（通信与信息系统专业论文）24ghz收发系统射频前端研究及关键模块实现.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 无线通信的迅猛发展，使得频率资源同趋紧缺。射频前端在无线通信收发机 中的特殊作用，使它成为了国内外无线通信领域的研究重点和难点。本文根据项 目“多功能通用信号源”的无线q p s k 调制传输系统对射频前端的要求，探讨了 2 4 g h zi s m 频段收发机射频前端的设计方法。 由于射频部分要处理的是宽动态范围的高频模拟信号，如何实现高频时的匹 配和满足较大的动态范围是本课题的设计难点。通过总结国内外在射频前端方面 的先进设计经验，并根据实际系统性能和参数要求，实现了2 4 g h z 射频收发系统 前端关键模块的设计。论文的主要工作和创新之处在于： l 、首先分析了常用收发机的结构，给出了各种结构的优缺点及性能参数。根 据项目实际的设计需要，给出了2 4 g h z 无线通信系统所采用的收发机前端结构， 并结合信道模型，分析了所采用的收发机结构的性能参数。 2 、对收发机的各个关键模块分别作了深入的理论分析，给出了其性能参数及 其设计方法，并使用a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m2 0 0 5 工具软件对收发系统中的关键 模块进行了设计与仿真。这些关键模块主要包括中频滤波器、上变频混频器、本 振、射频滤波器、功率放大器、低噪声放大器和下变频混频器。根据系统设计要 求，对仿真电路和性能参数进行了反复优化，设计出满足项目需求的2 4 g h z 无线 通信系统的射频前端。根据仿真结果，制作了关键模块的硬件电路，进行了实际 电路的调试，对设计的各部分电路进行了性能测试和数据分析，满足项目需要， 验证了各个关键模块设计的方案的可行性。 3 、最后，针对各个模块的测试结果，对其中性能有些偏差的电路作了分析， 并提出了改进措施以及后续工作的展望。 关键词：2 4 g h z 射频收发系统，射频前端，射频滤波器，低噪声放大器，高频p c b 设计 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm a k e st h er e s o u r c eo f f r e q u e n c yi sb e c o m i n g s c a r c e rd a yb yd a y t h es p e c i a lf u n c t j o no fr ff r o n t e n di nt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s c e i v e rm a k e si t i sm ek e ya n dd i m c u l tr e s e a r c hi n d o m e s t i ca n df o r e i g nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd o m a i n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f w i r e l e s sq p s km o d u l a t i o nt r a n s “s s i o ns y s t e mo fm ep r o j e c t “m u l t i f u n c t i o n a la n d u n i v e r s a ls i g n a ls o u r c e s ”，t 1 1 i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s 噜n i n gm e t h o do fr ff 幻n t e n di n t h et r a n s c e i v e ra t2 4 g h zi s mb a n d s i n c et h a tt h er fm o d u l e sn e e dt od e a lw i mh i g hf 诧q u e n c ya 1 1 a l o gs i g n a l si na w i d ed y n a r n j cr a n g e ，h o wt or e a l i z ei m p e d a n c em a t c ha ts u c hah i g hf r e q u e n c yb a n d a n ds a t i s f yt h ew i d ed y n a m i cr a n g ea r et h ed i f ! f j c u l t i e s o ft h i s p a p e r t h r o u g h s u 舢【i l a l r i z i n gd o m e s t i ca i l df o r e i g nr f f r o n t - e n dd e s i g n i n ge x p e r i e n c e ，a n da c c o r d i n gt o t h er e q u i r e 】m e n t so fa c t u a js y s t e mp e r f 6 m a n c ea n dp a r 锄e t e r s ， t h i sp 印e rf i n a l l y r e a l i z e st h ed e s i g no fr ff 幻n t e n dk e ym o d u l e so f2 4 g h zt r a n s c e i v e r m a i nw o r k sa 1 1 d i n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri n c l u d e ： ( 1 ) f i r s t l y t h i sp a p e ra n a j y s e st h eu s u a ls t m c t u r e so ft h et r a n s c e i v e r a n dp r e s e n t s t h ea d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g ea n dp e r f o r m a n c ep a r 锄e t e r so fe a c hs 咖c t u r e a c c o r d i n g t oa c t u 2 l lr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t m sp a p e rp r e s e n t sm ea d o p t i v e s t m c t u r eo f 2 4 g h zw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n da n a l y s e st h ep e r f o n n a n c ep a u r 锄e t e r so t = t h j ss t r u c t u r eb a s e do nc h a j l n e lm o d e l ( 2 ) s e c o n d l y ，硪e ra n a l y z i n gt h em e o r yo fe a c hk e ym o d u l ei n t h et r a n s c e i v e r r e s p e c t i v e ly ，t l l i sp a r tp r e s e n t st h ep e r f b r m a n c ep a r 锄e t e r sa i l dd e s i g n i n gm e t h o do f e a c hm o d u l e t h e nt t l i sp a p e rd e s i g n sa i l ds i m u l a t e se a c hk e ym o d u l ei nt h et r a i l s c e i v e r b yu s i n ga d v a n c e dd e s i g ns y s t e m2 0 0 5 t h e s ek e ym o d u l e si n c l u d e 球f i l t e r ，u p n l i x e r l o c a lo s c i l l a t o f ，r ff i l t e r ，p o w e ra m p l i f i e r l o w n o i s e 锄p l i f i e r ，d o w n r n i x e r - a c c o r d i n g t os y s t e mr e q u i r e m e n t s ，m i sp a p e rm a l ，e st h eo p t i r n j z a t i o no ft h es i m u l a t e dc i r c u i t sa n d p e 廊珊a n c ep a r a m e t e r sa g a i n a n d a g a i n f i n a l l y w e d e s i g n e d a2 4 g h z c o m m u n i c a t i o ns v s t e mi 之ff r o n t e n dw h i c hc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ep r q e c t b a s e do nt h es i m u l a t i o ni e s u l t s ，t 1 1 i sp a p e rd e s i g n sp c b o ft h ek e ym o d u l e s ，d e b u g st h e c i r c u i t s ，m a k e sp e r f o n n a j l c et e s ta n dd a t aa u l a l y s i s ，w h i c hs a t i s f l e st h er e q u i r e m e n to f t h ep r o j e c ta i l dv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo f e a c hd e s i g n i n gs c h e m e ( 3 ) f i n a l ly a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t so fe a c hm o d u l e ，t h i sp a p e ra n a l y s e s t h e i l 重庆大学硕士学位论文英文摘要 e r r o ro ft h ec i r c u i t s ，a i l db r i n g sf 6 刑a r ds o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d sf o rt h ee 1 1 r o ra n d p o i n t so u tt h ef u t u r ew o r k s k e yw b i d s ：2 4 g h zr f1 r r a n s m i t t e r ，r ff t o n t e n d ，r ff i l t e r ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ，h i g h f r e q u e n c yp c bd e s i g n 1 i i 学位论文独创性声明 本人 声 明所呈 变的，趴 士 学位论 文 巡逸噬筮燃垫塑邀缝坚黪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的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己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：脯榻乐 新虢谲嗽亍 签字日期： 签字日期： 川厶f w f i 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 禚嚣淼越警嚣遗遨型湫舭下简称“章程”) ，愿意将本人的殛士学位论文沙咐j l f 撇、拯盟积萄嬲缪勺。 。一 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：缸搔垒 导师签名： 、 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年月日。 说明：本声明及授权书! 嗵装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕十学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近些年来，无线通信技术的飞速发展对人们的生活产生了重大的影响。尤其 是移动通信技术的发展，目前正步入可提供高速数据传输能提供语音、数据、视 频等多媒体业务的第三代移动通信( 3 g ) 时代。从2 0 0 1 年起，第三代( 3 g ) 移动通信 系统已经先后在同本和韩国投入商用。目前，全球已经在3 0 多个国家发放了约1 2 5 张3 g 牌照。我国有关第三代移动通信系统的研究始于1 9 9 7 年。2 0 0 9 年1 月7 日1 4 ：3 0 ，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3 张第三代 移动通信( 3 g ) 牌照，此举标志着我国j 下式进入3 g 时代。2 0 0 8 年4 月1 日中国 移动通信集团公司在北京、上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门和秦皇岛8 个城市，启动第三代移动通信( 3 g ) “中国标准”t d s c d m a 社会化业务测试和 试商用。目前，t d s c d m a 网络建设已在全国全面铺开，国内的部分城市正 在大量建设无线基站。可以想象，在未来的几年里，对第三代移动通信系统的 研究会越来越多，3 g 在中国也会逐渐地走向成熟。 数字通信技术的成熟对移动通信的发展做出了重大的贡献。d s p ，f p g a 等数 字技术已经给电路设计带来了革命性的变化，大量的数字芯片被应用于移动通信 电路的设计中，可以说，数字通信技术的发展对第三代移动通信( 3 g ) 甚至是下一代 移动通信( 4 g ) 的发展有着举足轻重的作用。但是，与数字通信技术相比，射频技术 对移动通信的发展有着更深层次的意义，射频技术是实现无线通信的基础。射频 技术已经在当今的各个领域得到广泛应用，如：p c s 电话、无线局域网( w l a n ) 、 高速语音、数据与图像传输、蜂窝移动通信、全球定位系统( g p s ) 、低轨道卫星移 动通信、无线接入系统、本地多点分布系统( l m d s ) 和射频识别系统( r f d ) 等。另 外射频技术还广泛应用于智能交通系统、智能化运输系统和多媒体移动接入通信 系统等川。由于，在移动通信的收发机中，射频部分要处理的是宽动态范围的高频 模拟信号，而基带部分完成对频率较低的数字信号或模拟信号的处理功能，目前， 基带信号的处理基本上可以由数字通信技术来实现。而射频设计要求设计者要具 有较宽的知识面，与基带级几乎可以全部采用成熟的数字集成电路相比，射频级 的集成电路还处于发展阶段，模块之间还存在匹配问题，对射频电路来说，计算 机辅助分析和综合的工具还只处于起步阶段，射频电路的设计很大程度上还取决 于实验调试和设计者的经验。可以说射频设计成了移动通信机设计的瓶颈。 移动通信的飞速发展，要求电路集成化程度越来越高，射频电路也不例外。对 于这些集成电路，除了要求优良的性能外，还提出了低成本，低功耗，小体积和 重庆大学硕士学位论文1 绪论 轻重量等苛刻要求。目前国内外对射频部分的研究也是越来越多，其目的也是为 了跟上并推动飞速发展的移动通信事业。 1 22 4 g h z 频道选择的意义 不可再生的频谱资源是影响现代无线通信发展的另一个重要因素。通信事业 的发展使得目前使用的通信频道变得非常拥挤，信道之间的相互干扰非常严重。 1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 授权普通用户可以使用9 0 2 m h z 、2 4 g h z 和5 8 g h z 三个“工业、科技、医学”( i s m ) 频段1 2 j 。i s m 频段为无线通信设备提供了 无需申请在低发射功率下就能直接使用的产品频段，极大地推动了无线产业的发 展。其中，我国的3 g 标准t d s c d m a 采用的三个频段分别是1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 、 2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 、2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 。而且，目f j 宽带无线接入技术的发展极为迅 速，各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入，各种宽带固定无线接 入技术迅速涌现。宽带固定无线接入技术的发展趋势之一就是充分利用过去未被 开发，或者应用不是很广泛的频谱资源，这其中就包括2 4 g h z ，以实现高的接入 速率。 1 3 国内外研究现状 从目f i 国内情况看，自从上世纪9 0 年代，国家无线电管理委员会和国际电 信联盟( i t u ) 确定了我国的i s m 频段划分后，在此频段上进行研发的机构和企业 已将不少产品推向市场，但相对国外而言，我国的i s m 频段的利用率较低，并且 射频前端电路的生产还大都停留在依靠国外的技术上。 与此同时，国外在i s m 频段上射频电路的研究越来越多，为了使射频电路满 足低成本、低功耗、高集成度、高工作频率和轻重量等要求，国外许多文献都侧 重于对射频电路各个模块的研究。文献【3 】介绍了一种新型的微带线平行耦合带通 滤波器，该滤波器不仅可以得到良好的性能参数，而且滤波器的体积相对较小。 文献 4 】介绍了一种i s m 频段的采用o 2 5 所c m o s 工艺的集成低噪声放大器的设 计方法，该低噪声放大器具有良好的性能参数，满足低功耗等要求，而且该低噪 声放大器的集成度较高。文献【5 】介绍了一种新型的采用o 1 8 m c m o s 工艺的自偏 置功率放大器的设计方法，该功率放大器在0 8 2 4 g h z 的频带内的最大输出功率 为2 3 d b m ，效率为4 2 ，而且该功率放大器可以在保持性能不变的情况下持续工 作很长时间。 1 4 论文的主要工作 论文的第一章是绪论部分，该章主要介绍了课题的研究背景及意义、频道选 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 择的意义和国内外研究现状。第二章是收发机的结构分析与设计方案的确定，该 章首先介绍了常用的收发机结构，然后根据实际的项目需要提出了2 4 g h z 收发机 射频前端的设计方案并给出了预算仿真结果。第三章是发射机射频前端关键模块 的设计与仿真，该章首先介绍了发射机射频前端所包含的关键模块的性能参数、 设计方法，然后介绍了2 4 g h z 发射机射频前端关键模块的设计过程并给出了仿真 结果。第四章是接收机前端关键模块的设计与仿真，该章同样首先介绍了接收机 射频前端所包含的关键模块的性能参数、设计方法，然后介绍了2 4 g h z 接收机射 频前端关键模块的设计过程并给出了仿真结果。第五章是实物调试与制作，该章 给出了实际的硬件电路图及调试结果。第六章是结论与展望，该章给出了设计的 结论，并对后续的工作提出了展望。 3 重庆人学硕十学位论文 2 收发机的结构分析与设计方案的确定 2 收发机的结构分析与设计方案的确定 2 1 发射机结构 2 1 1 发射机常用结构 发射机射频部分的任务是完成基带信号对载波的调制，将其变为通带信号并 搬移到所需的频段上且有足够的功率发射，其结构方框图如图2 1 所示。 本振信号 图2 1 发射机射频方框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fr fm o d u l e si nt h et r a n s m i t t e r 发射机完成的主要功能是调制、上变频、功率放大和滤波。发射机的方案比 较简单，大致可以分为两种：一是将调制和上变频合二为一，在一个电路罩完成， 这称为直接变换法6 1 。这种发射机的结构框图如图2 2 所示。 一丫 吼“掣 厂。、 t 夕 c 0 s m f 点 图2 2 直接变换正交调制发射机 f i g 2 2d i r e c tt r a n s f o r mq u a d r a t u r em o d u la t i o nt r a n s m i t t e r 直接变换法虽然简单，但它有明显的缺点，由于发射信号是以本振频率为中 心的通带信号，经功率放大或发射后的强信号会泄漏或发射回来影响本振，牵引 本振频率。特别是在为了节省能源，需要频繁的接通断开功率放大器时，产生的 干扰更大，本振频率不稳，则直接影响发射机的各项性能指标。改进的方法可以 让本振频率和调制的频率不同，如图2 3 所示，两个较低的本振频率q 和皑合成 4 重庆人学硕士学位论文 2 收发机的结构分析与设计方案的确定 为q + 哆，以此新的频率作为载频，这样，由于发射的频率和本振频率相差很远， 不易发生强信号对本振频率的牵引。 图2 3 带有两个偏置本振的直接变换发射机 f i g 2 3d i l e c tt r a n s f o mt r a n s l i t t e rw i t ht w ob i a sl o c a lo s c i l l a t o r s 第二种发射机方案是将调制和上变频分丌，先在较低的中频上进行调制，然 后将已调信号上变频搬移到发射的载频上，这称为两步法6 1 。这种发射机的结构框 图如图2 4 所示。 图2 4 两步变换正交调制发射机 f i g 2 4q u a d r a t u r em o d u l a t i o nt r a n s m i t t e rw i t ht w os t e p so ft r a n s f o 加a t i o n 两步变换法可以明显地减弱直接变换法的缺点，而且由于调制是在较低的中 频上进行，正交的两支路容易一致。其缺点是第二次上变换后必须采用滤波器滤 除另一个不要的边带，为了达到发射机的性能指标，对这个滤波器的要求是比较 高的。当载波频率较高时，这个缺点就更加明显，为了滤除无用边带，必须采用 高q 值的带通滤波器，而这种滤波器的设计在射频频段相对比较困难。 2 1 2 发射机性能指标分析 由于发射机是发射电磁信号的设备，如果发射机设计或构造不合适，所发信 号不仅会干扰其他无线电通信设备，而且会干扰各种非射频电器设备。所以在射 频前端设计时，需要注意以下的发射机性能参数： 频率范围：用来考察高频振荡器的频率及其相关指标、温度频率稳定度时 5 重庆大学硕十学位论文 2 收发机的结构分析与设计方案的确定 问频率稳定度、频率负载牵引变化、压控调谐范围等。一般来说，发射机的频率 参数要同接收机的参数取为一致。 功率：与功率有关的指标有最大输出功率、功率可调范围、功率的时间和 温度稳定性等。 效率：供电电源到输出功率的转换效率。 噪声：在发射机射频前端的主要是相位噪声，主要由本振的相位噪声产生， 过大的相位噪声就会影响通信质量。 谐波抑制：描述发射机对工作频率的高次谐波的抑制能力。基波与谐波的 功率比为谐波抑制指标。 杂波抑制：除基波和谐波外的任何信号与基波信号的大小比较。 被发送的噪声信号将提高链路另一端的接收机噪声系数，降低系统的信噪比， 这将减少通信链路所能达到的最远的通信距离。所以从这个方面来说，在保证发 射机其他性能指标的同时，应尽量减少发射机的噪声系数f 7 1 。 2 2 接收机结构 2 2 1 超外差式接收机 超外差式接收机射频部分的机构方框图如图2 5 所示。图中，下变频器将信号 频率和本振频率吐d 混频后降为中频信号= f 一魄o ( 或者 = 吡d 一，) 。 v 厶c o s & t d 图2 5 超外差式接收机射频部分的结构方框图 f i g 2 5ag e n e r i cr f f t o n t - e n do ft h eh e t e r o d y n er e c e i v e r 接收机采用这种结构主要基于以下三方面的考虑。首先，中频比信号载波低 很多，在中频段实现对有用信道的选择要比在载波段的选择对滤波器q 值的要求 低很多。其次，接收机从天线上接收到的信号电平一般为1 2 0 1 0 0 d b m ，如果微 弱的信号要放大到解调器可以解调或a d 变换器可以工作的电平，一般需要放大 1 0 0 2 0 0 d b 。为了放大器的稳定和避免振荡，在一个频带内的放大器，其增益一 般不超过5 0 6 0 d b 。采用超外差式接收机方案后，将接收机的总增益分散到了高 频、中频和基带三个频段上。而且，载波降为中频后，在较低的固定中频上做窄 6 重庆人学硕士学位论文2 收发机的结构分析与设计方案的确定 带的高增益的放大器要比在载波频段上做高增益的放大器容易和稳定得多。最后， 在较低的固定中频上解调或a d 变换也相对容易【6 】。 超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。这是因为变频器往往并不 是一个理想乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信 号婊f 和本振信号劬d ，以及混入的干扰信号通过变频器非线性特性中的某一高次 方项组合产生组合频率，若它们落在中频通带内，就会形成对有用信号的干扰。 通常把这些组合频率引起的干扰称为寄生通道干扰。 在寄生通道干扰中，一种称为“镜像干扰”的现象最为严重。一个与有用信号相 对位与本振信号劬d 的另一侧与本振频率之差也为中频劬f 的信号，即 弛。= 劬n + 鸱f ，称为镜像频率信号。如果它没有被变频器的前端电路滤除而进入 了变频器，即使变频器是一个理想的乘法器，镜像信号与本振混频后也为中频， 见图2 6 所示。由于中频滤波器无法将其滤除，它与有用信号混合降低了中频输出 的信噪比，形成了对有用信号的干扰。 ji | fl f 要消除镜像干扰的办法是不让它进入变频器，这要靠变频器前面的滤波器滤 除。而这往往要求滤波器的q 值很高。在有限的q 值范围内要有效的衰减镜像频 率，就必须增大中频频率。所以超外差式接收机的一个重要问题是选择中频频率。 总体说来，性能好的超外差式接收机离不丌有良好选频特性的滤波器。但因 为这种滤波器只能在片上实现，不易集成，不适合单片接收机的应用。但因为超 外差式接收机结构通过选择适当的中频和滤波器可以获得较好的选择性和灵敏 度，所以被认为是最可靠的接收机拓扑结构。 2 2 2 镜像抑制接收机 超外差式接收机可以通过外接镜像抑制滤波器来滤除镜像频率干扰。镜像抑 制接收机则通过改变电路结构来抑制超外差式接收机中的镜像干扰。考虑到镜像 频率哆。和信号频率f 分别位于本振频率劬n 的两边，采用某些处理会对它们产 生不同的影响。镜像抑制接收机的结构有两种，第一种如图2 7 所示，它也称为 7 重庆大学硕十学位论文2 收发机的结构分析与设计方案的确定 h a n l e y 结构。 图2 7h a n l e y 镜像抑制接收机原理图 f i g 2 7b l o c kd i a g r a mo fh a n l e yr e c e i v e r 在这种结构中，两路相互正交的本振信号与输入的射频信号混频，再将其中 一路相移9 0 0 ，然后叠加，就可以得到抑制镜像频率的中频信号。 这种结构的接收机要真正做到抑制镜像干扰的关键在于两点。一是两条支路 必须完全一致，其中包括本振信号的幅度、混频器增益、低通滤波器的特性必须 一致。二是正交要精确，即两路的本振信号要精确地相差9 0 0 ，否则镜像频率不可 能完全抑制。 镜像抑制接收机的另一种结构如图2 8 所示，称为w e a v e r 结构。在这种结构 中，用第二个正交混频器代替了9 0 。移相器。由于第二次混频的中频不是零，也就 可能存在镜像频率干扰的问题。 图2 8w e a v e r 镜像抑制接收机结构原理图 f i g 2 8b l o c kd i a g r a mo fw e a v e rr e c e i v e r h a n l e y 和w e a v e r 接收机都是镜像接收机。由于在h 矾l e y 接收机中，一般采 用r c 移相网络来实现移相9 0 。，但r c 移相网络对失配很敏感，镜像抑制的精度 有限，且大的电阻和电容也不易实现片上集成，所以该结构很少被使用。w e a v e r 8 重庆大学硕+ 学位论文 2 收发机的结构分析与设计方案的确定 接收机使用两个混频器代替了r c 移相网络。由于混频器的匹配优于r c 移相网络， 且容易集成，所以w e a v e r 接收机优于h a n l e y 接收机。 2 2 3 零中频接收机 如果让本振频率等于载频，即取中频鸱f = o ，就不存在镜像频率，也就不会有 镜像频率干扰了。这种把载波直接下变频为基带的接收机称为零中频接收机。图 2 9 为数字通信的零中频接收机的原理方框图。 图2 9 零中频接收机的原理方框图 f i g 2 9az e r o - 肝r e c e i v e r 除了没有镜像干扰外，零中频接收机结构还有以下优点：接收机的射频部分 只包含了高频低噪声放大器和混频器，增益不高，易于满足线性动态范围的要求， 且由于没有抑制镜像频率的滤波器，也就不必考虑放大器和它的匹配问题；由于 下变频后是基带信号，因此不必采用专用的中频滤波器来选择信道，而只须用低 通滤波器来选择有用信道，并用基带放大器放大即可，而这些电路都是很容易集 成的。 与超外差式接收机相比，零中频接收机也存在一些很难解决的问题： 本振泄漏：零中频接收机的本振频率与信号频率相同，如果变频器的本振 口与射频口之间的隔离性能不够好，本振信号就很容易从变频器的射频口输出， 再通过高频放大器泄漏到天线，辐射到空间，行成对邻道的干扰。这在超外差式 接收机中就不容易发生，因为超外差式接收机的本振频率和信号频率相差很大， 一般本振频率都落在前级滤波器的频带以外。 低噪声放大器偶次谐波干扰：两个频率很近的干扰信号进入低噪声放大器， 由于低噪声放大器的伏安特性非线性的偶次项引起的差频，在零中频接收机中就 有可能会因为混频器的不理想而直接进入基带信号，造成干扰。 直流偏差：它是零中频接收机特有的一种干扰，它是由自混频引起的。如 9 重庆大学硕士学位论文2 收发机的结构分析与设计方案的确定 上所述，如果由本振泄漏的本振信号又从天线回到高频放大器，进入下变频器的 射频口，它和本振口进入的本振信号经混频，差拍为零频率，即为直流。同样， 进入高频放大器的强干扰信号也会由于变频器的各口隔离性能不好而漏入本振 口，反过来它又和射频口来的强干扰经混频，差拍为直流。这些直流偏差在超外 差式接收机中是不可能干扰有用信号的，因为那时中频不等于零。而在零中频接 收机中，将r f 信号转变为中频为零的基带信号，这些直流偏置加在基带信号上， 而且这些直流偏差往往比射频前端的噪声还要大，一方面使信噪比变差，而且这 些大的直流偏差还可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。这些 零偏差干扰可以通过后面的数字信号处理的方法减弱，但这是相当复杂的。特别 是当泄漏到天线的本振信号，经天线发射出去又从运动的物体发射回来被天线接 收，通过高频放大器进入变频器经混频后，构成的直流偏差可能还是时变的，要 消除这些干扰就更困难。 噪声：有源器件内存在的1 f 噪声随频率的降低而增加，都集中在低频段。 一般零中频接收机的主要增益放在基带级，前端射频部分的增益约为2 0 倍，因此 有用信号经下变频后的幅度不会大，1 f 噪声的影响就更严重。因此采用零中频接 收机结构时，一般下变频器都设计成有一定的增益。 有多种方法可以改进零中频接收机的性能： 直流偏差和1 f 噪声的干扰主要集中在低频段。而f s k 调制信号的频谱能 量主要集中在两个峰值，低频分量相对较小，通过滤除低频分量，可以降低干扰， 同时也不会对信号有太大影响。 当射频信号的载波与本振信号频率相同时，本振信号自混频产生的直流偏 差影响最大。改变本振信号的频率为载波频率的整数或分数倍，能减小本振泄漏 带来的问题。 一些研究把重点放在了混频器的设计上。文献【8 】提出了多相混频器。其本 振信号频率是射频载波频率的l n ，2 n 个普通混频器构成一个多相混频器。它可 以克服直流偏差问题和对锁相环设计的苛刻要求。文献【9 】将c h o p p e r 技术应用于混 频器，通过两次变频，将噪声和信号分开。文献 1 0 】采用谐波混频器，使用本振信 号的二次谐波和射频信号混频。这样，当射频信号被下变频到基带信号时，自混 频的失调产物则被变换到本振频率。 通过对接收机结构进行改进，可以减小直流偏差和l f 噪声。最简单的方法 是，在混频器后，通过使用交流耦合或是滤波器隔离直流分量。但对于大部分调 制信号，中心频率附近频率的能量较大，在进行交流耦合后，会损失低频分量， 导致误码。另一种普遍使用的方法是构造反馈电路，消除直流偏差。文献【8 】使用 两级下变频代替直接下变频，先将射频信号下变频到一个较高的中频，再直接下 l o 重庆大学硕士学位论文2 收发机的结构分析与设计方案的确定 变频到基带。一方面，由于在第二次下变频时使用的本振信号频率低且固定，因 而泄漏较小，直流偏差相对稳定，可以容易地祛除。另一方面，混频器的l f 噪声 也随之降低。这种结构的问题就是要选择合适的中频频率，使前端的带通滤波器 可以有效的抑制镜像信号的影响。 由于，零中频接收机的结构简单，集成度很好，对镜像信号抑制的要求不高。 从简化电路设计，提高接收机集成度以及减小功耗和节约成本的角度看，零中频 接收机是一种不错的选择。 2 2 4 数字中频接收机 在文献【8 】提到的二次混频接收机结构中，可以将第二次混频和滤波数字化。 这种接收机称为数字中频接收机。如图2 1 0 所示，第一次混频后的信号经放大直 接进行a d 变换，然后采用两个正交的数字正弦信号做本振，采用数字相乘和滤 波后得到基带信号。 图2 1 0 数字中频接收机结构原理图 f i g 2 1 0b l o c kd i a g r a mo fd i g i t a li fr e c e i v e r 采用数字混频的优点是，数字处理方法可以避免i q 两路的不一致。数字中频 接收机的设计难点在于对，d 变换器的要求较高，具体体现在以下几点： 由于i 中频相对比较高，因此要求d 变换器的速度也很高。 i 中频的信号虽然经过了放大，但幅度仍较小，这就要求a d 变换器有较高 的分辨率和较小的噪声。 如果i 中频的滤波器不能很好的滤除镜像频率干扰和其他频率的干扰信号， 为了防止由互调失真等原因引起的对有用信号的影响，要求a ，d 变换器的线性度 很高。 要求a d 变换器有较大的动态范围，这是因为接收到的有用信号电平可能 因为传输路径的衰落和多径效应而变化。 a d 变换器的带宽应和i 中频信号一样。 重庆大学硕士学位论文2 收发机的结构分析与设计方案的确定 在数字中频接收机的结构中，由于不需要将中频信号变换为模拟基带信号， 避免了低频失调和噪声的影响。另外，接收机直接在数字域完成信号解调，可以 充分发挥数字电路的功能，处理多种调制方式的信号，灵活性很高。数字中频接 收机可以简化模拟前端电路，将数字电路向射频电路靠拢。它是未来接收机的一 个活跃的研究方向【1 1 1 。 2 2 5 接收机性能指标分析 接收机要从众多的电波中选出有用信号，并放大到解调器所要求的电平值后 再由解调器解调，将通带信号变为基带信号。由于传输路径上的损耗和多径效应， 接收机接收的信号是微弱且又变化的，并伴随着许多干扰，这些干扰信号强度往 往远大于有用信号，因此接收机的性能指标直接影响着系统的数据传输距离和传 输的可靠性。 接收灵敏度 接收灵敏度是接收机的最重要的性能指标之一。它描述了接收机对小信号的 反应能力。一般它是指接收机在满足一定的误码率性能条件下接收机输入端所需 的最小信号电平。 对于既定的解调方式，接收机的灵敏度主要由其噪声系数决定。所以为了提 高接收机的灵敏度，在选择器件时，应尽量选择低噪声器件，特别是对于接收机 的前端部分。 选择性 选择性是描述接收机对邻近信道频率的抑制能力。一般来说，不能有两个信 号同时进入接收机。接收机的选择性可以通过选择合适的射频和中频滤波器束满 足。 频率稳定度 频率稳定度是描述接收机本振信号的频率稳定度，本振信号的频率稳定度会 影响接收机的中频信号的质量，并对接收机解调电路的工作性能有着直接的影响。 本振辐射 由于混频器不具有理想的隔离性，本振信号可能会进入接收机的信号通路， 并通过天线向外部空间辐射，加重系统的三阶交调失真的影响，设计中可以采取 一些措施来限制本振辐射。 增益 增益是指无线组成器件中电压或功率的增加。增益一般是以d b 为单位。一般 常用的增益、电压增益和功率增益是可以相互转换的。 1 d b 压缩点( p l d b ) 1 2 重庆大学硕士学位论文2 收发机的结构分析与设计方案的确定 l d b 压缩点是描述输出功率的性能参数。由于有源电路的非线性特性，电路的 增益会随着输入信号强度的增加而降低。1 d b 压缩点定义为使增益比线性放大器增 益下降1 d b 所对应的输入( 或输出) 信号的幅度值。 三阶截取点( i p 3 ) 三阶截取点( p 3 ) 是表示线性度或互调失真程度的参数。它定义为三阶互调功 率达到和基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为i i p 3 ，此点对应的输 出功率表示为o 口3 ( 一般在放大器中常用0 i p 3 做参考，在混频器中常用i i p 3 做参 考) 。口3 越高表示线性度越高和互调失真相对越小。三阶互调失真由于在频率上 距离有用信号非常近，不能用滤波器轻易的去除它们。三阶截取点( i p 3 ) 是衡量放 大器的互调失真程度的重要参数。三阶交调阶点一般位于p l d b 压缩点上方l o 1 5 d b 的位置。在多级级联的情况下，一般可用下边的公式计算总的三阶截点【l2 1 。 上：上+ 旦+ 盟+ 一= = 一t - 一1 一二- 1 一 iz _ i p 3 tl p 3 l p 3 2i p 3 3 其中g l 、g ，是级联各级的增益，俨3 ，、胆3 ，是级联各级的三阶截点。 噪声系数 噪声系数是衡量有噪系统的噪声性能的参数。噪声系数定义为系统输入信噪 功率比( 卯限) ，= m 与输出信噪功率比( 卧傻) 。= m 的比值： ，：塑堕：型盟 ( 2 2 ) ，= = i 上z - 0 s n & np o | nn 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。如果系统是无噪的，不管系统的增益多大，输入的信号和噪声都同样被 放大，而没有添加任何噪声，因此输入输出的信噪比相等，相应的噪声系数为1 。 有噪系统的噪声系数均大于l 。噪声系数常用f ( 棚) = 1 0 l o gf 表示。 对于无源器件而言，其损耗即代表该器件的噪声系数，若元件的插入损耗为 l ( d b ) ，则其噪声系数即为l ( d b ) 。 在接收机中，射频信号经诸如滤波器、低噪声放大器、混频器及中频放大器 等单元模块的传输，由于每个单元都有固有噪声，经传输后都将输入信噪比变差。 对于这种级联电路，如果每级的增益分别为g l 、g 、，噪声系数分别为啷、 肥、，这里的增益和噪声系数都指的是绝对值，则总的噪声系数可表示为【l3 】： ，：眦+ 型+ 丝d + ( 2 3 ) 1 g lg l g ： 由上面的公式可以看出，前面几级的噪声系数对系统影响较大。为降低级联 系统的噪声系数，必须降低第一、二级的噪声系数并适当提高它们的功率增益， 以降低后面各级噪声对系统的影响。如果第一级没有增益，反而有损耗，比如， 在接收机的天线和第一级低噪声放大器之间接一个无源有耗滤波器，对降低系统 重庆人学硕十学位论文2 收发机的结构分析与设计方案的确定 的噪声系数不利。 谐波失真 谐波失真是表示非线性失真的另一个参数。它定义了在基频的整数倍频率产 生的失真产物。谐波失真的大小一般用d b c 为单位。d b c 是低于基波的d b 数。当 基波频率比较高时，谐波频率与基波相隔较远，可以很容易的通过滤波器来滤除。 动态范围 接收机所接收的信号强弱是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态范围， 即高性能地工作所能承受的信号变化范围。动态范围的下限是灵敏度，它受到噪 声底数的限制。但当输入信号太大时，由于系统的非线性而产生了失真，输出信 噪比反而会下降，因此，动态范围的上限由最大可接受的信号失真决定。动态范 围通常有两种表现方式，即p 1 d b 增益压缩表示的单音动态范围和三阶互调表示的 双音动态范围。 因为从天线接收的射频信号会因信道特性的变化而产生较大幅度的波动，接 收机的动态范围应该大于接收到的射频信号的波动范围，才能保证信号不会因为 过强产生饱和失真或因为过弱而使信噪比降低。 2 3 收发机射频前端设计方案的确定 2 3 1 系统对射频前端的相关指标要求 在无线通信系统中射频前端设计需要注意的指标有： 中频中心频率：5 0 m h z ： 中频带宽：6 m h z ； 载波：2 4 g h zi s m 频段； 发射机发射功率：o 5 w ； 传输距离：1 0 0 0 米； 调制方式：q p s k 。 2 3 2 收发机系统方案分析 发射机中心