（电路与系统专业论文）wcdma射频前端集成电路设计.pdf

摘要 摘要 第三代移动通信系统( 3 g ) 是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能 实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相容，并以小型便携式终端 在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统。由于其诸多优点，第三代 移动通信系统对全世界电信行业工作者及信息社会越来越具吸引力。w c d m a 作为第三代移动通信的主导技术，近来发展迅速，在第三代移动通信系统3 个技 术标准q 。( w c d m a , t d s c d m aa n dc d m a 2 0 0 0 ) 最具竞争力。 本文采用t s m c0 1 8i lmc m o st 艺设计并实现用于2 1 4 g h zw c d m a 系 统射频接收机中的低嗓声放大器( l n 舢和低中频下变频器( d o w nc o n v e n e r ) 。其 中，l n a 的主要功能是将天线接收到的微弱信号进行放大，同时引入的噪声较 低，输入端要求实现5 0 欧姆阻抗匹配，d o w nc o n v e r t e r 将l n a 输出的信号与本 振信号( l o ) 混频产生低中频信号，要求噪声低、线性度高并提供适当的增益。 论文对射频前端集成电路的原理进行了分析，比较了不同电路结构的性能。 给出了射频前端集成电路的电路设计、版图设计、仿真结果。仿真结果表明，此 次设计的射频前端集成电路具有低噪声、低功耗的特点，其它性能也完全满足设 计指标要求。 关键词：w c d m a ；射频接收机；低噪声放大器；下变频器；噪声系数； c m o s ：3 g a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) i st h eo n et h a tc a np r o v i d e u sw i t hm u c hm o r ek i n d so fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，s p r e a do v e ra n yc o r n e ro ft h ee a r t h w i t h o u ta n ym i s s t r a v e lg l o b a l l y , a n dd oa n yk i n do fc o m m u n i c a t i o na n yt i m ea n d a n yp l a c e b e c a u s eo fi t sm a n ya d v a n t a g e s ，i th a sb e c o m em o r ea n dm o r ea t t r a c t i v e f o rt h ew o r l d sm a j o rp l a y e r si nt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n dt h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y e w c d m a , a st h el e a d i n gt e c h n i q u eo f3 gw h i c hh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , i st h em o s t c o m p e t i t i v ea m o n gt h et h r e es p e c i f i c a t i o n so f3 g ( w c d m a , t d s c d m aa n d c d m a 2 0 0 0 ) t h et a s ki nt h i sp a p e ri st or e a l i z et h el o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) a n dd o w n c o n v e r t e rf o rt h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) m o d u l eo f2 1 4 g h zw c d m a s y s t e mi n t s m c0 1 8 “mc m o st e c h n o l o g y t h ef i r s ts t a g ea m p l i f i e ra m p l i f i e st h ew e a ks i g n a l f r o ma n t e n n ai n t r o d u c i n gl o wn o i s e t h ei n p u tn e e d st ob em a t c h e dt o5 0 0 h m t h e l a t t e ro n er e a l i z e st h em i x i n go fs i g n a lf r o ml n aa n dl o c a lo s c i l l a t o ra n do u t p u tl o w i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) s i g n a l l o wn o i s e ，h i g hl i n e a l i t ya n dm o d e r a t eg a i na l e n e e d e df o rt h i sm o d u l e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef r o n te n dp r i n c i p l e ，d i f f e r e n tc i r c u i ts t r u c t u r e sa l e c o m p a r e d n ec i r c u i td e s i g n ，l a y o u td e s i g n ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt e s ts o l u t i o n sa l e i n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o w n o i s el o w p o w e rr ff r o n te n d m a t c h e st h ed e s i g nt a r g e t k e yw o r d s ：w c d m a ：r fr e c e i v e r ：l n a ；d o w nc o n v e r t e r ：n o i s ef i g u r e ： c m o s ：3 g 第1 章概述 1 1 研究背景及意义 第1 章概述 最近十年，网络与无线通信的迅猛发展推动了社会的信息化进程。随着各种 无线业务需求的增加，传统单一话音业务的无线通信网已经越来越无法适应人们 的需求。因此，以大容量、高速率和承载视频电视电话等数据业务为目的的第三 代移动通信系统应运而生。 3 g 是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系 统。一方面各种无线通信技术，如无线寻呼、移动通信蜂窝技术等相继出现，这 些技术的广泛推广和应用已经使人类摆脱了通信场所的限制，基本实现了随时随 地通信的梦想；另一方面网络的各种业务，包括电子邮件、远程数据交换以及网 页浏览已渗透到各个方面，改变了人类的生产和生活方式。 为了适应未来电子商务的巨大需求、信息传播的日益普及和信息爆炸增长对 通讯领域的更高要求，人们期待着第三代移动通信系统时代的来临。 1 2 第三代移动通信系统标准 国际电信联盟( r r t 0 在2 0 0 0 年5 月确定w c d m a , c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主流无线接口标准，写入3 g 技术指导性文件 2 0 0 0 年国际移动通讯计划 ( 简称i m t - 2 0 0 0 ) “1 。 3 g 标准组织主要由3 g p p ，3 g p p 2 组成，以c d m a 码分多址技术为核心。 其中3 g p p 是一个跨区域的标准化组织联合体，其目的是为了制定一个基于演进 的g s m 核心网和通用无线接入( u t r a ) 技术的可在全球推广应用的第三代移 动通信规范。由a r i bo a p a n ) ，c w t s ( c h i n a ) ，e t s i ( e u r o p e ) ，t 1 ( u s ) ，t r a ( k o r e a ) ，t t c ( j a p a n ) 发起成立。3 g p p 2 是一个跨区域的标准化组织联合体，其 目的是为了制定一个基于演进的a n s i - 4 1 核心网和相关无线接入技术的可在全 球推广应用的第三代移动通信规范。由a r i b ( j a p a n ) ，c w t s ( c h i n a ) ，t i a ( u s ) ， t 1 a ( k o r e a ) ，t r co a p a n ) 组织成立。 第1 章概述 3 g 是英文3 r dg e n e r a t i o n 的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模 拟制式手机( 1 g ) 和第二代g s m ，t d m a 等数字手机( 2 g ) ，第三代手机一般地讲， 是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够 处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子 商务等多种信息服务。 w c d m a 全名是w i d e b a n d c d m a ，中文译名为“宽带码分多址存取”，它 可支持3 8 4 k b p s 到2 m b p s 不等的数据传输速率，在高速移动状态，可提供 3 8 4 k b p s 传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2 m b p s 的传输速率。 w c d m a 继承了第二代移动通信体制g s m 标准化程度高和开放性好的特 点，标准化进展顺利，网络运营商可以通过在g s m 网络上引入g p r s 网络设备 和新业务，培育数据业务消费群体，逐步过渡到3 g 。 w c d m a 的支持者主要是以g s m 系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或 少参与其中。包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的 n t t 、富士通、夏普等厂商。这套系统能够在现有g s m 网络基础上较易地过渡 到3 g ，从而使在g s m 系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当 高。因此w c d m a 具有先天的市场优势。 w c d m a 主要技术特点嘲： 可适应多种速率的传输，灵活提供多种业务： 瑚r s 之间无需同步； 优化的分组数据传输方式； 支持不同载频之间的切换； 上下行快速功率切换； 反向采用导频辅助的相干检测( 提高反向解调增益和功率控制准确性) ； 考虑了信号设计对e m a 的影响。 w c d m a 主要技术指标： 工作频段：1 9 2 g h z 1 9 8 g h z 和2 1 l g h z 2 1 7 g h z ； 信道间隔：5 m h z 码片速率：3 8 4 m c p s 帧长：1 0 m s 2 第1 章概述 调制方式： 解调方式： 双工方式： 接入方式： 扩频因子： 上行为b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) ， 下行为q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g ) ； 导频辅助相干解调； f d d ( 频分数字双工) ； d s c d m a 方式； 4 - 5 1 2 ( 3 8 4 m c p s ) 。 1 3 本论文的主要工作 本论文的主要任务是基于w c d m a 标准研究并设计用于2 1 4 g h z 无线通讯 射频接收机中的低噪声放大器( l n 厶l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 和下变频器( d o w n c o n v e r t e r ) 。 本论文按照如下结构组织： 第2 章首先分析了射频接收机的不同结构和衡量接收机性能的基本参数，在 此基础上，提出接收机前端模块中低噪声放大器和下变频器的设计要求，以及集 成电路的工艺和设计流程。 第3 章讲述低噪声放大器的设计，重点讲述输入阻抗匹配、噪声分析及其优 化，在此基础上进行单端和差分低噪声放大器的原理图及版图设计，分别给出仿 真结果，并对结果进行了比较分析。 第4 章讲述下变频器的设计，根据噪声的来源和基本分析结果提出合理的结 构，设计了下变频器的具体实现电路和版图，给出了相关指标仿真结果、性能分 析。 第5 章讲述了射频前端模块的级联闯题，并给出了接收机模块的性能指标仿 真结果。 第6 章对全文进行了总结，并对进一步的研究提出了一点粗浅的看法。 3 第2 章射频接收机及其前端模块 第2 章射频接收机及其前端模块 2 1 射频接收机结构 射频( r a d i of r e q u e n c y ，r v ) 接收机通常有五种结构：超外差结构( h e t e r o d y n e a r c h i t e c t u r e ) 、直接变频结构( d i r e c t c o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e ) 、宽中频变频结构 ( w i d e b a n d 1 fa r c h i t e c t u r e ) 、数字中频结构( d i # m 1 i fa r c h i t e c t u r e ) 和低中频变频 结构( l o w d f a r c h i t e c t u r e ) 。这五种结构各有优点和缺点，接收机的结构由系统指 标决定，包括系统工作频率、接收机动态范围、功耗和集成度等。1 。 下面具体讨论这五种结构，并对比它们的优缺点。 l 超外差结构 最早，移动手机的射频接收机都采用超外差结构( 图2 1 ) 。天线接收到的射 频信号首先通过带通滤波：器r ( b a n d p a s sf i l t e r , b p n 将频段以外的信号滤除。低噪 声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r , l n a l 将接收到的微弱信号进行放大，同时引入的 噪声较低。输出信号通过镜频抑制器( h n a g e r e j e c tf i l t e r ，i r f ) 滤除镜频干扰成分。 混频器通过本振信号( l o c a lf r e q u e n c y ，l o ) 将射频信号变换到高中频信号 ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ，i f ) ，输出经中频选择器、自动增益控制放大器( a u t o m a t i c g a i nc o n t r o l l e r , a g c ) 进入解调器r ( d e m o d u l a t o r ) ，变换到基带( b a s e b a n d ) 信号。 v懒r r 蛔能尸“ 喾 d 印 “锹“ l 为m 乎 图2 1 超外差结构接收机框图 这种方案有三个方面的优点：首先，中频比信号载频低很多，在中频段实现 对有用信号的选择要比在载频段选择对滤波器q 值的要求低得多。第二，接收 机从天线上接收到的信号电平一般非常微弱，如此微弱的信号要放大到解调器可 4 第2 章射频接收机及其前端模块 以解调或a d 变换器可以工作的电平，其增益要求比较高。采用超外差式接收 机方案可以将总增益分散到高频、中频和基带三个频带上。在较低的固定中频上 实现窄带高增益放大器要比在载频上实现窄带高增益放大器要容易和稳定得多。 第三，在较低的固定中频上解调或a d 变换也相对容易。 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 一个理想的乘法器，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 号吐k 和本振信号n b ，以及混入的干扰信号( 如频率为f 0 1 与2 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，如l p 吡。q n k i 或 i p a j l 。( m q n 吡) | 若它们落在中频频带内，就会形成对有用信号的干扰，通 常就是所说的寄生通道干扰。而消除这些干扰的唯一办法就是不让它进入变频 器，这就需要在变频器前面加滤波器滤除。 外差式结构的中频越高，镜频干扰与射频信号频率相隔越远 ( 1 厶一，0 l = 2 + 厶) ，镜频干扰越容易被抑制，如图2 2 。但提高中频频率，中 频选择器的q 值( q 冬墼) 也要捐应提高，通常高q 值的滤波器难以实现。因此 q 3 0 选择合适的中频频率非常重要。 h 越“啦 图2 2 中频频率高低对镜频抑制的影响 在外差接收机结构中，为了解决中频选择中碰到的“灵敏度”和“选择性”的矛 盾，可以采用二次变频方案，如图2 3 所示。 图2 3 二次变频方案结构框图 5 第2 章射频接收机及其前端模块 在二次变频结构中，第一中频采用较高的中频值，以提高镜像频率抑制比( 接 收机抑制镜像频率干扰的能力) 。第二中频采用较低中频值，以提高接收机对信 号的放大能力和信道选择能力。在接收机中，放大器、变频器和滤波器之间应进 行较好的阻抗匹配，以保证滤波器的滤波性能。 这种结构通常在各个电路模块之间采用片外滤波器，虽然能及时、有效地滤 除干扰信号和噪声，提高了选频特性和系统灵敏度，但系统集成度很低，成本高。 而且，对于高频接收机，高q 值的滤波器难以实现，与滤波器相连的电路需要 5 0 欧姆的阻抗匹配，这增加了对电路的输出驱动要求和功耗。因此该结构不适 用于集成度和工作频率较高的系统。 直接变频结构 直接变频结构( 图2 4 ) 中，低噪声放大器输出的射频信号直接进入混频器并 被变换到基带，经自动增益控制放大器后再通过低通滤波器将干扰信号滤除。 与超外差结构相比，直接变频结构有诸多优点。由于射频信号直接变频到基 带，中频电路被省去了，因而不存在镜像频率干扰；此外，省去了片外镜频抑制 器使系统的集成度提高，而且，低噪声放大器不需要驱动5 0 欧姆负载，不需要 输出匹配，降低了电路的功耗。 囟移 喟啼叫孙 一昏 d s p p 。”f i l i t 。e c t r i 。n 蠢h 净口时 图2 4 直接变频结构接收机框图 但直接变频也带来一系列问题： 直流偏移( d c o f f s e o由于模块之间的隔离度降低，信号泄漏使混频器端 出现射频信号、本振信号与自身相混频的现象，从而产生直流分量，直接干扰基 带信号。 本振泄漏( l ol 七a l a g e ) 由于本振信号和射频信号同频段，本振信号泄漏 到天线端会干扰其它使用同一频段的接收机。但如果本振信号是差分的，则泄漏 6 第2 章射频接收机及其前端模块 到天线端可相互抵消。 正交失配倒qm i s m a t c h )混频器端的正交本振信号，其相位和幅度的失配 会严重影响基带信号的数据判决，从而提高系统误码率，高频时影响更为严重。 此外，低频闪烁噪声( 1 f n o i s e y d i 会破坏有用的基带信号。 h i 宽中频结构 a r f i n p u t b c 图2 5 宽中频结构接收机框图 a j 者：；一 八 j 。( ：l 。 图2 6 正交变频抑制镜频干扰原理图 图2 5 所示的宽中频结构通过两次正交变频在输出端进行信号叠加或相减抵 消镜频。与超外差结构相比，省去了片外滤波器，提高了系统集成度。与直接变 频结构相比，高中频频踪的相位噪声比高频频踪低。高频本振泄漏产生的直流分 量不会干扰高中频信号。 但是高中频频踪的q 值要求高，两级变频之间没有高q 值的信道选择器， 7 f + 盐伞 寸寸 一十一o-址丝 第2 章射频接收机及其前端模块 使进入后级电路的干扰更多，增加了后续电路的设计难度。并且每次变频都会产 生正交失配。 正交变频抵消镜频的基本原理如图2 6 所示，如果射频频率高于本振频率， 则两次变频后输出信号叠加可抑制镜频，反之输出信号相减抑制镜频。 i v 数字中频结构 在二次混频方案中，可以将第二次混频和滤波数字化，如图2 7 所示。第一 次混频后的信号经放大后直接进行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 7 数字中频方案 采用数字混频的优点是，数字处理方法可以避免i o 两路不一致，但难点在 于对d 变换器的要求较高，主要体现在以下几个方面： 1 ) 由于l 中频比较高，因此要求d 变换器的速度也很高。 2 ) 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。 3 ) 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 能会由于传输路径的衰落和多径效应而有较大变化。 v 低中频结构 低中频结构与宽中频一样采用两次正交变频方式来抑制镜频干扰，所不同的 是降低了中频频率，如图2 8 所示。 这种结构与直接变频相比，高频本振泄漏产生的直流偏移不会干扰有用的低 中频信号。与宽中频结构相比，低中频频踪相位噪声更低，模数转换器( a n a l o g 8 第2 章射频接收帆及其前端模块 d i 酉t a lc v e n e r ，a i ) c ) 可以在第二次变频之前，在数字模块实现镜频抑制，可以 大大降低正交失配。但镜频抑制之前采用的模数转换器要求较高的精度。 图2 8 低中频结构接收机框图 考虑到系统集成度、避免直流偏移和有效抑制干扰，我们将采用低中频结构， 这样就避免了直接变频的各种缺点，当然这对后继的低通滤波器、a d c 及d s p 提出了较高要求。得益于现代信号处理技术、低成本高采样速率和高计算速率集 成芯片的发展，上述电路的实现已经成为可能。 2 2 射频接收机的性能参数 2 2 1 接收机灵敏度及动态范围 组成接收机的电路模块及其功能和指标由接收机的性能指标确定。除必须考 虑功耗以外，接收灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 和动态范 ( d y n a m i cr a n g e ) 是衡量接收机性 能的主要指标。 灵敏度 射频接收机的灵敏度定义为使解调输出达到最低信噪l e ( s i g n a ln o i s er a t i o ， s n r ) 时接收机可检测的最低信号。为了推导接收端灵敏度和解调输出端最小信 噪比的关系，我们将从接收机噪声系数( n o i s ef i g u r e ，n f ) 公式入手。接收机噪声 系数定义为输入信噪比和输出信噪比的比值： n f 。型坠。墨盟 (21)snr o , as n r , , , a 、7 其中己为接收机的输入功率，巴为信号源的噪声功率。输入功率可以表示为公 式2 2 ： 第2 章射频接收机及其前端模块 只一只j n f s n r , , , a( 2 2 ) 根据灵敏度的定义，我们可以计算接收机所能检测的最低信号功率，以d b m 为单位表示为式2 3 ： b 血- 圪+ n f + s n r 。m i n( 2 3 ) 常温下信号源噪声功率又可表示为式2 4 ，将它代入式2 3 可得灵敏度的通 用表达式2 5 ： 巴- - 1 7 4 d b m f 拓+ l o l o g b( 2 4 ) 只。血一一1 7 4 d b m h z + 1 0 1 0 9 b + n f4 - s n r , 。皿i n( 2 5 ) 其中p s i ，m i l l 代表系统最小可检测信号，基底热噪声为1 7 4 d b m h z ， s n r o u t ，m i n 代表满足误码率要求的最低输出信噪比，b 代表接收机带宽。由上 式可知，n f 直接决定系统最小可检测信号电平。在射频接收机中，要获 ：导较高 的灵敏度，就要降低接收机的噪声系数。 动态范围 动态范围通常定义为使接收机正常工作时所能承受的最大信号强度和所能 检测的最低信号强度的比值。射频接收机对输入信号幅度的大小有两方面的限 制：其最低输入信号幅度受到噪声的限制，最大输入信号幅度受非线性失真的限 制，接收机的噪声性能与线性度分别决定了其动态范围的上下限。 在射频接收机中，最低信号强度反应了灵敏度，最大信号强度则反应了线性 度( l i n e a r i t y ) 。通常用功率增益l d b 压缩和三阶交调点来衡量接收机的线性度。 相应的，衡量动态范围也有两种方式，如图2 9 。 o i t p _ r 冒 n 幽 h o o f 图2 9 接收机动态范围 1 0 第2 章射频接收机及其前端模块 b d r ( b l o c k i n gd y n a m i cr a n g e ) 是指接收机实际输出与理想线性输出相比降 低l d b 时的输入功率和接收机灵敏度的比值，以d b m 为单位表示为式2 6 ： b d r = p 1 招一只曲 ( 2 6 ) s f d r ( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ) 是无乱真信号动态范围，指接收机三阶 交调输出功率和接收机最低噪声功率相同时的输入功率与接收机灵敏度的比值， 以d b m 为单位表示为式2 7 ： 蚴。2 p i p 3 - _ n o - i s e f l o o r 一只，嘶( 2 7 ) n o i s e f l o o r 一- 1 7 4 d b m 月2 + n f + 1 0 1 0 9 b( 2 8 ) 从动态范围的两个公式来看，要提高接收机的动态范围，就要提高接收机的 线性度，降低接收机的噪声系数。 2 2 2系统噪声 通信系统的灵敏度是受噪声限制的。噪声最广泛的定义为“期望信号以外的 所有信号”。因此，为了获得系统的最佳性能，必须降低外部噪声的影响，并且 使系统内部产生的噪声最小。 热噪声功率可用下式表示： 只一k t b( 2 9 ) 其中，只表示噪声功率；k 为波尔兹曼常数( 1 3 7 4 x 1 0 一”j k ) ；t 为电阻物 理温度；b 为噪声带宽。 对于t = 2 9 0 k ，噪声功率为4 x 1 0 1 8 w 或者为1 7 4 d b m ( b = l i - l z ) 。如果噪 声系数和带宽已知，最低噪声可用下面方程表示： n o i s ef l o o r - - 1 7 4 d b m + 7 f + 1 0 1 0 9 b f 2 1 0 ) 其中n f ( n o i s e f i g u r e ) 为噪声系数，b 为噪声带宽。n f 为噪声因子( n o i s e f a c t o r , f ) 的对数值。 噪声因子f 的定义为： f 。丝丛业 ( 2 1 1 ) n i , 、7 其中， _ 表示信源的噪声功率，n 。表示网络所贡献的折合到信源端的噪声 1 1 第2 章射频接收机及其前端模块 功率。 n f ( n o i s ef i g u r e ) 一1 0 1 0 9 f ( d b ) ( 2 1 2 ) 也可以用输入信噪比( i n p u ts n r ) 与输出信噪比( o u t p u ts n r ) 来定义噪 声系数： n f = 1 0 l o g 揣 理想无噪声网络的噪声系数为o d b ，实际的有噪声网络其噪声系数恒为正且 大于o d b ，而对于有损耗的无源网络噪声系数就是它的插入损耗。 2 2 3线性度 非线性是针对线性而言的。当一个系统的输出量可以表示为输入量的线性叠 加时，就可以称之为线性系统。例如，对于输入一( f ) 和镌( f ) ， 而( f ) 一n ( f ) ，x 2 ( t ) 一致( f )( 2 1 4 ) 其中，表示系统的作用。当对于所有的常数a 和b ，有 眠( f ) + ( f ) - - * a y , ( t ) + b y ：( f ) ( 2 1 5 ) 则，这个系统为线性系统。 与之对应，非线性系统的输出与输入可以用式2 1 6 表示。 y ( t ) 一叩( f ) + 口2 ( t ) + e 3 x 3 ( f ) + ( 2 1 6 ) 大多数的模拟和射频电路在输入为小信号时，因为高阶项可以忽略，因此可 以用线性模型来近似表示，但当输入信号增大时，高阶项的作用开始变得明显， 模拟和射频电路开始表现出非线性特性。 谐波 当一个非线性系统的输入为一正弦波时，输出的频率分量将是输入频率分量 的整数倍。 在式2 1 6 中，如果石d ) 一a c o s w t ，则 ) ，o ) - a 1 a c o s w f + 口2 a 2 c o s 2 耐+ 口3 彳3 c o s 3 甜 等+ 卜+ 竿) c o s 埘+ 等c o s 2 t a t + 孚删耐仁切 其中，与输入频率相同的称为基波，高阶项则被称为谐波。 第2 章射频接收机及其前端模块 从式2 1 7 中可以看出，偶数阶谐波分量来自口，为偶数，当系统为奇对称， 如全差分结构，则此系统的输出将不含偶数阶谐波分量。而实际上，失配破坏了 对称性，从而使系统输出含有偶数阶谐波分量；n 次谐波的幅度与成正比。 增益压缩“1 电路的小信号增益通常是忽略谐波分量以后得到的。如在式2 1 7 中，如果a l a 显著大于其它项，则该电路的小信号增益近似等于a 1 。 然而，当输入信号幅度逐渐增大时，电路的增益将发生变化。绝大多数电路 的输出对输入都是“压缩”和“饱和”的，在足够高的输入功率条件下，增益将会接 近零。例如在式2 1 7 中，当口3 0 时，增益将是a 的递减函数。 在射频电路中，这一现象用1 - d b 压缩点来衡量。它定义为使得电路增益与 小信号增益相比下降l d b 时的输入信号电平。如图2 1 0 所示。 “ 重 q i _ j 图2 1 0l d b 增益压缩点示意图 对于式2 1 7 ，当电路增益下降l d b 时， z 嘶g 卜三“_ 卜妣g k h ( 2 舶) 可得 4 一一f 2 1 9 ) 大信号阻塞 当电路的输入信号为一个微弱的有用信号和一个强干扰信号时，强干扰信号 第2 章射频接收机及其前端模块 会降低电路的增益，因此，对于有用信号而言，电路增益的降低会使得灵敏度下 降( d e s e n s i t i z a t i o n ) 。例如，假设输入信号为z ( f ) - a , c o sc o l f + 4 c o s t 0 2 t ，则输 出为 y ( t ) 2 ( a + 詈口彳+ 争a a ；) c o s 咿” ( 2 2 0 ) 当a l n 。，则s s bn f 约为d s bn f 的两倍( 高3 d b ) 。 一等等= ( 1 + 等) ( 4 3 ) n ： 、 n t 1、。 由于存在邻道干扰、镜频干扰，以及非线性产生的谐波分量，这些干扰成分 相互混频会给变频器带来很大的噪声，加上电路中管子带来的噪声，变频器的噪 第4 章低中频下变频器 声通常远远高于放大器s s bn f ，在1 0 d b 2 0 d b 左右。 变频增益( c o n v e r s i o ng a i n ) 根据第二章提到的噪声和三阶交调级连公式，下变频器提供一定的增益可以 降低后续电路噪声对系统噪声的贡献，为了保证系统的线性度，增益又不宜太高。 变频增益可以用功率增益( 4 4 ) 和电压增益( 4 5 ) 来表示，其中v o 和巧分别为 输出和输入的电压，r 。和吃分别为信号源电阻和输出负载，如果r l ；r s ，则 式4 4 与4 5 等同。 印埘哨印2 争 g v - 2 0 1 0 9 铮