（电路与系统专业论文）移动通信接收机前端的研究与设计.pdf

摘要 摘要 通信接收机的发展经历了上百年的时间。在长期的发展过程中，各种接收机 结构层出不穷。近年来，第三代移动通信技术快速发展，目前存在着三大主流标 准。其中，t d s c d m a 作为由中国主导的3 g 标准开始登上历史舞台，通过其独 特的无线接入技术给用户带来了优秀的3 g 体验。随着3 g 的商用，无线收发设备 的研究成为一个热点，研究其设计方法和性能具有重要的意义。 本文对无线通信行业的发展做了介绍并对各种3 g 通信标准的优缺点进行了 比较。基于3 g p p 的标准和接收机设计的理论，推导出t d s c d m a 无线接收机的 主要技术指标及要求。通过分析系统链路上各模块间的相互影响并考虑系统复杂 程度，对接收链路的各模块进行了方案设计，并对重要组成模块进行了仿真，根 据仿真结果搭建了射频前端的电路。通过对各模块以及整体链路的反复调试以及 改进，完成了接收机的实现并达到了设计要求。 本文的分析和设计是针对t d s c d m a 接收机，对于其它标准的接收机设计具 有参考意义。在本论文的设计中，考虑到了可扩展性，链路中除滤波器外的其它 模块均具有较宽的工作频带，当此接收机被应用于其他t d d 模式的通信标准时， 仅需要更换滤波器和本振模块即可。 关键词：t d s c d m a ，接收机，模数转换，参考灵敏度 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef i r s tr a d i or e c e i v e rf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na p p e a r e da b o u to n ec e n t u r y a g o w i t hm o r et h a n 10 0y e a r s d e v e l o p m e n t , i ti si m p l e m e n t e db yaw i d er a n g eo f a r c h i t e c t u r e s ，s p e c i a l i z e df o rd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np u r p o s e i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hh a se v o l v e dt ot h et h i r dg e n e r a t i o n ，i t i sp o s s i b l et ot r a n s m i ta n dr e c e i v eh i g hs p e e ds i g n a lf o rm o b i l es u b s c r i b e r s a m o n g d i f f e r e n t3 gs t a n d a r d s ，t d s c d m a ，w h i c hi sp r o m o t e db yp e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a , h a ss t e p p e do n t ot h es t a g eo fh i s t o r y , a n di th a sb r o u g h te x t r a o r d i n a r y3 ge x p e r i e n c et o s u b s c r i b e r sb ya p p l y i n gu n i q u er a d i oa c c e s st e c h n o l o g y w i r e l e s st r a n s c e i v e r sh a v e b e c o m ear e s e a r c hf o c u sw i t hi t sp r o c e s so fc o m m e r c i a l i z a t i o n ，a n dr e s e a r c h e sa b o u ti t s i m p l e m e n tm e t h o d sa n dp e r f o r m a n c e sh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s t h e g e n e r a l e v o l u t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i n d u s t r ya n dg i v e sc o m p a r i s o n sa b o u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e n d i f f e r e n t3 gs t a n d a r d s c r i t i c a lp a r a m e t e r sa n dt e c h n i c a lr e q u e s t so ft d s c d m a r e c e i v e ra r ea n a l y z e db a s e do n3 g p ps t a n d a r d w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nm o d u l e so fr e c e i v ec h a i na n dc o m p l e x i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m ，r e a s o n a b l es o l u t i o n sa r eg i v e nt oe a c hm o d u l e s i m u l a t i o n so fs o m ek e y m o d u l e a r ec a r r i e do u ta n dt h e i rc i r c u i t sa r ei m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n a f t e r r e p e a t e dd e b u g g i n ga n dm o d i f i c a t i o no ft h ec h a i n ，t h et e s t ss h o wt h a tt h ed e s i g nh a s f u l f i l l e dt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt d s c d m ar a d i or e c e i v e r ；i ta l s oc a nb er e f e r e n c e d b yr e c e i v e r so fo t h e rs t a n d a r d s c a p a b i l i t ya r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h i sr e c e i v e rc a n b ea p p l i e di no t h e rt d dc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d so n l yb er e p l a c i n gt h ef i l t e r sa n dl o c a l o s c i l l a t i o n k e y w o r d s ：t d s c d m a ，r e c e i v e r , a d c ，r e f e r e n c es e n s i t i v i t y 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：欲五哲签名：张五翟 日期：2 0l o 年j 月8 日 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：多氏玉堑签名：多氏玉踅导师签名： 日期：西，o 年5 月莎日 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖了匕 1 9 5 4 年移动电话服务首次出现在美国的圣路易斯市。经过半个多世纪的发 展，民用通信行业已经从第一代模拟通信演进到第三代数字宽带通信，在这个飞 速发展的过程中，多种无线通信标准相继制定，从第一代通信到第三代通信的各 种通信标准如图1 1 所示。为了给用户提供最佳的服务，各标准之间相互竞争，这 对通信行业的快速发展起到了巨大的推动作用。 第一代8 0 年代 模拟 第二代9 0 年代 数字 第三代 i m t 2 0 0 0 r ，、，、，、 l 罱甚等烈悟i 、叵三、一 、， 、一一，一， 、， 图1 - 1 民用通信系统发展过程 在上世纪3 0 年代，由于器件水平等因素的制约，常用频谱的最高频率仅为 1 m h z 。稀缺的频谱资源成为制约民用通信发展的瓶颈，移动通信频谱资源则大部 分用于军事方面。随着元器件水平的提高和技术的发展，民用通信标准所规定的 最高频率已达数g h z 。但是随着用户对于移动业务带宽需求的提高，频谱资源仍 然是各种标准争夺的焦点。这就要求各标准提高频谱资源利用率，以便在相同带 宽内满足更多用户的要求。 与第二代移动通信相比，第三代移动通信最大的区别在于它可以提供各种数 电子科技大学硕士学位论文 据、图像等移动多媒体服务。第三代移动通信标准，特别是时分同步码分多址( t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称t d s c d m a ) 标准的提 出，不仅使国内研发机构在3 g 核心技术领域中所掌握的核心知识产权迅速增加， 也将带动其他行业甚至整个国内经济的发展。 本章首先介绍了行业发展状况，随后讨论了第三代移动通信中不同标准间的 差别，并着重讨论了无线接入网的演进。最后说明了本论文的总体结构和工作内 容。 1 1 移动通信的发展概况 上世纪9 0 年代，以g s m 为代表的第二代移动通信开始蓬勃发展。这种高效 经济的通信模式立刻吸引了大量的个人用户，将世界从家庭通信时代( 以固话为 代表) 快速地带入了个人通信时代( 以移动通信台为代表) 。 此后，在很短的时间内，其他一些第二代移动通信标准相继推出，如高通公 司开发的码分多址( c d m a ) 移动通信系统。从技术角度上看，其性能与g s m 系 统差别不大。从原理角度上看，c d m a 按照不同的“编码”将不同的信号发送给 不同的用户设备中，与g s m 这种“时分”发送信号的方式有着本质区别。 在短短的数年内，第二代移动通信系统在世界范围内发展迅速。但是，由于 其数据速率低，不能很好的支持除语音通信外的其它业务。近年来，新的用户需 求不断提出，如互联网服务，多媒体视频等，其所需的数据率可参见图1 2 。第二 代移动通信在最初设计中的优化对象则是语音通话业务，已经无法满足新的用户 需求。 蛊 图1 - 2 不同业务类型所需要的传送速率 在这样的状况下，用户希望能使用功能更加强大的通信标准来获得多样化的 通信服务。为了满足用户所期望的多元化服务，国际电信联盟( i t u ) 最早在1 9 8 5 2 第一章绪论 年提出了第三代移动通信的概念，当时的名称为未来公众陆地移动通信系统 ( f p l m t s ) ，在1 9 9 6 年被更名为i m t - 2 0 0 0 。当时系统预期在2 0 0 0 年前后实现商 用，最高业务速率高达2 0 0 0 k b w s 。 i m t - 2 0 0 0 的框架是将卫星移动通信网和地面移动通信网结合起来，形成全球 无缝覆盖的立体通信网络，满足人口密集的城市和偏远地区的通信需求。从业务 角度上讲，第三代移动通信支持话音、数据和多媒体服务。 与之前的标准相比，第三代移动通信具有以下特点： 业务类型多样，提供语音、数据和多媒体业务。车载通信速率为1 4 4 k b i f f s ， 步行通信速率为3 8 4 k b i t s ，室内通信速率为2 m b i t s ； 兼容性好，提供全球无缝覆盖和漫游，在全球范围内具有高度兼容性； 频谱利用率高，通信容量大； 数据传送灵活性高，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送； 系统充分考虑到第三代和第二代移动通信的兼容性，可以实现平滑过渡； 第三代移动通信网络结构如图1 3 所示，由3 个部分组成：核心网子系统、无 线接入网子系统和终端用户。系统从物理上分成两个域：基础设备域和用户设备 域。基础设备域分成核心网子系统和无线接入网子系统。 一一l 一一一互一一一一一一一一一一一e l l - - l 舀 l 二二二二二二二二二蚤二亘 无线接入网 终端用户 图1 3 第三代移动通信网络结构图 核心网介于传统的有线通信网络和无线通信网络之间，起到两者互联的作用 【2 】。核心网和接入网是独立的。对于核心网而言，它并不在意接入网采用哪种具体 的接入方式。例如，t d s c d m a 和宽带码分多址( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，简称w c d m a ) 可以采用相同的核心网。 无线接入网子系统负责在移动终端用户和核心网之间传送和管理数据，由无 一一 一一【丫门u一 一 一，一 一一白一 电子科技大学硕士学位论文 线网络控制器和收发信机n o d e b 组成，在不同的要求中，同一个无线网络控制器 ( r n c ) 可以连接一个或多个n o d e b 设备。n o d e b 和r n c 之间通过l u b 接口进 行通信。 11 1 核心网 核心网丰要完成网络内部所有的语音呼叫、数据连接和交换，以及与外部其 他网络的连接和路由选择。 第二代移动通信g s m g p r s 系统的核心网经过多年的发展和平滑过渡，经历 了h s c s d 、g p r s 、e d g e 和u t r a 阶段，如图1 - 4 所示，目前已经可以兼容 w c d m a 和t d s c d m a 这两种无线接入标准。 h 篇删b u m l 5 鼢g 。s m + 匡， 图1 4g s m 核心网的演进过程 核心网中包含了电路域和分组域两大类业务，其中电路域部分控制语音和视 频电话：分组域则控制互联网和多媒体业务。核心网的发展方向是全i p 网络，即 全网通信以优化的数据通信为目的。语音通信作为数据通信的一部分，不再单独 对6 4 k 的标准语音进行压缩处理。 12 无线接入网 1 9 9 9 年1 1 月在国际电联芬兰会议上确定了3 g 无线接口技术标准。此标准包 含了码分多址( c d m a ) 和时分多址( t d m a ) 两大类五种技术： i m t - 2 0 0 0c d m a d s 对应w c d m a ： 第一章绪论 i m t - 2 0 0 0c d m am c 对应c d m a 2 0 0 0 ； i m t - 2 0 0 0c d m at d d 对应u t r at d d c d m a 和t d s c d m a ； i m t - 2 0 0 0t d m as c 对应u w c 1 3 6 ； i m t - 2 0 0 0f d m 刖t d m a 对应d e c t ； 在第三代移动通信的五种标准中，c d m a 是主流的多址接入技术。由于其采 用了扩频技术，c d m a 系统具有许多优点：抗多径衰减、抗噪能力、软容量、软 切换并且系统容量大于g s m 系统。 使用频谱扩展技术，不同频点包含着同样的信息，当某个频点衰减较大时， 其他频点的信息仍然可以解出，有利于提高信号传送的稳定性，如图1 - 5 所示。当 干扰信号是影响灵敏度的最大因素时，使用频谱扩展技术可以有效的提高灵敏度。 型 蛏 打e q u e n c y1 1 e q u e n c y g s m 系统 。 c d m a 系统 图1 - 5g s m 和c d m a 系统在不同空间衰减时接收信号比较 在扩频通信中，原始数据通过与伪随机码相乘的方式扩展了数据频谱。在接 收端，信号频带内的信号功率谱可能会低于噪声谱密度，即信号功率比噪声功率 要弱。经过数字解扩频码的方式，将噪声叠加消除而信号叠加功率增强，得到所 需要的信号噪声比。 另外，采用c d m a 技术使得通信容量可以灵活配置。比如，可以将扩频码的 个数设为1 1 6 个，分别应对少用户数高带宽或多用户数低带宽的应用。 在这五种技术中，前三种为目前公认的主流技术，它又分为时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种方式。例如，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 是f d d 方式，而 t d s c d m a 为t d d 模式。本节将分别介绍这3 种主流技术的特点。 1 1 2 1w c d m a 标准特点 w c d m a 由欧洲标准化组织制定，受到全球设备商、器件商和运营商的广泛 电子科技大学硕士学位论文 支持。其核心网是由g s m g p r s 网络演进而来的，保持了与g s m g p r s 的兼容性。 运营商只需要在现有g s m 网络上添加一些软硬件即可升级为w c d m a ，所以采用 w c d m a 能够最大程度的利用对g s m 的投资。 w c d m a 的空中接口使用了宽带c d m a 技术，即宽带直接序列扩展码分多址 ( d s c d m a ) 。用户的信息比特同来自扩频码序列集的伪随机序列比特相乘，得 到频域内的带宽信号。另外，系统还采用了变扩频因子和多码传输技术，实现速 率高达2 m b i t s 的物理连接。 w c d m a 作为目前应用最为广泛的3 g 无线接入网标准，具有以下的技术特 征： 无线单载波带宽为5 m h z ，数据码率为3 8 4 m o p s 。其宽带特性支持高速的用 户数据传送和更好的多径分集效果。运营商可以用多个小区层的方式实现多个 5 m h z 的带宽以增加容量。根据载波间干扰的大小，实际载波宽度可以在4 4 5 m h z 间选择，间隔频带为2 0 0 k h z 的整数倍； 上下行通信时均使用闭环功率控制加外环功率控制方式，最大程度的节省功 耗，同时保证通信质量； 支持用户变速传送数据，即实现了带宽点播( b a n d w i d t ho nd e m a n d ，简称 b o d ) 。每1 0 m s 的用户帧内的速率保持不变，同时帧与帧之间承载的用户信息量 会发生变化。网络控制着快速无线容量分配技术，分组数据业务的流量得到了优 化； 支持频分双工f d d 这种双工方式，上下行各占用5 m h z 的带宽； 多用户检测和智能天线技术； 小区间多种切换方式：软切换和硬切换； 1 1 2 2c d i d a 2 0 0 0 标准特点 c d m a 2 0 0 0 的标准最早由美国提出，基于i s 9 5c d m a 发展起来的。由于其 可以利用窄带c d m a 的设备，受到了c d m a 发展集团等协会和标准化组织的支 持。 c d m a 作为美洲等地区的3 g 无线接入网标准，具有以下的技术特征： 信号带宽为n x l 2 5 m h z ( n = 1 ，3 ，6 ，1 2 ) ，码片速率为n x l 2 2 8 8 m c h i p s ； 上下行通信时均使用闭环功率控制加外环功率控制方式，最大程度的节省功 耗，同时保证通信质量； 使用8 k h z 1 3 k h zq c e l p 或8 k h ze v r c 语音编码； 6 第一章绪论 采用g p s g l o n e s s 的方式保持同步； 为了提高信道的抗衰落能力，提高信号质量，前向采用s t s 和o t d 发射分集 方式； 编码方式选用卷积码和t u r b o 码； 上下行分别使用了b p s k 和q p s k 的调制方式； c d m a 2 0 0 0 与i s 9 5 在性能上没有太大的区别，网络软硬件的升级更加简单。 1 1 2 3t d - s c d m a 标准特点 t d s c d m a 是指以时分同步码分多址为多址方式的无线标准，在空中接口方 面具有不同的特征和灵活的工作方式，采用了集合c d m a 、t d m a 和f d m a 于一 体的多址技术。t d s c d m a 系统具有以下技术特征： 数据率高达2 m b p s ； 功率调整和功率控制方式：功率调制步长为1 - 3 d b ，同步精度为1 8 码片宽度。 功率控制采用开环和闭环结合的方式； 上行同步：采用正交码扩频，网络控制移动台动态发往基站的时间，使得上 行信号在到达基站时能够同步上。降低了码间干扰，提高了系统容量； 联合检测：为了更好的解决码间干扰和多用户干扰问题，基站将同一时隙中 的多个用户的信号连同多径信号一起处理，准确得到每个用户的信息； 智能天线：通过控制天线波束成形的方向，使基站天线的方向图跟踪移动设 备。因为波束窄，移动台可以获得更高的信号功率，并可以减少对其他用户的干 扰。同时，也可以获得移动台的位置信息； 上下行时隙切换：t d s c d m a 可以灵活配置上下行时隙的个数，更加有效的 利用带宽； 覆盖范围：最远覆盖距离达到4 0 公里； 支持移动台在1 2 0 公里时以上时正常通信； 由于t d s c d m a 具有上下行链路不对称、频谱利用率高、发射功率低等优点， 并且可以具有较高的系统容量，很适合我国人口密集而造成的频谱资源紧张的国 情。 1 2t d - s c d m a 的关键技术 t d s c d m a 为了更好的提供3 g 服务，具有一些独特的技术特征。 7 电子科技大学硕士学位论文 首先，t d s c d m a 以t d d 这种双工方式来区分上下行工作。在大多数情况 下，用户下载数据量大而上传量较小时，基站可以分配更多的时隙给下行。 t d s c d m a 系统中每个数据帧的时间长度为5 m s ，其中共台有7 个时隙。第一个 时隙为导频时隙，使用下行信号发出控制命令：其他6 个时隙则可以灵活分配。 当大量业务进行语音和视频电话时，上下行数据流量基本一致，基站进行上下行 对称服务，将6 个数据时隙平均分配给上下行，如图l 一6 中切换点为3 ：当大量业 务为用户下载时，则将多数时隙分配给下行，如图1 6 中切换点为2 。 挣点= 3 目毗兰划遣釜圈圈矗圈= ： 目g 嘲：i ：兰! 尘坠5 堂釜l 堂釜1 堂刽翊卜麟 图1 - 6 t d - s c d m a 系统的多种时隙分配方式 另外，基站对于数据传输速率实现了从12 k b p s 到2 m b p s 的灵活分配。多数 其他的无线标准如g s m 、w c d m a 等利用频率来区分上下行( f d d ) ，上下行的 屉大数据传送速率一直保持相同，当上下行流量婪求不均等时便造成了频谱资源 的浪费。 除了上述的t d d 应用，t d - s c d m a 系统仍然采用了码分多址方式来增加通 信容量。每个时隙最大可以包含1 6 个c d m a 伪随机码信号，即可以同时进行1 6 个用户的数据传输。单载波情况下，数据传输率为12 8 m e p s 占用带宽为16 m h z 。 同一设备可以发射和接收多个载波。在最大用户数的情况下，每个用户占用特定 频率特定时隙内的特定随机码，如图l 一7 所示。 第一章绪论 图卜7t d - $ c d m 所采用的多种多址方式示意图 智能天线和动态信道分配等技术也融入了t d - s c d m a 系统，有助于解决小区 间频率干扰和容量不足的问题，在某种程度t 节省了频谱资源。当使用全向天线 时，所有功率向周围3 6 0 度散射覆盖距离相应较小，并会对周围同频的小区产 生阻塞信号。在使用智能天线的小区中，每根天线的波束很窄，增加了用广的灵 敏度并降低了小区间t 扰。对于智能天线来说，如果上下行频率相同，空间链路 在上下行时的衰减很相似，便于进行信道估计等运算。这对于t d d 的通信模式来 说是一大优势。 t d s c d m a 系统提供了从2 g 平滑过渡到3 g 的方案。g s m 运营商可以公用 原有的g s m 核心隔，引入t d s c d m a 的无线接入网( r a n ) 设备便可以继续向 用户提供服务。 相比起f d d 模式的无线接入模式，t d s c d m a 系统也具有一些劣势： 其一，在t d s c d m a 系统中，接收机和发射机同时长期处于上下行切换工作 状态，性能不如w c d m a 稳定。t d s c d m a 系统为t d d 模式，上下行频率相同， 分时工作，其时隙图如图1 - 8 所示。在上下行时隙之问存在一个保护序列，延续时 间为1 25 微秒，其目的在于提供给上下行切换所需要的时间。当开关电路无法在 此时间段内完成切换，可能导致设备损坏。另一方面，上下行的频繁切换对于器 件的寿命也是一种较大的考验。因此，t d d 模式的设各在工作的稳定性方面要稍 显劣势。 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 8 时隙内部所包含数据的类型 其二，在用户数较少的情况下，单用户最高传送速率低于w c d m a 系统。 1 3 本论文的研究内容 接收机作为基站无线接入单元的重要组成部分，其性能直接影响到通信质量 的优劣。接收机的中射频模块将接收到的微弱信号和外部干扰信号进行模拟域的 滤波、放大和下变频等处理后送入数字处理单元。本论文设计了t d s c d m a 接收 机除腔体滤波器以外的中射频模块，即天线口和模数转换器之间的部分。基站接 收机的第一级往往采用腔体滤波器，本论文不包含其设计过程。 本文结合t d s c d m a 标准的要求和特征，分析了接收机中射频模块的各项关 键指标，完成了电路的设计和实现。 第二章为接收机设计的理论基础部分。 第三章结合3 g p p 的标准和接收机设计的理论，对协议中要求的指标做了详细 的分析，描述了接收机前期设计过程和需要重点考虑的因素。在追求系统整体性 能最优的前提下，确定了所需要的功能模块及其指标要求，并最终给得出了整体 链路预算。 第四章描述了接收机的电路设计工程及调试结果。首先根据每个模块的指标 要求，选择合适的器件，通过仿真验证各模块的设计能够达到指标。其次对各个 模块分别进行调试并获得了理想的性能。最终，对于整个链路进行调试和测试， 达到了最初的设计指标，满足了3 g p p 的无线标准。由于本论文不包含对于数字域 的研究，在最终的链路测试中无法验证如误码率等数字解调方面的指标。 第五章对本文的工作进行了总结并对以后的工作进行了展望。 此接收机具有灵敏度高，抗干扰能力强，工作稳定等特点。相比其他类型的 t d s c d m a 接收机，此接收机的噪声系数可达2 5 d b 以下，配合大功率的发射机， 能够具有较大的通信覆盖范围，尤其适用于人口密度小的郊区。同时，较强的抗 干扰能力还可使其应用于室内覆盖。本接收机经过改进后已经用于商业项目。 附录部分为本文接收机的实物图。 1 0 第二章接收机设计理论 第二章接收机设计理论 接收机诞生于2 0 世纪初期，在近一个世纪的发展历史中，各种结构层出不穷。 随着半导体水平的提高，接收机的设计具有更高的灵活性，接收机的各项衡量指 标也得以不断的优化。 2 1 接收机的典型结构 在多年的发展中，再生式、调谐与中和式调谐式、超外差式、零中频式接收 机相继出现。其中，超外差式接收机应用最为广泛，它的结构合理，设计的难点 被分配到各个不同的模块。因此，对于器件的指标要求较低。器件的水平至今仍 然不够理想。在频谱环境复杂，接收机指标要求严格的应用中，仍然大量使用这 种结构。零中频接收机的结构最为简单，因此也最有可能进行集成化。对于手持 设备接收机，其低功耗、易集成的特性具有很强的吸引力。目前，大量的手持设 备由于对信号质量的要求较低，但需要低功耗并且体积小重量轻，其内部便采用 了零中频的集成芯片，取得了较好的效果和市场反馈。数字中频接收机则是结合 了超外差和零中频的优点而设计，也成为研究的热点之一。 本节针对每种结构进行了分析研究。 2 1 1 超外差接收机 a r m s t r o n g 在1 9 1 7 年获得了超外差接收机的专利，超外差接收机的结构如图2 1 所示。首先，他采用外差的方法把射频( r a d i of r e q u e n c y , 简称r f ) 信号经过混 频搬移到中间频率( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ，简称i f ) 。然后，在中间频率对信号 进行处理，比如放大和滤波，最后将信号解调出。在这种结构下，接收机往往具 有较高的增益，对于干扰信号也具有较好的抑制能力。因此，采用超外差结构的 接收机灵敏度很高，只有当空间路径损耗较大时接收到的信号质量会明显恶化。 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 一种双工超外差收发机的结构框图 超外差接收机具有较强的抗干扰能力是因为中间频率的存在。当中间频率选 择合适式，接收机对主要的干扰信号具有较强的抑制能力。 对于超外差接收机，主要的干扰来源是镜像频率和邻近信道干扰频率。它们 在很大程度上影响了接收机的性能。从经过a d c 采样得到的频谱来看，当干扰信 号落入有用信号频带内时，直接增加了带内噪声，降低接收灵敏度；当干扰信号 在有用信号频带旁边时，一方面其互调产物可能落入有用信号带内，成为噪声。 另一方面，当邻近干扰信号很强时，可能会使器件进入饱和工作区，形成所谓的 阻塞信号。 镜像频率信号在空间中一直存在，其影响大小在混频后能够显现出来。混频 的过程实质上是射频载波信号厶删和射频本振信号以d 相乘，假设此处为高本振， 得到信号的频率为( z 驯+ 五o ) 的射频信号和( 厶= 五d z 咖，) 的中间频率信号。 假设进入接收机的另一个信号所具有的频率为( 厶一= 厶+ 五d ) ，如果未经滤 波便同混频器相乘，所得到的中间频率和有用信号的中间频率相同。此干扰信号 的中间频率可表示为：厶，。胁= 厂。一五d = 厶。 带外信号厶，。，经过混频后的信号落入有用中频信号带内，此时干扰和信号已 经无法分开。此信号即为镜像频率干扰信号，如图2 2 所示。当混频完成之后，电 路便无法再去除镜像频率的影响。因此，必须在其进入混频器前将其抑制到一定 程度。这就需要射频预选滤波器在其频段进行大幅度的衰减。 1 2 第二章接收机设计理论 镜像 国 l fl f r fmt _ 0 9 混频器 圪c o s o j l d t l f 图2 2 混频前后的镜像频率 滤波器的品质因数q 定义为中心频率和通带宽度的比值，即五b 呢招。电路 的q 值越小，通频带越宽。即相对带宽越小，要求电路的q 值越高。当中心频率 很高时，窄带选频回路要求极高的q 值。不同类型的滤波器能达到的品质因数有 所不同。射频预选滤波器的中心频率较高，q 值一定时，通带宽度也相应较宽。 比如中心频率为1 5 g h z 时，q 值为1 0 0 的滤波器通带宽度为1 5 m h z 。另外，矩形 系数是衡量滤波器的另一项关键指标，矩形系数k 好的滤波器带内波动大，不利 于保持信号功率的平坦度。因此，射频预选滤波器适于抑制离通带较远的干扰信 号和镜像频率信号。从滤除镜像的角度看，中间频率后越高越好。 邻近信道干扰是指在有用信号所占用的信道附近，存在着干扰信号。存在两 种情况：由于其他通信标准在使用旁边的频率进行通信；相同标准其他邻近的小 区在使用频带内其他的载波频率。 邻近信道干扰需要在信号已经混频到中间频率以后进行滤除。根据滤波器理 论，中心频率越低其滤波的矩形系数越好。因此从邻近信道滤波的角度考虑，中 间频率越小越好。 综上两点，需要选择合适的中间频率以便于平衡两种滤波的效果。 随着器件水平特别是模数转换器( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r , 简称a d c ) 和 现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ，简称f p g a ) 等器件性能的提 升，越来越多功能的实现逐渐从模拟域转入数字域。比如，a d c 的模拟中频输入 已经达到几百兆赫兹。在接收机的a d c 输入端，如果能够保证输入总功率小于其 满振幅功率，并且采样混叠造成的噪声影响可以接受，便可以将信道滤波等功能 放入数字域进行。由于数字滤波能够以较少的资源达到高阶数，对于邻近信道的 滤波效果很理想。因此，高中频方案会随着器件制造工艺的发展得到更广的应用。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 零中频接收机 对于零中频接收机，其结构如图2 3 所示，其工作机理是将进入接收机的射频 信号经过预选滤波器和放大器后，直接分为i q 两路进行下变频。与超外差接收机 不同的，信号的中心频率和下变频本振的频率保持一致。经过i q 混频器的频率转 换后，直接得到基带信号。 一i q 解调器 低通滤波器 图2 3 一种双工零中频收发机的结构框图 超外差接收机需要进行多次变频才能将信号的频谱搬移到基带，因此需要较 多的器件来构成电路。零中频接收机的直接混频使其电路结构得到简化。集成电 路采用零中频结构可以大大降低开发难度。特别是在手持设备的应用中，对于功 耗和体积的要求很高，但是不需要太高的灵敏度和抗干扰能力，采用零中频接收 机是最佳的选择。 零中频接收机的射频频率和本振频率相同，所以其不存在镜像干扰。预选滤 波器不需要额外考虑镜像频率的抑制，而在共址干扰等频点加大衰减量。 本振 图2 4 由本振泄露所引起的直流偏移 1 4 第二章接收机设计理论 虽然零中频结构具有上述的种种优点，但其在工程应用中有许多困难。首先， 本征泄露问题：泄露出的本振信号会被接收机多级放大。当泄露强度较大时，会 造成后级自动增益控制模块或者a d c 输入饱和，如图2 4 所示。如果本振信号被 搬移至基带，同有用信号叠加在一起便无法滤除，信噪比会降低。其次，存在着 d c 偏移问题：对于多种接收机结构，都存在着直流偏移问题。但由于零中频接收 机的信号位于基带，直流偏移所带来的影响就必须加以考虑。直流偏移大体上分 为时变和时不变偏移量。对于时不变直流偏移，可以简单的通过加耦合电容或在 数字基带进行查找表校准的方式消除其影响【3 j 。时变直流偏移的校准则更为复杂， 也是目前研究的热点之一。例如，对于某些调制方式如q p s k 等，当不存在直流 偏移时其解调出的数字均值为零，通过数字域计算出的实际值进行直流校准，如 图2 5 所示。再次，零中频接收机还存在二阶失真、i q 不平衡和闪烁噪声等问题。 本振 滤波器 图2 5 校准直流偏移量的一种方法 2 1 3 软件无线电和数字中频接收机 软件无线电作为一种理想的接收机方案，需要高性能的器件来搭建电路。在 收发机电路中，数字信号和模拟信号进行转换的功能由a d c 模块和数模转换器 ( d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r , 简称d a c ) 模块实现。软件无线电收发机的特点是 把收发机尽可能数字化，即a d c 和d a c 模块尽量靠近天线口，如图2 6 所示。 对接收机来说，a d c 位于射频预选滤波器和放大器之后。a d c 直接对于射频信号 采样得到数字信号序列，并把数据送至数字处理模块进行下变频和解调。实现这 样的接收机结构，需要两个前提：a d c 的输入带宽高于射频信号的频率，即射频 信号可以被a d c 检测到；a d c 的采样速率要高于射频信号带宽或其最高频率的 两倍。例如，需要使用奈奎斯特第一采样定理的软件无线电接收机接收w c d m a 信号。已知信号最高上行频率为1 9 8 0 m h z ，则需要软件无线电接收机中的a d c 采样频率大于3 9 6 0 m h z ，同时a d c 输入模拟信号频率高达1 9 8 0 m h z 。另外，a d c 需要保证一定的有效采样位数来保证信噪比足够高。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 6 软件无线电结构 最近3 0 年，a d 变换器领域取得了快速地发展：a d 变换器的分辨率每6 到 8 年就会提高1 个比特【2 3 1 。但是，目前的技术水平仍无法提供射频采样的a d c 和 相应的高速数字信号处理器件。 同时，软件无线电接收机在模拟域没有进行中频滤波。所有的带外杂波经过 射频预选滤波器后，直接进入a d c 。因此对于预选滤波器的性能提出了严格的指 标要求，而此指标在现有的技术水平下可能是无法实现的。 综上，对于民用通信，软件无线电接收机是发展的方向，但目前仍停留在理 论阶段。 数字中频接收机的发展也依赖于数字器件水平的提高。作为一种高性能易实 现的结构，目前在通信和雷达接收机等工程项目中广泛使用。 数字中频接收机又名谐波采样接收机。在这种接收机结构中，a d c 对模拟信 号的采样基于带通采样定理而非低通采样定理，其结构框图如图2 7 所示。 图2 7 数字中频接收机结构 射频信号中的信息包含在信号的包络等特征中，而与载波本身无关。所以没 有必要以两倍的速率对载波信号进行采样。信号所占用的带宽通常较低，例如 w c d m a 信号的上行载波频率位于1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，其带宽仅有6 0 m h z 。带通采 样要求采样频率厶砒大于信号带宽b w 的两倍，如采样上述w c d m a 信号要求 厶毗大于1 2 0 m h z ，这样的采样频率是可以实现的。 另外，a d c 对中频信号采样时，可以采用4 倍调制带宽为采样速率。采样所 产生i , q ，- i ，q 的输出模式。通过简单的信号分离器就可以产生完全均衡的i 和q 1 6 第二章接收机设计理论 信息，大大简化了数字解涮川。 数字中频接收机在中间频率上进行采样明显地降低了a d c 的性能要求，但是 接收机要收到噪声叠加的影响。如图2 8 所示，带通采样会对多个奈奎斯特区域同 时采样并将采样后的频谱累加。任何出现在输入端的噪声均被折叠到z 2 带宽内。 当多个奈奎斯特区的噪声功率属于同一个数量级时，累加后的噪声会使信噪比明 显下降。因此，从噪声累加的角度考虑，采样率越高，噪声累加的次数越低，带 内信噪比越好。因此在a d c 的输入端一般需要加入抗混叠滤波器来抑制其他奈奎 斯特区域的噪声功率。 ( a ) 射频信号频谱 有用信号 ；厂 荡。 t r - ) 锄| j 采样脉冲频谱 ( b ) t 。lj l h “t 。l f ( ) ) i - ( n + 1 ) f s 2( n - 1 ) f s 2 - f s f s 2f s 2 f s ( n - 1 ) f s 2n f s 2 ( n + 1 ) f s 2 ( c ) j 采样：导至j 频谱 ) 16夕。 lj 。 c夕。) ，、 lj j ，n 。 f (f ( )，、1 )二 - ( n + 1 ) f s 2- ( n 一1 ) f s 2 一f s f s 2 f s 2 f s ( n 1 ) f s 2n f s 2 ( n + 1 ) f s 2 图2 8 带通采样的频谱图( a ) 射频信号和噪声频谱 ( b ) 采样脉冲频谱( c ) 采样所得到的数字频谱 2 2 接收机的主要指标 第2 1 小节分析了接收机的几种常用结构，以及每种结构的特点、适用的具体 电子科技大学硕士学位论文 环境。这些特点就表现在接收机的各项指标中。从性能方面来讲，其中比较关键 的是：增益，灵敏度，噪声系数，线性度，动态范围等。本节对这些关键指标逐 一进行介绍。 2 2 1 噪声系数和灵敏度 在电路的某个节点上，有用信号的功率除以噪声功率便可以得到信噪比，常 用符号s n r ( s i g n a l t o n o i s er a t i o ) 来表示。信号在电路中传输时，由于噪声的存 在，输出端的信噪比会下降。噪声系数表示电路对于噪声功率贡献的程度，定义 为四端口网络输入端和输出端信噪比的比值，即： 坼= 瓦e s , & = 篙戮 协) 或者： n f ( d b ) = 1 0 1 0 9 ( 等等 ( 2 - 2 ) 当此四端口网络为理想的网络，有用信号和噪声经过同样的放大或衰减，其 信噪比保持不变。即输入输出信噪比的比值为1 ，噪声系数为0 d b 。但实际中的四 端口网络都存在着附加噪声，因此噪声系数均大于0 d b 。