（电路与系统专业论文）dvbt接收机中cmos接收信号强度指示器（rssi）设计.pdf

摘要 摘要 随着无线通讯的发展，人们对高性能、低功耗和低成本的要求越来越高。在数字电视( 移动或固 定接收) 成为目前研究热点的背景下，全球都在相关标准的推动下进行接收系统芯片的研究与实现， 因此开发具有我国自主知识产权的接收机芯片具有重要的研究意义。由于接收机接收信号的强度会 在很大范围内变化，所以需要在保证误码率的前提下控制接收信号的强度以节省功耗和延长电池的 使用寿命接收信号强度指示器( r s s 0 通过检测信号强度来调节链路中的可变增益放大器的增益， 从而控制输出信号强度，达到宽的动态接收范围。因此，研制接收信号强度指示器( r s s 0 对无线数 字接收系统具有重要的作用 接收信号强度指示器, ( a s s 0 是d v b - t 接收机的关键模块，本论文从d v b - t 系统的角度出发， 研究d v b - t 接收机中的接收信号强度指示器本论文采用t s m c0 1 8 p r oc m o s 工艺，设计了两版 接收信号强度指示器第一版的核心电路采用非平衡源极耦合对结构作为整流器，具有良好的整流 功能；放大器采用折叠式二极管负载结构，比较适合低电源电压工作：偏置电路采用自举基准源 具有良好的电源抑制比。芯片测试结果表明：在电源电压为1 8 v 时，r s s i 的功耗为3 7 m w ；3 6 m h z 输入信号频率下的功率检测范用为3 1 5d b m - i i 5d b m ，对应的输出指示直流电压为1 5 4 v - - 0 5 4 v ， 非线性误差小于1 2 d b ，基本实现了功率指示功能存在的主要问题是工艺稳定性较差和功率检测 范围太小本文设计的第二版接收信号强度指示器解决了第一版电路存在的问题，采用对数放大器 增大了检测范围，用带隙基准稳定了偏置随电源电压、工艺角的变化，优化了放大器和整流器。仿 真结果表明，检测范围增大到6 0 d b ，非线性误差减小到士0 9 d b ，工艺角特性得到了极大的改善。 本论文的研究具有一定的前瞻性，设计的接收信号强度指示器可以应用于d v b t 系统中。在数 字电视越来越热的背景下，本课题的研究具有很好的市场应用前景和工程应用价值。 【关键词】数字电视d v b - t 接收信号强度指示器非平衡源极耦合对整流器 a b s t r a c t a b s t r a c t w 确t h er a p i dg r o w t ho fw i r e l e s s 鲫n m i l i i i c 砒i o f i s h i g h 非_ r f ：d 帅a n ，l o wc o s l 龇l dl o wp o w e r c o n s u m p t i o na l ee s s e n t i a lr e q u i r e m e n t sf o rar e c e i v e r a tp r e s e n t , h i g hp e r f o r m a m er e c e i v e rc h i pb c m 鹤 t h eg l o b a lr e s e a r c hu n d e rt h eb a c k g r o u n dt h a td i g i t a l i vi st h ec u n 咖h o ts p o t s ( m o b i l eo ff i x e dr e c e i v e r ) 1 1 w m f o mt h ed e v e l o p m e n to ft h eg l t i v e rc h i pw i t hc h i n a so w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c e s i n c et h er e c e i v e ds i g u a ls t r e n g t hi sc h a n g i n gi naw i d er a n g e ，s oi no r d e rt os a v ep o w e r 戗m 姗p 6 0 na n de x t e n db a t t e r yl i f ei ti sn e c e s s a r yt oc o n u o lt h es i g n a ls t r e n g t hi nt h ep r o m i s et h a tt h eb i t e r r o rr a t ei sw i t h i nt h es t a n d a r dr e q u i r e m e n t t or e a c hw i d e d y n a m i cr a n g ea n dt os t a b i l i z et h eo u t p u ts i g u a l i n t e n s i t y , a l lr e c e i v e ds i g n a js t r e n g t hi n d i c a t o r ( r s s i ) b l o c kh a sb e e ni n t r o d u c e dt oh e l pt h ea u t o m a t i c g a i nc o n t r o l ( a g c ) b l o c kt or e g u l a t er ff r o n t - e n dg a i n s t h e r 日e o r e + t h ed e v e l o p m e n to fr e c e i v e ds i g u a j s t r e n g t hi n d i c a t o r ( r s s i ) p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ew i r e l e s sd i g i t a lr e c e i v e rs y s t e m s t h er s s ii so o f t i l em o s li m p o m mb l o c k si nt h ed v b - t1 2 m i v e rs y s t e m t h i sp a p e rh a sp r e s e n t e d t h ed e s i g no fa l lr s s if o rd v b - ts y s t e m b a s e do nt h et s m co 1 8 1 t r nc m o st e c h n o l o g y , t h ep a p e r i n t r o d u c e dl w ov e r s i o n sr s s id e s i g n t h em a i na r c h i t e c t u r eo ft h ef i r s tv e r s i o ni st h eu n b a l a n c e d s o u r c e - c o u p l e dp a i r sf o rr e c t i f i e r , w h i c hs h o w sag o o dp e r f o r m a n c ei nr e c t i f i e r ac a s c o d e dd i o d el o a dg a i n c e l li si n t r o d u c e df o ra m p l i f i e r , w h i c hi ss u i t a b l ef o rl o w - v o l t a g eo p e r a t i o n ab o o t s t r a pm o s c i r c u i ti s i n t r o d u c e df o rb i a s ，w h i c hs h o w sag o o dp e r f o r m a n c ei n p o w e rs u p p l y 畸e c t i o nr a t i o ( p s r r ) m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ei n p u tp o w e ri s c h a n g i n gf r o m 一3 1 5 d b mt o 1 1 5 d b ma tt h e f r e q u e n c yo f 3 6 m h z , t h ec o r r e s p o n d i n go u t p u ti n d i c a t i o no f t h ed cv o l t a g ec h a n g e sf r o mi 5 4 vt oo 5 4 v w i t h 士1 2 d bn o n l i n e a r i t ya t o ra n dt h ep o w e rd i s s i p a t i o ni s3 7 m wa tt h e1 s vp o w e r s u p p l y t h er e s u l t s a l s os h o wt h a tt h er s s ir e a l i z e st h ef u n c t i o no f i n d i c a t i n gt h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h b u tt h e r eh a v eb e e n t w od r a w b a c k si nt h i sv e r s i o n , f i r s tt h ei n d i c a t i o nr a n g ei st o on a r r o w , s e c o n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec i r c u i t i sv a r i a b l eb yp r o c e s s b ya n a l y z i n gt h ed r a w b a c k so f t h ef o r m e rd e s i g n , t h es e c o n dv e r s i o nh a sm a d et h e f o l l o w i n gi m p r o v e m e n t f i r s t , al o ga m p l i f i e ri si n t r o d u c e ds ot h ei n d i c a t i o nr a n g ei se n l a r g e d s e c o n d ，a b a n d g a pr e f e r e n c ec i r c u i ti si n t r o d u c e df o rb i a s , w h i c hs h o w sag o o dp e r f o r m a n c ei np s r ra n dp r o c e s s s t a b i l i t y t h 硎t h er e c t i f i e ra n da m p l i f i e rh a sb e e no p t i m i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l te x h i b i tt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h es e c o n dv e r s i o nh a sb e e ni m p r o v e da sf o l l o w s ：t h ei n d i c a t i o nr a n g ei sg r e a tt h a n6 0 d b w i t hi - 0 9 d be r r o r , a n dt h ep r o c e s sd e p e n d e n c ei sc o m p e n s a t e d t h i sr e s e a r c hh a sc e r t a i nf o r e s i g h ta n dt h ed e s i g no f c m o sr s s ! c a nb eu s e di nd v b - t s y s t e m t h i s t o p i c sr e s e a r c hh a st h ev e r yg o o dm a r k e ta p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o nv a l u eu n d e rt h e b a c k g r o u n dt h a td i g i t a lt vi st h ec u r r e n th o ts p o t s i k e yw o r d s ld i g i t a lt v ；d v b - t ；r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ；u n b a l a n c e ds o u r e - c o u p l c d p a i r s ；r e c t i f i e r n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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 表示了谢意 研究生签名：遂日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：塑壅窒导师签名：妞日期：塑 第1 章诸论 1 1 数字电视的发展历程 第1 章绪论 世界广播电视已进入数字化时代，作为2 l 世纪最具发展前景的新兴产业，数字电视广播的推广 普及无疑是消费升级中最受瞩目的一环 目前，数字电视传输有三大标准【l j ，即欧洲的d v b ( d i g i t a lv e d i ob r o a d m s a n g ) 、美国的 a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc m m l 和日本的i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 三种不同的标准 欧洲数字电视标准d v b ：从1 9 9 5 年起欧洲陆续发布了数字电视地面广播( d v b - t ) 、数字电 视卫星广播( d v b - s ) 、数字电视有线广播( d w - c ) 标准欧洲数字电视首先考虑的是卫星信道，采用 q p s k 调制，地面广播数字电视采用c o f d m 调制、8 m 带宽，电缆数字电视采用q a m 调制d v b 发展组织因预见到移动通信与数字广播网络整合的可能性，因此在2 0 0 2 年9 月即提案，发展适用于 手持式装置的标准d v b - h ( d v b - h a n d h e l d ) ，并在2 0 0 4 年1 月制定出该规格的基本框架，接着在2 月进入验证与标准化的程序。由于d v b - h 的发展脚步较快，不论是美酮标准还是日本标准的相关 技术也都向它靠拢 美国数字电视标准a t s c ：美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行 传播，并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准a t s c 。美陶h d t v 地面广播频道的带宽为6 m h z ， 调制采用8 v s b 。美国的卫星广播电视采用q p s k 调制，电缆电视采用q a m 或v s b 调制。作为世 界上最发达的国家，美国在数字广播技术的实际应用方面落于欧洲围家，主要因为美国一直在努力 建立一套全国通行的技术标准，而它一直引以为自豪的商业广播体制却成了桎梏。尽管美国在1 9 9 8 年才开始大力推行数字电视，但是由于技术支持和资金实力的推动，美同的数字电视已经后来居上， 截至2 0 0 3 年年中，美国地面数字电视的覆盖率已达9 4 。 日本数字电视标准i s d b ：日本数字电视标准首先考虑的是卫星信道采用q p s k 调制，并在 1 9 9 9 年发布了数字电视的标准i s d b t ( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) ，这是一种 适用于窄带和宽带的数字广播和电视的技术 在以上三种标准中，d v b 是世界人u 覆盖率最大的种，来自世界3 5 个国家和地区的组织成 员已经达到2 6 5 个，丰要集中在欧洲并遍及世界各地，我嗣的广播科学研究院和t c l 电子集团也在 其中。d v b 之所以能够广泛的使用，主要原因一方面是技术发展较为成熟，另一方面它的组织拥有 一套完善的运作体系。 东南人学硕士学位论文 1 1 1d v b 传输系统 d v b 传输系统涉及卫星、有线电视、地面、s m a t v ( s a t e l l i t em a s t e r a n t e n n at v ) 等所有传输媒 体它们对应的d v b 标准为： d v w s ( 数字卫星广播系统标准) 卫星传输具有覆盖面广节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制( q p s k ) 方式， 工作频率为i1 g h z 1 2 g h z 在使用m p e g 一2m p m l 格式时。用户端若要达到c c i r6 01 演播室质 量，码率为9 m b t , s ；达到p a l 质量，码率为5 m b p s 一个5 4 m l - l z 转发器传送速率可达6 8 m b p s ，可 用于多套节目的复用d v b - s 标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了 d v b - s 标准。 d v b - c ( 热字有线电视广播系统标准) 数字有线电视广播具有1 6 、3 2 ，6 4 q a m ( i e 交调幅) 三种调制方式，工作频率在i o g h z 以下。 采用6 4 q a m 时一个p a l 通道的传送码率为4 1 3 4 m b p s ，可用于多套节目的复用。系统前端可从 卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机项盒 d v b - t ( 数字地面电视广播系统标准) d v b - t 是最复杂的d v b 传输系统地面数字电视发射的传输容量理论上与有线电视系统相当， 本地区覆盖最好。采用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方式，在8 m h z 带宽内能传送4 套电视节目， 传输质量高。 1 1 2d v b - t 技术特点 d v b - t 的用户要求于1 9 9 4 年通过认证，第一个d v b - t 的数字广播在9 0 年代开始广插。随后 在英国建立了第一个商用系统 d v b - t 的基带采用正交频分复用( o f d m ) 技术，分为2 k 和8 k 两种模式。调制方式有q p s k ， 1 6 q a m 6 4 q a m 儿种模式，如图j l 所示。 a wt w 日- 图1 1d v b t 的基带信号星座图 d v b t 与我国现在的电视广播系统p a l 制式在频率分配上基本兼容( 图1 2 ) ，设备改造简单。 2 第1 章诣论 1 | i7 l f j|i l ， |、i 、 、 图1 2d v b - t 信号和p a l 传统电视信号的频谱比较 d v b - t 的最大优点是有效的利用了频率资源，传输司样的信息可以节省发射功率由于采用了 m e p g 2 压缩技术，在普通的8 m i l z 的视频带宽上可以传输4 到5 路电视节目用户可以享受到低 噪声，c d 音质的影音传输，同时可能伴有增值业务服务。 有关专家估计，d v b - t 在未来的几年内将在我国迅速普及d v b - t 接收机具有巨大的市场潜 力射频前端是d v b - t 接收机的关键部件，采用丰流的0 1 8 微米的c m o s 工艺设计芯片，可以大 大降低成本 本课题为d v b - t 接收机中的接收信号强度指示器设计。接收信号中心频率为3 6 m h z ，带宽为 8 m h z 。 1 2 射频接收机性能参数 射频接收机的各个电路模块及其功能和指标由接收机的性能指标决定。除必须考虑的功耗指标 外接收机的灵敏度、线性度和动态范围是衡量接收机性能的主要指标。 1 2 1 灵敏度 接收机灵敏度( s i t i v 时) 的定义为1 2 l ：在可接受的信噪比( s n r ，s i g n a ln o i s er a t i o ) 艚f ，系统 可检测到的最小信号功率。为计算灵敏度，首先给出噪声系数的定义： 一是= 甏 m 。 s n r 。 s n r 。 ”。 其中几。和分别为接收机的输入信号功率和源电h l 噪声功率，从i 输入信号功率可表示为： 名= 最s n f x s n r 。 ( 1 2 ) 假设信道带宽为b ，上式两边都必须在这个带宽内积分以得到总的均方功率，所以，对于频带平 东南大学硕上学位论文 坦的信道： 喇= 名x n f x s n r 。x b 0 3 ) 式( 1 3 ) 把灵敏度估计为产生一定输出信噪比的最小输入信号若用d b 和d b m 表示式( 1 3 ) 中各个 量，有： 户叵脚= 气l m m + f k + s n r h i + 1 0 1 9 b ( 1 4 ) 其中是达到舒【的最小输入信号功率，b 用h z 表示。室温下上式又可表为： 圪一= 一1 7 4 d b m h z + n f + i o i g b + s n r - ( 1 5 ) 上式中前三项的和称为系统的基底噪声( n o i s ef l o o r ) 从该公式可以看出：基底噪声和系统所要 求的输出信噪比共同决定了输入灵敏度。要求的输出信噪比越大，为保证输出质量就必须增大输入 信号，即降低了灵敏度。同样，要获得高的灵敏度，就要降低接收机的噪声系数。 1 2 2 线性度 线性度是衡最接收机性能的另一个重要指标，通常的表示方法有1 2 1 ；1 ) l d b 增益压缩点；2 ) - - 阶 互调点。下面对这两种表示方法做具体说明 1 ) i - d b 增益压缩点( d b ) 当输入信号为小信号时其增益是接近于恒定的，输出信号随输入信号的增大而线性增大。随 着输入信号的增大，输出相对输入的增益开始偏离线性的情况。当输入信号增大到一定值时，由于 系统的非线性，在某一点的实际输出信号功率比小信号线性功率增益降低i d b 。id b 增益压缩点定 义为使增益下降l d b 时输入信号的值，如图1 3 所示。 g 鼍 g n - p d b m 图1 3 l _ d b 增益压缩点 4 第1 章诸论 2 ) 三阶互调点( i p 3 ) j 阶互调是衡晕接收机线性度的另一个重要指标。输入端接收信道附近频率相近佃i ，卿) 的两 个干扰信号在电路非线性的作用下产生谐波分量，其中三阶互调分量( i m 3 ) 的2 q 一呸，2 哆一q 两 项中将有一个互调项落入我们感兴趣的频带内从而损害有用信号。 用两个幅度相同的干扰信号做双音测试，双音信号从足够小逐渐增大，随着干扰信号的增大 它的基波分量和三次互调分量会在某一点达到相同的幅度，这一点称为三阶互调点i p 3 ，对应的输入 信号功率或幅度值称为输入三阶互调点l i p 3 ，而输出点则称为o i p 3 ，如图1 4 所示 o i p 3 吕 曼 毒 p 0 a b m i i p 3 图1 4 三阶互调点 1 2 3 动态范围( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ) 由于互调等非线性因素，信号不断增大将导致误码率上升，也就是说，噪声和非线性决定了系 统的动态范围。动态范围有多种定义，例如可以用i _ d b h ；缩点作为信号上限。s f d r 常见的定义为三 阶互调积( i m 3 ) 与输出噪声相等时输入信号与等效输入噪声之比1 2 “。如图1 5 所示 s f d r = ( i i p 3 - ) ( 1 6 ) j 晰= 1 0 l o g 口+ f 一1 7 4 d b m h z ( 1 7 ) 其中m h 为噪声基底。由公式( 1 6 ) 和( 1 7 ) 可看出，要提高接收机的动态范围，就必须提高接收 机的线性度，降低接收机的噪声系数 东南大学硕上学位论文 j 二 昌 渤彳 一三阶交调移 鲁 夕 、 c 1| “丹p m d b m 7 s f d r ，! 噪声基底 图i 5 动态范围 1 3d v b - t 接收机的系统结构介绍 射频接收机中比较典型的结构主要有以下几种，超外差式接收机( s u p e r - h e t e r o d y n er e c e i v e r s ) ， 零中频接收机( z m - i fr e c e i v e r s ) 和低中频接收机( l o w - i fr e c e i v e r s ) 。本次d v b - t 接收机的研究采用 的是双中频的超外差式结构，它的基本原理是将从大线接1 1 5 【到的射频信号经放大和上变频后转换为 一个固定的中频信号( 1 2 2 0 m h z ) ，然后再进行下变频变为另一个固定的中频信号( 3 6 m h z ) 进行解调。 如图1 6 所示，带阴影的框图就是本论文重点研究的对象接收信号强度指示器。 1 , 4 工艺简介 图i 6d v b - t 接收机系统框图 目前用于射频功率放大器设计的工艺主要有硅、锗砖和砷化镓。硅( s i ) 基工艺是实现集成电路的 首选，尽管g a a s 可以提供更高的增益，更高的工作频率和绝缘衬底，但是仅价格这一因素就足以 6 第1 章诸论 使得硅工艺胜出。硅工艺的另一个优势在于数模混合集成和超大规模集成方面，拥有巨大市场的微 处理器和d s p 都使用c m o s 或b i c m o s 。在c m o s 工艺上集成无源器件的成功使射频集成电路设 计工程师有了更多的选择，从而将基带数字处理与射频电路集成在同一块芯片上实现s o c 成为可 能正是基于这种趋势，本文利用t s m c 的o 1 8 p r oc m o s 工艺进行接收信号强度指示器集成电路 的设计和研究 随着c m o s 器件特征尺寸的不断减小，其特征频率不断提高。 可以由下面的表达式给出埘 石2 芴1i g = _ 1 5 鑫( 一) ( 1 8 ) 式( 1 8 ) 是从长沟道m o s 晶体管模型的平方率公式推得的，若考虑短沟道效应则m o s 管的 大体上与l 几成正比即使如此，c m o $ 工艺仍然比s ib j t 和c _ m a s 工艺有更高的性价比，而且这 一趋势还在继续。特征尺寸减小，m o s 管的工作电压也随之降低，给射频集成电路设计提供机遇的 同时也带来了挑战表1 i 列出了t s m c0 1 8 p r o 标准c m o s 工艺的一些特征参数。 表i it s m co 1 8 p u n 标准c m o s 工艺的一。些特征参数 l最小栅长( 肿1 )f r ( o m ) 标准工作电压( v )金属层致 i o 1 84 91 8 ，3 36 1 5 射频集成电路的设计流程 对d v b - t 接收机而言，首先根据系统要求确定整个系统的结构；其次对该电路结构进行系统仿 真，确定各个模块的性能指标要求，同时进一步优化系统结构。接下来根据各个单元模块的性能指 标要求搜集资料，筛选优化结构，利用a d s 和c a d e n c es p e , c t r e r f 软件进行电路仿真和优化，在各 个性能参数之问进行良好的折中，使得电路性能最优。在前仿真达到设计要求的前提下，采用c _ c i l c e 软件进行版图设计，完成版图的一系列验证：包括设计规则检查( d e s i g nr u l ec h e c k ，d r c ) ，版图与 电路图对照( l a y o u tv e l s l bs c h e m a t i c ，l v s ) 。最后对版图进行参数提取( e x t r a c t i o n ) 和后仿真，对后仿 真的性能和前仿真进行比较和分析。如果后仿真结果不能满足要求，找出问题出现的原因。如果问 题是山版图设计带来的，那么修改版图，优化版图结构：如果问题是电路结构造成的，那么重新回 到前仿真，进行电路优化。当后仿真电路达到要求时，将版图交给m p w 中心，进一步转化为g d s i i 格式文件交付芯片制造厂商流片。最后对芯片进行测试和分析，确定芯片是甭达到预期指标要求。 图1 7 为射频集成电路设计流程框图。 7 东南人学硕上学位论文 图1 7 射频集成电路设计流程 1 6 本论文的主要工作及论文结构 本论文的主要工作是采用t s m c o 1 8 i t m c m o s 工艺设计应用于d v b - t 系绕的的接收信号强度 指示器。要求检测范围大于3 0 d b m - - 1 0 d b m ，非线性误差小于* 2 d b 。 论文共分5 章，结构如下：第1 章是绪论，主要介绍了数字电视的发展历史，射频接收机性能 参数，晟后给出了d v b t 的系统结构框图和射频集成电路设计流程图。第2 章对接收信号强度指 示器进行了原理性介绍。第3 章主要介绍了第一版接收信号强度指示器的设计和测试过程。第4 章 在总结第3 章的基础上设计了改进的接收信号强度指示器。第5 章主要对本论文进行总结 8 第2 章接收信号强度指卅器原理 2 ir s s i 的作用 第2 章接收信号强度指示器原理 对于通信系统而言，r s s i 是必不可少的，它通常用于指示该系统所处位置的信号强弱，定性的 表示可以是信号格效，如我们通常用的手机，当满格时，表明该手机所处位置的信号比较强，适合 进行通讯；当信号格数指示只有一格或没有时，表明该手机所处位置的信号比较弱，不适合通信 定量的表示是以一个物理量的数字表达或者是对应的标准化为数字，可以是一个直流电压，当读出 直流电压，查看对应曲线，就可以知道该通信系统所处位置的信号强度值，图2 1 即为用直流电压 指示输入信号功率，其中横坐标为输入信号功率，纵坐标为输出直流电压；标准化数字的指示方法 通常是以0 - 1 0 0 为标准，当r s s i 大于4 0 时，可以满足拨打和接听电话的任务，而3 0 到4 0 ， 可断断续续的通话，效果不佳，2 0 到3 0 基本不可通话( 通话就断) ，但可以收发短信，若低于1 5 ， 等于没信号，短信也发不出去 ? i n ； i xj ，j ! ! i - 8 0- 7 0- 6 05 0- 4 0- 3 0 - 2 0 - 1 0 p i , d b m 图2 1r s s i 的输入输出曲线 r s s i 的另一个作用是应用于距离的测量中：其原理是利用无线电传输信号的路径损耗模型来测 定距离。文献 5 - 6 就是利用r s s i 来测定距离的研究 r s s i 还有一个重要作用就是和可变增益放大器一起组成自动增益控制系统。这个功能常用在接 收机系统的自动增益控制中，具有重要的意义。 9 东南大学硕士学位论文 2 2 自动增益控制系统 本论文中所研究的r s s i 是和可变增益控制放大器紧密相连的，r s s i 与可变增益控制放大器共 同构成自动增益控制系统，下面对自动增益控制系统作简单介绍 2 2 1 自动增益控制系统的作用 自动增益控制系统是一个在电子学领域中应用很广的系统。在广播、电视、通信和雷达接收机 中几乎都不可避免地要加以采用，并且对于它们的性能有相当重要的影响 自动增益控制系统之所以广泛应用于接收机中。主要有以下几个原因【7 - 9 1 ：接收机距辐射源的距 离可以有很大变化：电波在空间传播有明显的衰落现象以及其他一些干扰因素，使得作用在接收机 输入端的信号强度有很大的变化和起伏但是，接收机的终端设备一般只能处理幅度变化不大的信 号，信号过强过弱或忽大忽小都会使终端设备失效 因此，必须设置一个幅度调节系统，来保证接收机输出信号幅度的平稳性。自动增益控制系统 ( a g c 系统) 就是一个自动幅度调节系统，其基本作用是：当输入信号的幅度在很大的范围内变化时， 严格地控制放大器的增益使其输出信号的幅度保持不变或者只有很小的变化。也就是说，a g c 系统 是一个动态范围压缩装置 一般说来，凡是在要求输出为常数而输入有一定动态范围的系统都可以使 j 类似于a g c 系统 的装置。例如，使振荡器输出电平保持恒定的自动电子调节( a l c ) 系统，实质上就是一个a g c 系统。 即使是非电量的调节问题，例如恒温、恒压、恒流等问题，也可以用类似于a g c 系统的方法来分 析和设计。 2 2 2 自动增益控制系统的结构 任何闭环a g c 系统的方框图都可以简化为图2 2 嗍的形式。它由受控放大器和反馈电路组成。 受控放大器由受控级和非受控级组成，它可以是高频、中频或低频放大器，也可以是检波器以及电 控衰减器等特殊部件 反馈电路般由交流放大器、检波器、滤波器和直流放大器组成。 1 0 第2 章接收信号强度指爪器原理 受控放大器 、反馈电路 图2 2 闭环a g c 系统的一般方框图 2 3 对数放大器的基本概念 本论文中r s s i 的设计用到了一个似对数放大器，在介绍r s s i 的详细设计之前，先介绍一下对 数放大器 对数放大器是一个输入输出信号幅度成对致豳数关系的瞬时压缩动态范围的装置。对数放大器 在通信、雷达，电子对抗以及各种放大和电子测最没备中部有广泛的应用。这种应用是以下列基本 事实为根据的：通信接收机、雷达接收机和遥测没备的输入信号经常在很短时问间隔内从几微伏变 到几伏，或者同时作用着各种强度极不相同的信号，为了正常接收这些信号，显然必须利用瞬时压 缩动态范围的装置 2 3 1 对数幅度特性的标准表示式 对数放大器的理论幅度特性可以写成嗍 乩= a l o g n 以+ 口 式中( o _ 输入电压幅度； ( o 一输出电压幅度； ，乒一常数： 肛一对数底数。 在理论分析中，将上式改写成为以归一化变量表示的形式更方便 y = a l n x + l 其中x 和y 是归一化变量 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 东南大学硕上学位论文 为 p 急胪老 亿， 而( 巩l ，u 0 ) 是对数曲线式( 2 1 ) 上某一参考点的坐标；口是一个与对数底数有关的量，其表达式 比较式( 2 i ) g ( 2 2 ) 可知 1 口= 一 i i l a = ( ，卵i ，b = ( i ( 1 一a l n 虬1 ) 通常把式( 2 2 ) 称为对数幅度特性的标准形式当口= l 时，工和y 成自然对数关系当4 = 0 4 3 4 时，z 和y 成常用对数关系。式( 2 2 ) 的基本图形示于图2 3 中( 横坐标采用对数刻度) 2 2 2 线性一对数过渡 图2 3 标准的对数幅度特性 任何一个可实现的对数放大器，在输入信号很小时必定会与真正的对数特性有偏差。由于当变 量很小时，任何函数都可以线性化，因此可以认为输入信号很小时，对数放大器处于线性工作状态。 这时有 【，蚰= g o 珑( 2 5 ) 当信号增大时，在实际的对数放大器中就会发生南线性放大状态向对数放大状态的过渡，如图 2 4 所示 1 2 第2 章接收信号强度指示器原理 “l【 图2 4 线性一对数过渡 通常以线性一对致过渡点作为标准对数幅度特性的参考点，此点对应的输入电压幅度用阮i 表 示，相应的输出电压幅度用【钿表示显然，在w 坐标系中，过渡点的坐标为( 1 ，1 ) 利用过渡的连续性条件可知：过渡点既在对数曲线上，也在由式( 2 5 ) 决定的直线上。因此有 u 0 = g o 乩， ( 2 6 ) 引用式( 2 3 ) 定义的归一化变量，并考虑到( 2 6 ) ，则可把式( 2 5 ) 写成标准形式 y = x( 2 7 ) 从线性状态向对数状态过渡有几种方式i 帕，这些方式与过渡点附近一阶导数是否连续有关如 果在过渡点上，接线性状态决定的一阶导数与按对数状态决定的一阶导数相等，则这种过渡是平滑 的；如粜二者不等，过渡就是非平滑的。从式( 2 2 ) 可得 耋小= 4 从式( 2 ，7 ) 可得 立；1 出 因此，平滑线性对数过渡的条件是 口= l ( 2 8 ) 这时对数幅度特性的表示式必定是 y = l n x + !( 2 9 ) 或 叱= g 0 l i l 老“) ( 2 1 0 ) 如粜口l ，则线性对数过渡必定是非平滑的。根据这一准则可以方便地判定实际对数放大 器的线性一对数过渡是否平滑。 东南大学顼上学位论文 2 3 3 实际对数放大器的基本电路 基本的实际对数放大器常常具有图2 5 所示的电路结构，以便在一定范围内调解对数放大器的 参数。图中，以和c k 表示对数单元的输入和输出电压幅度；尾和i o 表示整个放大器的总输入和 总输出电压幅度；g i 表示位于对数单元之前的线性增益；g 2 表示位于对数单元之后的线性增益 皿1 砸吵晶 图2 5 基本的实际对数放大器 由图2 5 可得出下列三个基本关系式 以= g l e ( 2 i l ) 吒；叱一( 口l n 老+ 1 ) ，乩 ( 2 1 2 ) 瓦= g 2 u 。 【2 1 3 ) 于是，不难得出总的输入输出关系式 吃= g 2 ( 口i n 笋+ 1 ) ，g i 毛叽。 ( 2 1 4 ) u i l 令 尾i = 。a , ，瓦= g 2 吒l ( 2 1 5 ) 则式( 2 1 4 ) 成为 瓦2 i n 惫“) ( 2 _ 1 6 ) 引入归一化变量石= e ，乓l 和y = 瓦民l 后t 上式又化为标准形式 y = a l n x + i 由以上讨论可知，对数单元前后的线性增益不能改变口值，只能改变线性一对数过渡点的位置： 对数单元前的线性增益改变的是横难标值( 输入电压值) 对数单元后的线性增益改变的是纵班标值 ( 输出电压值) 。 2 3 4 对数放大器的动态范围和压缩系数 实际对数放大器的幅度特性不可能在无限大的输入动态范围内始终保持为对数关系。只有当输 1 4 第2 章接收信号强度指求器原理 入电盐帽厦达到砜l 时，对效放大器，。升始呈现对敲幅度特性陋者输入帽厦增大，对效夭系将一 直保持着，但是，如果输入幅度增加到很大的数值，对数放大器也会饱和或限幅。设对数放大器仍 能保持对数关系的最大输入电压幅度为c 如，则定义输入动态范围为 d - 2 老 g j 乃 通常用d b 表示 见( d b ) = 2 0 1 9 鲁 ( 2 - s ) 设相应于巩i 的输出电压为( k l ，相应于的输出电压为l 7 岛，则相应于z k 的输出动态范围 为 比= 等 伫j 9 ) 用d b 表示即为 比( d b ) = 2 0 1 9 - 毙。 ( 2 ：。) 对数放大器的一个重要特点是能实现输入动态范围的瞬时压缩其压缩能力可用“压缩系数”表 示，其定义为 。是= 上a l n d + l ， d 柚 。 由式( 2 2 1 1 看出，口- i g l 对，n i 越大，c 也越大。 2 3 5 对数放大器的精度 对数放大器的另一个重要特性就是肘数放大器的精度也即对数放大器的幅度特性相对于理想对 数曲线的准确程度。不管实际对数放大器制作的多么完善，它相对于理论对数曲线总是有误差的， 通常用相对误差来表示对数精度。关于相对误差有两种定义【s 】：一种是固定输入电压，然后测龟实 际输出电压值u n 与理论值u o t 的偏差，可用式( 2 2 2 ) 表示相对误差 6 ：u w r ，- u rx 1 0 0 ( 2 2 2 ) 。 于是其最大值便决定了对数放大器的精度。 另一种定义是固定输出电压，然后测量实际输入电压值巩r 和理论值以l t 的偏差。可用式( 2 2 3 ) 东南人学硕士学位论文 表示相对误差 ：挚x 1 0 0 ( 2 2 3 ) 玑， 、7 于是其最大值便决定了对数放大器的精度。 在实际工作中，采用输入相对误差去决定对数放大器的精度比较方便。这是因为对数放大器一 般是在以r “d b ) 坐标系中绘制的，理想的对数关系应当是一条直线由于存在对数误差，实际的 测量点将散布在这条直线的周围如图( 2 6 ) 所示。 0 ( d b ， 图2 6 对数放大器误差的决定 设最大散布点的坐标为【c r ( d b ) ，仉o r ( d b ) 】，它距横坐标与其相同的理想直线上的点的距离为 乩= i u n 一比l ( 2 2 4 ) 它距纵坐标与其相