（电路与系统专业论文）dcs1800接收机前端的研制.pdf

摘要 摘要 随着移动通信的发展，移动网络将向3 g 网络演进，或者直接演进到4 g 网络。 但在很长的一段时间里，g s m 网络将长期与3 g 或者4 g 网络并存，通过共存、增 强、融合的方式继续在通信领域被广泛使用并占主导地位。d c s l 8 0 0 作为g s m 移 动通信系统一个常用的标准，对其接收机前端的系统特性以及电路特性进行研究 具有重要的意义。 本文简单介绍了移动通信接收机设计的基本理论，基于( 3 g p pt s1 1 2 l 协 议，按照小型化、低成本、高指标的要求，详细描述了d c s l 8 0 0 系统接收机前端 的设计以及实现过程。 设计采用分布式双工器的形式，用第一级低噪放后的射频声表滤波器分担一 部分接收双工器对干扰信号的抑制度，从而降低成本，实现小型化。为保证接收 机的系统指标不降低，需要对接收链路各个器件的指标再分配。设计的过程考虑 了影响接收机指标的主要因素，包括接收机结构的选择、中频频率规划、灵敏度 分析、链路指标分配、互调指标分析、阻塞特性分析、抗干扰和动态范围分析等。 借助仿真软件对射频接收机前端的几个关键电路，即低噪声放大器电路、射频频 率源电路进行了仿真设计和验证，在实际的调测过程中，总结积累了一定的工程 经验。最后介绍了整个接收机系统指标的测试方法，并给出了测试结果。测试结 果表明该接收机系统很好的满足了设计要求。 关键词：分布式双工器，接收机，小型化，低噪声放大器，频率源 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，e v o l u t i o nf r o mg s mt o3 go r 4 gw i l lb ei n e v i t a b l e h o w e v e r , i nav e r yl o n gp e r i o do ft i m e ，g s ma n d3 go r4 g n e t w o r kw i l lb ec o - e x i s t e d b yt h ew a yo fc o e x i s t e n c e , e n h a n c e m e n ta n di n t e g r a t i o n , g s mw i l lc o n t i n u et ob ee x t e n s i v d yu s e da n dt ob et h ed o m i n a n t 舡as t a n d a r do ft h e g s mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m , d c s18 0 0i sc o m m o n l yu s e d s t u d y i n gt h es y s t e m a n dc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c e i v e ro fd c s18 0 0s y s t e mh a sag r e a ts i g n i f i c a n c et o i m p l e m e n tr e q u i r e m e n t so fm i n i a t u r i z a t i o n , l o w - c o s t , a n dh i g hq u a l i t i t y 1 1 l i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e db a s i ct h e o r yo fr o o e i v e r b a s e do nt h e 什3 g p pt s 1 1 2 1 ”p r o t o c o l ，am i n i a t u r i z a t i o n , l o w - c o s t , h i g hq l l a l i t i t yo fd c s l 8 0 0 r e c e i v e rs y s t e m i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d t ok e e pt h eh i g hq u a l i t i t ya n dt or e a l i z et h et a r g e t ，d i s t r i b u t e dd i p l e x e ri sp r o p o s e d t h er a d i of r e q u e n c ys a wf i l t e r , w h i c hi sa f t e rt h ef i r s td a s so fl o wn o i s ea m p l i f i e r , i s u s e dt os h a r ei n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nf o rt h ed i p l e x e r 仰1 cm a j o rf a c t o r , w h i c hi n c l u d s t h es t r u c t u r eo fr e c e i v e r s ，i ff r e q u e n c yp l a n n i n g , s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，t h ed i s t r i b u t i o no f l i n k , i n t e r m o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，b l o c k i n ge h a r a c t e r i s t i c s ，i n t e r f e r e n c ea n a l y s i sa n d d y n a m i cr a n g ei sm a i n l yc o n s i d e r e d w i t ht h eh e l po fs 0 1 a r e , t h ek e yc i r c u i to fr f r e c e i v e rf r o n t - e n d , s u c ha sl o w - n o i s ea m p l i f i e ra n dt h er ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no ft h e “蜊v e fa n dt e s tr e s u l t so f t h e s y s t e ma r ep r o p o s e d 1 1 璩t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t so f m i n i a t u r i z a t i o n , l o w - c o s t , h i 曲q u a l i t i t y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dd i p l e x e r , r e c e i v e r , m i n i a t u r i z a t i o n , l o wn o i s ea m p l i f i e r , f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r n 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：丕薄筮 日期：2 9 归年月日 关于论文使用授权的说明 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：丕薄邀 导师签名： 日期：2 口。7 年午月f 日 j 第一章绪论 第一章绪论 随着移动通信的发展，移动网络将向3 g 网络演进，或者直接演进到4 g 网络。 但在很长的一段时间里，g s m 网络将长期与3 g 或者4 ( 3 网络并存，通过共存、增 强、融合的方式继续在通信领域被广泛使用并占主导地位。d c s l 8 0 0 作为g s m 移 动通信系统一个常用的标准，对其接收机前端系统的系统特性以及电路特性进行 研究具有重要的意义。 1 1d c s l 8 0 0 移动通信系统简介 g s m 9 0 0 和d c s i s 0 0 网络都是g s m 的标准，两个系统功能相同，主要是频 率不同，g s m 9 0 0 工作在9 0 0 m h z ，d c s l 8 0 0 工作在1 8 0 0 m h z 我国最早使用的 是g s m 9 0 0 网络。随着通信网络规模和用户的迅速发展，我国引入了d c , s 1 8 0 0 网 络，以缓解高话务密集区无线信道日趋紧张的状况。 图1 - i g s m 多址接八方式 d c s l 8 0 0 系统的多址接入方案是窄带时分多址、频分多址混合方案，信道间 隔为2 0 0 k h z 。采用f d d 工作模式，它的下行和上行的信息是在不同频带上进行传 送的，如图1 - i 所示。它的主要系统参数如袁1 - l 所示。 电子科技大学硕士学位论文 表1 - 1d c s l 8 0 0 系统主要参数 频率下行：1 8 0 5 m h z 1 8 8 0 m h 上行：1 7 1 0 m h z 1 7 8 5 m h z 双工间隔9 5 m h z 射频带宽 2 0 0 k h z 射频双工信道总数 3 7 4 最大小区半径( k i n )3 5 多址方式t d m a + f d m l a 调制方式g m s k ，8 p s k 传输速率( k b p s ) 2 7 0 8 3 3 全速率话音编译码速率 1 3 k b p s 话音编码算法 i t p e l t p 帧周期4 6 15 ( 6 0 13 ) m s 每载频信道数每帧时隙数 8 1 2d c s l 8 0 0 接收机研究背景 在世界范围内，移动通信系统已经开始向4 g 网络迈出了演进的步伐，国际电 信联盟于2 0 0 8 年初正式开始4 g 系统的标准化工作。与此同时，欧洲、美国、日 韩等国家已经纷纷开始了针对3 g 系统的增强与演进工作，例如3 g p p 开展的l t e 以及3 g p p 2 开展的u m b 标准化工作，制订的3 g 增强系统或3 9 g 系统，已经初 步具备了4 g 系统的某些主要性能指树。 但是，移动通信技术与标准的快速发展却无法促进移动通信系统的快速更新 换代。虽然3 g 系统已于2 0 0 0 年前后商用，并已在全球成功建设了超过1 4 0 个3 g 商用网络，但目前世界上占据主流地位的移动通信系统仍然是2 ( 3 系统，尤其是 g s m 系统，几乎遍布了全世界各个角落。目前全球移动通信用户已经接近3 0 亿， 其中g s m 用户超过2 5 亿，超过全球移动用户总数的8 0 ，并且其用户数仍然在 快速增长，远远超过目前使用3 g 系统的全球用户总数。 从技术角度来看，从g s m 到g p r s ，系统只需要在核心网方面增加支持分组 域的相关功能实体，g p r s 系统扩展了g s m 系统对分组业务的支持能力。e d g e 为演进过程中的可选项，可以进一步增强g s m 系统对数据业务的支持能力，实现 2 第一章绪论 最高达3 8 4 k b i t s 的数据速率【2 1 。 对于g s m 系统，可以沿着g s m 至g p r s 再至e d g e 最后至3 g ( w c d m a 或 t d s c d m a ) 的方向演进，3 g 标准中的w c d m a 与t d s c d m a 系统均可以与 g s m g p r s e d g e 系统共用核心网，在核心网层面上可以做到平滑过渡。 但是由于g s m 系统采用时分多址技术，与3 g 三大主流标准采用的基本多址 技术码分多址技术不同，所以由g s m 系统演进至以c d m a 为基本多址技术 的w c d m a 或t d s c d m a 系统，核心网尚可以保持一定的后向兼容性，但是投 资较大的无线接入网则需要重新规划建网。所以对广大的g s m 系统运营商及g s m 系统终端用户来说，g s m 系统的演进也要面临较大的投资与建设压力。 到目前为止，g s m 网络在g p r s 系统、e d g e 系统的增强下，可以提供对数 据业务一定的支持，仍然保持着较高的盈利水平。g s m 系统仍然可以满足很多国 家和地区移动用户的需求，并且g s m 运营商可以通过相对低廉的运营成本获取更 大的利益。 因此，g s m 系统仍将长期存在下去，通过共存、增强、融合的方式继续服务 于全球广大用户。考虑到g s m 系统的前景，移动通信运营商会继续投资g s m 网 络的建设，并对g s m 网络提出更严格的要求。 为了解决频谱资源日益紧张，运营商对覆盖面，通话质量，投资效益，建设 难易，维护方便的要求越来越苛刻，这就对无线接入的基站及其中的接收机提出 了更为严格的指标要求。 1 、密度高，体积小。随着移动电话用户数量的飞速增长，运营商只有不断地 进行基站扩容与新建，才能满足用户的需求。在扩充基站容量时，机房空间成为 一个主要制约因素。实现基站一块单板集成两个或多个载频的收发信机，集成度 更高，体积更小，节省机房占地面积是有效的解决方法。 2 、支持多种智能射频技术，有效提升网络性能。首先，接收灵敏度要求提高。 目前运营商对g s m 基站的通道静态接收灵敏度提出的要求已经达到1 1 2 5 d b m 甚 至更高。其次，要求抗干扰性较强。能够满足与各种制式的基站或其它频段的基 站共站的要求。 3 、业务支持能力强。新型的g s m 基站能够支持e d g e 、h r 、a m p 、e m l p p 、 扩展小区等多种业务，满足更多样化的业务需求；满配置下支持所有业务信道采 用e d g em c s 9 编码方式，用户数据速率稳定可达2 2 0 k b i t s 。 可见，需要持续加强对d c s l 8 0 0 接收系统的研究，来因应g s m 系统长期与 3 g 甚至4 g 系统长期共存，能够帮助移动运营商有效解决在向更高级系统演进面 电子科技大学硕士学位论文 临的投资与建设压力。 1 3 论文的主要工作和章节安排 论文详细介绍了移动通信接收机前端设计的基本理论，并根据( 3 g p pt s 1 1 2 1 协议提出了d c s l 8 0 0 接收机前端的技术指标，根据指标要求选择了分布式 双工器的超外差结构，并对所提方案进行了系统仿真与关键指标论证，最后通过 实验系统验证了设计思想。 论文的具体安排为： 第一章为绪论，介绍d c s l 8 0 0 系统及d c s l 8 0 0 接收机前端研究背景。 第二章为移动通信接收机设计的基本理论，介绍在设计中用到的一些接收机 前端的基本结构以及接收机的主要技术指标。 第三章为d c s l 8 0 0 接收机前端系统设计，对接收机前端进行系统设计与指标 分析，确定关键器件并对系统链路进行仿真。 第四章为接收机前端关键电路的仿真与实现， 路进行仿真设计。 第五章为接收机系统指标的测试。 最后一章为结束语，对前面章节进行了总结， 4 分别对l n a ，频率源等关键电 对后续工作提出了建议。 第二章移动通信接收机设计基本理论 第二章移动通信接收机设计的基本理论 本章主要介绍移动通信中常用接收机基本结构、各种结构的特点、应用背景、 接收机前端基本技术指标以及接收杌前端设计中需要考虑的主要问题。 2 1 移动通信系统中接收机前端的基本结构 移动通信的飞速发展，对无线接收机提出了严格的要求，即具有更低功耗， 更高可靠性，更低价格，以及更小的尺寸。每一种通信标准都对接收机提出特定 的性能要求，即特定的载波频率，不同的信号带宽、灵敏度和选择性要求。所以， 客观上要求未来的移动通信接收机具有更大的灵活性，即具有多种功能以便能接 收不同射频标准提供的信息【3 】。目前移动通信系统中接收机从结构主要分为以下几 种结构。 2 1 1 超外差接收机 超外差式接收机由阿姆斯特朗( e d w i nh a r m s t r o n g ) 于1 9 1 8 年发明，它的结构 如图2 1 所示。天线接收到的微弱的射频信号经过射频滤波器滤出带外信号，再通 过低噪声放大器( d 队) 获得一部分的增益。l n a 之后的镜像滤波器进一步滤出 镜像信号。在混频器的作用下，r f 信号和l o 信号被下变频到一个固定的中频， 其后的中频滤波器滤去杂波，之后输出的信号就可以被解调。超外差接收机的优 点如下： 啃 镜像抑制混频器中频a g c 解调器低遥滤波器 图2 1 超外差接收机的结构图 1 、信号首先从射频搬移到中频，再从中频变化到基带，因此i , q 匹配性好。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 、选择性好，抗干扰能力强。这是通过中频滤波器和镜像抑制滤波器来实现， 即使在强大的干扰信号下，超外差对小信号信道仍能保持很好的接收能力。 3 、灵敏度高，可靠性高。 然而，单中频超外差结构存在灵敏度和选择性之间的折衷【4 】。如果中频足够高， 产生的镜像信号会与所期望得到的信号偏离很大，并且容易被带通滤波器的截止 特性所抑制，但是通道选择滤波器要求很高的品质因数q ( q 定义为中心频率与3 d b 带宽的比值) ，而设计具有较高q 值的滤波器比较困难。如果中频比较低，信道选 择会有比较宽松的要求，而镜像信号会严重干扰所需信号。当然超外差接收机也 存在组合干扰频率分量多，另外在单载波系统中直流干扰也是需要克服的因素。 直流干扰主要是由于由于本振泄露导致的正交混频器自混频产生直流分量，从而 导致信噪比的恶化，但是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，直流失调相对稳定，可以通过直流校正的算法去除。直流干扰产生的另 外一个原因是正交解调器的偶次谐波失真的影响，当存在一个强干扰的情况下， 如果正交解调器的存在严重的偶次谐波失真，贝, j j - 阶产物中的直流分量将会干扰 接收灵敏度卜引。 实际上，常常采用多级中频混频器来缓解灵敏度与选择性之间的矛盾。由于 有多个变频级，直流补偿和泄露问题基本不存在，但它是以较大的硬件成本获得 较好的性能。 2 1 2 零中频接收机 随着半导体工艺的不断发展，接收机的集成度越来越高。为了适应这种发展 趋势，零中频接收机结构进入了工程师们的视野。作为一种镜像抑制方法，它使 用直接变换到基带的技术，因而称为零中频技术，原理结构如图2 2 所示。由于有 用信号直接下变频到基带，完全消除了镜像响应问题。 双工器解调器 低通滤波器a g c 图2 - 2 零中频接收机结构图 6 第二章移动通信接收机设计基本理论 零中频接收机是当今研究的焦点，具有许多无可比拟的优点。它解决了与传 统的超外差式结构有关的大多数问题。虽然这种结构概念上简单，但是它本身也 带来了一些难以克服的问题【1 1 1 。直流偏差是零中频方案特有的一种干扰，它是由 自混频引起的。系统中的任何直流偏移都不能从有用信号中区别出来。图2 3 示出 了由于本振泄漏造成的直流偏移的情况。 零中频接收机中，r f 有用信号与l o 频率非常接近，本振泄漏或者l n a 的辐 射和泄漏都正好彼下变频到有用信号上，混频器的任何偶次谐波失真都能泄漏到 输出端，但经常是整个输入r f 信号，包括有用信号和信道中所有其他的信号和干 扰，都将经历偶次失真并被下变频到直流。这会使信道更加复杂，因为任何二次 失真产生的干扰都具有原始信号两倍的频带宽度。在下变频过程中还有一个不容 忽视的问题就是系统的直流偏移。由于使用零中频，对电路的直流偏置稳定度的 要求远远高于其他结构的接收机。零中频接收机还存在着低频闪烁噪声问题，即 1 f 噪声。这种噪声随频率的降低而增加，在i m h z 以下电路的1 f 噪声相当明显， 对零中频结构接收机的影响很大【9 】。 + 直流干扰 图2 - 3 零中频接收机中本振泄漏和辐射 在理论上有许多直流抑制技术来克服这些局限，但是在实际中都难很好的实 现，这也是当前研究的热点。目前一种相对可行的方法是输出交流耦合，信号经 过由大电容器构成的截止频率很低的高通滤波器，以滤除直流偏移，噪声和干扰。 同样这也带来了频率失真，而且这只能消除部分的不利因素。而且大的电容器在 实现上是相对困难的。扩频通信中，在不影响性能的情况下，至多只有一小部分 带宽能作陷波处理。目前，在这个问题的研究中，较先进的方案式在基带信号数 字化之前加入自适应增量调制器来减小零中频接收机中直流偏移带来的问趔1 0 】。 与零中频结构有关的另一个重要的问题l o 辐射和泄漏【l 刁。从混频器l o 端到 r f 端的泄漏耦合到天线并辐射出去，这可能破坏附近用户的接收信号，增加干扰。 而且辐射的l o 信号能被接收，引起新的问题【l l 】。通过使用谐波混频器能部分克 服l o 辐射问题。两级谐波正交混频是目前较为先进的方法。此外，由于没有传统 7 电子科技大学硕士学位论文 外差式接收机的滤波器，零中频接收机对基带滤波器的要求大为提高。并且对 增益级的动态范围要求也大大提高。基带滤波器必须额外提供足够的阻带抑制度， a d 变换器必须包括很宽的动态范围。 2 1 3 数字中频接收机 传统的模拟信号处理方法不能充分满足r f 信号对更高速度、更大容量、更高 灵活性和可靠性的要求。由于超大规模集成电路技术的飞速发展，近来通信工业 出现了用数字信号处理技术来取代各种模拟信号处理功能的倾向。数字信号处理 技术的进步大大减少了对r f 前端电路的要求，另外，数字和模拟世界之间的桥梁 一a d 技术的发展，使得后端数字信号处理逐渐向r f 前端前移。直接对射频信号 采样的能耗过大以及采样频率等方面的限制，在目前技术条件下是不可行的，故 一般对信号直接采样，以进行数字信号处理【3 5 】。a d 变换后经过诸如数字下变 频器d d c 等专用数字信号处理器件进行下变频处理，将信号变换成基带数字 信号，再送入d s p 中完成基带信号处理。它的优点在于信号直接变换到数字域， 而在数字域里面，正交分量的幅度和相位一致性是很高的，从而避免了模拟信号 中i q 通道不匹配所引起的误差，还可以处理多种调制方式的信号，具有很高的灵 活性【1 2 1 6 1 。数字中频接收机的结构如图2 4 所示。 双工器 二，镜像抑制混频器中频a g c 图2 - 4 数字中频接收机的结构图 数字中频接收机对r f 前端电路的要求很高，高线性，大动态范围，高镜像抑 制度，及前端电路的极低的噪声系数。数字中频接收机其功能多数由软件控制， 缩短了开发周期，降低了费用。通过软件可方便的完成系统频带调整，自适应选 频，信号波形在线编程，调制解调方式控制等。同时，具有很强的开放性。系统 硬件模块化采用模块化设计，不同的模块实现不同的功能。系统的更新换代变成 了软件版本的升级，模块间的接口是标准化的，且是开放的【1 7 1 。 在第三章3 2 1 节接收机拓扑结构选择中将对以上几种接收机做简单比较。 第二章移动通信接收机设计基本理论 2 2 接收机前端的主要技术指标 移动通信系统中的接收机前端的主要技术指标有：噪声系数、灵敏度、接收 机的动态范围、接收机的阻塞特性、抗干扰特性等。限于篇幅，本文在这里只做 简单介绍。 2 2 1 接收机的噪声系数和灵敏度 衡量接收机对有用信号接收性能的好坏，通常以信号功率与噪声功率之比信 噪比来判断。对于二端口网络，通过网络的信号上的噪声量是相当重要的，表征 这种特性的重要参数就是噪声系数【1 蹦9 1 。噪声系数f 的定义为： f = 输入信噪比 s ，m 一=-：二一 输出信噪比s o o ( 2 1 ) 噪声系数通常用分贝数来表示即： n f = 1 0 l o g ( f ) ( 2 - 2 ) 对于一个多级级联的系统，噪声系数的计算公式为： f ：互+ 盟+ 型+ 玉+ ( 2 3 ) 1 g lg l g 2g l g 2 g 3 其中最和g ，分别为第i 级的噪声系数和增益。从式( 2 3 ) 可以看到，在整个 级联的网络系统中，整个系统的噪声系数主要取决于第一级的噪声系数和增益。 要降低整个系统的噪声系数，系统的第一级必须有较小的噪声系数和较高的增益。 灵敏度是衡量接收机接收微弱信号的能力。接收机的灵敏度越高，它所能够 接收到的信号就越弱，基站的作用距离就越远。接收信号的强度可用功率大小来 表示，所以接收机的灵敏度用能够辨别的最小信号功率来表示，如果信号功率 低于此值，信号将被淹没在噪声干扰之中，不能被辨别出来。 接收机灵敏度受各种因素影响，包括所接收信号的调制类型、中频带宽、解 调信噪比门限要求、以及接收机自身的噪声系数。接收机灵敏度与这些参数之间 的简单近似关系式【2 0 - 2 2 ： s m i n = k t 。+ 1 0 1 9 b w + n f + c i ( 2 - - 4 ) 式中：= 接收机灵敏度，单位d b m ； x t o = 热噪声= - 1 7 4 d b m ( 常温下) ； 9 电子科技大学硕士学位论文 b w = 接收机接收信号带宽，单位h z ； n f = 接收机噪声系数，单位d b ； c ，= 解调信噪比门限要求； 由式( 2 4 ) 可知，若要提高接收机的灵敏度，应做到：尽量降低接收机系 统的噪声系数，所以通常采用高增益、低噪声高频线性放大器：尽量降低系统 达到期望误码率所需的解调信噪比。 2 2 2 接收机动态范围 动态范围用来衡量接收机正常工作时，所允许的输入信号的强度变化范围。 通常一个系统的动态范围定义为该系统能够承受的信号强度范围，其上限指定为 偏离“理想 线性某个给定值时的最大输入或输出信号功率，其下限则为由噪声 系数、系统带宽和信号检测能力所决定的最小可检测信号。 接收机的动态范围有多种表示方法，其中比较常用的是l d b 增益压缩点的动 态范围和无虚假信号动态范副1 3 】。 2 2 2 1i d b 增益压缩点动态范围( d r ) 如果接收机系统的输出功率大到产生l d b 增益压缩时，输入信号的功率与最 小可检测信号( m d s ) 功率之比即称为系统的l d b 增益压缩点动态范围，如图2 5 所示。 p i 盘 m d sp u 图2 - 5l d b 增益压缩点动态范围示意图 l d b 压缩点如上图所示，实际输出响应曲线与它线性响应的延长线在输出功 率差l d b 时的输入功率为输入l d b 压缩点，用圪。扭来表示，相对应的实际输出响 应为输出l d b 压缩点，用丘拈表示，可知： 1 0 第二章移动通信接收机设计基本理论 墨扭= 己l 拈+ g l d b ( 2 5 ) 其中g 为网络的线性增益。 最小可检测信号m d s 定义为基底噪声以上3 d b 。室温下基底噪声为一 1 7 4 d b m h z ，则m d s 为1 7 1 d b m h z 。在一个噪声系数为n f 的系统中，系统要引 入噪声，基底噪声和m d s 需要加上n f ( d b ) ，在系统带宽为b w ( h z ) 的前提 下最小可检测信号m d s 为： m d s = - 1 7 1 d b m + 1 0 l o g 矽) + 加7( 2 6 ) 因此l d b 压缩点动态范围d r 可用以下公式表示： 徘( 招) = 己。拈一彪粥 ( 2 7 ) 2 2 2 2 无杂散动态范围( s f d r ) 无杂散动态范围又称为瞬态动态范围，是接收机常用的技术参数，主要描述 了接收机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。无杂散动 态范围上限的典型界定方法为：当接收机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 3 1 。 三阶互调产物是由于有源电路都具有非线性产生的。当两个强度足够大的干 扰信号经过天线加到接收机的输入端时，由于有源电路的非线性，这两个强干扰 信号就会相互混频产生杂散响应信号，被称为互调产物如图2 - 6 所示。 n 输入频谱 放大器 jlj 下t 2 f i 6n丘2 丘一6 输出频谱 图2 - 6 三阶互调产物示意图 三阶截断点被用来描述各种电子器件和无线接收机的互调失真特性。如图2 7 所示的就是双音三阶互调失真截断点的概念，在输入输出功率对数坐标图中的曲 线是典型的弱非线性系统付氏频率响应的基波分量和三次分量。图中斜率为1 的 曲线代表输入等幅双音信号在系统输出端响应中的基波分量。在小信号输入情况 电子科技大学硕士学位论文 下，即在压缩点以下，其输出是斜率为l 的线性响应，这表明输入增加l d b ，输出 相应地线性增加l d b 。斜率为3 的曲线所描述的是在随着等幅双音输入信号功率增 大，系统输出产生三阶互调失真的响应曲线。同样在压缩点以下，输入输出关系 是线性的，即输入每增加l d b ，输出线性增加3 d b 。这是由于三阶互调失真是由弱 非线性系统付氏频率响应中三次方项产生的，对应基波输入在对数坐标图中其斜 率3 这两条响应曲线线性部分虚构的延长线相交的点就是三阶截断点【2 4 之6 1 。 _ 一| i 7 。：7 一厂j 7_ 。 ，一 图2 7 三阶截断点不意图 系统的三阶截断点不能直接测量得到，但是可以根据下式可以计算得到： i m 3 = 3 最一2 i i p s ( 2 - 8 ) 其中： 肥= 输入三阶截断点，单位d b m ； i m s = 等效到输入端的三阶互调产物，单位d b m ； 兄= 测试输入的等功率双音信号功率，单位d 目i m ； 由此可以得到无杂散动态范围的定义公式为： ， s f d r = 寺( 鹚一m d s ) ( 2 - 9 ) j 可见，接收机的噪声系数低、中频带宽窄、三阶截断点高，则接收机无杂散 动态范围就大。 2 2 3 接收机阻塞指标 阻塞特性是指在信号带宽外的其它频率( 应除去邻道频率和杂散响应频率) 1 2 第二章移动通信接收机设计基本理论 存在大的干扰信号条件下，接收机接收有用信号而性能不超过给定恶化量的能力。 阻塞信号来源：l 、外部干扰：如来自c 网的半中频干扰，相邻小区的下行功 率，其它制式的下行功率等。2 、内部干扰：发射信号；发射本振泄漏，环测本振 泄漏，相邻载频的接收本振等。 接收机的阻塞指标主要与接收机前端的线性度、倒易混频、接收机前端的选 择性有关。 2 2 3 1 接收机前端的线性度 接收机前端低噪声放大器动态范围不够，即当较强的干扰信号进入接收机后， 使前端低噪声放大器进入饱和工作状态，造成有用的射频小信号增益压缩，也就 是通常所说的“大压小”现象，从而造成接收微弱信号增益下降，灵敏度下降。混频 器的非线性也会导致阻塞现象，这是由于混频器之前分配的高频增益偏高。接收 机混频器应工作于相对于l d b 压缩点至少回退6 - 7 d b ，否则当输入干扰信号和本 振信号满足关系式：厶= 删0 + h a 口时，即会造成干扰【2 8 1 。 信号压缩特性可用如下公式计算： 94 2 m = 1 + 二；( k 一1 ) ( 2 1 0 ) 4 搬一 式中m 为大信号( 幅度为a ) 下小信号增益变化系数，k - - 0 8 9 1 ，假设小信号 低于弓曲点n ( d b ) ，则小信号增益恶化量为： 一生 g ：= 2 0 1 0 9 m = 2 0 l o g ( 1 + 2 1 01 0 ( k 一1 ) ) ( 2 - 1 1 ) 由上式可得信号压缩特性如下表所示： 表2 - 1 信号压缩特性 大信号相对回退的电平( d b ) 小信号增益变化( d b ) 02 1 4 1 0o 1 9 - 1 60 0 4 8 2 00 0 1 9 3 0 o 0 0 1 9 根据上表，在接收机设计时，低噪放和混频器都要有适当当回退，以满足适 量的小信号增益变化范围。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 2 倒易混频 进入接收机的强干扰信号与本振信号的边带相位噪声或者杂散分量混频，其 产物落入中频带内形成中频噪声。( 也称折叠噪声) ，当中频噪声电平大到使中频 输出信噪比低于接收机解调门限信噪比时造成干扰。其干扰机理如图2 - 8 所示【2 9 1 。 在这种频谱分布情况下，由于本振噪声边带的客观存在，干扰信号与本振噪 声以及杂散的混频产物将落入接收带内形成同频干扰，从而恶化接收性能。 单音信号 有用信号 磊套絮瘩警：人 的本振信号名缪瓢 蝴日w _ 图2 8 倒易混频的机理 倒易混频还会影响中频的底噪，当偏离有用信号一定偏移量处的阻塞信号与 本振信号倒易混频后产生的信号会落在偏离有用信号偏移量处，那么这个信号虽 然会被抑制掉，但是其底噪会叠加在有用信号上面，使得中频信号的底噪抬升， 从而恶化接收机的性能。 通过合理的收机前端的l d b 压缩点的设计，前端压缩对本振相位噪声的影响 可以忽略不计，理想情况下倒易混频通过如下公式描述。 l ( 厂) = 多咄，1 4 ，一i s ：肋砖一c i 一1 0 l o g ( b w ) ( 2 - 1 2 ) 其中l ( a f ) 为偏离中心频率可处的相位噪声，单位d b c h z ，墨删为有用信号 电平，& 触为阻塞信号电平，c i 为解调信噪比门限要求，b w 为信道带宽。 根据上式按照协议规定的阻塞指标要求，可以提出对接收本振的相位噪声的 指标要求。 2 2 3 3 接收机前端选择性 通常接收机的选择性定义为：在邻近频率强干扰和信道阻塞的情况下，接收 机削弱干扰，选择有用信号的能力。在多数接收机拓扑结构中，选择性由中频信 1 4 第二章移动通信接收机设计基本理论 道选择滤波器决定，用矩形系数来表征其选择特性好坏【1 6 1 。 接收机选择性影响因素与接收机拓扑结构有很大关系，总的来讲，影响接收 机选择性的主要因素有中频滤波器、射频滤波器、镜像抑制滤波器以及数字中频 接收机中抗混叠滤波器等等【3 0 】。 滤波器抑制度指标与接收机天线口可能接收到的最差信号，链路的增益分配 以及滤波器在链路中的位置都有很大的关系。不仅如此，中频滤波器对阻塞信号 的抑制作用对模拟a g c 的动态范围有直接的影响。最理想的情况是通过滤波器的 选择作用，在接收机很前端就将干扰信号抑制掉，使干扰信号对带内信号的影响 降至最低。当然这在实际设计中是不可能的。 为了抑制带外阻塞信号以及满足接收机前端镜像抑制度要求，需要射频滤波 器提供一定的抑制度。在实际通信系统中，要结合接收机灵敏度等指标和标准中 规定的带外阻塞信号等提出要求。如在超外差接收机中，要使镜像干扰在可接受 的电平上，通常要求射频滤波器对镜像信号抑制度在6 0 d b 以上。镜像抑制滤波器 通常要求对镜像信号抑制达3 0 d b 以上。对中频滤波器提出要求的是带内阻塞信号。 抗混叠滤波器的作用是对a d 采样的混叠带进行抑制，减小混叠带的影响，这在 数字中频接收机中要求比较严格【3 l 】。 2 2 4 接收机抗干扰特性 现代移动通信系统的接收机结构中，总是至少存在一个频率转换的环节，即 混频器。在接收机的频率转换过程中，就出现了很多不愿意看到的组合频率干扰， 如半中频干扰、镜像频率干扰、交叉调制、互相调制、发射频段信号互调、阻塞 信号与本基站发射信号互调等等【2 8 l 【3 0 】【3 1 1 。这些干扰的出现，对于接收机能否顺利 实现接收功能带来了很大的困难。因此，必须尽最大的可能消除这些干扰，使得 所需的信号能够毫无影响的解调还原，完成通信。 接收机系统的抗干扰特性分析在接收机的设计中是至关重要的，本文将在 3 2 7 节结合d c s l 8 0 0 系统分析来阐述各种频率干扰产生的原因及其规避或者解决 方法。 电子科技大学硕士学位论文 第三章d c s l 8 0 0 接收机前端系统设计 本章在前二章基础上，参照3 g p pt s1 1 2 1 中d c s l 8 0 0 宏基站技术指标的 要求来进行接收机前端的系统设计。本章的主要内容有：l 、d c s l 8 0 0 接收机的系 统指标；2 、接收机前端的系统指标分析；3 、接收链路的设计与仿真。 3 1d c s l 8 0 0 接收机前端系统指标的要求 为了满足移动通信运营商对覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护 方便等方面越来越苛刻的要求，新型的移动通信基站要求接收机密度高、体积小、 接收灵敏度高、抗干扰能力强、支持e d g e 等多种业务。 参照( 3 g p pt s1 1 2 1 中d c s l 8 0 0 宏基站对上行接收部分的指标要求，并根 据运营商对基站指标的新要求，提出接收机前端的指标如表3 1 所示。 表3 1d c s l 8 0 0 接收机前端系统指标 性能指标项名称要求备注 双工模式f d d 工作频率 1 7 1 0 m h z 1 7 8 5 m h zd c s l 8 0 0 频段 频点号 5 1 2 n 8 8 5 f ( n ) = 1 7 1 0 2 + o 2 x ( n - 5 1 2 ) 信道间隔 2 0 0 k h z g m s k -1 1o l b m 静态灵敏度 8 p s k ：一9 5 d b m测试p d t c h m c s 9 信道 g m s k ：2 3 d b m 静态层1 指标 8 p s k ：2 6 d b m测试p d t c h m c s 9 信道 g m s k ：1 0 1 d b m 阻塞灵敏度 8 p s k ：8 8 5 d b m测试p d t c h m c s 6 信道 互调指标抑制 g m s k ：1 0 1 d b m 在不降低接收机前端指标的前提下，实现系统小型化，降低基站成本是本文 设计的主要目标。双工器的成本、体积在接收机前端所占比例很大，实现双工器 小型化将有效降低基站的体积和成本。双工器实现小型化，意味着双工器腔体数 1 6 第三章d c s l 8 0 0 接收机系统前端设计 目减小、带外抑制度降低、带内插损变小。分布式双工器的结构可以补偿由于双 工器小型化引起的带外抑制度的降低，它将发射滤波器对接收的抑制和接收滤波 器对发射的抑制指标分配给功率放大器前和第一级低噪放后的体积小、价格便宜 的射频声表滤波器来实现( 具体结构如图3 1 所示) ，但同时对于第一级l n a 的 线性度的要求提高。采用分布式双工器的结构需要重新对双工器、射频声表滤波 器、l n a 等器件重新分配指标，这将是接收机前端系统实现的关键。以往为了实 现d c s l 8 0 0 系统射频跳频功能，需要结构复杂、体积庞大的频率源电路来实现， 具有快锁功能的小数分频锁相环频率合成器a d f 4 1 9 3 的出现，同时兼顾g s m 系 统对锁定时间和相位噪声指标的要求，降低了成本，简化了电路。 3 2d c s l8 0 0 接收机前端系统指标分析 本节将按照分布式双工器结构提出对接收前端各个部件的指标要求。结合工 程上的实现难度确定接收机的结构、中频频率、链路规划，然后对接收机前端系 统的互调特性、阻塞特性、抗干扰特性、动态范围进行分析。 3 2 1 接收机结构选择 2 1 节中，一共列举了三种移动通信常用的接收机拓扑结构。零中频接收机虽 然结构简单，但是其存在着直流偏差、本振泄漏和闪烁噪声等诸多问题，对于实 现高指标的接收机前端系统仍然存在一定的问题，不宜采用。现代移动通信系统 中广泛采用超外差接收机和数字中频接收机。数字中频接收机虽然容易实现系统 硬件模块化设计，并且易于软件升级，但对于单载波接收机而言，由于采样频率 较高，a d c 成本较高，与超外差接收机相比没有成本优势。在单载波接收机中， 超外差接收机结构的中频滤波器可以很好的实现信道选择功能。当然超外差接收 机也存在组合干扰频率分量多，另外在单载波系统中直流干扰也是需要克服的因 素。直流干扰主要是由于本振泄露导致正交混频器自混频产生直流分量，从而导 致信噪比的恶化，但是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，直流失调相对稳定，可以通过直流校正的算法去除。直流干扰产生的另外 一个原因是正交解调器的偶次谐波失真。在存在一个强干扰的情况下，如果正交 解调器偶次谐波失真较大，则二阶产物中的直流分量将会干扰接收灵敏度。但是 只要适当的选取满足一定指标的正交解调器，采用简易的算法就可克服直流干扰 对超外差结构灵敏度的影响。综合考虑，本文最终选用超外差的接收机结构。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 由表3 1 可知，d c s l 8 0 0 系统具有很高的动态范围，需要采用a g c 电路来满 足要求( 详见3 2 8 节) 。考虑到d c s l 8 0 0 系统对接收机前端动态范围的要求和 a g c 响应时间等因素，本文接收机将只在中频进行a g c 的控制。 随着器件技术水平的发展，业界出现了一些集成度很高的