几家世界领先数字无线设备商和网络供应商联合成 立了d m ra s s o c i a t i o n ，旨在将d m r 提升至新的水平，支持交互操作性和新产品 以及服务开发，将d m r 打造成为传统和集群数字无线电专业用户的首选标准。 目前国际上著名的数字集群通信标准，除了d m r 数字集群通信标准外，还有 欧洲数字集群标准t e t r a 系统和美国m o t o r o l a 公司开发的i d e n 系统。 t e t r a 标准是由e t s i 下属的r e s 0 6 分会负责制定，旨在满足集群用户在不 断发展环境中的多种需求。t e n 认是e t s i 标准化工作中的最新范例，于1 9 9 5 年 公布第一个核心标准，并于1 9 9 8 年开始接受商用系统订货，目前已先后制定了3 批1 0 0 多个相关标准。t e t r a 整套设计规范可提供话音、电路数据、短数据信息、 分组数据业务的直接模式通信，并支持多种附加业务，其中大部分是t e t r a 独有 的。t e t r a 系统是一种非常灵活的数字集群标准，它的主要优点是兼容性好、频 谱利用率高、保密性强，是目前国际上制定得最周密、参与生产厂商最多的数字 集群标准。 i d e n 是美国m o t o r o l a 公司提出的8 0 0 m h z 数字集群通信系统，最初的时 候简称m i r s ，在它的产品国际化后改称i d e n 。这个系统利用先进的m 1 6 q a m 、 t d m a 、v s e l p 及越区跟踪等技术，能在2 5 z 的信道内容纳6 个语音信道，在 现有的8 0 0 m h z 模拟集群信道上增容6 倍，再加之频率复用技术和蜂窝组网技术， 从而使得有限频点的集群通信网具有大容量、大覆盖区、高保密和高通话质量的 特点。而且，该系统具有蜂窝无线电话、调度通信、无线寻呼台及无线数据传输 功能。 与这些相对技术成熟的集群通信标准相比，d m r 产品成本低、技术先进、开 放程度更高，并且支持模拟到数字的过渡。因此，现在对d m r 集群通信标准进行 研究不仅具有巨大的研究开发价值，还具有广阔的市场前景。 。1 2 移动通信的射频设计 许多科学和技术对无线通信的发展作出了贡献，但是造就当今移动通信辉煌 局面的应首推射频( r a d i of r e q u e n c y ) 电子技术【2 】。从1 9 0 1 年马可尼成功地实现 无线电信号跨越大西洋开始，射频电子技术就在无线通信中起着越来越重要的作 用。要实现移动通信，必须采用无线传输；同时要实现有效的移动也必须要求设 第一章绪论 备体积小、重量轻、耗电省。无庸质疑，射频电子技术是当代移动通信的基础， 我们谈到移动通信技术就必须涉及射频电子技术，而谈到射频电子技术也必然落 实到移动通信。 在移动通信中，射频部分要处理的是宽动态范围的高频模拟信号。要实现有 效的无线传输，同时要实现移动终端设备体积小、重量轻的现代移动通信要求， 随着移动通信的飞速发展，现代移动通信对射频设计提出了以下几点要求： 1 ) 良好的选择性。因为移动通信使用开放的无线信道，移动接收机要从空间 无数的无线电波干扰信号中选出所需要的信号，必须要求接收机有良好的选择性。 2 ) 低噪声、高动态范围。由于移动设备接收到的信号电平具有很宽的变化范 围。当输入信号小时，主要考虑放大器的低噪声性能，当输入信号大时，则对放 大器的非线性有很高的要求。 3 )良好的杂散频率信号抑制能力。由于频率合成以及多次频率变换都会产生 各种可能的杂散频率信号，对有用信号形成干扰，为了保证通信质量，必须抑制 和滤除这些杂散分量。 4 ) 发射机必须严格限制带外辐射。 5 ) 发射机的功率放大器要求有高的功率增加效率( p o w e r a d d e de f f i c i e n c y ) 。 并且要求射频级必须低功耗，因为对于移动设备来说，射频部分往往是常开的， 不像基带可以处于休眠状态。 因此，射频设计要求设计师具有较宽的知识面。在现代通信中，射频技术既 是现在移动通信中的重点又是难点，对射频技术的研究有着非常广阔的前景和很 大的提高空间。 1 3 射频收发信机的发展趋势 由移动通信的发展史可以看出，移动通信的高速发展是建立在技术飞速发展 和市场需求不断扩大的基础上的。近年来，随着移动通信的不断发展壮大，射频 电子技术也迎来了一次又一次的飞跃，射频收发信机的发展呈现出了以下几个主 要趋势【2 】： 1 ) 更高频率和更大带宽。目前，单纯的语音通信和低速率的数据通信己远远 不能满足移动通信用户的需求，能享受实时的、交互式的和高品质的视频通信已 成为移动通信用户的新需求。消费类应用的一个趋势就是对更高数据速率的需求。 数据速率的提高需要通过使用更大的带宽来实现，而更大带宽只能在更高频率才 - l 伺o 2 ) 高集成和低成本。移动设备不仅需要腾出更多的内部空间，以便容纳拍照 和音频播放这样的新型多媒体功能，同时无线通信向着多频带、多模式的趋势发 4 d m r 数字端机射频模块实现方案研究 展，意味着无线设备将需要不止一个射频收发信机。因此，移动设备的射频收发 信机必须向着高集成度的方向发展。另外，高度集成的射频收发信机也为移动设 备的集成提供了便利。价格是消费类产品的最重要一个指标之一，左右着消费者 的选择，缩减成本也一直是设备制造者追求的目标。多年来高度集成就意味着低 成本，但具体到射频收发信机这个领域，这条规则不再是正确的。尤其是高质量 无源器件的集成，以及射频和数字功能在一块芯片上的结合都对成本有密切的影 响。 3 ) 数字化。射频收发信机第三个主要趋势就是数字化。在c m o s 技术稳定 发展的推动下，处理功耗就变得非常重要，复杂的模拟功能开始在数字领域完成。 过去几年里，接收机中的模数转换( a d c ) 己经慢慢往天线里转移，目前数字化中频 技术己相当成熟，并已商用。然而进一步向前发展并不容易，a d c 的功耗是一个 大问题。比如说，一个a d c 直接跟在一个9 0 0 m h zg s m 接收机天线后面，那么 为了获取1 0 0 d b 的动态范围，它将需要1 8 位采样精度和2 g h z 的采样率。以现在 的技术其功耗会比现有的a d 至少高1 0 0 0 倍。尽管有这些缺陷，a d c 还是在往前 发展。到现在几乎所有接收功能都或多或少数字化了。 1 4 项目来源和论文结构 本课题来源于西安电子科技大学信息科学研究所与国内某无线终端设备制造 商的合作项目，开发新一代d m r 数字集群终端。研发主要包括数字手持终端软件 和硬件的研究，软件部分包括通信协议、语音编码和操作系统的研究；硬件设计 包括了基带数字信号处理部分与射频收发射机的实现。 本入主要负责该项目射频模块的改进设计与实现，主要任务包括： 对上一版射频板存在的问题进行分析； 负责射频模块( 发射机接收机) 整体方案改进； 完成方案终稿并进行原理图的绘制，p c b 布局与制版工作； 进行各模块功能调试及性能改进工作； 完成公司射频板的测试，实现与基带板的联调； 本论文主要内容安排如下： 第二章主要介绍射频收发信机的主要性能指标，并根据这些指标总结了上一 版射频板存在的问题，就存在的问题进行原理性分析，并对需要改进的模块做了 详细的介绍。 第三章是射频收发信机的改进设计与实现。包括射频模块设计的主要原理， 详细介绍了发射机和接收机各功能模块的电路设计，芯片介绍和一部分电路的计 算机仿真。 第一章绪论 第四章介绍了改进后的射频模块的整体硬件电路设计与实际调试过程。 调试的结果做了简单的分析。 第五章给出了对合作方制作的射频板工作性能的测试方法和测试结果， 对测试结果做了相应的分析。 结束语，总结了整个射频系统中存在的问题和需要进一步改进的地方。 并对 并针 第二章射频模块技术指标及实现问题分析 7 第二章射频模块技术指标及实现问题分析 在进行本次射频板开发之前，西安电子科技大学信息科学研究所已经开发出 了第一版射频板，但是该射频板( 以下称原射频板) 效果不是很好，未能达到d m r 数字集群通信的标准，本章将根据射频收发信机的主要性能指标，对原射频板存 在的问题进行详细的分析，并给出了可能导致这些问题产生的原因。 2 1 射频收发信机主要性能指标 根据与合作方签订的协议以及文献【2 0 】 2 1 】中提出的对d m r 物理层射频收发信 机的要求，本节将对这些性能指标进行分另l j 说明与总结。 2 1 1 发射机的性能指标 频率误差：指未调制的载波频率与指配的频率之差。工程上一般用频率精 度表示，单位是p p m ，即载波频率与指配频率的之差与指配频率的比值。d m r 系 统要求射频频率精度必须小于2 p p m 。 输出载波功率：所谓输出载波功率，是指在未加调制的情况下，一个射频 周期内发射机从天线辐射出去的平均功率。根据国家对讲机规范，以及对射频功 耗的考虑，本射频板的输出功率为4 w ( 3 6 d b m ) 。 邻道功率：所谓邻道功率，是指在按信道划分的系统中工作的发射机，以 规定的调制条件下总输出功率落在任何一个相邻信道的规定带宽内的那一部分功 率。由于这一部分功率将对有用的射频信号产生邻道干扰，所以在设计时必须加 以抑制，d m r 集群通信标准要求射频发射机的邻道抑制必须大于6 0 d b 。 频率转换时间：由于d m r 集群通信系统采用t d 的方式实现多址接入， 每个突发包括收发两个时隙，在这两个时隙之间有2 5 m s 的保护时间，也就是说， 频率合成器必须在这2 5 m s 以内完成收发频率的转换。由于射频板的控制信号完全 来自于基带板，频率转换的时间还要包括基带控制字的写入时间，这就要求射频 的频率转换时间必须小于2 5 m s ，为了保证频率合成器能顺利的完成收发频率的转 换，射频部分的转换时间一般要求在l m s 左右。 频偏：频偏就是调频波频率摆动的幅度，一般说的是最大频偏，它影响调 频波的频谱带宽。但并不是说最大频偏越大，频谱带宽就一定越宽，还涉及到调 制指数的问题，所谓调制指数，可由式( 2 1 ) 说明： 调制指数m = 丽；淼 式( 2 - 1 ) d m r 数字端机射频模块实现方案研究 由式( 2 1 ) 可以看出，调制指数直接影响调频波频谱的带宽，一般说来，调 制越大，调频波的带宽越宽。而最大频偏是调制指数的一个决定因素，所以说最 大频偏影响调频波的频谱带宽。 在射频发射机中，主要的性能指标还包括发射频带，信道间隔等，由于这些 基本的概念相对来说比较简单，在此就不做详细的说明了。 2 1 2 接收机的性能指标 ( 一)系统增益 当说到增益时，一般是指转换增益。二端口网络的转换增益定义为送入负载 的功率与信号源输出的可用功率之比。计算级联增益时，应由前向后，只要将各 级的增益分贝数相加。即： g t o t = g l + g 2 + + g ( r i b ) 式( 2 - 2 ) 其中g 为第f 级的增益。关于系统增益，需要注意以下几点： 1 ) 在系统设计时，需要给系统留下足够的裕量。因为导波系统会存在一定的 损耗，集总参数元器件的q 值在射频和微波频段不高也会引起一定的损耗。 2 ) 在系统设计时，还需要考虑温度对增益的影响。当温度升高时，整个系统 的增益会下降；相反，当温度降低时，系统的级联增益会升高。 3 ) 在一个模块中，级联增益过高有可能会引起自激。消除自激的方法有很多 种，首先应该做好电源滤波；然后，做好器件之间的屏蔽，使电磁辐射降至最低。 4 1 增益的平坦度并不是取决于系统级联的最后一个器件，它与整个系统都有 关系。系统带宽越大，平坦度越低的系统越难以实现。 ( - - )接收灵敏度 接收灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。能够接收的信号越弱，则接收 机的灵敏度越高。影响接收灵敏度的主要因素是接收机的内部噪声和接收机等效 带宽噪声功率，以及终端解调所需的信噪比要求。平时我们讲“正常接收 是指 终端设备能正常工作所要求的信噪比。内部噪声越高，f 越大，输出信噪比越小， 接收灵敏度就越低。内部噪声越低，f 越小，输出信噪比越大，接收灵敏度就越 高。 接收灵敏度计算公式： 己。m i 。( d b m ) = 一1 7 4 ( d b m 月2 ) + n f ( d b ) + l o l o g b + ( s n r ) 。如( d 8 ) 式( 2 - 3 ) 式中( s n r ) 。曲( 船) 为系统要求能识别信号的最小信噪比。 ( 三)非线性失真 所有的电子电路其实都是呈非线性的，现代电路理论基础所提出的线性假设， 实际上仅仅是一种近似。对于些非线性程度比较弱的电路，可以把他们视为线 第二章射频模块技术指标及实现问题分祈 9 性的。这种近似带来了计算的方便，而且也能够满足实际设计的要求和各种指标， 但将这类电路应用于无线电波、微米波、毫米波通信系统时，其非线性将会影响 到系统性能。一个系统的非线性与每个器件的非线性有关，而每个器件的非线性 又取决于其内部的结构及生产工艺。通常来说，非线性会产生以下几种现象。 ( 1 ) 谐波 非线性系统的一个特征是它能产生一个激励频率和一些激励频率的谐波。通 常非线性系统的输出电压可以用输入电压的幂级数来表示，即： 石( f ) = + ，”( f ) 式( 2 4 ) 式中，f o ( t ) 为系统的输出信号；，( ，) 为系统的输入信号；为各项系数。 一般来说，一个非线性系统是指轻微偏离理想线性的系统。它们的输入、输 出特性的幕级数表示式只需要取前三项( 不包括直流项) 就可以保证足够的精度。 即： 无( f ) = 口1 ，( f ) + 口2 彳2 ( t ) + a 3 f 3 ( f ) 式( 2 5 ) 设输入激励为，( f ) = a c o s o 【) o t ，则输出为： 六( r ) = 鱼笋+ ( 口l + 昙口3 么2 ) 彳c 。s r + 三a ：a 2c o s 2 ，+ 三a 3 a 3 c o s 3 ，式( 2 6 ) 可以看出，输出的信号中除了角频率为的基波项，还包含了直流项及与基 波项角频率成整数倍的各谐波项。在多数微波、毫米波的接收系统中，谐波的产 生并不是很严重的问题，因为谐波远离信号频率，很容易被滤波器滤除。但在发 射系统中，输出的谐波可能会干扰别的通信系统，因此必须考虑其影响。 ( 2 ) 互相调制 由于系统的非线性，当两个以上频率的激励进入系统后会产生由这些频率所 组合而成的新的频率，这些频率称为互相调制( i n t e r m o d u l a t i o n ，简称i m ) 分量。 当它们对系统产生不良的作用时，称其为互调干扰。互调干扰分为发射机互调干 扰和接收机互调干扰。对于角频率分别为和的两个输入信号，其互调分量为 + r i m l m o ) 2 ，行、所为自然数。其中三阶互调分量2 q 一( - 0 2 和2 一劬对系统的影 响最大，因为它们是在奇阶分量中最强的而且其位置与产生它们的信号频率的位 置最接近( 在一个倍频程内) ，如图2 1 所示，无法用滤波器滤除。 d m r 数字端机射频模块实现方案研究 j iji jl jl 。 下下- l jlj q 吐2 q地 鸭一q 2 q 一吃地一qq + q 图2 1 三阶互调示意图 ( 3 ) 交叉调制 交叉调制( c m ) 是由非线性电路中一个信号到另一个信号的调制的转换产生 的。设激励为一个载波信号与一个幅度调制信号的合成： f ( t ) = a ( 1 + m c o s t o , t ) c o s q t + a c o s2 t 式( 2 7 ) 式中彳为载波振幅；m c o s 为调制信号。m i 将式( 2 6 ) 带入式( 2 5 ) 可得到交叉调制项为： 五m ( ，) = 彳( 口l + 巳彳2 + 3 a 3 a 2 m c o s c o , 。t ) c o s c 0 2 t 式( 2 - 8 ) t 可以看出，调制信号的载波角频率己变为弛，这表明干扰信号的幅度调制信 息转移到了有用信号的幅度上。这就是交叉调制，交叉的强弱与以和彳关系很大。 交叉调制失真是由非线性器件的三次方项产生的。 定量的描述一个信道或器件的非线性特性主要有以下几个指标： ( 1 ) l d b 压缩点( 弓裆) 由式( 2 - 6 ) 知基波增益为： 口t 爿+ 三口，彳3， =g二=2010g 2 0 l o g 2 0 l o g 一( 饵- i - 妄码么2 ) 式( 2 9 )= 二l = 二儡么。) 式( 2 9 ) 当系统为线性时，其增益可定义为： g o = 2 0 1 0 9 等= 2 0 1 0 9 q 式( 2 - 1 0 ) 以 对于多数实用器件a 3 0 ，因此输出基波分量的增益要比线性时输出增益要 小，这种现象称为增益压缩。当系统进入非线性区域时，其输出功率不再随着输 入功率进行线性增加。当增益比g n x l d b 时，称此点为l d b 压缩点，此时的输出功 率为1 d b 压缩点功率丑扭。l d b 压缩点功率在标称一个功率器件的线性输出功率性 能时，是个很重要的指标。 ( 2 ) 三阶互调系数( 三阶互调抑制比) 因为三阶互调分量对系统的影响比较大，所以通常只衡量三阶互调分量与基 波的幅度比，此比值称为三阶互调系数或三阶互调抑制比。对于式( 2 - 6 ) 的信号输 第二章射频模块技术指标及实现问题分析 懈= 亲笔= 羔 抛- ， 彳( q + 云口3 彳2 ) 1 “1 ) “3 以 ( 3 ) 三阶截止点( 圮) 三阶截止点蝎( m i r d - o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) 定义为三阶互调功率达到和基波功 率相等的点，此点所对应的输入功率称为皑，此点所对应的输出功率称为0 您( 一 般在放大器中用o i p 3 做参考，在混频器中常用避做参考) 。它也是一种对三阶互 调干扰的度量。三阶截止点示意图如图2 2 所示。 只 d 圮 ( 4 ) 交叉调制系数 式( 2 8 ) 可以改写为： i i p 3只 图2 2 三阶截止点示意图 厶( f ) = ( 1 + m c o s t o j ) c o s c 0 2 t 式( 2 - 1 2 ) 式甲， = q 彳+ 言口3 么3 m ：! 掣：坠 q + 三 交叉调制系数定义为m 与m 之比： c m ：丝：! 肇丝： 肌q + 云 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 4 ) 式( 2 1 5 ) 1 2 d m r 数字端机射频模块实现方案研究 ( 四)噪声系数 系统的噪声性能可用噪声系数的大小来衡量，噪声系数定义为输入信噪比与 输出信噪比的比值。可以看出，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。 噪声系数是定量描述一个元件或系统所产生噪声程度的指数，系统的噪声系 数受许多因素影响，如电路损耗、偏压、放大倍数等。二端口网络的噪声系数定 义为： f ：塑堕l式：y - - k ( 2 1 6 ) = ，it z l o ， ( s n r ) 。 典型的二端口网络如图2 3 所示： s f l g n ：= k t b n o 图2 3 具有增益g 和附加噪声功率n o 的二端口网络 对于如图2 3 所示的二端口网络，其增益为g ，附加噪声功率为 乞，有： s o = g s 式( 2 1 7 ) n o = g x f + 蜕 式( 2 1 8 ) 将式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 6 ) 得： s is l f ：牟：要：旦：i + 且 式( 2 1 9 ) 1 量盟叫g n i 一” n o n o 其中m 为网络产生的噪声功率。通常用分贝值来定义噪声系数即 n f = 1 0 l o g f ，从式( 2 1 9 ) 可以看出，噪声系数f 与输入信号无关，g n i 实际上 是指外部噪声通过一个理想回路在其输出端上量化的噪声功率。所谓“理想回路 是指该回路没有附加内部噪声，而只有增益的回路。 式( 2 1 9 ) 还可以变为： n = 删式(2-20)o n o ( 拈) = n f + g ( 扭) + m ( d b ) 式( 2 - 2 1 ) 式( 2 2 1 ) 表明，以分贝值计算，通过二端口网络后，输出噪声功率是输入噪声 功率加上噪声系数和增益。因为元件或系统的噪声系数胛与输入噪声无关，是其 本身固有的特性，故噪声系数n f 的定义是基于在室温下，带宽为b 的标准输入噪 第二章射频模块技术指标及实现问题分析 声源，而言的。，由式( 2 2 2 ) 给出： n = k t b 式( 2 2 2 ) 即带宽为b 的热噪声功率。则输出噪声功率为： 口= o g k t b = ( f i ) g k t b 式( 2 - 2 3 ) 由天线接收到的信号能量经过二端口网络，由输入端到输出端时被放大或衰 减，且输入信号伴随着噪声。通常一个系统包含着许多级联的二端口网络，由此 构成整个二端口网络将信号放大到足够的功率水平。图2 4 为两个二端口网络级联， 增益分别为g 1 和g 2 ，噪声系数分别为互和五，级联后的噪声系数与增益分别为互： 和g 1 ，由式( 2 2 0 ) 得： 0 = e 2g 1 2 k t b 式( 2 2 4 ) 其中g 1 ：= g l g 2 ，但是巧：e 互，同样根据式( 2 2 0 ) 可得： l = eg l 七船= mg 1 + 口l = g l 七乃+ 口1 式( 2 2 5 ) s i 石 1 互 g l g 2 n 。= k t b 口，口2 图2 4 两个网络级联噪声系数 第二级网络在输出端产生的噪声功率可由式( 2 2 3 ) 得： m 2 = ( 互一i ) g k t b 式( 2 - 2 6 ) 则输出总噪声功率为： d = m g 2 + 口2 = 互g 1 g 2 露四+ ( 五- 1 ) g 2 k t b 式( 2 2 7 ) 又因为口= e ：g 1 ：k t b ，则两级级联网络的噪声系数为： e 1 2 = 吣n 。历呻等 式( 2 - 2 8 ) 可以推广到如图2 5 所示的多级网络级联，总的噪声系数为： 哇却等+ 嚣+ + 画f 百- 1 式( 2 功) 厶 1 g lg 1 g 2 g l g 2 q 一， 一。 s i 耳 五 l qg 2 n i = k t b m ， n 0 2 c q n 。 图2 5 多级网络级联 式( 2 2 9 ) 是用来计算多级级联网络噪声系数的，从该公式可以看出，要使系统 1 4 d m r 数字端机射频模块实现方案研究 总的噪声系数降低，第一级的增益和噪声系数是至关重要的，若系统第一级具有 高的增益，上式可以验证系统总的噪声系数基本上等于第一级噪声系数。 ( 五) 动态范围 接收机( 特别是移动通信的接收机) 所接收的信号强弱是变化的，接收机的 有效性取决于它的动态范围。个通信接收机的信号处理能力主要是以接收灵敏 度作为其下限，以信号失真作为上限的方法来决定的。这个范围就是通常说的通 信接收机的动态范围。接收机的动态范围是衡量接收机线性度的一个指标，其定 义可以用式( 2 3 0 ) 表示： p 观= 罟 式( 2 3 0 ) ，m i n 式中，只曲表示接收灵敏度，只，。表示此信号在输出端引起的三阶互调失真 分量折合到输入端恰好等于系统的噪声。亦即： p c = 孚 式( 2 3 1 ) u 尸 式中， f = 一1 7 4 + 1 0 i o g 刀+ 1 0 l o g ， 式( 2 3 2 ) 当信道信号超过一定强度时，使接收机的放大器进入饱和区域，从而产生一 定强度的非线性产物，造成输出信号失真。当失真量达到一定程度时，接收机的 信噪比将会降低，降低了接收机性能。接收机的线性程度越好，其动态范围就越 大。最佳动态范围是指相对于噪声电平的输入信号电平和输出信号失真的最佳选 择。下面对只删。的计算公式进行简单推导。当输入功率为e 。时，产生的基波输 出功率如，三阶互调失真功率( 假设为双音互调失真) 为易。，则： p o ，l = ：g q e t o 笼， 式( 2 - 3 3 ) 3 = q 3 只。 。 根据三阶截止点的定义，当一= 鹚时，弓。= 弓，。此时可得到： g e 3 = l “g p f 式( 2 - 3 4 ) 代入式( 2 3 3 ) 可得： e 0 3 = q s 只，一32 荔奇只皿。3 式( 2 - 3 5 ) i ，：i 结合式( 2 3 1 ) 可得： p 。一= i ( 假) 2 c 式( 2 - 3 6 ) 以对数形式表示的动态范围为： 第二章射频模块技术指标及实现问题分析 码= 2 皿+ 州4 + 1 0 1 0 9 b + 1 0 l o g f 】 式( 2 3 7 ) 一 一1 7 4 + 1 0 1 0 9 b + 1 0 1 0 9 f + 溉纽】 2 2 原射频板存在的问题及分析 2 2 1 收发频率转换时间太长 由文献【2 0 】【2 1 】对d m r 集群通信系统时隙的描述可知，d m r 每个突发包含两个 时隙，每个时隙有2 5 m s 的保护时间。在规定的保护的时间内，需要完成收发的转 换，由于收发信机共用一个频率合成器，也就是说，在2 5 m s 的保护时间内，要完 成发射频率到接收频率( 或是接收频率到发射频率) 的转换。但是在原射频板的 测试中发现，频率合成器的频率锁定时间太长，平均锁定时间在3 m s 左右，这个 锁定时间已经超过了时隙保护时间，导致了不能实现双工通信。 频率合成器锁定时间太长，原因主要有以下两点： 1 ) 频率合成器( p l l ) 芯片性能太差。也就是说，p l l 芯片本身的性能不能 满足高速的锁定时间，不能在2 5 m s 内完成频率的锁定。 2 ) 环路滤波器的带宽太窄。在锁相式频率合成器中，环路滤波器的性能至关 重要，而环路滤波器的带宽是决定频率锁定时间的一个重要参数，环路带宽越宽， 则频率锁定时间越短；但必须满足一定的条件，因为环路带宽太宽会导致失锁。 在设计环路滤波器的时候，环路带宽的选择应遵循式( 2 3 8 ) 所示的原则： 彳o k c 式( 2 - 3 8 ) 其中，只是环路滤波器的带宽，兄。是频率合成器输入的参考频率。d m r 要 求的信道间隔是1 2 5 k i - i z ，如果采用整数频率合成器芯片，则要求只。必须等于 1 2 5 k h z ，按照式( 2 3 8 ) 的环路带宽选取原则，则只应该为2 5 k h z 左右。但是 如果采用分数频率合成器，则瓦。可以比1 2 5 k h z 大得多，这样环路带宽也可以 随之增大，缩短频率锁定时间。 在原来的射频板设计中，采用的是一款整数频率合成器，利用美国国家半导 体提供的e a s y p l l 软件对其进行频率锁定时间仿真，在环路带宽为2 5 k h z 的时 候，仿真得到的平均锁定时间为2 m s ，再加上控制字写入的时间，频率转换时间肯 定超过了系统的保护时间。而将带宽设为3 0 k h z 的时候，仿真得到的平均锁定时 间为6 0 0 u s ，可见环路带宽对频率锁定时间的影响。 2 2 2 功放电路不能正常工作 在射频发射机中，已调信号的功率是非常小的，大约在1 5 d b m 左右，要想将 1 6d m r 数字端机射频模块实现方案研究 已调信号通过天线辐射出去，必须由功率放大器将信号放大到规定的功率，才能 够满足无线通信的需要。但是在实际的电路设计中，功率放大器是射频电路设计 的一大难点，首先，要将信号放大的指定的功率，需要足够大的增益；其次，要 有良好的线性特性，否则，将会产生非线性失真；最后，还需要做到很好的匹配， 因为在射频发射机的功放电路中，很难用一级放大就将信号放大到指定的功率， 一般需要采用二级放大，甚至三级放大电路来放大信号，这样，级间匹配就显得 特别重要。 在原来的射频板功放电路中，已调信号的功率大约为1 5 d b m ，而在通过功放 驱动电路后，信号的功率能达到6 d b m 。但是在功率放大器芯片加电后，信号的功 率没有明显的放大，而功率放大器芯片温度却急剧升高，甚至能溶化电路板上的 焊锡。这说明功率放大器的匹配没有做好，导致信号的能量不能到达天线，完全 消耗在功放电路中，所以芯片温度才会急剧上升。 2 2 3 低噪声放大器参数达不到系统要求 低噪声放大器( l o w - n o i s ea m p l i f i e r ，简称l n a ) 是射频接收机前端的重要 部件。它的主要作用是对从天线接收回来的小信号进行放大，与一般的小信号放 大器不同的是，l n a 除了要对小信号进行放大，还需要对噪声进行抑制，以满足 后级下变频混频器输入的要求【2 】。 出于成本的考虑，在原来的射频接收机中，并没有使用集成的l n a 芯片，而 是使用了硅型双通道m o s 场效应管搭建了一个低噪放电路。但是该电路的性能并 不十分理想，首先是增益不够，由于采用了场效应管，而且外围电路的设计不是 很合理，导致放大倍数不够，而低噪放的增益又是接收机系统增益的重要组成部 分，这就直接导致了接收机的整体增益不够。而且采用场效应管搭建低噪放电路， 对噪声的抑制效果也不明显，对低噪放输出的信号进行频谱分析，用仪器测得输 出信号的信噪比偏低，噪声功率很大，所以才做语音实验的时候，语音传输效果 很差，噪声非常大。 第三章射频模块改进方案设计 第三章射频模块改进方案设计 3 1 整体结构设计 本项目是基于d m r 集群通信标准，设计民用对讲机频段的射频模块。在射频 模块的发射端，要求将从基带板传输过来的四电平映射信号完成调频，功率放大， 并通过天线发射出去。在接收端，低噪放将天线接收到的小信号进行放大，射频 信号经过下变频，频率变为适合鉴频器鉴频的中频信号，并由鉴频器鉴频出基带 信号，传送到基带板。 经过对比和理论分析，本射频模块发射机最终采用两点注入式锁相环调频方 案，而接收机则采用超外差两次下变频的方式来实现。整体原理图如图3 1 所示。 图3 1 发射机整体设计框图 从图3 1 可以看到，发射机主要由频率合成器、环路滤波器( l f ) 、压控振荡 器( v c o ) 、一级功率放大器、二级功率放大器、电子开关和天线等几个功能模块 组成。频率合成器、l f 和v c o 三部分组成一个锁相环调频器，基带信号m o d 通 过两点注入式网络分别加到频率合器的参考晶振和v c o 的变容二极管上，完成两 点注入式调频，v c o 产生的调频r f 信号经过p a 驱动放大，再由两级功率放大器 放大到4 w ，最后由天线发射出去。 “超外差”是指将射频输入信号与本地振荡器产生地信号相乘或差拍，即由 混频器后的中频滤波器选出射频信号与本振信号频率两者的和频或差频。“超外 差 接收机的主要优点是低中频上容易实现相对带宽较窄，矩形系数较高的中频 滤波器，以提高接收机的选择性，而且增益可以从中频级获得，降低了射频级实 18 d m r 数字端机射频模块实现方案研究 现高增益的难度。当射频信号频率上升到微波甚至毫米波时，可采用二次变频方 法，以降低滤波器实现的难度，保证接收机的选择性，既使在射频频率较低时， 也可以采用二次变