（电路与系统专业论文）dmr手持机射频接收前端的研究与设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信的发展，现有的模拟集群系统无法真正发挥其指挥调度的功能，集群通信 技术的数字化势在必行。d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 数字集群系统开放程度高，市场前景 广阔，通常由手持机、车载台、中继台等设备组成，本文主要研究与设计d m r 手持机射频 接收前端的电路。 射频接收前端电路采用二次下变频的超外差结构，完成射频微弱信号的滤波、放大和下 变频功能，该结构具有性能优异和结构可靠的优点，而其设计重点在于镜频干扰的有效抑制 和中频频率的合理确定。手持机工作在u h f 段3 5 0 3 9 0 m h z 的频率范围内，确定第一中频的 频率为7 3 3 5 m h z ，第二中频的频率为4 5 0 k h z ，论文对超外差接收链路中的关键技术和功能 电路进行了研究与设计。 射频滤波器电路分为预选低通滤波器和镜像抑制滤波器的设计。预选低通滤波器采用集 总元件构成，仿真所得带内的插损为0 3 d b 左右，带外倍频点的衰减达3 3 d b ，较好地完成了 频带的预选，并抑制了二次谐波的输出；为了实现镜像抑制滤波器工作频带内的可调谐，利 用变容二极管h v c 3 5 0 b 的等效电容随偏置电压大小而改变的特性，与电感构成电调谐回路， 有用信号的镜像频率衰减在6 0 d b 以上，有效抑制了镜像频率的干扰。 低噪声放大器电路中，利用具有低噪声特性的晶体管a t - 4 1 5 h 作为放大器件，仿真得到 的噪声系数在1 3 d b 左右，功率增益大约为2 1 d b ，表明电路能够在低噪声的前提下，对射频 小信号进行合理的放大。 下变频混频器为双平衡二极管混频电路，由肖特基二极管h s m s 2 8 2 9 和巴伦4 b l h 组 成，变频损耗的仿真结果大约为5 6 d b ，满足信号下变频处理的需求。 论文对上述电路进行了硬件实现和测试，虽然实际所测参数与软件仿真存在一定的差别， 但都满足预期的设计要求，并且通过软件仿真对电路设计具有重要的指导意义，整个射频接 收前端电路具有良好的灵敏度和选择性能，最后针对电路调试和测试过程中的启示，对课题 后续的优化改进提出了简单的思路。 关键词：数字集群通信，d m r 手持机，变容管电调谐滤波器，低噪声放大器，混频器 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed 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 ，t h ee x i s t i n ga n a l o gt r u n k i n gs y s t e m s c a nn o tp l a yaf u l lr o l ei nt h ef u n c t i o n so fc o m m a n da n ds c h e d u l i n g i ti s i m p e r a t i v et h a tt r u n k i n g c o m m u n i c a t i o ns h o u l da p p l yd i g i t a l t e c h n o l o g y d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) d i g i t a lt r t m k i n g s y s t e m ，w h i c hu s u a l l yc o n s i s t so fp o r t a b l ei n t e r p h o n e ，v e h i c l er a d i oa n dr e l a ys t a t i o ns oo n ，h a sa m u c hm o r eo p e np r o t o c o ls t a n d a r da n dw i d em a r k e t p r o s p e c t t h i sp a p e rm a i n l yf o c u so nt h es t u d y a n dd e s i g no fr a d i of r e q u e n c yr e c e i v i n gf r o n t e n dc i r c u i t si nt h ed m r p o r t a b l ei n t e r p h o n e t h er a d i o f r e q u e n c yr e c e i v i n gf r o n t e n dc i r c u i ta p p l i e ss u p e r h e t e r o d y n es t r u c t u r ew i t h t 、o - t i m ef r e q u e n c yd o w n - c o n v e r s i o n t h a tc i r c u i t m a i n l ya c h i e v e st h ep r o c e s so ff i l t e r i n g a m p l i f i n ga n dd o w n 。c o n v e r s i o nm i x i n gf o rt h er a d i l of r e q u e n c yw e a ks i g n a l t h et o p o l o g yn e t w o r k h a sa d v a n t a g e so fe x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b l es t r u c t u r e a n dt h ek e y p o i n t so fr e l a t e dc i r c u i t d e s i g na r et or e s t r a i nt h ei m a g ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l ya n dd e t e r m i n et h ef r e q u e n c yo f i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yr e a s o n a b l y t h ep o r t a b l ei n t e r p h o n eo p e r a t e si nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f 3 5 0 - 3 9 0m h zi nt h eu h fb a n d t h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi sd e s i g n e dt od e f i n e7 3 3 5m h z a st h e f i r s to n ea n d4 5 0k h za st h es e c o n do n e t h e k e yt e c h n i q u e sa n df u n c t i o n a lc i r c u i t so f s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v i n gl i n ka r es t u d i e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r r a d i of r e q u e n c yf i l t e rc i r c u i t si n c l u d et h ed e s i g no ft h ep r e s e l e c t e dl o w - p a s sf i l t e ra n d i m a g e f r e q u e n c yr e j e c t i o nf i l t e r p r e - s e l e c t e dl o w - p a s sf i l t e ri sc o m p o s e do fl u m p e dl cc o m p o n e n t s i t s p a s s b a n di n s e r t i o nl o s si s - 0 3d bo rs oa n da t t e n u a t i o nl e v e li s 3 3d bo re v e nb e t t e ro u to ft h e p a s s b a n dt h r o u g ht h es o f t w a r es i m u l a t i o n ，w h i c hc a ns e l e c tt h eu s e f u lf r e q u e n c yf r o mt h ec l u t t e r s i g n a la n dp r e v e n tt h eo u t p u to fs e c o n d a r yh a r m o n i c s i no r d e rt oc o m p l e t et h et u n a b l ep e r f o r m a n c e o fi m a g ef r e q u e n c yr e j e c t i o nf i l t e r , t h ee l e c t r i c a l l yt u n a b l er e s o n a n c en e t w o r ki s d e s i g n e dt oa p p l y v a r a c t o rd i o d eh v c 3 5 0 ba n di n d u c t a n c e t h ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c eo fv a r a c t o rd i o d ev a r i e sa s t h ec h a n g eo fr e v e r s eb i a sv o l t a g eb e t w e e na n o d ea l lc a t h o d e t h ea t t e n u a t i o nc a p a b i l i t yo f i m a g e f r e q u e n c yi s 。6 0d bo ra b o v eo u to ft h eu s e f u ls i g n a l sp a s s b a n d ，w h i c hc a ns u p p r e s st h ei m a g e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l y t h e nt h el o wn o i s ea m p l i f i e ri sd e s i g n e db yt h eb i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o ra t - 4 1511w i t hl o w n o i s e a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h en o i s ef i g u r eo fl o wn o i s ea m p l i f i e ri sa b o u t1 3d bw i t h 21d bp o w e rg a i n , w h i c hs h o w st h a tt h er a d i of r e q u e n c ys m a l ls i g n a lc a nb ea m p l i f i e dp r o p e r l yo n t h ec o n d i t i o nt h a tal i t t l en o i s ei si n t r o d u c e di n t ot h ec i r c u i t t h ed o w n c o n v e r s i o nm i x e ri sb e l o n gt od o u b l eb a l a n c ed i o d em i x i n gc i r c u i t i tc o n s i s t so f s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e sh s m s - 2 8 2 9a n db a l u nt r a n s f o r m e r s4 b l h t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nl o s s i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 o fm i x e ri s 5 6d bo rs oa f t e rt h es o f t w a r es i m u l a t i o n , w h i c hs a t i s f i e s t h ed e m a n do f d o w n c o n v e r s i o nm i x i n gp r o c e s sf o rt h es i g n a l s t h er e l a t e dc i r c u i tm e n t i o n e da b o v ei sm a n u f a c t u r e dt oh a r d w a r ep h y s i c a lf o rt e s ta n d v e r i f i c a t i o ni nt h ep a p e r t h e r ea r ed e f i n i t e l ye x s i a i n gs o m ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h er e a lc i r c u i t p a r a m e t e r s a n ds o f t w a r es i m u l a t i o n ，h o w e v e r , t h ed e s i g n e dc i r c u i t ss a t i s f yt h ea p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t so ft h ep o r t a b l ei n t e r p h o n e t h a ti s t os a y , t h ew h o l er a d i of r e q u e n c yr e c e i v i n g f r o n t e n dc i r c u i t sh a sap e r f o r m a n c eo fg o o ds e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y f i n a l l y , s o m ei d e a s p r o p o s e df r o mt h ep r o c e s so fd e b u g g i n ga n dt e s ta r ed i s c u s s e dt oi m p r o v ea n do p t i m i z et h ec i r c u i t p e r f o r m a n c ed u r i n gt h es u b s e q u e n ts t u d y k e y w o r d s ：d i g i t a lt r u n k i n gc o m m u n i c a t i o n ，d m rp o r t a b l ei n t e r p h o n e ，v a r a c t o r d i o d e e l e c t r i c a l l y t u n a b l ef i l t e r ，l o wn o i s ea m p l i f i e r , m i x e r i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 移动通信在使用性质和服务对象方面，可以划分为公用移动通信和专用移动通信两种。 专用移动通信最早应用在公安、军队和铁路等某个专业领域，用于部门之间独立的调 度指挥，其特点是通常只设置一个中心基站，天线尺寸为几十米甚至更长，覆盖方圆几十公 里的范围，终端可以为手持机或车载台，既可以单独与基站通信，也可以通过基站与其他移 动台或市话用户进行通信。 公用移动通信的体制有多种，应用最广泛的是蜂窝移动通信，其特点是把某一大的覆盖 区域划分成多个小区，每个小区都设置一个基站，主要负责该小区内移动台的通信与控制， 而每个小区的基站则经由移动交换中心相互通信，并最终与市话网络建立通信连接。 时至今日，公用移动通信在用户规模方面，已经远远超过了专用移动通信，并且其相关 技术也较后者发展迅速。然而，公用移动通信主要针对的是个人通信领域，专用移动通信则 专注于专业部门领域，二者不可偏废，应该互补共存【1 1 。 集群通信( t h i n k i n gc o m m u n i c a t i o n ) 属于专用移动通信的范畴，全体用户共用且能够自 动选择系统内的信道，是一种共用资源、共享信道设备和服务的无线调度系统。根据应用技 术的不同，还可以将集群通信分为模拟集群通信业务和数字集群通信业务，二者的区别就是 在无线接口处采用模拟调制还是数字调制方式。 近些年来，全球地震海啸等灾难频发、公共安全危机等层出不穷，给应急通信带来了巨 大的压力与挑战，此时，公用移动通信网络可能已遭损坏，无需基础设施的对讲机即成为紧 急救援最快速有效的调度通信保障。对于目前广泛使用的传统模拟集群系统而言，存在频谱 利用率低、数据处理能力弱、抗干扰性能差的缺陷，并且，业务容量小、安全保密性不高， 很难适应专用移动通信的需要。随着数字语音编解码、调制和信令控制等技术的发展，逐渐 出现了数字集群通信系统，通过数字集群技术的实施，可以在紧急突发状况下，有效地应对 公共通信网的话务过载负荷危机。 无论是大规模的集群通信系统，还是无中心基站的对讲机互通，通常其手持终端设备都 是对讲机。与模拟对讲机相比，数字对讲机不仅可以实现模拟对讲机的相同业务，更具有语 音清晰、频谱利用率高、抗干扰能力强和保密性高等优点。 此外，在已实施的政策限制方面，也对模拟对讲机向数字对讲机的发展提出了严格的要 求。2 0 0 9 年1 2 月，中国工业和信息化部发布文件，要求自2 0 1 0 年1 月1 日开始，六年内完 成模拟对讲机向数字制式的转换【2 】。当前，公用移动通信已经进入了数字多媒体的3 g 时代， 专网移动通信的对讲机逐步完成数字制式的转变，由性能更优异的数字对讲机取代传统的模 杭州电子科技大学硕士学位论文 拟对讲机是大势所趋，更是未来业务发展新的增长点。 1 2 数字集群通信的发展现状 1 2 1 数字集群通信的标准 目前，我国广泛采用的数字集群通信技术标准主要有e t s i ( 欧洲通信标准协会) 的欧洲 数字集群标准t e t r a 、美国m o t o r o l a 公司的i d e n 、国内华为公司的g t 8 0 0 和中兴公 司的g o t a 四种1 3 刮。 ( 1 ) t e t r a 标准 t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ，即陆上集群无线电) 由e t s i 的r e s 0 6 分会规范制 定，是基于数字时分多址t d m a 技术的专用数字集群通信标准，工作频率为3 5 0 m h z 和 8 0 6 m h z 8 6 6 m h z 的范围。t e t r a 是为了满足欧洲专业用户在复杂环境中对移动通信的需求， 而制订设计的统一开放标准，目前已成为欧洲的通用标准规范。 t e t r a 的组网方式非常灵活，其突出优势在于兼容性好、频谱利用率高、保密性强( 具 有鉴权、空中接口以及端对端加密等) ，能够在同一技术层面上支持指挥调度、数据传输和 语音电话等丰富的业务，还可以扩展组成虚拟专网，以方便物理网络互不相连的部门之间提 供服务，此外，还有多种附加业务功能( 车辆定位、图像传输、移动互联网、数据库查询等) ， 其中绝大部分是t e t r a 独有的技术。由于t e t r a 和g s m 在技术上很相近，因而在欧洲甚 至包括美国的参与厂商众多，得到了极大的应用发展。 ( 2 ) i d e n 标准 i d e n ( i n t e g r a t e dd i g i t a le n h a n c e dn e t w o r k ，即集成数字增强网络) 是美国m o t o r o l a 公司主导的8 0 0 m h z 频谱( 8 0 6 m h z 8 2 5 m h z ，8 5 1 m h z 8 7 0 m h z ) 数字集群通信标准，该段 频谱在全球除欧洲外，被广泛用在集群通信领域，不需要做很大的调整。 i d e n 标准主要基于m 一1 6 q a m 、t d m a 、v s e l p 和越区跟踪等领先的技术，可以在2 5 k h z 的物理信道内扩容六个语音信道，提高了频谱利用率，从而将现有8 0 0 m h z 模拟集群信道容 量增大六倍，再运用频分复用和蜂窝通信技术，可以大幅提升有限频点集群通信的组网能力 和语音通话的保密性及音质。 ( 3 ) g t 8 0 0 标准 g t 8 0 0 是由华为公司研制开发、基于g s m 技术并拥有独立知识产权的数字集群通信标 准，主要关注于国内数字集群市场用户的需求，在参考借鉴国外主流数字集群通信业务的基 础上，不仅具有t e t r a 和i d e n 的集群调度功能，还提供了共网运营的能力，以适应未来 建设集群共网发展的需要，尤其在快速呼叫、群组业务、优先级控制和安全保密方面做了长 足改进。 g t 8 0 0 是基于g p r s 和g s m r 技术开发的，为了面向共网运营的应用，其发展的第一阶 段采用了先进成熟的t d m a 技术，后续第二阶段将引入t d s c d m a 技术，并对t d m a 与 t d s c d m a 进行技术性融合创新，在为用户提供高性能集群业务的同时，也支持后期面向 杭州电子科技人学硕士学位论文 3 g 高速数据传输的可持续发展需要。 ( 4 ) g o t a 标准 g o t a ( g l o b a lo p e nt r u n k i n ga r c h i t e c h t u r e ，即全球开放式集群架构) 是由中兴公司自主 研发、基于c d m al x 技术并面向新技术发展的数字集群通信标准，采用的呼叫方式是广泛 使用的p t t 语音呼叫，其开发愿景是满足专网集群的应用，兼顾考虑共网集群的需求。 g o t a 基于c d m a 的码分多址技术，采用1 6 q a m 和q p s k 的调制方式，以及q c e l p 语音编码等技术。因为g o t a 是在c d m a 2 0 0 0 技术基础上发展改进的，所以g o t a 还能够扩 展集成许多业务，如短信息、定位功能以及无线数据传输业务等，这些业务组合起来使用， 即可以为专业集群用户提供综合业务的解决方案。 1 2 2d m r 数字集群通信 对于目前我国的数字集群应用领域，在信息产业部推荐的四种通信体制标准中，只有两 种国外标准t e t r a 和i d e n 得到了较为广泛的应用，而华为、中兴的g t 8 0 0 和g o t a 技术 由于还不完善等种种原因，在国内的发展应用比较缓慢。但t e t r a 和i d e n 技术标准的开 放程度很局限，系统终端只由少数几家国外厂商提供，建网成本居高不下，不利于大规模的 推广使用；此外，由于标准完备性方面的制约，t e t r a 系统对外网络的互联技术并未完全公 开，不同厂家的t e t r a 产品也无法实现兼容互通，而i d e n 技术的集群系统特性不明显， 难以在中小规模的专网通信中普及发展【5 】。 正是由于t e t r a 、i d e n 等数字集群标准的技术相对复杂，系统建网成本较高，因此， e t s i 新近推出d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ，即数字移动无线电) 数字集群标准。 d m r 协议( e t s it s1 0 23 6 1 ) 是e t s i 面向欧洲各国的中低端专业及商业移动无线通信 用户( p m r ) 对移动通信的需求，设计制订的最新专用数字移动通信规范。d m r 协议标准 遵循由简单向复杂发展的进阶，最终发展到数字集群通信系统，其主要技术参数如下表1 1 ： 表1 1 工作频率 3 0 m h z - 10 0 0 m l - t z 信道间隔 1 2 5 k h z 调制方式4 f s k 技术 多址方式t d m a 双时隙的多址接入 传输速率 9 6 k b p s 语音编码由厂家自定 发射功率由厂家自定 支持的业务l 、语音业务，包括单呼、组呼、全呼等功能； 2 、数据业务，包括i p 数据、短数据、状态消息等。 d m r 标准设计为普通的分层结构，发展部署分为三个阶段，第一阶段主要是免费频段 的数字对讲机模式，很类似于当前广泛使用的模拟对讲机，有益于模拟对讲机向数字对讲机 杭州电子科技大学硕士学位论文 的平滑过度，成本较低廉；第二阶段是数字常规，第三阶段是数字集群阶段，其设计面向民 用、常规和集群等不同的用户对象，商业化运营则主要集中在常规和集群这两类用户，相应 的设备则分为i 类、i i 类和i i i 类。i 类是指工作在视距通信模式下、无需执照的d m r 设备； i i 类是指工作在直通或中继模式、需要申请执照的d m r 设备，专业的数字对讲机就属于i i 类设备；i i i 类是指通过中央控制中心进行通信控制、需要申请执照的d m r 集群系统。 d m r 工作在v h f 和u h f 的频率段，其信号的发射功率和当前模拟机相当，一般为半 双工方式，与其它数字集群通信标准相比，d m r 数字集群技术先进、相关标准完全公开， 并且支持模拟到数字的过渡，提高了频谱使用率和通信容量，业务功能丰富可扩展并向后兼 容，系统和终端成本较低，建网速度较快，总体的运营维护更容易操作，可以称得上目前最 为成熟的数字集群标准。因此，针对d m r 标准开发相关的产品设备，不仅具有前瞻性的研 究价值，而且市场潜力巨大1 6 j 。 1 3 论文结构及内容安排 随着数字技术的发展以及政策法规的限制，现有的集群通信系统面临模拟制式向数字制 式升级的发展机遇，d m r 协议作为数字集群通信的最新标准，综合考虑了之前协议的不足 并做了改进，因而有着更为广阔的市场应用空间。手持机作为d m r 系统中关键的终端设备， 对系统整体性能的影响举足轻重，所以，本课题将其射频接收前端作为研究切入点，进行相 关电路的分析和设计，最终硬件实现上述电路并测试验证。 论文的主要结构和内容安排如下： 第一章简要分析了数字集群通信的发展现状和研究意义，随后介绍了我国推荐的四种数 字集群标准以及d m r 标准的技术参数，相比之下，d m r 系统性能更优异、发展潜力巨大。 第二章主要确定d m r 手持机的射频接收架构以及相关电路的设计，首先对比了几种接 收机的网络拓扑，又分析了超外差接收结构的设计重点，明确了电路的实现方案。 第三章阐述射频滤波电路的设计，从滤波器设计的基本理论出发，结合软件分析设计了 预选低通和变容管电调谐滤波电路，并给出二者的仿真结果说明。 第四章设计了低噪声放大器电路，首先介绍了电路的噪声理论和低噪放的相关参数，在 软件环境下完成低噪放电路的设计和仿真分析。 第五章简单分析了混频器的基本理论，接着讨论其电路的设计参数和常用的二极管混频 形式，然后通过软件仿真得到双平衡二极管混频电路。 第六章为射频接收前端电路的硬件实现和测试验证，包括原理图和p c b 的绘制以及电路 板的制作焊接等，最后利用射频仪器设备对电路进行测试和验证分析。 第七章对全文的研究工作进行归纳总结，并针对后续电路的优化和改进提出了初步思路。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章超外差接收架构分析 无线通信系统主要由发射机和接收机组成。发射机电路使基带信号的信息调制到射频载 波上，并将其变为所需频段的通带信号，以获得足够的功率发射，最终在有噪声的空间信道 内有效地传输。接收机电路与发射机相反，其任务是保证一定信噪比的前提下，从杂乱有干 扰的电磁波中选择接收所需要的信号，同时将微弱的射频信号放大至解调电路所能处理的电 平值并解调出信息，也即将频带信号变为基带信号以便后续电路的处理。 r f a n 矗l o g 定拦矗l 隧 频 孥 q 量 广 溪 莩 銎 图2 1 无线通信系统的结构 2 1 射频接收机的形式 射频接收机在整个通信收发链路的功能主要是完成信号的滤波、小信号放大和下变频等， 包括超外差式接收机、零中频接收机、镜像抑制接收机和低中频接收机等形式。 2 1 1 超外差接收机 超外差原理最初由e h a r m s t r o n g 在1 9 18 年提出，在外差理论的基础上发展而来，是为 了解决无线通信在远距离传输时，微弱的射频信号在接收时所面临的一系列问题，后来，根 据超外差理论制成的接收机即为超外差式接收机。下图2 2 是超外差接收机的典型框图。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 a n t e n n a 图2 2 超外差接收机结构 首先，由天线接收下来的微弱射频信号，依次经过射频带通滤波器、低噪声放大器和镜 像抑制滤波器，与本振信号完成第一次下变频，输出固定频率的中频信号，接下来经由中频 滤波器滤除相近的干扰信号，然后完成第二次下变频，得到所需要的基带信号，最终进入到 基带电路【9 j 。关于超外差接收机的分析会在后边详细说明。 2 1 2 零中频接收机 由于超外差接收机存在镜像频率干扰的问题，可以想到，若本振频率设计等于射频频率， 那么，中频频率即为零，也即镜像频率是射频信号自身，所以不会有镜像频率干扰的问题。 零中频接收机是接收机中最简单直接的实现结构，也称作直接下变频接收结构【1 0 1 ，其电路结 构如图2 3 所示。 a n t e n n a m i x e r l p f q 图2 3 零中频接收机结构 天线接收过来的射频信号，经过射频滤波器的频率选择和低噪声放大器的增益放大，与 相互正交的两路本振信号完成混频处理，分别输出两路同相和正交的基带信号。 零中频接收机除了没有镜像频率干扰，直接下变频方案还有其它的优点【i l 】： ( 1 ) 接收机的射频电路部分，只有高频低噪声放大器和混频器电路，增益不高，很容易 满足线性动态范围的相关要求； ( 2 ) 整个电路中省去了片外高q 值镜频抑制带通滤波器，所以不用考虑放大器和它之 间的级间匹配； ( 3 ) 电路下变频后为基带信号，无需专门的中频滤波器来进行信道的选择，只通过低通 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 滤波器就可以完成，并用基带放大器放大，这些电路极易实现单片集成，因而零中频接收结 构得到了广泛的应用。 但零中频接收机存在本振泄漏和直流失真等问题，这对其推广应用造成了一定的障碍。 2 1 3 镜像抑制接收机 超外差结构是通过外接高q 值镜像抑制滤波器来解决镜像频率干扰的问题，但是无法单 集成，为了解决这一问题，h a r t l e y 和w e a v e r 提出了镜像抑制接收机结构。镜像抑制接收机 的设计思想是通过修改接收机的网络拓扑，从而达到抑制镜像频率干扰的目的，如图2 4 所 示，其中( a ) 为h a r t l e y 结构，( b ) 为w e a v e r 结构。 ( a ) h a r t l e y 结构 ( b ) w e a v e r 结构 图2 4 镜像抑制接收机结构 h a r t l e y 镜像抑制电路设计为正交混频的结构，分别用相互正交的两个本振信号，与两个 混频器来完成射频信号的下变频，再将其中一路移相9 0 度，然后两路信号相加，最终即可得 到抑制镜像频率的中频信号，从而解决了镜像干扰问题；w e a v e r 镜像抑制电路，则在h a r t l e y 方案的基础上，再一次用两个相互正交的本振信号，来替代9 0 度移相电路，其余电路均与 h a r t l e y 方案一致。 但是，镜像抑制接收方案也存在问题。h a r t l e y 结构要想真正抑制镜像频率的干扰，需要 做到两点，首先，两个混频支路需要完全一致，例如本振信号幅度的大小、混频器的变换增 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 益、低通滤波器的滤波特性都要求一致；另外，需要实现精确地正交，即两路本振信号的相 位要正好相差9 0 度，否则镜像频率就不能够完全被抑制掉，显而易见，电路的实现有极大的 难度。而w e a v e r 结构第二次混频的中频频率不为零，也即有可能存在镜频干扰的问题，所 以这种结构中的镜频干扰问题并未得到彻底解决【】。 镜像抑制接收机的主要问题在于，两路信号的失配对接收机的性能影响严重，信号的增 益和相位的不匹配，会使镜像信号并不能得到完全抑制，反而有可能产生二次镜像频率干扰。 2 1 4 低中频接收机 为了进一步降低中频滤波器的要求，同时，尽可能地避免直流失调及低频闪烁噪声对电 路的影响，可以利用仅有正频率成份的复本地振荡信号，将射频信号变换到一个较低但非零 的中频频率上，这就是低中频接收机，其电路结构如图2 5 所示。 m i x e r a n t e n n a 。融 7 y y 一 镜像信 号抑制 夕p 和 再一次 夫 下变频 。v 、一 7 v 一 q m i x e r 图2 5 低中频接收机结构 低中频接收机的优点类似于零中频接收机，下变频后的信号不处于基带内，能够有效地 避免直流失调的问题，可是却带来了镜频干扰的问题，通常用于对镜像信号抑制要求不高的 接收机中。降低中频频率，则增加了镜像频率的抑制难度，而电路要尽量避免使用高q 值的 器件，因此，低中频接收机通常利用正交镜像抑制混频器和多相滤波器，通过有用信号和镜 像频率在混频处理后的相位差来分辨信号和干扰。但是，镜像抑制对两个正交通路的幅度和 相位匹配要求极高，在一定程度上也会影响接收机的整体性能。 2 1 5 数字中频接收机 在二次混频的设计中，可以数字化第二次的混频和滤波，也即在第一次混频后，信号直 接进入a d 电路进行变换处理，接着利用两个正交的数字正弦信号作为本振，再经过数字相 乘和滤波处理后，最终得到基带信号，如图2 6 所示。 8 杭州电子科技人学硕士学位论文 q 图2 6 数字中频接收机结构 数字混频电路的优点是信号经过数字处理后，能够避免i 、q 两路的非一致性。而采用 数字中频设计的困难之处，在于对a d 变换要求极高，例如要求很快的变换速度、较高的分 辨率、较小的噪声以及良好的线性度等【l l 】。 下表2 一l 为上述几种接收机的特点对比。 表2 1 接收机的特点对比 接收机类型优点缺点 超外差最可靠稳定，良好的选择性和灵敏度，存在镜像频率干扰，多次滤波混频，系 接收机动态范围大统成本增加，集成困难、功耗较高 零中频无镜像频率干扰，集成度高，低成本，直流失调，动态范围较小 接收机功耗低 镜像抑制电路简单，无镜像频率干扰 对t q 支路失配敏感 接收机 低中频无直流失调，集成度高，体积小 需要抑制镜像频率，i q 支路不匹配 接收机 数字中频 避免u q 支路的不一致 对a d 变换要求高 接收机 2 2 射频接收前端的超外差结构 超外差式的接收机性能优异，且被认为是最可靠的拓扑结构，至今仍被人们广泛使用并 不断地进行改进。本手持机的接收前端电路采用超外差结构，主要基于三方面的因素考虑【l l 】： ( 1 ) 中频信号频率一般要比射频信号频率低很多，在中频段对有用信号的选择要比在射 频段对相应滤波器q 值的要求低得多； ( 2 ) 从接收机天线接收到的射频信号功率一般在1 2 0 d b m 和1 0 0 d b m 之间，这么微弱 的信号需要被放大至解调电路或a d 变换电路可以处理的电平幅度，则其放大增益需要达到 1 0 0 d b 以上。要保持放大器的稳定性和防止其过度振荡，通常某一个频带内的放大器增益设 计不会高于5 0 6 0 d b 。因而，如果采用超外差的接收机方案，那么接收机总的增益将会分配 在射频、中频和基带三部分电路中完成。此外，射频降低为中频后，在较低的固定中频段上 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 设计窄带高增益的放大器，显然要比在射频段上进行同样的设计简单和稳定得多； ( 3 ) 相对来讲，比较容易实现在低的固定中频频段进行解调或a d 变换处理。 然而，超外差式的接收结构也并非尽善尽美，也存在一些问题从而造成设计的困难，下 面进行简单分析说明。 2 2 1 镜像干扰的抑制 超外差接收架构最明显的缺点就是相邻信道的干扰问题，这主要因为混频器并非理想的 乘法器，而只是具有相乘功能的非线性器件。射频输入信号与本振信号以及夹杂的噪声信号， 经过混频器非线性的处理后，会产生众多的组合频率，如果这些干扰频率位于中频的通频带 内，于是就构成了对有用信号的影响，由以上组合频率引起的干扰常称为寄生通道干扰。 在寄生通道干扰问题中，镜像频率干扰的现象尤为突出。镜像频率信号( d i m 是指与有用 信号缈分别位于本振信号0 9 1 o 的两侧，但二者和本振频率的差均为中频频率国球，也即 国胙饥o + 缈口，同时，镜像信号的功率大小无法预测，在较差的接收环境中，其功率甚至比有 用信号还高几十d b ，如图2 7 所示。 镜笑号 f fi 八 f il ii m 蹦u ，山lm 球 图2 7 镜像频率的干扰 如果镜像频率信号在进入混频器之前没有被滤除，即便混频器为理想的乘法电路，那么， 镜像信号和本振信号经过混频电路的处理，它们所产生的信号进入中频滤波电路后，都同样 位于中频频率( - o h = 处，它会叠加在有用的中频信号上，对其形成直接干扰，从而降低了中频输 出的信噪比，而且无法清除。 要想消除镜像频率干扰现象，唯一可行的方法是不让镜像频率进入到混频电路，这就需 要在混频器之前添加滤波电路，此即通常所说的镜像抑制滤波器，并且是否能有效滤除镜像 频率信号，关键要尽可能地提高滤波电路的q 值。 2 2 2 中频频率的选择 由前面的理论分析可以看出，为降低镜像抑制滤波器的设计难度和要求，可以将固定的 中频适当提高，这样，高的中频频率就会加大镜像频率和有用信号的间隔，有利于增加镜像 频率干扰的抑制能力，从而提高了中频输出的信噪比和接收机的灵敏度，如图2 8 所示。 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 ，2 缸 f f ， 有- 用- - 信- 3 号、渊o 豳 l ，那么由于正反馈的缘故，反射电压的幅度会逐渐增大， 并最终导致系统不稳定的现象出现，相反地，若l f o i 1 ，那么由于是负反馈，反射电压的幅 度会随之减小。 从放大器作为一个两端口网络的角度来分析，该网络由s 参数及其外部负载条件n 和r 所决定。端口网络稳定，即要求其反射系数小于l ： i f l 1 ，i f s 1 ( 4 1 1 a ) i r 加i = i l _ s n 鼢- f n l a - l 1 l ” i r o - i = i s l z 一2 s - ，f 。n s a l l ( 4 1 l e ) 其中，a = s 1 1 s 2 2 一s 1 2 s 2 1 。同时，因为特定频率下的s 参数唯一确定不变，所以只有n 和r 会影响其稳定性。 放大器绝对稳定的状态，是指在某一特定工作频率和偏置条件下，放大器对于输入端口 和输出端口都处于稳定的状态。绝对稳定的条件可以用稳定因子k ( r o l l e t t 因子) 来表示： 拈掣2 s , 2 1 1 s 2 , “ ll 、7 i l - e 口 1 1 1i - 一。“ _ ： 一j j 掣：广：q 。一- f 1 ” 。： 1 l ! 工凇l ! ! l l 神一：i ：瓢- i ：1 1 。甜i ： 。i “ j - 择：1 1 1 臻专j l 越：强i ：转：。1 2 一r f r e q g i - i z ( a ) 射频输入信号的功率谱 4 5 霸 篇量：一 嚣滞御 响i 堇嘶茎| 帆 杭州电子科技大学硕士学位论文 | m 2 il m 3i 1 斤e q = 7 3 3 6 m h zil f f e q = 5 9 3 3 m h zl i d b r n ( v o u t ) = - 4 5 7 6 4 il d b r n ( v o u t ) = - 6 5 2 6 5 i 呼 3 - - - ：l l l ：i l l ， 。【。：。”?- l i l ：+ 。o 一。、一。 j l 一f 。、 l 上：-圭1 ：。| 。j - ，i f：； l ，- 。 i - ： l i。j l i ：一u ； 。! ”；f r 。i： t 矾i 口d0 51 d1 与z uz 与了|j了6 f r e q g h z ( b ) 中频输出信号的功率谱 图5 1 0 混频电路的谐波仿真结果 在中频输出的端口，由混频电路的谐波仿真结果，变频增益为5 6 0 d b 左右，达到了电 路设计的基本要求，其它的干扰信号则可以通过设计合适的滤波器将其滤除，最终得到所需 纯净的有用信号。 5 4 本章小结 由于天线接收下来的信号频率太高，无法直接在基带电路进行信息处理，需要通过混频 电路进行下变频。本章首先介绍了混频电路的基本理论和参数，混频电路包括二极管