（电路与系统专业论文）基于80211bg协议的rf前端接收电路设计及部分电路实现.pdf

摘要 摘要 二战时，无线通信在军事方面得到了广泛的应用，此后，它在民用领域也迅 速发展起来。近年来，i e e e 制定了一系列与此相关的标准协议，用来规范不同国 家或不同公司所生产出来的产品之间的兼容性，其中就有著名的i e e e8 0 2 1 1b g 协 议。 本文首先简要的介绍了本课题的背景以及目前的发展状况，然后介绍了与射 频接收机相关的一些基本原理和经常用来衡量系统性能的指标，同时，深入分析 了8 0 2 1 1b g 标准协议的物理层规范要求，设计了一个满足此标准规范要求的接收 机方案，其指标相对于标准要求有足够的设计裕量，同时对该方案的指标进行了 验证，以及a d s 仿真。 本文同时依据方案中的子模块要求，详细的介绍了方案中预选滤波器、低噪 声放大器、p l l 扫频信号源的设计，其中预选滤波器采用了发夹型微带线的结构， 低噪声放大器使用a t f 5 3 1 p 8 晶体管，并制做了a d sd e s i g n t e m p l a t e ，而p l l 采用 了a d f4 1 0 6 锁相环芯片，使用f 3 3 0 对芯片进行编程，最后，对实际模块进行了测 试，子模块的测试结果基本达到了预期的指标要求，说明了方案的可行性。本文 中滤波器设计所使用的脚本程序以及低噪声放大器设计所使用的a d s 模版，均可 大大减少设计者重复设计的周期。 关键词：8 0 2 1 1b g 协议，射频前端，接收机，低噪放，锁相环 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a dav e r yw i d e l yu s e da p p l i c a t i o nd u r i n gt h e w o r l d w a ri ii nt h em i l i t a r yf i e l d ，a n dt h e ni tr a p i d l yd e v e l o p e di nt h ec i v i l i a na r e a i n r e c e n ty e a r s ，i e e e ，w h i c hi sav e r yf a m o u si n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ，d e f i n e st h e r e l a t e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，i n c l u d i n gt h ef a m o u si e e e8 0 2 11b gp r o t o c o l s ，t o r e g u l a t et h ec o m p a t i b i l i t yo ft h ep r o d u c t sp r o d u c e db yd i f f e r e n tc o u n t r i e so rc o m p a n i e s t h i sp a p e rf i r s tp r e s e n t st h eb a c k g r o u n do ft h i si s s u ea n dt h es t a t eo ft h ea r t d e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u ei nt h i sf i e l d ，a n dt h e nd i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r yo f t h er f r e c e i v e ra n dc o m m o n l yu s e ds p e c i f i c a t i o n sf o rp e r f o r m a n c ev e r i f i n g , m e a n w h i l e ，a f t e r d e e p l yi n v e s t i g a t e dt h ep h y s i c a ll a y e ro ft h e8 0 2 11b gp r o t o c o l ，t h e nd e s i g n sa nr f f r o n t - e n ds o l u t i o nb a s e do nt h e8 0 2 1 1b gp r o t o c o lr e q u i r e m e n t s ，t h es p e c i f i c a t i o no f t h es o l u t i o nh a ss u f f i c i e n td e s i g nm a r g i n t h i sp a p e ra l s oe x a m i n e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e s o l u t i o nb yc a l c u l a t i o na n da d ss i m u l a t i o n t h i sp a p e rd e s i g n st h ef r e q u e n c ys e l e c t i o nb a n dp a s sf i l t e r ( b p f ) ，l o wn o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) a n dp l ls w e e ps i g n a ls o u r c e , b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so ft h e s o l u t i o n t h eb p fi sb a s e do nam i c r o s t r i ph a i r - p i nf i l t e rs t r u c t u r e ，t h el n au s e st h e a t f - 5 31 p 8p h e m tf e t , a n dd e s i g n sa na d st e m p l a t ef o rr e d e s i g nu s a g e ，a n dt h e a d f4 10 6p l l c h i pw a su s e df o rt h el od e s i g n ，a n dp r o g r a m m e db yf 3 3 0 a tl a s t ，t h e m o d u l e sw e r et e s t e d ，a n dt h et e s t i n gr e s u l t ss a t i s f yt h es p e c i f i c a t i o n s ，w h i c hp r o v et h e f e a s i b i l i t yo ft h es o l u t i o n t h es c r i p tu s e di nt h eb p fd e s i g na n dt h ed e s i g nt e m p l a t e u s e di nt h el n a d e s i g nc a nr e d u c et h ew o r k l o a do fs i m i l a rd e s i g n ss i g n i f i c a n t l y k e y w o r d s ：8 0 2 11b gp r o t o c o l ，r ff r o n t e n d ，r e c e i v e r , l o wn o i s ea m p l i f i e r , p l l h 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： 受益埠一一日期：知年j 1 月“扫 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) 琢弘予 日期：0 o l o 年j 月挑日 第一章绪论 1 1 无线局域网协议的发展 第一章绪论 无线通讯在二次大战中取得了军事上的成功，此后，各国科学家开始将无线 通讯应用于民用领域。与此同时，各个国家迫切需要一个组织来制定一些标准的 协议，这样不同国家所生产的通信设备才可以相互通信。国际电气电子工程师协 会( m e e ) 作为国际性的电子技术与电子工程师协会，同时，也是全世界最大的 专业技术组织之一，负责制定相应的通信协议，以此来规范通信技术的发展。 i s m 频段是工业、科学和医学用频段，一般各个国家都保留了一些无线频段， 用于工业以及科学研究和微波医疗方面的应用。应用这些频段是不需要许可证的， 只需要遵守一定的发射功率标准( 一般不高于1 w ) ，并且不要给其它的频段造成 干扰即可【1 1 。不同的国家，其使用的i s m 频段可能会有差别，比如美国使用的有 三个：9 0 2 - - , 9 2 8m a z 、2 4 0 0 2 4 3 8 5m n z 以及5 7 2 5 5 8 3 0m h z ，而在欧洲，9 0 0m h z 的频段有一部分则用于g s m 。不过，基本上2 4g h z 是各国通用的i s m 频段。所 以，诸如无线局域网，蓝牙，z i g b e e 等无线网络，都可以工作在2 4g h z 的频段 上。 由于无线网络相对于有线网络，在移动性方面有无可比拟的优势，虽然在数 据传输的速率方面仍然有一定的差距，但是依然有很多国家致力于无线局域网的 发展。1 9 9 7 年，i e e e 为无线局域网制定了第一个标准，即i e e e8 0 2 1 1 协议，此 协议中定义了媒体存取控制层( m a c 层) 和物理层，而其中的物理层就定义了工 作在2 4g h z 的i s m 频段上面的两种调制方式和一种红外传输的方式，其总数据 传输速率为2m b p s 。两个设备之间的通信可以使用设备到设备( a c th o e ) 的方式进 行，也可以在基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 或者访问点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 的协调下进 行。为了区分多站时共同发射信号，m a c 层采用了c s m a c a 的沟通方式。 由于8 0 2 1 1 协议的速率传输并不够快，所以在1 9 9 9 年的时候，i e e e 补充了 两个版本用来提高速率，即：定义在5g h zi s m 频段，数据传输率达到了5 4m b p s 的8 0 2 1 1a ，以及定义在2 4g h zi s m 频段，数据传输率达到1 1m b p s 的8 0 2 1 1b 协议。不过，由于2 4g h zi s m 频段为各国所通用，再加上之前的8 0 2 1 1 协议也 工作在2 4g h z ，所以，数据率高的8 0 2 1 1a 协议并未获得广泛的推广，反而是数 电子科技大学硕士学位论文 据传输率低一些的8 0 2 1 1b 协议应用更多。不过，相对于有线网络日益发展的高 数据率传输，8 0 2 11b 协议需要进一步提高其数据传输速率。2 0 0 3 年7 月份，i e e e 推出了8 0 2 1 lg 协议，其载波同样工作在2 4g h z ，但数据传输率提高至5 4m b p s ( 与8 0 2 1 1a 相同) ，净传输速率也达到了2 4 7m b p s 【2 1 。由于8 0 2 1 1g 协议向下兼 容8 0 2 1 1b 协议的设备，所以自推出后，支持它的设备也越来越多。由于8 0 2 1 1a 协议与它们的频率不同，所以并未出现太多同时支持这三个协议的设备，一是因 为商家节约成本，二是因为支持8 0 2 1 1b g 协议的设备已经几乎可以在任何开放 8 0 2 1 1 标准的国家使用。更快速的数据传输协议还有8 0 2 1 1n 协议，它于2 0 0 9 年 9 月获得正式批准，它的速度理论值为3 0 0m b p s ，增加了对m i m o 的标准支持， 使用多个发射和接收天线来提供更高的数据传输率。不过由于m i m o 的技术还并 未十分成熟，所以支持该协议的设备仍然是少数，而大多数依然是支持8 0 2 1 1b g 两种协议，本论文所设计的射频前端电路即支持8 0 2 1 1b g 协议的规范标准。 1 2w i f i 与8 0 2 11 的区别 由于目前工作在2 4g h z 的设备很多，包括蓝牙、微波炉、无线局域网等，而 同时，w i f i 网络已经成为一个时尚名词，很多手机的一个额外功能就是w i - f i 的 支持，但是很多人并未理解w i f i 的真正含义，而将它与8 0 2 11 混为一谈，这其 实是不正确的。 事实上，w i f i 是一个由w i f i 联盟所持有的无线网络通信技术品牌，它是用 来标贴在经过组织验证后支持8 0 2 1 1 协议簇标准的设备上。其主要目的是用来改 善基于8 0 2 1 1 协议的无线网络产品之间的连通性。不同国家、不同厂家所生产出 来的通信产品，只要支持相同的8 0 2 1 1 协议簇标准，则这两个设备之间就可以相 互连通，进行数据共享与传输。 1 38 0 2 11b g 协议简介 初始的8 0 2 11 协议其数据传输率仅为2m b p s ，载波频率为2 4g h z ，其低速 率的调制方式有d b p s k 以及d q p s k 。其后补充的8 0 2 1 1b 协议，总的数据传输 率扩展到1 1m b p s ，载波频率不变，它使用的m a c 层协议为c s m a c a ，与8 0 2 1 1 相同，采用了直接序列扩频技术( d s s s ) ，使用的调制方式为补充编码键( c c k ) 。 由于工作在2 4g h z 的设备并不少，所以8 0 2 1 1b 有很多干扰源，比如：微波炉、 2 第一章绪论 蓝牙设备、婴儿看护仪、无绳电话等【3 】。 8 0 2 1 1b 协议是采用点对多点模式( p - m p ) ，一个接入点使用多向天线与其它 一个或者多个客户端通信，不过该点与其它点的通信必须在一定的范围内，此协 议在室内的范围大约为3 0 米( 1 1m b p s ) ，9 0 米( 1m b p s ) ，而在室外的范围大约 为1 0 0 米，其整个带宽是动态可变的。如果外置一个高增益天线，也可以将此协 议配置成为点对点模式，这种模式的好处是可以增大通信距离，一般可以达到8 公里。另外，此协议的数据传输率是可调，最大时为1 1m b p s ，可以回退至5 5m l r p s 、 2m b p s 、lm b p s ，这是根据接收到的信号的质量( 比如信噪比) 来自适应处理与 发射端同步的。该协议在2 4g i - i z 有多个频道，而不同的国家可能采取不同的信道， 其具体的信道分布图如下图1 1 所示： 图1 - 18 0 2 1 ib g 信道图 从上图可看出在2 4g h z 左右的信道一共有1 4 个，8 0 2 1 1b 的带宽为2 2m h z ， 而8 0 2 1 1g 的为2 0m h z 。其中的l 到1 3 信道是连续的，每两个信道之间相距5 1 v l n z ，而1 4 信道与它们是分开的，距1 3 信道1 2m i - i z 。另外，可以看到有几个信 道之间是相互没有任何干扰的，如1 、6 、1 1 这三个。并非每一个国家都支持所有 的1 4 个信道，不同国家有不同的规定，北美对于前面的1 1 个信道完全支持，美 国规定在低功率条件下也可使用1 2 、1 3 信道。一般为了避免潜在的干扰，1 2 、1 3 信道使用的并不多，而1 4 信道则不被支持。日本的8 0 2 1 1b 协议支持全部的1 4 个信道，而对于8 0 2 11g 协议，则不支持第1 4 信道。本论文将支持美国的标准， 即接收的频率范围在2 4g h z 到2 4 8 3 5g h z 之间，支持前面1 3 个信道，基本上这 样的设备可以在任何国家使用了。 8 0 2 1 1a 采用了o f d m 技术，但是工作在5g h z 频带，所以并未得到广泛应 用，后来制定的8 0 2 1 1g 协议仍然工作在2 4g h z 处，与8 0 2 1 1b 具有相同的信道 分配，而数据传输采用o f d m 技术，速率高达5 4m b p s 。8 0 2 1 1g 设备向下兼容 8 0 2 1 1b 设备，允许数据传输率下降至低速率。8 0 2 1 1g 的设备也具有可变的数据 传输率，数据在传输时，经过卷积编码、加入前导码、加入扰乱码等，然后依照 不同的数据传输率进行交叉存取以及调制。下表1 1 给出了8 0 2 1 1b g 协议所定义 电子科技大学硕士学位论文 的传输标准。 表1 - 18 0 2 1 1b g 不同数据传输率的标准 1 4 7 2 字节传输时间数据速率 调制方式 编码率 n d p s ( m o p s )( u s ) 1 d b p s k + d s s s 2 d q p s k + d s s s 5 5c c k 6b p s k1 2 2 42 0 1 2 9 b p s k3 43 61 4 4 1 1c c k 1 2 q p s k 1 2 4 81 0 0 8 1 8 q p s k 3 47 26 7 2 2 4 1 6 - q a m 1 29 65 0 4 3 6 1 6 一q a m 3 41 4 43 3 6 4 8 6 4 - q a m 2 31 9 22 5 2 5 4 6 4 - q a m 3 42 1 62 2 4 原始的信息首先经编码，加上一些辅助信息( 如帧头信息) ，组成数据帧，然 后通过相应的调制方式进行调制，这个过程都可在基带使用d s p 完成，调制后的 信号经由发射器将频率提升至2 4g h z ，选择不同的载频( 即信道) 调制后发射。 接收过程正好相反，首先将高频的信号下变频至基带，然后进行d s p 解调、解码， 还原为原始信息。为了控制误码率，i e e e 制定了一系列的信道编码方式，误差编 码以及数据帧格式等，用来提供数据更可靠的传输以及纠错，这里就不再陈述【5 】。 1 4 国内外研究现状 目前国外的w i f i 设备很普及，前端的射频电路前端大部分已经被集成到一块 c m o s 芯片上面，主要的生产厂商有a t h e r o s ，b r o a d c o m ，i n t d ，t i ，r e l t e k 等， 它们的产品有的已经将w i f i 功能集成到手机射频芯片上。而国内就应用型公司来 说，还是有很多公司生产w i f i 设备的，它们主要是采用国外的芯片来实现w i - f i 功能，如华为，t p l i l l k 等公司，它们所生产的无线路由器、无线交换机等产品， 4 第一章绪论 目前正在大量应用在人们的日常生活中。但是，国内在w i f i 或手机射频芯片这一 方面的发展还远远不够，距离国外还有很大的差距。 1 5 论文结构组织 本文一共分为六章，本章为第一章，主要简介了8 0 2 1 1 协议的发展历史，其 余五章的内容分别如下： 第二章介绍一些与接收机相关的指标，以及一些常用的接收机结构。 第三章基于8 0 2 1 1b g 协议，设计了一个射频前端接收电路，包含具体的指标 分析。然后对设计方案进行了论证以及a d s 仿真，论证了方案的可行性。 第四章从微带滤波器的基本原理开始，阐述了一个完整的微带滤波器设计过 程，并结合本设计方案，设计了一个发夹型微带选频滤波器，最后经生产测试， 其指标基本满足设计要求。 第五章详细介绍了射频低噪声放大器的设计思路，包括从初始器件的选择等 等，到最终的成品设计，调试都有详细的论述，另外设计了a d s 模版，可以减化 l n a 的设计。 第六章给出了一个基于a d f4 1 0 6 的本振p l l 源设计，使用f 3 3 0 单片机对其 进行编程，程序采用c 语言编写，具有易移植性的特点。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章接收机的基本理论 传统的有线通信业务，如模拟电话等，缩短了人与人之间沟通的距离，改变 了人们的生活，给人们的远程沟通带来了非常大的好处。但由于其便携性能不好， 在人们的日常生活使用中，仍然存在着诸多不便之处。因此，无线通信业务的兴 起、发展必然会吸引更多的人参与其中。 无线通信主要基于电磁波理论，这是1 8 6 4 年，由英国的物理学家麦克斯韦推 出的一套电磁理论，自1 8 9 5 年意大利的马克尼实现了仅跨距数百米的无线通信， 到目前蓬勃发展的无线通信业务：个人移动电话、蓝牙、无线网接入等，它都起 着非常重要的作用。本章简单介绍一些常见的接收机结构以及常用指标，由于这 些内容基本在任何一本无线接收系统的书中均可以找到，所以本章并未做非常详 细的说明，有兴趣的读者可以在参考文献1 中找到。 2 1 常见的接收机体系结构 1 超外差结构 此结构由阿姆斯特朗于1 9 1 8 年提出，也是应用非常广泛的一种结构，下图2 1 是其基本的结构框图。 图2 - 1 超外差结构接收机 外差一词的含义即是存在混频：即两个信号相乘。在此处，即r f 射频输入信 号与本振l o 信号通过混频相乘，将携带的信息从高频载波上面转移的较低的中频 载频上。未采取此结构前，需直接对射频信号进行信道选择，此时的选频滤波器 需要很高的q 值，同时又要插入损耗特别小，否则会导致噪声系数高，这样的滤 波器实际上是很难设计的。而使用外差结构后，将有用信息从高频载波( 微波、 6 第二章接收机的基本理论 射频信号) 降至比较低的中频，再设计此时的信道选择滤波器，相对来说就简单 多了。若接收信号频率非常高，也可采取多次混频的形式，不过由此导致的结果 将是系统的复杂性随之增大，成本升高。 超外差结构的优点有点很多：如高灵敏度、可接受信号范围大、选频特性好、 容易调试其模块电路等，非常适用于接收弱信号。但同时，它的缺点也很明显， 首先由于混频器的存在，不可避免的会引入镜频，所以一般前级的滤波器同时需 要具有镜像频率抑制的功能；另外由于此结构电路复杂、需要的元器件多，这也 造成此种结构电路比较不容易被集成。 2 零中频结构 前面所述的超外差结构并不利于电路的集成，不过，当前半导体产业的迅猛 发展，已经可以在一块很小的c m o s 芯片上面，集成一个功能很强大的电路，而 超外差结构的弊端，阻碍着这种工艺在模拟电路中的应用，因此，出现了另外一 种接收结构：零中频结构。 图2 2 零中频结构接收机 图2 2 是零中频结构的基本原理图，它将信号直接由射频降至基带，分成两路 i 、q 信号，然后交由d s p 处理。由于r f 与l o 的频率相同，所以混频后的中频 为0h z ，由此得名。由于只有一次混频，因此结构简单，同时由于是零中频，所 以不存在无用的镜频干扰。不过，事实上现代通信中使用此种结构的应用并不多。 此结构的性能不好，其主要原因是由于本振的泄漏引起的。从下图中看到。 r ( f ) + 出“ 图2 3 零中频接收机中本振泄漏和辐射 7 电子科技大学硕士学位论文 首先，由于r f 与l o 频率相同( 或者非常接近) ，所以当l o 信号泄漏至射频 端口后，就会进入混频器与它自身相混，产生出直流信号。此直流将直接影响到 系统的直流偏置，所以这种结构对系统的偏置电路要求很高。 其次，由于在低频端有l f 噪声，而这种低频的噪声虽然非常让人讨厌但是又 无有效的方法可以抑制它对系统性能的恶化，所以1 f 噪声在此结构中是一个需要 引起特别关注的一个噪声源。 第三，l o 信号可经由天线辐射出去，这会对邻近信道的信号接收造成严重影 响。另外，辐射出去的信号可能会再次进入接收机，从而恶化系统性能。 最后，此结构对基带的滤波器要求比较高，同时，对整个系统的增益动态范 围要求比较苛刻，而且所需的a d 转换器也要有更宽的动态范围。 3 低中频接收机结构 综合前面所述两种结构，有人提出了低中频结构的概念：将中频选择在一个 非常低的频率上，但又不是零频，这样可避免直流漂移、闪烁噪声等的影响，不 过这样做的直接后果是增加了镜像频率的抑制难度。低中频接收机中普遍使用正 交镜频抑制混频器和多相滤波器来实现， 之后存在的相位不同来消除镜频干扰的。 它们均是利用信号和镜像干扰经过混频 图2 - 4 是低中频接收机的结构框图。 图2 4 低中频援收机结构 4 镜频抑制接收机结构 镜频干扰是超外差接收机中非常常见的严重问题，合理的选择中频和高性能 的预选滤波器对于滤除镜像频率是非常有效的，但在高频上实现高q 值的滤波器 是非常困难的，如果接收机可采用正交结构，原则上来说就可以解决此问题。目 前的正交结构主要有h a r t l c y 和w e a v e r 两种结构，其中h a r t l c y 结构如图2 5 所示。 第二章接收机的基本理论 图2 - 5h a r t l e y 结构 在h a r t l c y 结构中，输入信号经l n a 后分为上、下两路，进行正交混频。设 有用信号为kc o s c o s t ，其镜像信号为kc o s c o , t ，两者同时进入接收机，则有： k ( f ) = k c o s 国, t + g , c o s c o t t ( 2 1 ) 混频、滤波后有： 吃( f ) = 圪2 s i n o h e t - v t 2 s i n c o w t ( 2 - 2 ) ： v b ( t ) = k 2 c o s c o w t + v t 2 c o s c o r o t ( 2 3 ) 上支路经相移后为： k ( f ) = 圪2 c o s c o w t - 2 c o s a b e t ( 2 4 ) 最后上下支路合成的中频输出为： v ，= 圪c o s o ) w t ( 2 5 ) 可以看到，输出中不再有镜频信号了，w e a v e r 与h a r t l e y 结构相似，两者在理 论上可以完全消除镜频的影响，但在实际中却显然不可能，因此定义镜像抑制比 ( i r r ) ，用来衡量系统对镜频信号的抑制能力。设系统功率增益的失配是鲋彳， 相位失配为9 ，则i r r 的定义为： 珊 ( 鲋彳) 2 + a 0 2 4 ( 2 - 6 ) 2 2 接收系统的主要技术指标 接收机作为通信系统中必不可少的一个部分，有一些常用的指标可用来衡量 其性能，其中包括：灵敏度、噪声系数、线性度、动态范围、杂散等。这些指标 适用于多类通信系统，这里略微提几个，其余的指标感兴趣的读者可以在参考文 献中找到它们的定义。 9 电子科技大学硕士学位论文 1 灵敏度 灵敏度是衡量接收机接收能力的重要指标，它与系统的一些特性有关，比如： 系统系统检波所需的最小信噪比，以及调制类型等。灵敏度的定义如下式2 7 ： 只m 缸= 一1 7 4 锄+ 万+ 1 0l o g ( b ) + ，肼+ j 0 ( 2 - 7 ) 其中： e 曲：接收机的灵敏度，其单位为d b m n f ：系统的噪声系数，其单位为d b b ：接收机的中频带宽，其单位为h z k 。：系统检波时所需的信噪比，其单位为d b 疋：系统的调制特性函数，其单位为d b 从上式中可以看出，若想要提高系统的。缸，在系统特定调制方式的前提下， 只有减少噪声系数或中频带宽。另外，对与扩频系统来说，其灵敏度计算公式还 与系统扩频因子k 有关，计算公式为在上式的基础上减去k 的d b 值。 2 噪声系数 噪声是有源系统中必然会存在的产物。相较于有用信号，噪声是不需要的， 非但如此，它还影响对有用信号的接收。当它同有用信号功率差不多时，就会造 成无法提取出有用信号的现象。为了衡量系统这一特性，定义了信噪比，即有用 信号的功率与噪声功率之比，此值越大，说明信号功率比噪声功率越大，更易于 提取出有用信号，反之，则表示很难将有用信号提取出来。常见的二端口网络噪 声系数定义如下式2 8 所示： f ：黧翼：娑芝1 ( 2 - 8 ) 一= 一= 一，i 输出端信噪比s o d 一 图2 - 6 是二端口网络噪声模型，依定义有下式成立： s o = g s j n o = g n t + n o 墨 、 ，二端口网络 n t g n n 图2 - 6 二端口网络噪声模型 将式2 1 0 代入式2 - 9 得： l o ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第二章接收机的基本理论 f ：盟= 且 ( 2 1 1 ) g s , v o g n i - - 贺： o = 嘲 ( 2 - 1 2 ) 转换为分贝单位，则有： n f = l o l o g f ( 2 - 1 3 ) 于是，式2 1 2 变为： o ( 始) = m ( r i b ) + g ( d b ) + n f ( 2 1 4 ) 上式表明，从d b 值的角度来看，系统的输出端噪声功率由输入端噪声功率、 系统增益以及系统的总体噪声系数决定。m 的定义可参考下式： m = k t b ( 2 - 1 5 ) 其中b 是系统等效噪声带宽，所以有下式： m = o g k t b = ( f - 1 ) g k t b ( 2 1 6 ) f = 纺 ( 2 - 1 7 ) 另外，对于级联的系统来说，可以使用f r i i 公式得到总的噪声系数： 足：只+ 型+ 盟+ + 一互二! ( 2 1 8 ) 。1 g lg l g 2g l g 2 g 纠 从上式中可以看出来，系统前级模块的噪声系数对系统整体的噪声系数影响 最大，因此若想要降低系统的总体噪声系数，就应该尽可能减小系统前几级的噪 声系数并且同时保证它们尽可能有高增益。 3 动态范围 动态范围可以用来衡量接收机的工作能力，在不同的条件下，动态范围的定 义可能会有差别，这里给予简单的介绍。 a 线性动态范围 ( 1 ) 1 - d b 压缩点 理想的线性二端口网络，其输入输出应呈现出绝对的线性关系，但实际上此 类系统是不存在的。对于有非线性特性的系统，其输入与输出并不是在所有范围 内都呈线性的，1 - d b 压缩点即可用来衡量系统的线性程度。如下图2 7 所示： 电子科技大学硕士学位论文 p 1 图2 - 71 - d b 压缩点示意图 从图中可以看到，当系统是线性时，其输入与输出总是成正比的。不过，随 着输入信号的功率增大，系统的非线性特性开始显现出来。一般系统的增益都会 呈现出一种压缩的趋势，毕竟如果增益越来越大，系统将会振荡起来。1 - d b 压缩 点的定义为当系统输入功率达到某一值时，其实际输出与理想输出相差1d b ，此时 的输出点定义为l - d b 压缩点名招，而输入功率则定义为输入1 一d b 压缩点圪。拈。 只招、己埘以及系统增益g 有如下关系存在： p= p g + 1 d b (219)i上n 1 d b 一上i d b u 工、一1 7 ， ( 2 ) 最小可检测信号( m d s ) 最小可检测信号( m i n i m u md e t e c t a b l es i g n a l ，m d s ) 的定义为：单位h z 内， 理想无噪系统的基底热噪声以上3d b 的电平。如图2 8 所示。由于室温条件下，无 噪系统单位h z 的噪底为1 7 4d b m ，所以此时的m d s 应为1 7 1d b m 。不过对于实际 的系统来说，应该同时考虑系统的等效噪声宽度b ，以及系统的噪声系数n f ，所以 实际系统的m d s 计算公式应该修改为： m d s = 一1 7 1 , i b m + l o l o g b + n f ( 2 2 0 ) h p 一d r _ 一 图2 8 动态范围示意图 1 2 第二章接收机的基本理论 ( 3 ) 线性动态范围( d r ) 线性动态范围( d y n a m i c r a n g e ，d r ) 定义为m d s 到暑拈之间的距离，即： d r ( d b ) = 最脚一此嬲 ( 2 2 1 ) 由于m d s 的定义在单位h z 上，所以d r 也定义在单位h z 上。不过，由于d r 本 身并没有提供系统的非线性特性，所以它在实际应用中一般多用于比较两个或多 个系统的性能时用到。 b 无杂散动态范围 ( 1 ) 三阶交调截断点( i p 3 ) 双音测试广泛应用于射频系统中：输入两个等功率、且频率相距非常近的信 号，设它们的频率分别为z 、五，由于非线性影响，这两个信号经过系统后会产 生组合频率干扰，其形式为：硕n a ，其中的m 、n 为整数。由于非线性特性在高 次项的泰勒系数越来越小，因此，对系统影响较大的干扰一般m 、n 并不太大。在 所有的产物中，二阶交调产物z 五和三阶交调产物2 f l + f i 、2 以z 对系统的影 响则是最大的。一般由于二阶产物距石、z 比较远，因此可以比较轻易的滤除掉， 但三阶交调产物却往往就在彳、五附近，所以很难被剔除，它们对系统的影响就 非常大，可以从下图2 9 中看到这些产物的分布。 ij 一- 2 a - a 协壬 miiiiii 频率一m h z 图2 - 9 二阶与三阶双音交调产物 三阶截断点i p 3 可用来衡量三阶产物对系统的影响，如下图2 1 0 所示： 电子科技大学硕士学位论文 g ( 图2 1 0 三阶截断点不恿图 首先将系统的非线性特性使用泰勒级数展开，然后将输入信号表达式代入后 会发现三阶产物会随输入信号的增加呈三倍与有用信号增加，也就是说三阶互调 产物在上图中的斜率是有用信号啊的三倍。最终，它会与理想线性系统的输出交 于一点，此时的输入被定义为输入三阶截断点( i 口3 ) ，而输出则为输出三阶截断 点( o m 3 ) 。不难看出i i p 3 与o i p 3 以及系统增益g 有下式2 2 2 的关系： 0 i p a ( d b m ) = i i p 3 ( d b m ) + g ( d o ) ( 2 - 2 2 ) 同时，互拈- 与o i p 3 有如下关系： o i p 3 只曲+ 1 0 6 3 ( 2 2 3 ) 对于多级系统，总的皿p 3 ，可使用下式计算【刀： 心，- f 上+ 旦+ 盟+ a + a , c 2 a 6 _ , 1 ( 2 - 2 4 ) l 胴l p 3 i i i p 3 i1 1 p 3 o i p 3 z = 1 i p 3 z + 呸 ( 2 - 2 5 ) 在这里，提醒需要设计高线性度接收系统的工程师，由于三阶截断点与噪声 系统都是越靠近系统前级，对系统整体指标影响越严重，所以在选择接收机的l n a 时应尽量选择n f 小，而暑拈大的器件( 臣p o i p 3 大) ，这是由于一般l n a 是系统第一 个增益大于1 的器件。不过好的性能也将意味着设计成本的增加，射频工程师应该 对此有一个好的权衡。 ( 2 ) 无杂散动态范围( s f d r ) 无杂散动态范围( s p u r - f r e ed r ，s f d r ) 说明了在强干扰存在条件下，接收 机对弱信号的接收能力。它定义在系统输入双音测试信号时，接收信号从m d s 到 系统还未产生三阶互调干扰处，它的含义可从上图2 8 中看到。 1 4 第二章接收机的基本理论 由于s f d r 的上限在三阶互调产物还未对系统造成影响处( 由于互调产物功 率此时与m d s 相同) ，所以系统此时基本上可以看做是绝对线性的。假设此时的 上限输入功率为只，则有下式2 2 6 成立： s f d r = 2 ( i i p 3 一只) ( 2 - 2 6 ) 同时，由于s f d r 定义为： s f d r = 一彪嬲 ( 2 - 2 7 ) 将式( 2 2 7 ) 代入式( 2 2 6 ) 可得： = x ( m d s + 2 i i p 3 ) ( 2 - 2 8 ) 所以： s f d r = p 。- m d s = ( 鹚- n f - l o l o g b + 1 7 1 ) ( 2 2 9 ) 由式( 2 2 9 ) 中可以看出，s f d r 与i i p 3 成正比，而与n f 以及b 成反比。 c 动态范围小结 通过上面的介绍可知动态范围的定义有多种形式，而它们使用的情况各不相 同，因此，首先应该弄清楚需要进行什么分析，然后才可以正确的选择到底该使 用哪种定义。一般来说，如果想要比较不同系统的性能，应该选择d r ，而如果系 统的增益是固定的，那么一般应选择比较它们的s f d r r l 。 4 其它指标 接收机除了前面提到的指标外，还存在很多其它的指标，比如：接收机的干 扰、内部杂散、镜像频率抑制比、阻塞、中频抑制等。由于这些指标几乎在所有 的接收机书籍中都可以找到，所以这里就不再一一叙述了，有兴趣的读者可参阅 参考文献l 。接下来的第三章将由8 0 2 1 1b g 的标准出发，设定本接收机的指标，以 及原理框图，并对系统进行仿真，验证设计的合理性。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 第三章系统设计及仿真验证 在第一章曾提过i e e e 是为了建立一系列标准而成立的，i e e e 审i j 定的规范，方 便各个不同的厂商、设计人员之间所设计的产品能够有效的兼容通信。无线局域 网i e e e8 0 2 1 1b g 协议有它的规范，本章从它的规范出发，设定满足i e e e 规范的接 收机指标，并设计接收机前端电路以及进行指标的分配。最后，对指标进行验证 以及使用高级系统仿真软件a d s 对设计方案进行了模拟仿真验证。 3 1 系统指标确立 对于设计一个实际的应用产品来说，指标的确立很显然是非常重要的，指标 设立的相对合理，可以使得设计出来的产品达到所期望的要求，而i e e e 负责制定 无线局域网的标准规范，所以可以从它的网站获取8 0 2 1 lb 繇统指标规范。 要详细论述8 0 2 1 lb g 的标准规范显然过于复杂，i e e e 在制定标准的过程中更 多注重了分层的结构。i e e e 的标准在底层链路称之为物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ，它包 括了很多信息，比如8 0 2 1 1 的结构( 如图3 1 ) 、差错控制、冲突检测等【8 】。这些东 西均是比较复杂的，虽然对于整个系统来说也是非常重要的，但是对于射频链路 来说，在这里应该关注的是8 0 2 1 1 规范中与射频接收前端指标相关的物理层部分。 图3 18 0 2 11 结构 在第一章中大概介留 - j 8 0 2 1 1b 儋的数据传输率以及各种传输率时调制方式的 定义( 见表1 1 ) 。下表3 1 给出 8 0 2 1 1b g b 示准在各种系统下调制方式下，对系统 1 6 第三章系统设计及仿真验证 的s n r 以及n f 的要求。 表3 18 0 2 11b g 系统各传输数率下s n r 及n f 数据率 调制方式编码率 瓯 s n r e b n o n f 标准 m b p s d b m d bd b d b 1d b p s k8 635 59 b ，g 2 d q p s k 8 336 2 59 b ，g 5 5c c k 7 9 479 5 b ，g 1 1c c k7 667 2 59 5 b ，g 6b p s kl 28 2479 g 9b p s k3 48 1 5 6 2 59 g 1 2 q p s k 1 27 96 5 6 5 9 5 g 1 8 q p s k 3 47 78 56 7 49 5 g 2 4 1 6 - q a m 1 27 4l l81 0 g 3 6 1 6 - q a m 3 47 01 4 59 7 3l o 5 g 4 86 4 - q a m2 36 61 91 2 9 71 0 g 5 4 6 4 - q a m 3 46 52 01 3 4 61 0 g 上表中的最是对系统灵敏度的要求，s n r 是对系统信噪比的要求，e 0 是 在满足b e r 为1 旷，用来进行相干解调所需要的符号噪声比，而n f 是对系统的噪 声系数的要求。从表中可以看出来，随着数据传输率的越来越大，晶越来越大， 这表明最小可检测信号的越来越大，这是由于随着传输率的提高，传送数据所占 据的带宽也越来越宽，而从解调的角度考虑，也需要更高的信噪比。在实际设计 指标的时候，设计师应该留一点设计裕量，将指标稍稍提高一些，这样可以保证 在批量生产时，产品能够容易通过测试要求。同时，也可以看出来8 0 2 1 1b g 相较 于g s m 以及w c d m a 等系统，对指标的要求也宽松的多，这也是它在近十几年内 一直发展如此迅猛的一个原因。 一般来说，由于无线通信在幅射过程中信号会不断的衰减，所以如果希望设 备工作范围更广，就会想尽量提高设备的发射功率，而同时，如果设备发射功率 过高，将很容易干扰到邻近信道的设备正常工作。因此，不同的设备其发射功率 的大小是由专门的组织做出了规范的，比如g s m1 8 0 0 ，它的发射功率是分为0 至u 1 5 ， 一共1 6 个等级的。最高等级0 的发射功率大概在3 0d b m l 9 】。而目前的3 g 手机，更是 要求在发射功率上面控制非常严格。i e e e 对8 0 2 1 1