（通信与信息系统专业论文）gsmr频段接收机前端设计与仿真.pdf

中文摘要 中文摘要1 摘要：g s m - r 通信系统是专为铁路应用而开发的数字无线通信系统，它与g s m 通信 系统的区别只在于小区频率组的分配和重叠的不同，因此由g s m 网络产生的同频 和邻频干扰一直阻碍着g s m - r 的发展。作为一个专用网络，g s m - r 通信系统需要良 好的信号接收，一个优秀的信号接收系统对g s m - r 通信和网络建设相当重要。 本文在分析研究接收机性能指标和结构的基础上，结合前人研究成果及g s m - r 接收机性能和结构特点，对适合g s m - r 信号接收的超外差二次变频接收前端方案 进行了设计改进和仿真。本方案将接收到的射频信号分别在射频、一级中频、二 级中频进行处理，能较好地实现增益分配，提高接收信号质量。本方案中，天线 将感应到的电磁波转换为微弱的电信号后，通过带通滤波器送入到低噪声放大器 进行两级放大，然后将放大信号依次送入两级混频器进行下变频。一级变频得到 一个较高的中频，便于镜频信号抑制和信道选择；二次变频得到一个较低的中频 输出，便于后续模块处理。论文对接收机前端主要模块进行了仿真设计，在分析 和研究低噪声放大器、混频器、自动增益控制器、滤波器原理的基础上，针对这 些模块的预设指标，确定了各模块所采用的分立模块和电路形式，通过模块化设 计实现了模块与系统的统一。 本文详细分析了低噪声放大器的噪声性能、仿真模型引入方法、输入阻抗匹配 和噪声性能优化间的折中设计等过程。同时，根据不同的电路布局方式，本文在 仿真建模中引入了实际p c b 参数，详细讨论了射频电路不同布线方式对前端性能 的影响，并根据影响进行了电路优化。本文提出的匹配网络设计方法能较好地解 决低噪声放大器设计中噪声系数和增益问不能同时达到最佳的矛盾。 结合实际模块电路所用器件的参数，本文还采用相应的射频仿真平台实现了对 整个接收机射频前端链路的仿真，并根据预设指标对接收链路性能进行了预测以 及对前端设计结果进行了定性分析。接收链路仿真结果表明，本文所设计的接收 机前端总体性能达到了预期目标。 关键词：g s m - r ；射频前端；低噪声放大器；滤波器；混频器。 分类号：t n 8 5 1 本论文得到国家8 6 3 高技术研究发展计划项目“感知无线通信系统基于统计参量的电磁 兼容技术研究”( 编号：2 0 0 7 a a 0 1 2 2 7 7 ) 资助，在此表示感谢。 a bs t r a c t a b s t r a c t ：g s m rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e df o rt h ea p p l i c a t i o no ft h e r a i l w a yd i 百t a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ng s m & g s m - r s y s t e m sl i e so n l yi nt h ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o na n do v e r l a p p i n g g s m - rs y s t e ma d o p t s t h es a m ef r e q u e n c ya st h eg s mn e t w o r k ，f r o mw h i c ht h es a m ef r e q u e n c ya n da d j a c e n t c h a n n e li n t e r f e r e n c eh a m p e rt h ed e v e l o p m e n to fg s m - rs e r i o u s l y a sap r i v a t e n e t w o r k , g s m - rs y s t e mn e e d sw e l ls i g n a l - r e c e i v i n g ，s oag o o ds i g n a lr e c e i v e rp l a y sa l l i m p o r t a n tp a r ti ng s m rc o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r kc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo f p r e v i o u sr e s e a r c h e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fg s m r r e c e i v e rp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r e ，i nt h i sp a p e ras u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e rf r o n t - e n d w i t hd o u b l e - c o n v e r s i o ns o l u t i o ni sp u tf o r w a r da n ds i m u l a t e d i nt h i ss o l u t i o n , t h e s i g n a l sw i l lb ep r o c e s s e da tr f , 1 砒i f & 2 n di f , a n dt h r o u g ht h i sp r o c e s s i o n ，a ne x c e l l e n t g a i nd i s t r i b u t i o nc a nb ea c h i e v e d ，q u a l i t yo fs i g n a lr e c e p t i o nc a nb ei m p r o v e da sw e l l i nt h i sp r o c e s s i o n ，t h ea n t e n n at r a n s f e rt h ew e a ke l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l si n t oe l e c t r i c s i g n a l s ，a f t e rp a s s i n gt h eb a n d - p a s sf i l t e r , t h es i g n a l se n t e rt w ol o w n o i s ea m p l i f i e r st o b ea m p l i f i e d , a n dl a t e rt h ee n l a r g e ds i g n a l sw i l lb es e n tt ot h et w om i x e r sf o rd o w n c o n v e r s i o n t h ep r i m a r ym i x e rw i t har e l a t i v e l y h i g l a i fc a l l s u p p r e s s t h e e n a n t i o m o r p h i s mf r e q u e n c ys i g n a l s a n dm a k ec h a n n e ls e l e c t i o ne a s i l y ,a n d d o u b l e - c o n v e r s i o n 、析n lal o w e ri fo u t p u tf a c i l i t a t e st h ef o l l o w - u pd i s p o s a l i nt h ep a p e r a l lt h ek e ym o d u l e so ft h ef r o n t - e n da r es i m u l a t e d t h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c h i n go n t h el o w - n o i s ea m p l i f i e r s ，m i x e r sa n df i l t e r s ，c o m b i n i n gw i t ht h eb a s i so ft h ep r i n c i p l e ， e a c hm o d u l ec i r c u i to ft h ef r o n t e n do ft h er e c e i v e ri sd e t e r m i n e d t h r o u g ht h em o d u l a r d e s i g no ft h em o d u l e sa n ds y s t e m s ，r e u n i f i c a t i o ni sa c h i e v e d w h e nd e s i g n i n gt h el o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) ，ad e t a i l e da n a l y s i so ft h er f a m p l i f i e rn o i s ep e r f o r m a n c ea n dt h ei n t r o d u c t i o no fs i m u l a t i o nm o d e la r ed i s c u s s e d t h ec o m p r o m i s eb e t w e e nt h ei n p u ti m p e d a n c em a t c h i n ga n dn o i s ep e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o ni sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，b a s e do nd i f f e r e n tc i r c u i t l a y o u t ，t h ea c t u a lp c bp a r a m e t e r s i st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni n t h es i m u l a t i o n m o d e l i n g ，t or e s e a r c ht h ei m p a c to fd i f f e r e n tw a y so f w i r i n go nt h ef r o n t - e n dt a r g e t t h e d e s i g nm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sa l s oav e r yg o o ds o l u t i o nt ot h el o w - n o i s e a m p l i f i e rg a i na n dn o i s ef i g u r ec o n t r a d i c t i o n s w i t ht h ea c t u a lc k c m tp a r a m e t e r su s e db yt h ed e v i c e s ，t h ep a p e ra l s oa d o p t sa v 北京交通大学硕士学位论文 c o r r e s p o n d i n gr fs i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt h er e a l i z a t i o no ft h ee n t i r ef r o n t e n dr f l i n k ss i m u l a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h er e c e i v i n gl i n ki n d i c a t o r st op r e d i c tt h er e c e i v e rl i n k s p e r f o r m a n c ea n da n a l y z et h ed e s i g nr e s u l t so ff r o n t e n dq u a l i t a t i v e l y t h er e s u l t so ft h e r e c e i v e rl i n ks i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ef r o n t - e n do ft h er e c e i v e rd e s i g n e da c h i e v e dt h e e x p e c t e dg o a l sb yt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e k e y w o r d s - g s m - r ；r ff r o n t e n d ；l o w - n o i s ea m p l i f i e r s ；f i l t e r s ；m i x e r s c l a s s n o ：t n 8 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纸瑟 导师签名：刁艽笸 签字日期：知据年莎月，二日签字日期：沙叶子年6 月ft 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑、身 签字日期：7 户矿年月，日 致谢 本论文的工作是在我的导师周克生副教授的悉心指导下完成的，周老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。我的所有实验室科研工作 都是在周老师的指导下完成，是周老师带我走进了射频通信这个颇具挑战的科研 领域。同时，在学习上和生活上周老师也都给予了我很大的关心和帮助，在此向 周老师表示最衷心的谢意。 同时，实验室的闻应红老师，沙斐老师，王凤兰老师、王国栋老师，朱云老 师，崔勇老师、陈嵩博士、孟东林博士、安皓师兄对于我的科研工作和论文都提 出了许多的宝贵意见和建议，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李英杰、张小燕、陈听、宋阳、毛煜茹、潘 斯斯、单秦、任杰、荣慧芳等同学以及吴荻、唐伟、王冠等师弟师妹为实验室创 造了良好的学习气氛，对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达 我的感激之情。 另外也感谢我的爸爸、妈妈和弟弟，他们的理解和支持使我能够在学校专心 完成我的学业。 对参加论文评阅和答辩的老师同样致意诚挚的谢意! 引言 1 引言 1 1 研究背景 g s m - r 通信系统n 1 是专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，它基 于g s m 的基础设施及其提供的语音调度业务( a s c i ) ，在铁路沿线采用线状覆盖蜂 窝组网，为铁路提供功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址等铁路 上特有的调度业务，并以此作为信息化平台，使铁路部门用户可以在此信息平台 上开发各种铁路应用。g s m r 通信系统的上行频段是8 8 5 8 8 9 m h z ，下行频段是 9 3 0 9 3 4 m h z ，载波信道间隔为2 0 0 k h z ，其与g s m 通信系统的区别只是在小区频率 组的分配和重叠的不同n 1 。 作为一个专用网络，g s m - r 通信系统需要良好的信号接收。影响g s m r 的干扰源 分为系统内部干扰和系统外部干扰瞳1 ，其中系统内部干扰主要是频率规划和小区规 划不当造成的同频、邻频干扰或直放站对g s m - r 系统的干扰。而g s m - r 系统外部 干扰源主要为g s m 网络的干扰。由于历史的原因，我国g s m r 通信系统使用的频 率不是专用频率，而是与g s m 网络进行空间共用。g s m - r 铁路建设的实践证实，影 响g s m - r 通信的最主要干扰就是来自于和g s m - r 采用相同频率的g s m 网络，由此 而产生的同频和邻频干扰至今还阻碍着g s m - r 的发展嘲。因此，一种良好的能用于 信号接收和干扰排查的接收机在g s m - r 网络建设中就显得相当必要。 随着射频技术和微电子技术的发展，接收机设计越来越趋向于小型化和低功耗 方向发展。而处于天线和无线收发器后端之间的射频接收电路因为需要接收u v 级 的微弱信号并同时要面对强的通信干扰，在设计过程中，由于射频信号频率高， 电磁兼容各种参数影响明显，稍有设计不当甚至稍不合适的电路布局方式都会使 实际结果与设计产生较大的偏差，因此使得射频前端的设计成为接收机设计的一 大难点。 为此，结合射频仿真软件和射频电磁兼容分布参数理论，我们对能用于g s m r 信号接收和干扰排查的接收机进行了设计，本论文侧重于接收机射频接收前端部 分电路的仿真以及各种影响接收前端性能的因素探讨。 1 2 研究现状 随着无线通信系统所采用的频点越来越向频谱高端移动，频率的升高和设备小 北京交通大学硕士学位论文 型化的要求使得接收系统的射频部分研发难度大大增加，从而也使得更多的注意 力被放在了通信系统的射频部分。自1 9 9 8 年m s t e y a e r t 研制出第一片c m o s 单芯片 收发器，单芯片c m o s 实现的无线收发器就成为了学术界的研究热点，这包括g s m 、 b l u e t o o t h 、w l a n 等众多接收机前端。但由于集成电路技术瓶颈，在单片c m o s 上 仍不能实现高q 值的滤波器电路，以致对干扰信号的抑制存在明显的不足，使得分 立模块实现的无线接收机目前仍是市场主流。 目前广泛使用的接收机结构主要包括超外差接收机、零中频接收机、低中频接收 机、数字中频接收机等。超外差式接收机是目前大多数接收系统中最常用的接收 结构，它具有成熟的理论基础和实践背景，获得了非常广泛的应用。然而，该结 构需要使用高阶带通滤波器，用于抑制镜像信号，因此难以集成。零中频接收机 跳过了信号中频，直接把射频信号变到了基带，它不需要中频滤波器并可以用低 通滤波器代替高阶的带通滤波器来选择信号，因此可以易于集成，但缺点是端口 隔离较差，并容易产生直流寄生失调。低中频接收机结合了超外差接收机和零中 频接收机的部分优点，但缺点是镜像信号可能比有用信号高得多，因此它需要大 信号抑制和和双路信号匹配。由于以上接收机各自都存在优缺点，因此，将不同 的接收结构结合起来组成兼具有两者优点而避免各自缺点的接收结构也成为目前 的应用热点。 射频电路的设计技术一度专属于少数专家掌握的技术，由于射频电路的频率较 高，分布参数和辐射干扰影响较大，若设计不当，将导致整个电路特性出现不希 望的甚至难以捉摸的现象。许多从低频电路的观点看完全正确的电路，在实际射 频环境中会出现严重问题，或者根本无法正常工作；有时，由于电路布局与布线 的细微差异也将导致电路结果迥异。满足射频接收机的高增益、高带宽、高线性、 低功耗、低失真，阻抗匹配良好，在保证性能的前提下同时满足低成本、小型化、 模块化等，对射频电路的设计来说是十分困难和复杂的。 1 3 射频电路电磁兼容设计与困境 电磁兼容m 1 ( e 1 e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 是指设备或系统在所处的 电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的 能力，它包括e m i ( 电磁干扰) 及e m s ( 电磁抗扰度) 两部分。 电磁干扰e m i ( e l e c t r o m a g n e ti ci n t e r f e r e n c e ) 包含传导干扰和辐射干扰两种方 式：传导干扰是指通过导电介质把一个网络上的信号耦合到另一个电网络。辐射 干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个电网络。电磁干扰( e m i ) 的形成必 须具备三个条件畸3 ：( 1 ) 存在干扰源；( 2 ) 有相应的传输介质；( 3 ) 有敏感的接收 2 引言 设备。射频电路的电磁兼容设计是一个复杂而困难的过程。由于射频电路工作频 率高，分布参数和辐射干扰大，高频信号线、集成电路引脚、各类接插件等都可 能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其 他子系统的正常工作。集总参数元件在高频下性能也和低频完全不同，需要建立 元件高频模型才能做出正确的电路设计。若稍有设计不当，就会导致整个电路不 能正常工作。许多适用于低频电路设计观点看似正确的电路在实际射频环境中也 会出现严重的问题，甚至无法工作；有时，电路的布局与布线的细微差异会导致 电路测试的结果大相庭径。因此射频电路的设计非常复杂，通常需要丰富的设计 经验和细心的调试。 在设计射频印制板时，除了要考虑普通设计时的布局外，还要考虑电路中各部 分之间的相互干扰、如何减小电路本身的干扰以及电路本身的抗干扰能力。为了 保证设计出来的前端电磁兼容性，需要从消除电磁干扰的基本条件入手，只要去 除其中任意一点，电磁干扰就会被消除或减弱，但设计的过程难度较大。 1 4 论文的主要工作和难点 - 1 4 1 论文的主要工作 基于a d s 射频仿真平台，主要针对g s m - r 下行链路，设计接收链路模块结构 并合理分配系统指标，确定各单元模块所要达到的性能要求，并根据指标分 配采用行为模块对接收前端链路的各种特性及影响因素进行仿真分析。 选择合适芯片，设计符合设计要求的低噪声放大器( l n a ) 匹配和级联电路， 研究低噪声放大器( l n a ) 的匹配方式，同时，根据电磁兼容理论，结合仿真 研究寄生参数、高频耦合对前端l n a 的噪声系数、增益、线形度及稳定性等 方面影响。 选择合适混频单元模块，根据芯片特性，研究和设计两级混频器的外围匹配 电路，对混频器各种性能进行仿真。同时，根据自动增益控制理论，设计了 用于增加前端动态范围的自动增益控制电路。最后，设计了用于中频滤波的 滤波器电路，并对部分电路进行了实物制作。 1 4 2 技术难点 接收前端结构方案的设计、链路分析和指标合理分配。 前端各部分模块的选型及特定频率的匹配设计，分布参数影响分析。 3 北京交通大学硕士学位论文 低噪声放大器、混频器仿真模型的引入和建立，以及如何以最贴近实际的方式 进行仿真，最大程度低模拟实际电路环境。 1 5 论文安排 论文各章内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍本论文研究背景及论文安排。 第二章主要介绍了射频接收前端体系结构，包括射频接收前端主要指标，接收 前端结构和性能、优缺点比较。同时，在对接收结构分析比对的基础上，提出了 适合我们g s m _ r 信号接收和测试的接收前端框图并进行了模块原理分析，对前端整 体设计提出了性能要求。 第三章主要为接收机前端各模块的仿真设计，主要包括：低噪声放大器的模型 引入、噪声性能优化和阻抗匹配，根据电磁兼容分布参数理论对影响前端噪声性 能的寄生参数重点研究和仿真分析；混频器的研究，在比较各种常用的混频器的 基础上，选用适合本前端的混频电路，并结合芯片分别设计了两级混频器阻抗匹 配电路；中频增益控制电路的设计和用于二级中频滤波的低通滤波器设计仿真。 第四章是基于a d s 射频仿真平台的整个前端接收链路的仿真，重点研究了由第三 章中分立模块构成的接收前端所达到的整体性能指标，并与g s m - r 信号接收要求进 行对比。 本文最后是对整个论文的总结和对接下去工作的展望。 4 接收机前端结构指标与方案设计 2 接收机前端结构指标与方案设计 2 1 接收机射频前端简介 射频接收机的作用就是从传播信道内众多的电波中选出规定的频带，并放大到 调制解调器所要求的电平值后，再由调制解调器解调出基带信号。 接收机射频前端通常包括以下几个关键部分：低噪声放大器( l n a ) ，混频器 ( m i x e r ) ，振荡器( o s c i l l a t o r ) ，自动增益控制器( a g c ) 以及众多的滤波器。 作为接收通道的关键部分，射频前端的设计是射频电路设计中的主要难点之一。 根据g s m - r 信号特点，g s m r 接收信号的动态范围在1 0 2 d b m 1 5 d b m 之间， 参考灵敏度p i 为1 0 2 d b m 。为了保证信号的良好接收，要求接收前端具有以下性 质： 低噪声系数，以保证高的接收灵敏度； 高信道选择性，接收前端的动态范围尽可能要大； 高线性度，在信道滤波之前，降低带外高电平干扰信号在信道滤波器通带内产 生的互调产物。 射频前端是影响接收机动态性能的关键部件，整个接收机的灵敏度、动态范围、 稳定性等都与接收前端的性能有直接关系。 2 2 接收机前端的技术指标 2 2 1 灵敏度 灵敏度是指接收机能使原始的调制信号有一定程度的重现时，所需接收的最小 信号嘲。 灵敏度表征的是接收前端接收微弱信号的能力。当接收前端正常工作时，能从 天线上所感应到的最小信号称为接收前端的灵敏度。接收前端正常工作包含两个 方面：输出功率达到一定要求和输出信噪比达到一定要求。相应地，灵敏度也分两 种：当接收前端内部噪声不大时，接收前端输出额定功率即可正常工作，此时天线 上的最小信号称额定灵敏度或绝对灵敏度；在接收前端噪声很大时，输出信噪比 必须达到一定值，接收前端才能正常工作，此时天线上的灵敏度称为实际灵敏度 或相对灵敏度。接收灵敏度的计算公式如下： s=kxt0bxnfxd(2-1) 北京交通大学硕士学位论文 其中，k 为玻尔兹曼常数，t o 为室温，b 为等效噪声频带带宽( 工程上常常用 3 d b 带宽代替b ) ，d 为识别系数，是指基带所要求能识别的最小信噪比。 用d b 表示的系统灵敏度计算公式为： s = 一1 7 4 + n f + l o l g b w + s n + 1 0 l g d ( 2 2 ) 当d = i 时系统灵敏度计算式即为： s t a i n = 一17 4 + n f + lo l g b w + s n( 2 3 ) 这时s m i n 称为系统的临界灵敏度。s m i n 为系统灵敏度，单位d b m ，n f 为接收机 噪声系数，单位d b ；b 为检波前的中频带宽，单位h z ；s n r 为输出最小信噪比， 单位d b 。 2 2 2 选择性 选择性是衡量接收前端在调谐于所需电台信号时，且能排除所有非所需信号的 能力。接收前端需要把混有很多干扰的有用信号选择出来，这种削弱干扰、选择 有用信号的能力称为接收机的选择性。就一般的接收前端而言，选择性主要取决 于中频滤波器。 2 2 3 动态范围 动态范围定义了接收前端在检测噪声基值上的弱信号和处理无失真的最大信号 的能力，它通常可以分为线性动态范围和无杂散动态范围。 ( 1 ) 线性动态范围 线性动态范围的定义最为简单，即为最小可检测信号( 肋s ) 与接收前端输入压 缩点p l d b 之差： d r ( d b ) = p l d b 一肋s ， ( 2 - 4 ) 因此， d r ( d b ) = p l d b 一( 一1 7 4 d b m + n f + i o l g b ) ， ( 2 5 ) 接收前端b i d s 的定义为：在确定的接收前端噪声系数和中频带宽的前提下，比等 效噪声功率大3 d b 的功率( 或电平) 值。m d s 与接收前端的噪声系数和中频带宽有 直接关系。计算公式如下： p l = m d s = 一1 7 4 d b m + n f + l ol g b + 3 d b m = 一1 7 1 d b m + n f + l o l g b ( 2 - 6 ) 其中：p l = 动态范围下限，单位d b m ，即最小可检测信号( m d s ) ；n f 为噪声系 数，单位d b ；b 为中频带宽，单位h z 。 由于线性动态范围没有提供任何由接收前端产生的失真的信息，因而，在实际应 6 接收机前端结构指标与方案设计 用中它只用于比较不同系统的性能。 ( 2 ) 无杂散动态范围 无杂散动态范围又称为瞬态动态范围，是接收前端常用的技术参数，主要描述了 接收前端在存在大的干扰信号的情况下，对小的有用信号的处理能力。定义为： 在系统输入端外加等幅双音信号的情况下，接收前端输入信号从超过噪声门限3 d b 处到没有产生三阶互调杂散响应点处之间的功率动态范围。而接收前端的动态范 围是指接收前端能够检测到并解调的输入信号功率( 或电平) 的变化范围。有多 种不同的标准和方式来定义接收前端动态范围的上下限。通常用最小可检测信号 ( m d s ) 来定义接收前端动态范围的下限功率( 或电平) 。 无杂散动态范围上限的典型界定方法为：当接收前端输入端所加的等幅双音信号 在输出端产生的三阶互调量的功率等于最小可检测信号功率值时，输入端的等幅 双音信号的功率值就是无杂散动态范围的上限。 2 2 4 中频与镜频抑制 中频抑制是指对中频干扰和噪声的削弱和抑制。可以通过将混频器设计成双平衡 或环路，电路尽量对称，这样使中频干扰尽量和中频端口隔离，一般的混频器都 给出了r f 和i f 端口的隔离度，这个隔离度在一定程度上反映了接收前端的中频 抑制能力。此外，通过选择合适的频率的中频可以大幅度的提高中频抑制能力。 频率2 f l o - f r f 称为镜像频率，在本振功率较大的情况下，就必须考虑镜频对中频 的影响。抑制镜像干扰的有效方法为：提高选择性采用高中频使得镜频干扰尽量远 离有用信号，然后再采用二次变频方式来获得所规定的中频。 2 2 5 线性度 接收前端的噪声系数决定了接收前端的灵敏度，接收前端对大信号的处理能力由 电路的线性度决定。非线性问题主要表现为输出幅度饱和及谐波失真h 1 。输出幅度 饱和用i d b 压缩点来表示，它定义为使电路增益相对小信号增益降低i d b 时的输 入信号幅度，通常用相对于5 0 q 的功率值来表示。电路的i d b 压缩点限制了电路 所能处理的最大信号幅度。 射频系统中另一个更加重要的非线性指标是电路的输入( 输出) 三阶交调点 i i p 3 ( o i p 3 ) 。如图2 - 1 描述，天线端接收的不仅包括有用信号，还往往存在很强的 邻近信道干扰。如图中位于国l 和0 ) 2 的干扰信号经过非线性电路时，它们产生的 三阶分量将位于2 国l 一0 ) 2 和2 缈2 一国l ，如果三阶分量刚好落在所需信号信道 7 北京交通大学硕士学位论文 内，就会影响信号信噪比，因为滤波器通常不能抑制这种干扰。当输入干扰信号 幅度a 增加时，三阶交调量将以正比于彳3 增加，它们的延长线交点就称为输入或 输出三阶交调截止点，如图2 - 1 右边图所示。 如果已知电路的输入三阶交调截止点i i p 3 ，对于不同的输入干扰信号下( 双频) ， 输出三阶交调分量和一阶分量的差值为n 1 ： d pd b = 2 ( i i p 3d b m p i ndb)(2-7) 相当于在输入端引入的三阶干扰分量为： n i h l = p i nd b - d pd b = 3 p i nd b 2 i i p3dbm(2-8) 函】毋l 2 锄一伪 图2 - 1 三阶交调干扰与三阶交调截止点 f i g u r e2 - 1t o ii n t e r f e r e n c ea n dt o ip o i n t 实际信号一般都是具有一定带宽的调制信号，其中任意两点频率信号都会产 生三阶分量。因此由于三阶非线性将会使干扰信号频谱扩展，可能部分进入有用 信道中，如图2 - 1 所示。同样有用信号本身也会产生三阶分量形成干扰。如果已 知每级模块的电压增益和输入三阶交调截止点电压v i p 3 ，则级联系统的三阶交调 可用公式表示为： s n p , ( d b ) = p s i g ( d b 心+ 1 7 4 ( d b m ) - 1 0 1 0 9 ( b v o - n f ( 2 - 9 ) 其中1 7 4 d b m 为5 0 f l 阻抗在常温下的噪声频谱密度，式( 2 - 9 ) 中右边前三项表示 接收机前端结构指标与方案设计 灵敏度 热噪声( 2 0 0 k h z ) 热噪声( i h z ) 图2 2 噪声系数与灵敏度关系示意图 f i g u r e2 - 2r e l a t i o no f n o i s ef a c t o rw i t hs e n s i f i v i v 接收前端输入信噪比，所以式( 2 - 7 ) 和式( 2 8 ) 完全是等同的。图2 2 反映了接收 前端噪声系数和灵敏度的关系，对于g s m - r 通信系统，信道带宽是2 0 0 k h z ，输出 要求信噪比假如是1 0 d b ，如果要求接收前端的灵敏度为- 1 0 2 d b m ，那么接收电路的 噪声系数将不能超过9 d b ，否则信号将无法正常接收。由于任何的接收前端电路都 是几个电路模块的级联系统，所以就有各个模块噪声系数如何累加的问题。图2 3 为一个典型的级联系统示意图，r i n l 和r o u t l 为第1 级的输入输出阻抗，f 1 为第 l 级相对于r o u t l 的噪声系数，g n 为每一级的有效功率增益。 r i n lr o u t lr j n 2r o u t 2r i m 图2 3级联系统不意图。 f i g u r e2 - 3d i a g r a m o fc a s c a d es y s t e m 在上述条件下，级联系统的噪声系数可以表示为： e ：曩+ ( 最- i ) q + 幔一1 ) g g + ( 2 1 0 ) 增大前级电路的增益可以抑制后级电路的噪声贡献，如果已知每一级的功率增 益和噪声系数，就可以求得整个级联系统的噪声系数。应用式( 2 - 9 ) 在传统的分 立系统中比较合适，因为此时每个模块输入输出都匹配到特定阻抗( 一般为5 0 q ) 。 9 北京交通大学硕十学位论文 2 3 二次变频外差式接收前端简介 将二次变频接收前端与超外差接收自订端结合起来，就可以构成一个二次变频外 差式接收前端，它兼有这两种接收自仃端的优点。 图2 4 超外筹接收机前端 f i g u r e2 - 4f r o n t e n do fs u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r 图2 - 5 二次变频接收机前端 f i g u r e2 - 5f r o n t - e n do fd o u b l e - c o n v e r s i o nr e c e i v e r 超外差接收前端是无线接收机中最早被采用的，也是最为广泛的一种接收前端。 通常，它需要很多片外的声表面滤波器对干扰信号进行压制，其中在射频波段， 在低噪声放大器之前和之后都有声表面滤波器，在混频器之后也用声表面滤波器 来对镜像信号进行压制。该种接收前端在设计时要考虑的主要问题是在镜像抑制 与信道选择之间的折衷。由于在频域有用信号与镜像信号之间的间隔是2 f i f ，所以， 选择一个高i f 有利于抑制镜像信号降低对i f 滤波器的要求。但是邻近信道干扰信 号却保持较高能量，需使用高q 值的i f 滤波器。反之，若i f 频率较低，则邻近信道 接收机前端结构指标与方案设计 干扰信号能得到很好的抑制，但镜像干扰则较严重。因此i f 滤波器一般采用高q 值 的s a w 滤波器。 超外差接收前端的优点是它能很容易满足系统电气特性的要求，以及信道选择 性非常的高，缺点是需要用到很多外部的元器件，如声表面滤波器，因此导致系 统集成度低，系统的成本也较高。 二次变频接收前端删是由加州大学伯克利分校的研究者提出的一种很有创意的 结构，它利用两级混频将射频信号转换到基带信号。该结构将二次中频体系结构 和超外差体系结构结合起来，以优化功耗和性能，该结构使用固定的本振信号， 将所有信道下变频到中频，在中频完成信道选择，再继续处理。它与一般在射频 选择信道的接收前端相比，有以下的优点： 由于将所有的信道都下变频到中频，而不使用高阶的带通滤波器抑制镜像，因 此有较高的集成度； 由于第一级本振频率固定，可以使用低带宽的锁相环，以获得低相位噪声； 本振在接收信号带外，相位噪声对接收信号影响小； 由于信道的选择在中频完成，锁相环需要的分频比降低，因此锁相环中参考晶 振、相位检测器和分频电路对频率合成器的相位噪声影响减小，且较低的分频 比使锁相环输出的寄生分量减少。 二次变频接收前端通常不存在本振泄漏问题，但是由于第一次下变频前几乎没 有滤波，使得第二次下变频不得不使用大动态范围的信号。由于要在第二次下变 频时选择频段，增加了电路实现的难度。在中频和射频之间该体系结构也存在信 号串扰现象，因此需要使用低通滤波器进行信道选择。 2 4 接收机射频前端电磁干扰分析 电磁干扰的基本构成因素为干扰源，传播途径以及敏感设备，三者缺一不可。 本接收前端的电磁干扰设计，也主要基于对这三方面的考虑，即切断“路 和“场 的传输路径，消除干扰。切断干扰路径的基本方法有滤波、降低和消除公共电路 的阻抗、屏蔽、隔离等。 2 4 1 辐射和传导干扰 电磁干扰晦3 的干扰源能量必须通过一定传播途径才能传播至敏感设备，一般它包 括两种传播方式：电磁辐射和传导耦合。 若干扰源与敏感设备之间有直接的电路连接，电磁干扰是通过电路来传给敏感 l l 北京交通大学硕士学位论文 设备，这种方式就叫传导耦合。通常共电源阻抗干扰，共地阻抗干扰都属于传导 干扰方式。 如果干扰源与敏感设备之间没有直接的路连接，干扰源以电磁波的方式通过媒 质传递给敏感设备，则这种方式引起的干扰叫辐射耦合，它通常可以分为近场耦 合和远场辐射两种方式。 2 4 2 短线间耦合干扰 当传输线的长度满足，允时( 通常取，三l o 时) ，就可以认为在传输线上的电 压为常数，传输线可以当作集总参数模型来研究1 ，图2 - 6 为两传输线之间发生电 磁干扰示例：两传输线之间存在互耦电容c 1 2 ，使得1 # 传输线上的信号耦合到2 # 传输线上，从而形成干扰。 图2 - 6传输线电容耦合示意图 f i g u r e2 - 5c a p a c i t i v ec o u p l i n go ft r a n s m i s s i o nl i n e 2 # 传输线 m u 图2 7 传输线电容耦合等效电路图 f i g u r e2 - 7e q u i v a l e n tc i r c u i to fc a p a c i t i v ec o u p l i n go ft r a n s m i s s i o nl i n e 与干扰源相连的总负载阻抗： 1 2 接收机前端结构指标与方案设计 z 2 = 1 11 j o ) c 2 + 瓦+ 面 ( 2 - 1 1 ) 总负载阻抗上的电压为： y 2 = 粤( 2 - 1 2 ) 上+ z 2 j a g t l 2 因此，1 # 传输线在2 # 上产生的干扰电压值为： y 2 = 面再再j o 面) c u 五r 2 五5 r 2 i 面矿 ( 2 一1 3 ) 灭2 j + r 2 f + ，国( c 2 + c 1 2 ) r 2 皿2 ， 这样两短线之间通过电容耦合传递了电磁干扰。同理，两传输线之间若分布 电感值比较大，干扰信号也可以通过电感传递。 2 5g s m - r 接收机前端方案设计 2 5 1g s m - r 接收机前端结构设计 通过多次设计与修改，本前端设计采用了二次变频外差式接收结构，即超外 差二次变频接收前端，它可以将接收前端的增益分散在三个频段，降低了硬件实 现难度。同时由于在不同频率点分配增益，接收机稳定性较好，并且更多的优化 滤波可提高接收前端抗干扰能力。这种接收前端在第一次变频时将整个信号频段 搬移到一个较高的中频( 7 0 删z ) ，第二次变频输出是一个较低的中频，在固定的低 中频上设计滤波器比较容易实现，a d 转换也相对比较容易。信道选择在第一中频 通过带通滤波实现。 为抑制镜频信号，两次变频都使用了复混频( c o m p l e xm i x i n g ) 技术，这与低中 频接收前端的镜频抑制原理基本相同，也就是在混频过程中保留了信号的相位信 息，最终获得镜像干扰的同相和反相信号，相加后使之相互抵消，而有用信号则 相互增强。结构示意图如下： 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 8g s k l - r 接收机前端设计框图 f i g u r e2 - 8d i a g r a md e s i g no fr ff r o n t - e n do fg s m - rr e c e i v e r 2 5 2g s m - r 接收机前端原理分析 信号被天线接收后，进入带通滤波器b p f l ，b p f l 起到频带选择滤波器的作 用，我们采用滤波性能良好，q 值高的s a w - 9 3 0 表面声波滤波器，用于选出下行 9 3 0 9 3 4 m h z 频带，在信号通过滤波器后损耗约4 d b 。 信号经过前级选频滤波器后，进入第一级低噪声放大器l n a l 。l n a l 的作用是 对微弱的接收信号进行放大，以抵消后续电路的噪声对系统性能的影响。低噪声放 大器在设计时必须很好地设计匹配电路，即阻抗匹配与噪声匹配电路。由于二者 互相矛盾，不可同时满足，因此l n a 的匹配电路设计必须进行