（电磁场与微波技术专业论文）频谱感知通信系统的射频收发信机及k波段射频前端的研究.pdf

d e s i g no ft h e 砌t r a n s c e i v e rf o r t h es p e c t r u m s e n s i n gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dak b a n d i f r o n t e n d ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 锣 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y d i n g h 试f e n g s u p e r v i s e db y p r o z h ux i a o w e i s t a t ek e y l a b o r a t o 巧o fm i l l i m e t e rw a v e s s c h o o lo fi n f o m l a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g so u t h e a s tu n i v e r s 时 n a n j i n g ，2 1 0 0 9 6 ，p r c h i n a j a n u 哪2 0 1 0 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： ， 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 躲啤黜名 、 摘要 摘要 随着无线通信业务的飞速发展，所需要的频谱资源越来越多，可用的无线频 谱资源越来越缺乏。但在同时人们发现全球授权频段，尤其是信号传播特性比较 好的低频段的频谱利用率极低。因此，近年来人们提出了基于感知无线电技术的 动态频谱资源共享的思想，即通过对频谱使用状况的实时感知，采用灵活的频谱 接入和管理技术，动态地利用当前未使用的频谱为用户提供无线通信服务，实现 频谱授权系统与非授权系统之间的频谱资源共享。 本文基于国家“8 6 3 ”重点项目“频谱资源共享无线通信系统”的研究工作，对 频谱感知通信系统中的射频收发信机进行研究，该射频收发信机工作于 6 9 4 m h z _ 8 0 6 m h z 唧广播电视频段，工作带宽8 m h z 。首先，根据频谱感知通信 系统的技术指标，对射频收发信机的系统架构进行了研究论证。在确定了系统方 案后，对射频收发信机进行链路预算，并利用a d s 对收发链路进行系统仿真。 然后，对射频收发信机的核心部件本振模块进行了单独的设计与测试。最后对 射频收发信机进行了整机测试，测试结果表明射频收发信机性能良好，初步达到 预期的设计指标。 另一方面，针对低频段频谱资源过于拥挤的现状，研究微波高频段以及毫米 波通信系统也越来越受到人们的关注。本论文对k 波段的射频接收前端进行了 研究设计，该前端包含射频滤波器，低噪声放大器，镜像抑制滤波器和下变频器。 论文分别对射频前端的滤波器和混频器进行了仿真与测试。最后将低噪声放大器 芯片集成到印制电路板上，对整个接收前端进行了测试与分析。 关键词：频谱感知，射频收发信机，本振频率源，基片集成波导滤波器， 谐波混频器 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mm er a p i di l e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m l m i c a t i o n ，m o r ea n dm o r e s p e c 讥ni sn c e d e dw h n em ea v a i l a b l es p e c t r u mi sb e c o i i l j h gs c a r c e o n 也eo m e r s i d e ，i tc 吼b ef o u i l dt l l a tm es p e c t r u mu s a g eo f 西o b 2 l la 1 1 0 c a t c d 丘e q u e n c yb a n di s e x 仃e i n e l yl o w e s p e c i a l l y i i ll o 、e rg h zb a n dw l l i c hh a sa9 0 0 dp r o p a g a t i o n c h a r a c t 嘶s t i c t h e r e f o r e ，d y n a 戚cs p e c 饥吼s h a r i n g b 船e d o nc o 髓i t i v e r a d i 0 t e c h n o l o g yi sp 哟p o s e di n 廿l er e c e n ty e a 娼1 1 1 r o u 曲r e a l - t i i n es p e c t 吣s e i l s i i l g ， d y n a 血c 印e c 仃u ms h a r i n gc 觚b ea c l l i c v e db e t w e l i c e l l s e da i l du m i c e l l s e ds y s t e m s b yu s i n gn e x i b l es p e c 饥l ma c c c s sa n ds p e 蝴m a l l a g e m e n tt e c l l i l o l o g y a c c o r d i n gt 0 龇r e s e a r c ho n 龇n a t i o i l a l 8 6 3 k e yp r o j e c t “s p e c 仃吼s h a r 她 w i r e l e s sc o i 姗u i l i c a t i o ns y s t c i n ，伽sp 印e rf o c u s e s0 nm ed e s i 弘o f 也er f 饥m s c e i v e r sf o rs p e c t r i 髓s e n s i i l gc o l n 】咖m i c a t i o ns y s t c m t h cr f 仃m s c e i v e r sw o r k a t6 9 4 m h z 8 0 6 m h zu h fb a i l d 诵ma8 m h zb 孤撕d _ 吐1 f i r s t l y t ：h ea r c 眦e c t u r e0 f t h er f 仃鲫略c e i v e ri sf i x e do 玛c o r d i i l gt 0t e c h l l i c a lt a r g e to ft l l es p e m ms e n s i n g c o m m u n j c a t i o ns y s t e m n l e n ，b u d g e t so fn l er f 仃觚s c e i v e r 盯em a d e a n d s i m u l a t i o no fn l es y s t e mu s i n ga d si sd o n ei no r d c rt 0v e r i 鸟也ep r o p o s e di 心 仃a i l s c e i v e rs 0 1 u t i o n b e s i d e s ，d e s i 盟a n dt e s to f 也el om o d u l ei sp r c s e n t e d s e p a r a t e l y a tl 鲢t ，t e s to ft h ew h o l er f 仃a i l s c e i v c rc i r c l l i t s i sf i i l i s h e d r s tr e s u l t s i n d i c a t em a tt ：h e 仃a i l s c e i v e rc a i ls a t i s 匆m er e q u i r e m e n t ni sa l s oa t t 阳c t i v et 0r e s e a r c hc o m m l m j c a t i o ns y s t e m sa ti i l i c r o w a v el l i g h c r 舶q u e n c ya n d 觚l l i m e t e rw a v eb 肌d ，s m em es p e c 饥= i ma tl o w e rg h z i sb e c o m i n g c o n g e s t e d i i lt l l i sp 印e r ak b 龇dr fr e c e i v e r 舶n t e n di sd e s i g i l e da n di m p l e m e n t e d ， w h i c hc o n s i s t so far ff i l t e r ，al o wn o i s e 锄p l i f i e r ，a ni m a g er e je c t 丘l t e ra n da d o w n c o n v e r t e r s i m u l a t i o na n dm e a s u 】r e m e n to ft h ef i l t e r sa n dm i x e ra r ep r e s e n t e d s e p a r a t e l y a tl a s t ，m m i cc 1 1 i pl o wn 研s ea r n p l i f i e ri si n t e 铲a t e do nm ei j r o n t e n d ，a 1 1 d t e s tr e s u l ta n da 1 1 a l y s i so ft 1 1 er e c e i v e r 疔o n t e n da r eg i v e ni i lt m sp a p e r k e yw o r d s ：s p e c t n h ns e n s i n g ，r ft r a i l s c e i v e r ，l os o u r c e ，s u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g u i d ef i l e r ，s u b - h a r m o 试cm i x e r 目录 目录 摘要j i a b s t r a c t i 目录1 r 第1 章绪论。1 1 1 课题应用背景1 1 2 论文主要工作2 1 3 论文结构。2 第2 章频谱感知通信系统的射频收发信机设计5 2 1 频谱感知通信系统5 2 2 射频收发信机的方案论证6 2 2 1 射频收发信机技术指标6 2 2 2 射频收发信机架构7 2 2 3 射频收发信机链路预算1 0 2 3 射频收发信机系统仿真1 3 2 3 1 接收链路仿真1 3 2 3 2 发射链路仿真1 4 2 4 叫、结1 6 第3 章本振模块的设计与测试1 7 3 1 频率合成简介【2 5 婀1 7 3 2 本振模块方案18 3 3 硬件电路设计1 9 3 3 1 频率合成器1 9 3 3 2 放大电路。2 0 3 - 3 3l c 滤波器2 0 3 4 本振模块测试2 1 3 5 小结2 3 第4 章频谱感知通信系统的射频收发信机测试2 5 4 1 接收链路测试2 5 4 1 1 增益测试2 5 4 1 2 噪声系数测试2 6 4 1 - 3e v m 测试2 6 4 2 发射链路测试2 8 4 2 1 三阶互调测试。2 8 4 2 2a c p r 测试2 9 v 目录 4 2 3e v m 测试2 9 4 3 小结3 l 第5 章k 波段射频前端的研究3 3 5 1k 波段射频前端组成3 3 5 2 基片集成波导滤波器设计3 3 5 3 谐波混频器的设计3 5 5 3 1 谐波混频器的结构3 5 5 3 2 谐波混频器的仿真。3 7 5 3 3 谐波混频器的测试4 0 5 4 射频前端的组装o 。4 3 5 5 射频前端测试与分析4 3 5 6d 、结z 1 4 总结4 5 参考文献。4 7 致谢5 1 作者简介 第1 章绪论 1 1 课题应用背景 第1 章绪论 随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。但在同时，人 们发现在全球授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段的频谱利用率极低。根据 美国联邦通信管理委员会( f c c ) 的一份调查报告【1 1 ，在3 g h z 以下授权频段的频谱使用率 只有1 5 8 5 。频谱并不是真的匮乏，而是我们没有一种在满足现行授权频谱用户要求 的同时，对频谱访问进行智能管理的技术。因此近年来，人们提出了基于感知无线电 ( c o g l l i t i v e u d i o 【2 j ) 技术的动态频谱资源共享的思想，即通过对频谱使用状况的实时 感知，采用灵活的频谱接入和管理技术，动态地利用当前未使用( 或轻度使用) 的频谱 为用户提供无线通信服务，实现频谱授权系统与非授权系统之间的频谱资源共享，其中 授权系统与非授权系统之间的频谱资源共享，以不对授权无线系统产生有害干扰为前提 j 。动态频谱资源共享的思想一经提出，便受到了广泛关注，大量的研究机构和企业 开展了对其涉及的关键技术的研究【孓1 1 】，i e 髓、i t u 等标准化组织也已开始基于动态频 谱共享的无线通信系统的标准化工作。美国和欧盟在进行动态频谱资源共享系统涉及的 关键技术研究的同时，已经开始研发实验验证系统，以验证评估动态频谱资源共享技术 在实际系统下的性能，为其标准化和大规模应用奠定基础。根据国际趋势，我国有必要 加紧研究开发验证网络，验证评估动态频谱资源共享技术在实际网络架构和应用场景中 的性能，以便为我国参与动态频谱共享技术的相关标准化活动提供支撑，并推动我国动 态频谱资源共享无线通信系统的应用，以提高我国频谱资源的整体利用效率。2 0 0 8 年， 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 成立了“频谱资源共享无线通信系统”重点项目， 拟通过项目的支持，突破频谱资源共享无线通信系统的关键技术，研究与现有系统共存 的宽带无线通信系统，并在6 9 4 8 0 6 m h z 频段进行演示验证。 移动多媒体业务的大量应用，使得对高速率移动通信系统的需求也日益增长，如短 距离无线接入如无线局域网( w l a n ) ，无线个人局域网( 聊触叼的传输速率将很快超 过1 g b p s 【l2 。高传输速率必然要求占用更多的频谱带宽，而在微波低频段频谱资源已经 非常拥挤，因此除了研究动态频谱资源共享技术外，微波高频段及毫米波移动通信系统 的研究也越来越得到人们的关注【1 3 1 6 1 。在这个波段，频谱资源丰富，可以提供高速数据 传输所需的宽带频谱，并且天线尺寸小，定向性好。目前具有代表性的应用是称之为本 地多点分配业务( l m d s ) 及毫米波室内无线局域网( w l a n ) 【1 7 】。 东南大学硕士学位论文 1 2 论文主要工作 本论文来源于国家“8 6 3 ”重点项目“频谱资源共享无线通信系统”子课题“动态频谱资 源共享宽带无线通信系统验证网络开发”。实验验证网络基于感知无线电技术，研究开 发与现有系统共存的宽带无线通信系统，并在6 9 4 m h z - 8 0 6 m h z 广播电视频段进行演示 验证，在不影响现有系统业务的前提下，为固定和移动用户提供语音和其它宽带业务。 东南大学毫米波国家重点实验室负责动态频谱资源共享无线通信系统验证网络的射频 子系统的设计。射频子系统工作在6 9 4 m h z 8 0 6 m h 烈频段，每套射频子系统包括3 个 独立的射频收发信机和1 个单独的无线频谱感知射频接收机。射频收发信机模块支持1 3 个连续8 m h z 或分离的8 m h z 传输带宽，无线频谱感知射频接收机能够实时地对 6 9 4 m h z - 8 0 6 m h z 示范网络节点围内的频谱进行感知，并根据协议和基带控制信号迅速 重构射频工作频点，有效地保障网络节点正常工作。 本论文主要针对其中的射频收发信机模块进行了研究，在研究过程中，首先根据“动 态频谱资源共享宽带无线通信系统验证网络开发”整体指标的要求，确定出射频收发信 机技术方案；再利用e d a 软件对射频收发模块进行分析和仿真，进一步论证方案的可行 性；然后对射频收发信机的关键部件本振模块进行了设计和研制；最后制作了射频收 发信机印制电路板，构建出射频测试平台进行调试，并给出了实验测试结果。 针对宽带微波毫米波通信系统的应用，本论文对k 波段射频前端关键电路进行了研 究和制作。论文设计完成了一个工作于2 4 2 8 g h z 的射频接收前端，该射频前端采用超外 差结构，由选频滤波器，低噪声放大器，镜像抑制滤波器，和混频器四部分组成。选频 滤波器和镜像抑制滤波器采用基片集成波导技术设计；为降低本振信号频率，下变频器 设计为二次谐波混频器；低噪声放大器选用商用m m i c 芯片，通过微组装技术集成到印 制电路板上。论文分别对基片集成波导滤波器和谐波混频器进行了仿真与测试，最后对 组装好的k 波段射频接收前端进行了测试。 1 3 论文结构 本论文主要研究了两个方面的内容，一是频谱感知通信系统中的射频收发信机的方 案设计与硬件实现，二是关于k 波段射频前端电路的研究。全文分为五章。 第一章介绍了动态频谱资源共享通信系统的背景及发展现状，和宽带微波毫米波移动 通信的发展情况。 第1 章绪论 第二章频谱感知通信系统射频收发信机的设计。根据动态频谱资源共享无线通信系统 验证网络开发的系统要求，对射频收发信机的技术方案进行了论证。对射频收发信机分 别进行了链路预算和指标分配，并利用a d s 软件进行系统仿真。 第三章完成对射频收发信机关键部件本振模块的设计。介绍了本振模块的方案设计， 硬件电路实现，最后给出了测试结果。实测结果表明，所设计的本振模块性能良好，满 足射频收发信机性能要求。 第四章对频谱感知通信系统中的射频收发信机进行了整机测试。接收机主要测试增益， 噪声系数以及e v m 特性，发射机测试三阶互调，a c p r ，和e v m 特性。测试结果显示， 射频收发信机性能良好，达到系统预期指标。 第五章k 波段射频前端的研究。该射频前端工作于2 4 2 8 g h z 频段，包含两级基片集成 波导滤波器，一级低噪声放大器，和一级谐波混频器。设计制作了基片集成波导滤波器， 谐波混频器，通过微组装工艺将低噪声放大器芯片集成在p c b 电路板上。论文给出了接 收前端及各单元电路的仿真与测试结果。 4 第2 章频谱感知通信系统的射频收发信机研究 第2 章频谱感知通信系统的射频收发信机设计 2 1 频谱感知通信系统 广播电视频段具有非常好的传播特性，是适合于无线通信的黄金频段。 另外，很多地区的家庭和商业用户通过光纤和卫星来获得电视服务，使得大量的 电视频道没有被利用，造成了频谱资源的浪费。因此，研究如何利用空闲的广播 电视信道来传输移动通信业务很有意义。感知无线电能能够自动检测周围无线环 境的频谱使用情况，调整通信系统的参数以适应环境的变化，在对主用户( 授权 用户) 不造成有害干扰的情况下从空间、频率、时间采用伺机接入的方式多维利 用“频谱空洞”资源【l 羽，从而实现与授权用户的动态频谱资源共享，有效地提高了 频谱利用率。因此，频谱感知通信系统是解决哪广播电视频段的频谱资源浪费 的一个理想方案。 本论文所在课题即研究工作于6 9 4 m h z 8 0 6 姗z 的积电视频段的频谱感知 通信系统验证网络。实验验证网络支持8 个网络节点，可通过配置构成集中、分 布和混合网络架构，在不影响电视广播业务的前提下，利用电视频段的空闲频谱 为固定和移动用户提供数据通信业务。每个网络节点的覆盖范围大于1 k n l 2 ，支 持n 8 m h z 的传输带宽( n 最大支持3 ) ，支持2 0 m b p s 的峰值传输速率和可变速率 传输，以及提供可接入i n t e m e t 网络，支持v o i p 、交互式视频等业务。 根据频谱感知通信系统验证网络的总体指标要求，每个网络节点的射频子系 统配置3 个彼此独立的射频收发信机和1 个单独的频谱感知射频接收机( 原理框图 如图2 1 所示) 。 图2 1 射频子系统原理框图 东南大学硕士学位论文 3 个射频收发信机结构相同，通过射频本振信号的输出频率控制，使每个射 频收发信机可以工作于6 9 4 8 0 6 m h z 频段内任一8 m h z 信道。通过3 路射频收发信 机的组合来支持1 3 个连续8 m h z 或分离的8 z 传输带宽。频谱感知射频接收机 实时地对6 9 4 m h z 8 0 6 m h z 频段验证网络节点范围内的频谱进行感知，并根据协 议和基带控制信号迅速重构射频工作频点，有效地保障网络节点正常工作。 由于6 9 4 m h z 8 0 6 m h zu h f 频段广播电视信道使用状况的不确定性，频谱感 知通信系统将时刻保持对空间频谱的侦测和进行信道估计，从而确定合适的系统 传输参数，最优化地利用频谱资源。频谱感知通信系统的感知特性，决定了频谱 感知射频接收机以及射频收发信机都应该具备在很宽频率范围内调谐到任意频 带的性能。宽带的工作特性也使得6 9 4 m h z 8 0 6 m h z 频段内各种功率信号进入接 收机，因此频谱感知通信系统的接收机必须具有很大的动态范围。 2 2 射频收发信机的方案论证 射频收发信机位于移动通信系统的天线和基带单元之间，是系统的核心部件 之一，它的工作特性将直接影响到整个通信系统的整体性能。其中，射频接收机 负责接收空中微弱的通信信号，经过放大、滤波、下变频，再将变频后的信号解 调产生需要的i q 数字信号，送至基带单元进行处理；射频发射机负责将基带信 号进行i q 调制、上变频，再对变频后的射频信号进行功率放大，经天线发射出 士【1 9 】 厶 o 2 2 1 射频收发信机技术指标 根据验证网络的总体项目要求，频谱感知通信系统的射频收发信机的主要技 术指标如下： a ) 接收机 工作频率： 信号带宽： 带内波动： 接收灵敏度： 接收最大增益： a g c 调整范围： 接收最大输出信号： 接收机噪声系数： 6 9 4 - 8 0 6 m h z 8 m h z 1 d b 8 1 d b m ( 在分辨带宽8 m h z ，输出信噪比2 0 d b 时) 8 5 d b 6 0 d b ( o 5 d b s t e p ) 1 v p p ( 5 0 欧姆) 6 d b ( 最大增益情况下) 6 第2 章频谱感知通信系统的射频收发信机研究 坊发射机 工作频率： 信号带宽： 带内波动： 发射输出功率： 发射a p c 范围： 三阶互调产物： 2 2 2 射频收发信机架构 2 2 1 1 双工方式 6 9 4 8 0 6 m h z 8 舭 1 d b 2 7 d b m 3 0 d b ( o 5 d b s t e p ) 5 0 d b c ( 双音频差1o k h z ) 时分双工( ，i d d ) 和频分双工( f d d ) 是移动通信中经常使用的双工技术。 在t d d 模式的移动通信系统中，接收和传送在同一频率信道( 即载波) 的不同时 隙，用时间来分离接收和传送信道。在f d d 模式的移动通信系统中，接收和传送 在不同频率信道( 即载波) 上分别进行，用频段来分离接收和传送信道。 频谱感知通信系统的收发通道所占用的信道和带宽均随环境的变化而改变， 为充分利用频谱资源，增强系统灵活性，收发通道采用t d d 模式。与f d d 模式相 比，t d d 模式具有一些独到的优势【2 0 】： 1 ) 上下行链路使用相同的频率，其传播特性相同，上下行时间间隔不大，小于信 道相干时间，就可以比较简单的根据对方的信号估计信道特征。这一特点使得 t d d 方式的移动通信体制在功率控制以及智能天线技术的使用方面有明显的优 势。 2 ) 可以灵活的设置上行和下行转换时刻，用于实现不对称的上行和下行业务带 宽，有利于实现明显上下行不对称的互联网业务。 3 ) 与f d d 相比，t d d 可以使用零碎的频段，因为上下行由时间区别，不必要求 带宽对称的频段。 4 ) 无收发隔离要求，只需一个收发开关，降低了系统成本。 2 2 1 2 数字中频技术 随着移动通信技术的发展，人们对移动通信设备的兼容性和可扩展性提出了 越来越高的要求，因此在无线收发信机的设计中应当减少功能单一、灵活性差的 硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( ，d 变换) 尽可能靠近天线， 采用高性能数字信号处理器( d s p ) 灵活处理数字化的信息完成调制解调、数据格 7 东南大学硕士学位论文 式转换等功能，以适应接收不同通信标准信号的要求【2 1 1 。受舳转换器的性能 ( 如转换速率、工作带宽、动态范围等) 以及d s p 处理速度的限制，目前还不能 完全实现射频数字化收发信机的要求，中频数字化的收发信机是现阶段的可行方 案。数字中频避免了模拟调制解调器i q 之间的幅度不平衡、相位不平衡、载波 泄漏，从而提高了系统的调制解调精度。目前，基于软件无线电( s d r ) 的数字 中频技术已经泛地应用到3 g 基站中【2 2 1 。 为了适应可用频谱资源的变化特性和多种网络架构，频谱感知通信系统采用 o f d m 的传输体制和基于f d m a + t d m a 的多址传输方式。因此，频谱感知通 信系统采用基于软件无线电技术的数字中频方案，从而可以根据环境灵活地实现 多种调制解调方式，提供不同速率的数据传输。为充分发挥现有刖d 转换器、d a 转换器和d s p 的性能，将数字中频中心频率定在2 5 z 。即接收机将射频信号下 变频到2 5 m h z 频带，经刖d 转换送至软件无线电平台进行数据处理；软件无线电 平台将调制好的中心频率2 5 m h z 的数字信号通过d a 转换送至发射机上变频至 射频频带。 2 2 1 3 接收机结构 现阶段移动通信系统中常见的接收机结构主要有超外差式接收机和直接下 变频接收机。 超外差式结构，其特点是接收机接收不同信道时，本振的中心频率相应改变， 使得混频后的中频频率为一固定值，然后在中频频率进行信道滤波、放大和解调， 解决了射频信号处理所遇到的困难。依靠周密的中频频率选择和高品质的射频滤 波器( 镜像抑制、频带选择) 、中频滤波( 信道选择) ，一个精心设计的超外差 接收机可以达到很高的灵敏度、很好的选择性和较好的动态范围，因此长久以来 成为了高性能接收机的首选【2 3 】。 直接下变频接收机是一种比较特殊的接收机，接收到的射频信号在混频电 路( 解调) 直接被还原出基带信号。直接下变频接收机的本振频率w l o 等于载频 、，即中频w m 为零，不存在镜像频率，也就没有镜像频率干扰问题，因此原 超外差结构中的镜像抑制滤波器和中频滤波器均可省略，降低了系统成本并且易 于单片集成。但是直接下变频接收机存在直流偏差、本振泄露、偶次谐波失真和 低频噪声的问题，有效地解决这些问题是保证直接下变频结构正确实现的前提 【2 4 】 o 在本课题中，频谱感知通信系统采用基于软件无线电的数字中频方案。为 获得良好的灵敏度、选择性和动态范围，射频接收机选用二次变频超外差结构。 8 第2 章频谱感知通信系统的射频收发信机研究 超外差结构中，中频( i f ) 的选取十分重要，中频选取的好坏直接决定了系统的抗 干扰能力，从而也就在一定程度上决定了系统的整体性能指标。高中频可以使镜 像频率远离有用信号，利于抑制镜像频率干扰，提高输出中频的信噪比，从而提 高接收机的灵敏度。但是高中频结构使具有相同q 值的中频滤波器的带宽变大， 必然降低了它对相邻信道的抑制能力，即高中频降低了接收机的选择性。低中频 接收机有较好的信道选择性，但对射频镜像频率的抑制有限，灵敏度却不及高中 频接收机。因此，必须合理选择中频频率及所需的本振信号频率，以提高整个系 统的抗干扰能力，从而提高系统整体性能。考虑到目前a d c 和d s p 的性能，射频 接收机的第二中频中心频率定在2 5 m h z 。综合考虑本振的高次谐波以及组合频率 干扰以及商用s a w 滤波器频率等因素，第一中频中心频率定为1 4 0 m h z ，混频器 均采用高本振配置，即射频本振8 3 8 m h z 9 4 2 m h z ( 8 m h z 可调连续可调) ，中频 本振1 6 5 瑚h z 。表2 1 列出了射频信号与射频本振信号的各种组合频率分量，由于 高阶组合频率分量的强度很小，所以主要考虑五阶以下的分量。从表中可以看射 频各种组合频率分量均不会落在射频和中频信道内。表2 2 给出了中频本振的各 次谐波分量，可以看出各次谐波分量也不会落在射频频带内。 表2 1 射频组合频率分量 m 卑一n 卑怎m k 一n k 组合频率范围组合频率范围 mnmn 2l 5 5 0 m h z - 6 7 0 m h z2l8 7 4 m h z - 1 0 8 6 珏l z 31 1 2 4 4 m h z - 1 4 7 6 m h z222 7 2 m 口h z 一2 8 8 n 瞰z 32 4 0 6 m h z - 5 3 4 m h z3l18l2 z 2 0 2 8 n m z 321 11 0 n 珏i z 1 2 3 0 m h z 表2 2 中频本振谐波分量 中频本振信号2 次谐波3 次谐波4 次谐波5 次谐波 1 6 5 m h z3 3 0 m h z4 9 5 m h z6 6 0 m h z 8 2 5 m h z 2 2 1 4 发射机结构 由于频谱感知通信系统采用基于软件无线电平台的数字中频方案，因此发射 机也选用超外差二次上变频结构，并且选择与接收机相同的中频频率。这样收发 链路上的很多器件就具有通用性，降低了发射链路的设计与调试难度。射频收发 东南大学硕士学位论文 信机的时分双工特性还决定了发射链路可以和接收链路可以共用本振模块，从而 有效地降低了系统成本。 2 2 3 射频收发信机链路预算 根据频谱感知通信系统的实际技术指标及最终射频收发信机的可实现性，最 终确定射频收发信机结构框图如图2 2 所示。 2 2 3 1 接收链路预算 图2 - 2 射频收发通道结构框图 接收通道从输入端依次包括射频滤波器、收发开关、限幅器、l n a 、镜像抑 制滤波器、第一混频器、中频s a w 滤波器、数控衰减器1 、增益模块1 、中频滤 波器、增益模块2 、数控衰减器2 、增益模块3 、第二混频器、l c 低通滤波器和末 级放大器。 ( 1 ) 接收链路增益与噪声 频谱感知通信系统要求具有8 1 d b m 的灵敏度，即要求在确保误比特率( b e r ) 不超过某一特定值的情况下，在天线端口测得的最小接收功率为8 1 d b m 。而中 频a d 转换器要求1 v p p 的输入电平( 4 d b m ) ，因此接收机至少应具有8 5 d b 的最 大增益。由于接收到的信号强弱是变化的，为保证接收机在弱信号时有足够的增 益，在接收强信号时仍能线性工作，接收链路中应设置自动增益控制模块。本方 案中，将数控衰减器和放大器级联组成自动增益控制模块，两个数控衰减器可以 给接收链路提供6 0 d b 的增益调节范围。 根据灵敏度的计算公式： ( 如聊) = 一1 7 4 ( 如肌恐) + f ( 始) + 1 0 l o g b + 册。，( 如) 第2 章频谱感知通信系统的射频收发信机研究 可知在信道带宽和输出信噪比要求确定的情况下，接收机的灵敏度完全取决于系 统的噪声系数。因此降低系统的噪声系数，可以提高在特定输出信噪比下的接收 灵敏度。而接收机的噪声系数取决于各级元器件的噪声系数，公式如下： f ：e + 型+ 盟+ + 墨二1 1 g lg l g 2g 1 g 2 q d 其中f 为各级噪声系数，g 为各级的增益。可以看出，接收机的噪声系数主要 由前级电路决定。因此，减少接收机前端无源器件的插损、选用噪声特性好的低 噪声放大器以及合适的增益分配可以使接收机获得较好的噪声系数。 表2 3 给出了接收链路在最大增益情况下的增益和噪声系数预算。从表中可 以看出接收链路的最大增益为8 6 d b ，完全满足系统指标要求的最大增益8 5 d b 的 要求。噪声系数2 7 3 d b ，小于系统指标要求的6 d b 。 表2 3 最大增益情况下接收链路预算 堕i 翌 1 耄ii 以lm陟 h l 耄iol 耄iii 器件增益( d b ) o 50 513 0- 0 4- 1 56 82 5 噪声系数( d b ) o 5o 51o 6o 41 56 82 5 总增益( d b ) - o 51- 22 82 7 62 6 11 9 31 6 8 总噪声系数( d b ) o 5122 62 62 6 2 6 22 6 5 制陟 陟 耄l陟 h 州 陟oi 耄l 卜 d c - 1 52 22 22 22 2- 1 52 25 811 4 1 52 82 82 22 81 52 85 813 - 3 1 5 33 7 3 5 9 3 3 7 3 5 9 35 7 87 9 87 47 38 6 2 7 32 7 3 2 7 32 7 32 7 32 7 32 7 32 7 32 7 32 7 3 ( 2 ) 强信号干扰 频谱感知通信系统的工作特性决定了射频收发信机宽带工作范围，而在 6 9 4 m h z - 8 0 6 m h z 存在多个广播电视频道，因此广播电视信号将直接进入接收机。 假定电视台发射功率为7 0 d b m ，接收和发射天线增益各6 5 d b ，接收机距离发射 塔1 0 0 米，信号空间传播衰减约7 0 d b ，则此时进入接收机的最强信号可为 1 3 d b m 。若此强信号进入接收机，将会造成链路中的放大器出现饱和乃至烧毁， 1 】 东南大学硕士学位论文 导致网络拥塞和瘫痪。因此，在低噪声放大器的前级加一功率限幅模块，以保证 后级电路的正常工作。 2 2 3 2 发射链路预算 发射通道从输入依次包括l c 低通滤波器、固定衰减器、混频器1 、开关、中 频s a 、滤波器、增益模块l 、增益模块2 、混频器2 、滤波器、开关、数控衰减器、 驱动放大器、功率放大器、收发开关和射频滤波器。 ( 1 ) 增益预算 根据系统指标，发射链路数字中频d a 转换器的输出信号电平在1 v p p ( 4 d b m ) 左右，射频发射机的最大输出功率为2 7 d b m ，要求提供大于3 0 d b 的增益 控制c ) 范围。表2 4 为最大发射功率情况下，发射链路的增益与输出功率预算。 表2 4 最大发射功率情况下发射链路预算 ! i 堕- i 耄ii 而lohl 耄i陟陟p 器件增益( d b ) 12 55 80 42 22 21 4 56 8 总增益( d b )1- 2 63 1 83 2 25 4 2- 3 2 21 7 7- 2 4 5 输出功率( d b m ) 32 22 7 82 8 25 0 22 8 21 3 72 0 5 叫弛i r ， i b 州 陟陟 l 以1日a n t e n n a 1 50 41 52 23 00 5o 5 2 62 6 42 7 9- 5 92 4 12 3 。6 2 3 1 2 22 2 42 3 91 92 8 12 7 62 7 1 从表2 4 可以看出，在数控衰减器的衰减值设置为0 的情况下，发射链路增益 2 3 1 d b ，发射输出功率2 7 1 d b m ，满足系统指标要求。另外，在发射链路中，数控 衰减器可以提供3 0 d b 的增益控制范围。 ( 2 ) 线性度预算 频谱感知通信系统要求发射机具有良好的线性度，最大发射功率情况下要求 三阶互调抑制5 0 d b c 。发射机的线性度主要取决于射频功率放大器的特性，因此 功率放大器应在放大增益合适的前提下，具有良好的线性指标。本方案选用的功 第2 章频谱感知通信系统的射频收发信机研究 率放大器工作在6 9 4 m h z 8 0 6 m h z 频段内，输出1 w 情况下具有3 0 d b 的增益，带内 波动小于o 5 d b ，三阶互调抑制优于5 2 d b c 。 2 3 射频收发信机系统仿真 通过对频谱感知通信系统的射频收发信机的技术指标分析及链路预算，可以 对射频收发信机模块电路进行元器件选型。关键器件的指标决定了射频前端的整 体性能，这些器件包括射频滤波器、低噪声放大器、混频器、s a w 中频滤波器 和射频功率放大器等。本节利用a g i l e n t 公司的a d s ( a d v a n c e dd e s i 鲷s y s t e m ) 软件 平台对频谱感知通信系统的射频收发信机进行了系统仿真。通龇s 软件的系统 仿真，可以预知射频收发信机的总体性能指标，从而论证方案是否可行。首先在 a d s 软件中对射频收发信机电路建立模型，然后根据需要验证的系统指标，选择 相应的仿真器，对收发链路分别