（通信与信息系统专业论文）cdma终端射频接收前端的设计.pdf

摘要 摘要 无线移动通信技术目前是国内外研究的热点之一，其自身已经经历了第一代、 第二代的发展历程。更高一级的第三代移动通信( 3 g ) 也已经实现了商业运营。 c d m a 技术以其独特的优点在3 g 通信中被广泛运用，t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等是3 g 的主流标准。c d m a 移动蜂窝通信系统用于商业营运，为公众提供语音数据 通信的同时，也为基于c d m a 的定位终端、监控终端等提供了广阔的应用空间。c d m a 终端功能的实现离不开射频前端的良好接收，进而对c d m a 射频接收前端的设计实 现提出了更大的挑战。 在本文中，设计实现了一种双信道c d m a 终端的射频接收前端。此终端能够同 时接收某一用户终端与基站的通信信息，并进行相关数据处理，实现诸如定位等 功能。终端的模块化设计使射频前端与后端处理部分相对独立。因此，设计实现 的射频接收前端适应范围广，只要通过改变后端的数字处理方法就能够应用于不 同的功能，增加了系统的灵活性，扩大了c d m a 终端的应用范围。 通过对实物的调试和性能测试，本设计能够满足终端对射频前端的要求，并 已经投入试用。另外，详细分析了本振泄露引起的中频干扰，并在终端实物中进 行了测试验证，提出了有效的解决方法，其总结的规律对接收系统设计实现具有 重要的参考价值。 关键词：c d m a ，接收机，中频干扰，d d s + p l l a bs t r a c t t h er e s e a r c ho fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e c o m em o r e 1 m p o r t a n t a th o m ea n da b r o a d t h et e c h n o l o g yh a se x p e r i e n c e d f i r s ta n ds e c o n d g e n e r a t l o no 士d e v e l o p m e n t a n dn o wt h et h i r dg e n e r a t i o nh a sa l r e a d yb e e na p p l i e di n c o m m e r c i a lo p e r a t i o n s w i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e s ，t h et e c h n o l o g yo fc d m a i sw i d e l v u s e di n3 gs y s t e mw h o s et h r e em a i nk i n d so fs t a n d a r d sa r et d s c d m a ，w c d m a ， a n dc d m a 2 0 0 0 t h ec d m ac e l l u l a r s y s t e m sh a v ep r o v i d e dv o i c ea n d d a t a c o m m u n i c a t i o n sf o rt h ep u b l i ca sw e l la sab r o a ds p a c eo f a p p l i c a t i o nf o rt h et e n 】 1 i n a l s b a s e do nc d m a ，s u c ha sp o s i t i o n i n gt e r m i n a l sa n dm o n i t o r i n gt e r m i n a l s t oa c i l i e v e f u n c t i o n st h et e r m i n a lc a nn o td ow i t h o u ta g o o dr ff r o n t e n do fc d m ar e c e i v e r 、h i c h s u g g e s t sag r e a t e rc h a l l e n g e i nt h i sp a p e r , t h er ff r o n t - e n do fa d u a l c h a n n e lc d m at e r m i n a lw a s d e s i f m e da n d i m p l e m e n t e d t h et e r m i n a lc o u l dr e c e i v ei n f o r m a t i o nb o t hf r o mt h eu s e rt e n l l i n a la n d t h eb a s es t a t i o nt op o s i t i o no rm o n i t o rt h eu s e r t e r m i n a la f t e r p r o c e s s i n gm ei n f o 册a t i o n t h em o d u l a rd e s i g nm a d et h er ff r o n t e n db er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t 舶mo t h e r p a n s o ft h et e r m i n a l ，w h i c ht h u sm e taw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n ss i m p l yb yc h a n g i n gt h e a p p r o a c ho fp r o c e s s i n gd i g i t a ld a t ai ni t sb a s e b a n d w i t ht h ei n c r e a s e dn e x i b i l i t vm e a p p l i c a t i o ns c o p eo ft h ec d m at e r m i n a lh a db e e ne x p a n d e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er ff r o n t e n dh a dm e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e t e r m i n a l a n dt h et e r m i n a lh a da l r e a d yb e e no n t r i a l l a s t l y , i n t e l 1 研e n c e sc a u s e db vt h e l e a k a g ei nl ow e r ed e t a i l e da n a l y z e da n dt e s t e di nt h et e r m i n a l a n de f f e c t i v es 0 1 u t i o n s w e r ep r o p o s e d t h ec o n c l u d i n gl a w sm a y b r i n gg r e a tr e f e r e n c ev a l u e st ot h ed e s i 印o f t h er e c e i v e r k e y w o r d s ：c d m a ，r e c e i v e r , i fi n t e r f e r e n c e ，d d sp l u sp l l i i 图目录 图目录 图2 - 1 超外差接收机射频前端框图5 图2 - 2h a r t l e y 接收机框图。6 图2 - 3w e a v e r 接收机6 图2 _ 4 零中频方案原理图7 图2 - 5 数字中频接收机原理框图8 图2 - 6i d b 压缩点示意图9 图2 - 7 三阶截点示意图1 0 图2 _ 8 接收机链路( 三阶交调) l l 图2 - 9 阻塞动态范围和无杂散动态范围示意图1 1 图2 - 1 0 接收机链路( 噪声系数) 一j 1 2 图2 - 1 1 本振由整型锁相环实现的接收机前端1 3 图2 一1 2 中频干扰分布示意图1 5 图3 - i 终端功能框图1 8 图3 - 2 射频前端功能框图2 0 图3 - 3 系统设计方案框图2 l 图3 - 4s a w 8 5 5 8 2 1 频率响应曲线2 4 图3 - 5 反向信道原理框图2 5 图3 - 6 系统p c b 布局框图2 6 图3 - 7 射频板和中频板信号线连接示意图2 7 图3 - 8 腔体中p c b 板固定示意图2 7 图4 - 1 低噪声放大器内部功能框图2 9 图4 - 2 匹配网络示意图3 0 图4 - 3 稳定因子k 仿真原理图3 3 图4 - 4l n a i 稳定因子k 仿真结果3 3 图4 - 5l n a 0 稳定因子k 仿真结果：3 4 图4 _ 6 疋耐仿真原理图3 5 图4 - 7 只。，仿真结果图3 5 图4 - 8 最佳噪声输入匹配原理图3 6 图4 _ 9l n a l 输入端匹配3 7 图4 - 1 0 仿真电路原理图，3 8 图4 - 1 1 匹配仿真结果3 8 v 图目录 图4 - 1 2 低噪声放大器电路原理图3 9 图4 - 1 3 可变增益控制曲线一4 0 图4 - 1 4a d 8 3 6 8 外围电路原理图4 0 图4 - 1 5 低频干扰示意图4 1 图4 - 1 6a d 8 3 6 8 增益控制引脚版图4 l 图4 - 1 7 本振设计方案图4 2 图4 - 1 8 锁相环原理图4 3 图4 - 1 9d d s 原理图4 4 图4 - 2 0 终端控制线种类4 5 图4 - 2 1 单片机原理图4 6 图4 - 2 2 系统频率关系图4 7 图4 - 2 3l t l 7 6 3 一a d j 外围电路原理图5 0 图4 - 2 4 系统各个模块供电示意图5 1 图4 - 2 57 v 到5 v 电压变换原理图5 1 图4 2 6 电源模块原理图5 2 图5 1c d m a 终端实物正面图5 3 图5 - 2 中频干扰测试图5 5 图5 - 3 增益对干扰抑制度的影响5 6 图5 - 4 本振输出频谱5 7 图5 - 5 中频输出频谱5 7 图5 - 6 噪声系数测量示意图5 8 图5 7 噪声系数曲线5 8 v i 表目录 表目录 表3 - 1 系统指标要求1 9 表3 吃级联噪声系数计算：一二j 2 5 表4 1l n a i 的仿真s 参数3 4 表4 2 单片机控制线需求表4 6 表4 - 3 系统有源器件列表4 9 表5 - 1 本振参数配置5 4 表5 - 2 反向信道参数配置5 6 表5 3 噪声系数测试结果5 9 表5 - 4 射频前端性能参数一6 0 v i i 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盔重垂虽日期：洲睥乡月印 论文使用授权 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：垄! 蕴查函导师签名： 日期：2o i 。年f 月争日 第一章绪论 1 1c d m a 基础理论 第一章绪论弟一早殖了匕 在无线通信中，有多种多址方式如时分多址( t d m a ) ，频分多址( f d m a ) ，码 分多址( c d m a ) 等。从信息传递的复用方面，时分复用是指每路要传递的信号在 自己的时间间隙里传递，各个信号之间所占用的时间是相互独立的。这各个时间 间隙是由整个通信信道所需时间划分而得到的。这种方式的特点是各个信号时域 独立频域可以重叠。与之相对应的，频分复用则是对通信所占用信道的频域进行 划分，各个信号在各自的频率间隔内传输信息，特点是频域独立时域可以重叠。 再来说码分复用，这种方式集合了时分复用和频分复用的优势，使信息传递时能 够共享频域和时域。这种方式从很大程度上扩大了系统容量。因此码分多址蜂窝 移动系统以其系统容量大，抗干扰能力强等独特的优点被广泛采用。对于码分多址 的定义，它是指利用不同的编码序列来区分不同用户的信号的多址方式，在这种 情况下各个不同的用户可以用同一个载波频率，在频谱资源缺乏的今天大大提高 了频谱利用率。因此在同一频段或时段里，各个c o m a 信号的重叠使其看上去更像 是噪声干扰信号，从而被称为多址干扰。 多用户时的多址技术是通过扩频技术实现的。所谓的扩频，顾名思义是将要 发射的信号带宽扩大。对于具体的信号处理流程，将从发射机和接收机两个方面 进行说明。在发射机中，利用高速的大带宽伪随机码去调制要发射的信号，然后 再通过载波调制后进行发射；在接收机中，经过解调和解扩两个步骤来恢复原始 数据信息。解调是通过用与发射载波相干的载波实现的，解扩则要使用与扩频时 完全相同的伪随机码。为了保证各个用户之间的相对独立性，各个用户使用的地 址码序列是相互正交的。可以看出，对于接收的有用信号而言其它的用户信号相 当于干扰信号，因此要提高接收机性能必须保持干扰信号功率在定的水平，不 能太高。如果能在保证接收机可以检测的情况下尽量降低信号功率，就能扩大通 信系统的容量。 本文中，c d m a 终端工作在反向链路8 2 4 - 8 4 9 m h z 频段和前向链路8 6 9 - 8 9 4m h z 频段，从频段上划分属于c e l l a r 北美蜂窝频段。中国联通有限公司的c d m a 公共 蜂窝移动通信系统即是工作在这个频段。在每个频段内有七个中心频点，间隔为 1 电子科技大学硕士学位论文 1 2 3m h z 。反向频段内的七个频点分别为8 2 6 1 i m h z 、8 2 7 3 4 m h z 、8 2 8 5 7 m h z 、8 2 9 8 0 m h z 、8 3 1 0 3 m h z 、8 3 2 2 6 m h z 、8 3 3 4 9 m h z 。前向频段内的七个频点分别为8 7 1 i im h z 、 8 7 2 3 4 m h z 、8 7 3 5 7 m h z 、8 7 4 8 0 m h z 、8 7 6 0 3 m h z 、8 7 7 2 6 m h z 、8 7 8 4 9 m h z ；在c e l l a r 频段，每个频段宽度为2 5 m h z ，两个频段频率间隔为2 0 m h z ，可以看出两个频段内 的对应频点频率间隔为4 5 m h z ，即2 5 m h z 和2 0 m h z 之和。 1 一射频技术简述 近三十几年来，在信息领域无线移动通信是成长最迅速应用最普遍的分支之 一。用无线手机进行的日常交流通信，以及汽车中安装的全球定位系统大大改变 了人们生活方式，扩展了人们的视野和活动领域。另外，传统的以太网功能与现 代蜂窝无线通信的结合使人们手中的手机不再仅仅提供通话和短信息等服务，更 可以上传和下载人们所需要的多媒体信息。从有线局域网到无线局域网，从商品 的条码识别到射频标签识别等等都离不开射频通信技术的应用，它充斥了社会生 活的方方面面。从射频电子技术发展历程看，射频电子技术的诞生是在1 9 0 1 年。 其标志事件是英国国籍科学家马可尼进行了无线电信号穿越大西洋的成功实验。 这种以“以太”而不是昂贵的电线进行的信息传递在当时是十分先进创新的。之 后这种无线通信的方式得以继续发展。频谱资源的有限导致了自身的宝贵，提高 频谱资源利用率成为了人们的追求。 射频通信中，信息的传递离不开射频信号存在的电磁空间，即无线信道。在 频谱上，几十k h z 到几十g h z 的频率都能够进行射频电波传播。但是不同频段中 射频传播的方式和特性会有很大差别。要根据不同频段的特点进行合适的调试方 式，功率大小等选择。但不管怎样，无线信道都有一定的共性，那就是在无线信 道传输时射频电波信号功率等都会因较大的损耗( 如遇到障碍物引起的散射、反 射等) 而减小，从而在信息要达到的另一端接收机时功率就会很小。此外，无线 信道中还有很多的电磁干扰，如加性噪声，乘性噪声，以及别的频段上存在的射 频信号等等。所有这些电磁波都会对要接收的信号产生很大的干扰瞳1 。接收机需要 在如此多的干扰中分辨出所要接收的信号并进行正确提取、放大。这对接收机的 灵敏度动态范围等特性提出了很高的要求。而在移动无线通信中，接收机是移动 的，有的是便携式接收机，有的是车载式接收机。在接收机移动的过程中会发生 所接收电波的频谱色散，多普勒频移等。这又在无线信道接收机的基础上对接收 机性能的要求提出了更高的挑战。在这种恶劣的通信信道条件下，只有战胜信道 2 第一章绪论 通信的缺陷，提高无线移动通信的接收机性能，才能确保无线移动通信的通畅、 稳定和高速，从而满足人们日益增加的通信需求。 1 3 研究背景 无线移动通信的发展，从第一代的模拟通信，到第二代的数字通信经历了飞 跃的发展，为人们提供了更加有效的通信方式。现在中国已经开始第三代的移动 通信的方式，统称3 g 。现在3 g 的标准主要有三种，包括t d - s c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，以 及w c d m a 。其中，c d m a 2 0 0 0 技术是从之前第二代移动通信技术中的i s 9 5 标准系列 演变而来的，它有c d m a 2 0 0 0 1 x 和c d m a 2 0 0 0 3 x 之分。对于c d m a 2 0 0 0 i x 主要工作的 频段是4 5 0m t l z 或者8 0 0m h z 口1 。在我国主要的c d m a 基站主要工作在8 0 0m h z 频 段，其网络覆盖半径可达2 9 4i ( i i l ，面积可达2 7 1 2k m 2 。正是由于这种方式的较大 网络容量等优点，工作于8 0 0m h z 的c d m a 2 0 0 0 i x 网络在我国得到了大规模应用。 目前，以c d m a 蜂窝移动通信系统为基础平台的系统在监控方面已经得以应用。 其原理是以这个网络提供的数据服务为信息通道，实现监控信息的通信。在被监 控现场安装基于c d m a 的信息发射平台，通过现有c d m a 网络传输。在接收终端， 则通过i n t e r n e t 与移动公网的接口接收数据信息，从而实现对特定对象的监控功 能叫。 本文中设计的c d m a 接收终端则不依赖移动公网的数据服务和i n t e r n e t 网络， 能够同时接收c d m a 移动网络中前向链路和反向链路的数据信息。c d m a 公共移动网 络中的用户端如上网卡、手机等都是双工通信的：在前向链路中，用户端接收c d m a 基站发射的信息；反向链路中，用户端发射信息到基站。根据基站位置、发射功 率等因素，通过接收两个链路的通信信息能够对用户实现准确的定位等功能。要 实现这样的功能c d m a 终端应该包括射频接收前端和后端的基带处理。而射频前端 性能的好坏对c d m a 终端工作性能好坏影响很大。从空间方面，c d m a 终端是移动便 携式的，扩大了本终端应用的空间；从通信方式方面，本文的射频前端设计对基 于w c d m a ，t d s c d m a 网络的用户定位等终端设计也具有实际意义。本文详细阐述 了此终端射频前端的设计与实现。 1 4 本文内容安排 本文从实践应用的角度，设计并实现c d m a 接收机终端的射频前端。从接收机 3 电子科技大学硕士学位论文 基本结构和接收机性能分析理论出发，以达到终端的功能要求和指标要求为目的， 本文详细分析系统设计和各个模块电路设计，最后给出系统的实验测试图。 第一章对系统涉及到的基本概念c d m a 技术和射频技术，以及课题的研究背景 意义进行简单阐述。 第二章介绍目前常用的基本接收机结构，并对衡量接收机的主要性能，如灵 敏度，噪声系数等进行分析。 第三章首先介绍c d m a 终端的功能要求和指标要求，其次给出整体的系统设计 方案。 第四章对系统包含的几个模块( 信道模块，本振和控制模块，电源模块) ，从 芯片选择和电路设计两个方面详细介绍模块实现的功能原理。 第五章给出终端实物图以及射频前端相关测试的图像。 4 第二章接收机相关理论 第二章接收机相关理论 2 1 接收机系统结构 2 1 1 超外差式接收机 超外差接收机在通信系统中是最被普遍使用的种结构，它结构简单，性能 好，技术更加成熟。基于这种结构的很多集成芯片由于大规模的生产而价格低廉。 超外差结构的基本原理是将接收到的高频信号通过在一个或者几个混频器中进行 频率变换，从而得到频率更低的中频信号h 1 。具体来说，接收机基于对输入信号和 本振信号在非线性器件混频器中的外差处理得到中频频率。图2 - 1 是一次变频接 收机的射频前端结构图。当频率转换到更低的频率时，增益更容易实现，滤波器 等器件的性能更容易得到提高。 射频 图2 1 超外差接收机射频前端框图 图中的r fb p f 是预选择滤波器，在性能方面，预选择滤波器的带宽很宽，一 般会覆盖所要接收的有用信号的全部带宽，防止镜像或者其它的不需要的强干扰 阻塞接收机。镜像干扰的产生是由于超外差本身的结构。具体说来，在超外差接 收机中，与本振信号频率相隔i f 的两个信号都能产生相同的中频频率i f 。在这两 个信号中，不需要的信号称为镜像，而镜像所在的频率称为镜像频率。所需要的 信号和它的镜像频率相隔两倍的中频频率。在位置方面，它位于l n a 的前端后端 均可。主要从噪声系数和非线性干扰方面考虑。位于前端时可以有效降低非线性 干扰，位于后端时可以获得更低的噪声系数。 i fb p f 是信道选择滤波器。它一般是无源的，并且具有很高的选择性，位于 中频模块。由于信道滤波器的高选择性，在它之前能够设定充分的增益而不至于 使后面的放大器饱和，因此更有利于达到更高的接收机灵敏度。另外，信道滤波 5 电子科技大学硕士学位论文 器能够在不需要的强功率信号或者干扰被充分放大之前对它们进行有效抑制。 由于信道滤波器的这些特性，当获得同样的增益时，在中频部分实现所消耗 的功率比在射频部分实现要低得多，这一点在设计低功耗的便携产品时尤其重要。 因此，在超外差接收机中在中频增益方面的分配要比射频部分高的多。另外，在 超外差接收机中；常常需要固定中频频率以实现数值大且高稳定的增益。当接收 不同的射频频率时，能够通过程序控制射频频率综合器而改变本振频率，从而得 到固定的中频频率。 2 1 2 镜频抑制接收机 镜频抑制接收机是在超外差式接收机的基础上发展而来的，主要针对超外差 接收机中的镜频干扰进行改进，从电路结构的角度理论上彻底消除镜频干扰嵋1 。目 前，镜频抑制接收机主要发展了两种电路结构，分别是图2 - 2 的h a r t l e y 接收机 结构和图2 - 3 的w e a v e r 接收机结构，后者比前者结构复杂。 s i n t d f 射 射 c o s w l o t 图2 2h a r t l e y 接收机框图 c o s w i t 图2 3 号 第二章接收机相关理论 以上两种结构都是通过把输入信号分成两个支路再进行相关操作，理论上可 以防止镜像干扰的产生。但在实际电路中，两条支路存在的幅度相位失配问题、 同步问题以及精确9 0 度相移问题等使镜像干扰很难完全消除。 2 1 3 零中频接收机 把接收到的射频信号直接下变频到基带信号，不需要任何中间频率转换步骤 的接收机叫做零中频接收机，其原理如图2 - 4 。这种接收机有很多吸引人的优点。 从性能上，它消除了超外差结构中的镜像干扰问题。从硬件实现上，因为没有中 频，所以不需要昂贵的中频滤波器，降低了成本，减少了体积。此外，由于信道 选择滤波器可以通过模拟基带带宽可调的低通滤波器来实现，从而滤波器设计被 简化并增强了接收机应用的灵活性。 图2 - 4 零中频方案原理图 但这种结构在实际实现时也存在比如直流偏差，偶次失真，低频闪烁噪声， 直流抑制技术，l o 辐射和泄漏等技术难题。 2 1 4 数字中频接收机 与传统的处理基带信号的模拟方法不同，通过对中频信号的直接a d 变换而 进行数字信号处理的接收机叫做数字中频接收机，图2 - 5 是其结构原理框图。这 种接收机有其最大的优点，即大大地减少了工路和q 路的失配程度，提高了接收 机的系统性能阳1 。同时，由于进行基带信号的数字化处理，可以软件灵活地实现信 道功能，增强了系统硬件电路的多用性，缩短系统的开发周期。但是，这种方案， 特别是当中频频率很高时，就对a d 采样器提出了较高的要求。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 5 数字中频接收机原理框图 在本系统中，采用的是超外差式接收机，射频接收前端输出中频信号6 9 9 9 m f i z 后，直接进入后端基带部分的a d 采样器。 2 2 接收机主要性能分析 2 2 1 灵敏度分析 灵敏度是接收机能够达到规定的输出信噪比时，需要接收到的最微弱的信号 功率。在加性高斯白噪声信道中，接收机输入端的噪声为热噪声，能够从接收机 的噪声系数( n f ) 推导出接收机的灵敏度。噪声系数n f 是噪声因子f 的d b 表示。 射频前端的噪声因子定义为输入载噪比与输出载噪比的比值口1 ，如式( 2 1 ) 所示。 = 粉= 揣 ( 2 - ，) 式中，b 是信号功率，昂是在接收机带宽b w 内的热噪声功率。 = 砜b w( 2 2 ) 式中，k 是玻兹曼常数( k = - i 3 8 x 1 0 珈m 形s e c 。k ) ，瓦：2 9 0 。k b = 曰形( c 加口 假设达到一定误比特率所需要的最小的输出载噪比( c n ) 。为( c 加n i i n ， 兕i 。= l o l o g ( p s 。缸) = 一1 7 4 + 1 0 l o g ( b 形) + 仔么+ c 虬 式中，b w 的单位是h z ，n f r x 是接收机的总体噪声系数，且有 ( 2 3 ) 则： ( 2 4 ) 1 0 l o g ( k 瓦) = 一1 7 4 d b m h z ( 2 5 ) 朋名= 1 0 1 0 9 ( f v 。) d b( 2 - 6 ) c n r m i n = 1 0 l o g ( c 忉m i n( 2 7 ) 从公式( 2 - 4 ) 可以看出，常温下接收机的灵敏度与三方面有关嗍。一是接收机 8 第二章接收机相关理论 的信道带宽；二是接收机的噪声系数；三是系统要求的输出载噪比。这三个因素 任何一个增大，系统的灵敏度就相应降低。所以，要增加系统的灵敏度，可以减 小系统的噪声系数，减小接收机带宽或者降低输出载噪比值。 2 2 2 动态范围分析 接收机的动态范围描述的是当b e r 或者f e r 不超过一个特定的值时，接收机 天线端口输入射频信号的功率范围四1 。这个范围的低端依赖于接收机的灵敏度水 平，高端由所允许的最大输入功率决定，在这个范围之内误码率或者误帧率不超 过那个特定的值。接收机的灵敏度在前面已经讲过，接下来从衡量接收机线性的 两个参数出发，介绍接收机动态范围的两个定义。 衡量接收机线性的第一个指标是l d b 压缩点，如图2 - 6 所示。由于接收机的 非线性，当输入的信号功率到达一定值时，增益就会被压缩而减小。当比这个点 的线性增益减小l d b 时，其对应的输入功率称为输入l d b 压缩点，对应的输出功 率称为输出l d b 压缩点n 驯。 k l d b i n p u tp o w c g l ( d b m ) 图2 - 6l d b 压缩点示意图 第二个指标是三阶截点。一个非线性系统或器件的输入输出特性可以用公式 ( 2 8 ) 表示m 1 ： = + q 薯+ a 2 x i 2 + a 3 薯3 + = a k 薯( 2 8 ) k = o 其中，y o 是输出信号，薯是输入信号，a 。是k 阶非线性系数。 9 电子科技大学硕士学位论文 可以看出，非线性系统的输出中除了含有基带信号( a 1 玉) 还有很多其它不 需要的产物。在超外差接收机中，对系统最不利的是奇数阶产物( k 为奇数) ，其 中三阶交调产物的强度最大，影响最大。输入信号逐渐增大，当三阶交调产物的 功率等于基带功率时，曲线的交点称为三阶交点，此时的输入功率称为输入三阶 交调点( z i g ) ，其物理含义如图2 7 所示。 o u t p u tp o w e r ( d b m ) jl 三阶截点 o 玛 皿 i 叩u t i c 基带信号 (dbn 7 ? f 三阶产物 图2 7 三阶截点示意图 输入三阶交调点的计算公式是： 1 盟弓= 去( 3 最一i m d ，) ( d b ) ， 二 其中， 己是输入功率( 单位d b ) i m d ，是交调产物( 单位d b ) 系统的三阶交调点与系统各阶的增益和三阶交调点有关。 串联的接收机链路图。 1 0 ( 2 - 9 ) 图2 - 8 是1 1 个器件 第二章接收机相关理论 射 刍乞饧刍刍乞 岛 乞 图2 8 接收机链路( 三阶交调) 在图2 8 中，l t k ( 七= l ，2 ，3 ，n ) 为线性功率，单位m w ；瓢( 尼= 1 ，2 ，3 ，n ) 为线 性增益。则整个系统的三阶交调点为： k 醑1 = - 丁= 百歪忑1 = 赢m 矿 ( 2 - 1 0 ) 上+ 且+ 盟彬! ：筻” _ 7 疡3 1 3 ，2 3 3嘞3 。 接下来介绍两种定义接收机动态范围的方式n 射：阻塞动态范围( b d r ) ，无杂 散动态范围( s f d r ) 。这两种动态范围的低端都是基底噪声功率，不同的是阻塞动 态范围的高端是输入l d b 压缩点，而无杂散动态范围的高端是当三阶交调产物等 于基底噪声时对应的输入功率。图2 9 表示出了这两种动态范围的示意图。 图2 9 阻塞动态范围和无杂散动态范围示意图 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 噪声系数分析 对于一个系统而言，噪声系数是其本身固有的特性，与其它因素如通过它的 信号功率大小等无关。从信噪比方面讲，当信号通过一个系统时，这个系统的噪 声系数衡量了输出信号中增加噪声的多少，输出信噪比恶化的程度。噪声因子f 定义为输入信噪比与输出信噪比的比值m 1 ，如式( 2 - 1 1 ) 所示。这里的信噪比是指 信号功率与噪声功率的比值。 f = s n i p , = 旦盟l f 2 1 1 ) s n r o 眭s o o 、 对公式( 2 - 11 ) 取对数，得到噪声系数n f ， n f = 1 0 1 0 9 f( 2 - 1 2 ) 通常，一个系统是由多级双端口网络级联而成的。各级的噪声系数和增益两 个方面直接影响了系统总的增益和噪声系数。只是根据二端口网络所处位置及性 能的不同对系统总的性能影响程度不同。 射 e瓦 图2 - 1 0 矮收机链路( 噪声系数) 在图2 1 0 所示的接收机中，e ，g i 分别代表了第i 级的噪声因子和增益，系 统总的噪声因子由公式( 2 1 3 ) 求得n 铂： f ：互+ 盟+ 掣( z - 1 3 ) & 兀g l 同理，可以把匕式的噪声因子取对数，得出以d b 为单位的噪声系数： 1 2 第二章接收机相关理论 肌1 0 崦川o 1 嗄互笨， 碘融阜- 1 + 蠹) 仁1 4 n 1 0 百 其中，职、 q 单位为d b ， 啷= 1 0 l o g f i ( i = 1 ，2 ，川， g j = l o l o g g _ i ( i = 1 ，2 ，。，z ) 。 可以看出，在接收机中，越是前端的器件的噪声因子对整体的影响愈大；并 且前级的增益越大，后级噪声对整体的影响越小n 钉。所以，要想减小系统的噪声 系数，需要尽量提高射频部分，特别是低噪声放大器的增益，同时应选择噪声系 数小的低噪放。噪声系数的减小同时也会提高系统的灵敏度。 2 2 4 中频干扰问题分析 本节主要针对超外差结构的接收机进行中频干扰问题分析。并且本振的频率 合成是由整数型锁相环完成的。 图2 11 本振由整型锁相环实现的接收机前端 在图2 - 1 1 所示的接收机前端方案中，天线接收到的射频信号斥，经过预滤波 b p f l 和l n a 放大后进入混频器的输入端，与本振信号厅。在混频器中下变频后输出 固定的中频信号厶。本振结构采用d d s 驱动p l l 的形式，充分利用锁相环的窄带 滤波性能，提高对带外干扰的抑制度，降低干扰水平。d d s 的输出频率厂必可以通 过配置不同的控制字来实现。厂必作为p l l 的参考频率输入，经p l l 内部r 分频后 得到鉴相频率厶，再经n 倍频，输出频率厶。当采用低本振设计，在锁相环锁 定时满足公式n 引： 1 3 电子科技大学硕士学位论文 厶= n x ( 韵= 厶 f 匿= 旺一 ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 系统工作时，输出中频频率矗和功率均固定。当输入射频频率变化时，改变 本振的输出频率可以保证中频频率的固定不变；当输入射频功率变化时，系统可 以根据输入射频信号 ，功率的大小，由后端基带控制中频放大器i f a 增益大小， 使输出中频功率固定。这两步调节互相独立，能够保证固定的输出中频频率和功 率。基于这样的工作原理，要提高对中频干扰的抑制度，在系统设计时就要找出 可能的干扰来源并采取相应的抑制措施。 在本系统中，中频干扰来源有很多，如单音干扰，半中频干扰，双音干扰 等n 刀。在本结构中，射频信号 ，与本振信号以。在混频器中完成差频运算，从而 可以得到有用的中频信号厶。但是，由于混频器的非线性特性，射频厂盯、本振厶、 中频厶等信号还可能产生组合频率。如果这些频率的信号恰好与中频厶挨的很 近，分布在信道滤波器通带范围内或者受到很少的抑制，那么就会对中频形成组 合频率干扰。当然，也有相应的措施如电磁兼容设计，磊的改变等对这样的干扰 进行有效抑制。 中频干扰的另一可能来源是锁相环输出信号的空间泄露。锁相环输出并不是 理想的单一厶信号，还有很多鉴相谐波的输出。在整型锁相环中，鉴相谐波等厶彤 间隔分布，且均为厂的整数倍n 羽。当居大于厶时，在丘信号上或者左右会分 布有鉴相谐波。当干扰信号等于或者接近接收机的中频频率且前端电路的选择性 不够好，致使干扰信号达到混频器的输入端时，就会直接通过混频器，并不经过 变频。可以推断，如果锁相环输出的这些鉴相谐波不经过变频直接泄露到信道， 经过足够的中频放大，且中频滤波器b p f 2 对其抑制度较小，那么这些干扰将表现 为很强的中频干扰。 当所用锁相环是整型时，这类干扰的最基本特征是频率为锁相环鉴相频率的 整数倍n 训；且无论接收机的前端是否有接收厶，信号，这个干扰都是存在的，而且 功率不受影响。本文针对鉴相谐波泄露引起的中频干扰问题从各个方面研究。在 以下的探讨中，有几个前提条件。首先，图2 - 11 中所用锁相环是整型，允许的鉴 相频率最大值是厶一；其次，中频滤波器b p f 2 的中心频率为矗，带宽记为b 。 ( 1 ) 干扰分布与鉴相频率和中频频率的关系 鉴相谐波泄露成为中频干扰，则干扰频率与鉴相频率是整数倍关系；干扰频 率与中频频率的频差则决定了干扰相对有用信号的分布距离，进而会影响抑制度 的高低及中频带宽b 的选取啪1 。如果厶= m x 厶( m 为正整数) ，当与丘同频的 1 4 第二章接收机相关理论 谐波泄露到信道，经过足够的放大后，一定会通过中频滤波器b p f 2 与有用信号一 起输出。即使关闭射频瓜信号，也会有频率为矗的干扰输出。为了避免这一现象 的发生，对锁相环进行配置时，应满足不等式( 2 1 7 ) 砼。 矗m 厶 ( 2 一1 7 ) 如果( 2 1 7 ) 式成立，令p = l 厶厶i ( 取整) ，则p x 厶 厶 导，id r 除号，此时必须满足公式( 2 1 9 ) 。如果b 厶。， 则( 2 1 9 ) 式不成立，只有通过其他方法改善干扰抑制度。 譬厶厶一 b 厶厶。 ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 当b 。司调时，要使紧邻中频的干扰在b p f 2 通带以外，则必须满足 导- m i n id li ，d r 】，即b 2 xm i n d 。l ，以】。根据公式( 2 1 5 ) ，当n 取最小值 n o = l 右：i + 1 时，对应的鉴相频率厶。= 等。可以求出此时紧邻中频的谐波所在 的频率无。，厶。和各自到中频的差值d l 。，d 聃，并记蟊= m i n i 噍。i ，以。】。同理， 当i v , = 。+ 1 时，可得对应的鉴相频率厶，= 鲁和以。，厶。，d l 。，d r ，4 。依 次类推，使n 值逐渐增大，总可以找到某一鉴相频率厂一使 d m = m i n i 或。i ，】= m a x ( 喀) h 。”。此时可得本振输出无d 时，能够使紧邻中 频的谐波在b p f 2 通带范围外的最大允许带宽为巩。，。 = 2 x d m ( 2 - 2 0 ) 1 6 第二章接收机相关理论 当b 在这个范围内取值时，一定存在一种或几种配置使干扰分布在通带之外， 一大幅度抑制干扰。且b 越小，l d ，i ，d 。越大，对干扰的抑制度越大。此外，在一 个系统中，本振不止产生一个频点，这时就要估算出系统在各个频点下的 ；= 2 屯，并取这些。，中的最小值作为系统中频滤波器带宽b 的上限，即 b m x = m i n ( ，) ( i 为本振输出频点序数编号) 。如果系统所要接收的信号带宽固 定，选择的滤波器带宽固定为b ，且大于b 。，那么此时就要选择最大鉴相频率较 大的锁相环芯片才有可能把两个谐波都移出滤波器的通道，大幅度抑制可能产生 的中频干扰。 ( 4 ) 干扰抑制度与中频放大倍数的关系 当泄露的低频谐波分布在信道滤波器通带内时，它们与混频后的中频信号走 过了相同的中频放大路径，直到系统最后的中频输出。所以要增大系统中频信号 对干扰的抑制度，可以减小本振泄露到信道的干扰功率和减小中频增益，从而减 小泄露到信道谐波的放大倍数。所以在一个中频输出功率固定的系统设计中，在 兼顾噪声系数的前提下，可以选择放大倍数较大的l n a 。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章射频接收前端的系统设计 31c d m a 终端要求 31 1 功能要求 在本文中，设计的射频前端是整个c d m a 终端的一部分，因此本节将从整个终 端的系统结构框罔及实现的功能出发，说明射频前端在整个终端中所起的作用。 n mf = = 二 慧f 倒卜、，露臻， 警山i n 汁蝰剡 _ 自耐f 警“斗侣匹三蒌蠢 图3 1 终端功能框图 从图3 - 1n j 以看出，c d m a 终端主要包括两个大模块，一是射频前端部分二 是后端基带部分。这两个部分相对独立又相互联系。前端输出中频6 99 9 m i t z 到后 端进行基带处理，同时后端基带部分为前端提供控制线和7 v 的电源。控制线的具 体种类及数量在后面的42 节有详细介绍；7 v 的电源是在后端用电池提供的。 c d 姒终端工作于两个频段，前向接收频段为8 6 9 8 9 4 m h z ，反