（电路与系统专业论文）基于rftp的射频收发系统研究与设计.pdf

m a s t e rd e g r e et h e s i s2 011 剿 s c h o o lc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n tn u m b e r ：510 81 2 0 2 0 3 7 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y r e s e a r c ha n d d e s i g no f r ft r a n s c e i v e rs y s t e m b a s e do nr f t p j 气 d e p a r t m e n t ：e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh a nd i n g - d i n g a p r i l2 5 ，2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文基于r f i p 的射频收发系统研究与设计， 是在华东师范大学攻读础博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确说明并表示谢意。 作者签名： 嚆勇 日期：2 ，年，月夕石日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于i 讧t p 的射频收发系统研究与设计系本人在华东师范大学攻读学位期 间在导师指导下完成的顶孟博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部 门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版；允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加 入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编 出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密 学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名盘盆立： 本人签名 加f ，年r 月彩e l “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 重复硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 李明教授华东师范大学主席 顾国庆教授华东师范大学 l 黄昶副教授华东师范大学 l j 华东师范大学硕士学位论文 基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 论文摘要 当前，在世界通信行业飞速发展的形势下，通信设备厂商份份将生产目标投入到 无线领域。无论是从过去的发展情形还是从客户的使用心得来说，无线通信必将是未 来通信行业发展的主力军。 用于无线通信网络的射频测试平台是面向当前全球通信大环境下的一种可靠实用 的测试平台系统。本文研究的系统是基于r f t p 射频测试平台的，r f t p 是一个由八块 电路板构成的、在射频领域使用的测试平台，分别是p w r ( 电源板) 、c l k ( 时钟板) 、 c a i ( 数字控制板) 、a d c ( 模数变换) 、d a c ( 数模变换) 、t x ( 射频发射板) 、r x ( 射 频接收板) 和e i ( p a ) ( 扩展板功放板) 。它能够测试射频相关的芯片、电路模块和射频 信号等，还能够作为独立的单板供其它系统使用，比如作为信号发生源给其它系统提 供信号。 本文给出了一个用于g s m 8 5 0 ，g s m 9 0 0 ，g s m l 8 0 0 ，g s m l 9 0 0 ，w c d m a ，l t e 等多种制式下射频收发系统，包括零中频射频发射机和零中频射频接收机电路，这两 个电路是射频通信中的关键。本文主要做了三方面的工作，一是对常见的射频收发系 统模型进行了详细的介绍；二是利用a l i g e n t 公司生产的a d s 仿真软件对射频发射机 和接收机的电路模型进行了仿真性研究，该软件能仿真射频电路的多种参数，功能强 大；三是利用m e n t o rg r a p h i c s 公司生产的d x d e s i g n e r 软件进行了射频发射机和接收机 的原理图绘制。 最后，本文还利用实验仪器对制好的实物电路板进行了测试。在w c d m a 模式下， 利用q p s k 对信号进行调制解调，用网络分析仪5 0 7 1 b 测得射频发射机的增益为 1 6 9 d b ，o i p 3 为3 7 7 5 d b m ，输出功率范围为1 0 1 d b m 2 0 9 d b m ：测得接收接收机的增 益为4 5 d b ，o i p 3 为3 6 d b m ，噪声系数为1 5 9 d b 。对测试结果进行分析后，我们改进 了原理图及p c b 版图，最后得出的系统基本能够满足实际工作的需要，各项指标达到 要求。 关键字：射频通信；射频测试平台；射频发射机；射频接收机；a d s ：电路模型 华东师范大学硕士学位论文基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 a b s t r a c t r e c e n t l y , a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o n si n d u s t r yi nt h ew o r l d ，m o s to f t h ec o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r st e n dt ot h ew i r e l e s sf i e l d w h e t h e rf r o mt h e p a s td e v e l o p m e n ts i t u a t i o n o rf r o mt h ec u s t o m e r su s eo fe x p e r i e n c e ，t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nw i nb et h em a i ni nt h ef u t u r e r a d i of r e q u e n c yt e s tp l a t f o r m ( r f t p ) f o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sa r e l i a b l ea n df l e x i b l et e s tp l a t f o r mu n d e rt h ec u r r e n te n v i r o n m e n to fg l o b a lc o m m u n i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , w er e s e a r c ht h er f t p r f t pi sc o m p o s e do f e i g h tc i r c u i tb o a r d sf o rr ff i e l d s t h e r ea r ep w r , c l k , c a i ，a d c ，d a c ，t x ，r xa n de l ( o rp a ) i tc a nt e s tr f - r e l a t e dc h i p s ， c i r c u i tm o d u l ea n dr a d i of r e q u e n c ys i g n a l s i ta l s oc a nb eu s e da u si n d e p e n d e n tb o a r df o ro t h e r s y s t e m s ，s u c h 嬲as i g n a ls o u r c ep r o v i d i n gs i g n a l st oo t h e rs y s t e m s t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e sar ft r a n s c e i v e rs y s t e mt h a tc a nb ea p p l i e dt og s m 8 5 0 ， g s m 9 0 0 ，g s m l 8 0 0 ，g s m l 9 0 0 ，w c d m a , l t ea n ds oo n i tc o n t a i n sz e r o - i ft r a n s m i t t e r a n dz e r o i fr e c e i v e rw h i c ha r et w ok e yc i r c u i t si nt h er ft r a n s c e i v e r t h i sp a p e rd o e st h r e e m a i nw o r k s ：o n ei s d e s c r i b i n gt h ec o m m o nr ft r a n s c e i v e rs y s t e mm o d e li nd e t a i l s ；t h e s e c o n di su s i n ga d ss i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o d u c e db ya l i g e n tc o m p a n yt os i m u l a t i o nt h e c i r c u i tm o d e lo ft h er ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , t h et h i r di su s i n gd x d e s i g n e rs o f t w a r e p r o d u c e db ym e n t o rg r a p h i c sc o m p a n yt od r a wt h es c h e m a t i c so ft xa n dr x f i n a l l y , w et e s tt h er e a lb o a r d si nt h eu s eo fl a b o r a t o r yi n s t r u m e n t s i nt h ew c d m a m o d ea n dq p s km o d u l a t i o nm o d e r n , u s i n g5 0 7 1 bn e t w o r ka n a l y z e r , w eh a v em e a s u r e dt h e g a i n1 6 9 d b ，o i p 33 7 7 5 d b m ，t h eo u t p u tp o w e rr a n g e 一1 0 1 d b m - 2 0 9 d b mi nr xa n dg a i n 4 5 d b ，o i p 33 6 d b m ，n f1 5 9 d bi nt x i nt h ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t s ，w ei m p r o v et h e s c h e m a t i c sa n dp c bl a y o u tt og e taf i n a ls y s t e mw h i c hc a nc o m et ot h ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n sm o r e k e yw o r d s ：r fc o m m u n i c a t i o n ，r ft e s tp l a t f o r m ，t x ，r x ，a d s ，c i r c u i tm o d e l i i - 华东师范大学硕士学位论文基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 第一章绪论 i 1 1 射频通信简述l 1 2 射频通信的发展现状及趋势。2 1 3r f t p 功能和设计意义3 1 4 本文工作及章节安排6 第二章射频收发系统的原理及分析。 8 2 1 射频发射机的原理及分析8 2 1 1 射频发射机的工作原理。8 2 1 2 射频发射机的常见指标1 0 2 1 3 常见射频发射机的设计 2 2 射频接收机的原理及分析13 2 2 1 射频接收机的工作原理1 3 2 2 2 射频接收机的常见指标1 3 2 2 3 常见射频接收机的设计1 4 2 3 本章小结一1 6 第三章基于r f t p 的射频发射机设计1 7 3 1 基于r f t p 的射频发射机的功能1 7 3 2 本系统射频发射机的指标规划1 7 3 3 本系统射频发射机的整体设计1 9 3 3 1 整体框图设计1 9 3 3 2 关键模块电路分析2l 3 4 本章小结2 5 第四章基于r f t p 的射频接收机设计 。2 6 4 1 基于r f t p 的射频接收机的功能2 6 4 2 本系统射频接收机的指标规划2 6 4 3 本系统射频接收机的整体设计2 7 4 3 1 整体框图设计2 7 4 3 2 关键模块电路分析2 8 4 4 本章小结。3 3 第五章系统仿真与测试。3 4 5 1 射频领域仿真软件3 4 5 1 1 常用仿真软件介绍3 4 5 1 2a d s 介绍3 5 5 2 系统仿真及分析3 6 5 2 1 射频发射机的仿真3 6 5 2 2 射频接收机的仿真4 0 5 3 系统测试4 4 5 3 1 测试步骤4 4 5 3 2 测试结果4 7 i 录 目 要凹摘m文趼论墟 华东师范大学硕士学位论文 基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 5 4 本章小结5l 第六章总结与展望5 2 参考文献 致谢 5 1 ； 5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 6 1 v 华东师范大学硕士学位论文 基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 第一章绪论 1 1 射频通信简述 射频的英文是r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ，它是一种可以辐射到空间的电磁波，广 义的频率范围是3 0 k h z 3 0 0 0 g h z n l 。在电子学理论中，当电流流过导体时，导体周围 会形成电磁场，当交变的电流流过导体时，导体周围就会产生交变的电磁场，也即电 磁波。一般把每秒变化小于1 0 0 0 次的交流电称为低频电流，而变化大于1 0 0 0 0 次的交 流电称为高频电流，频率较低的电磁波会被地表吸收，不能形成远距离传输，而频率 较高( 一般大于l o o k h z ) 的电磁波可以在空气中传播，并经大气层的电离层反射回来 后还能继续传播，形成远距离传输，把这种具有远距离传输的电磁波信号称为射频信 号，即射频信号也就是在一种高频电流经调制后产生的信号乜1 。通常按波长划分，可将 射频信号分为：长波、中波、短波、超短波、分米波、厘米波、毫米波和丝米波等， 其划分及应用如下表1 - 1 所示。 表1 - 1 射频电磁波的划分 爱名标 “ 一”， ，州。 “ 吁 一，”二瑚 波长频率( h z )， 。一应用一一蠹 长波 1 k l o k3 0 k 3 0 0 k远距离通信 中波 1 0 0 1 0 0 03 0 0 k 3 0 0 0 k广播、通信、导航 短波 1 0 1 0 0 3 m 3 0 m 广播、通信 超短波 1 1 03 0 m 3 0 0 m电视广播、雷达 分米波 0 1 13 0 0 m 3 0 0 0 m 通信、中继通信、卫星通信、 电视广播、雷达 厘米波 0 0 1 0 13 g 3 0 g中继通信、卫星通信、雷达 毫米波 0 0 1 0 0 0 13 0 g 3 0 0 g中继通信、卫星通信 丝米波 大于0 0 0 1 3 0 0 g 3 0 0 0 g大气层通信、波导通信 能够在空间传播的电磁波信号都称为无线电信号，射频信号是无线电信号中的相 对较高频率的一种信号。早期在民间使用的对讲机或短距离的无线传输所使用的频率 低于现代射频通信中所使用的频率。无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间传播 的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信的应用已深入人心，包括人们生活和 工作的各个方面，2 l 世纪最热门的无线通信技术的应用为3 g 、w l a n 、u w b 、蓝牙、 宽带卫星系统、数字电视等等口1 。 射频信号就是一种经高频电流调制后的电信号。般把包含有信息的原始电信号 1 英国的t a c s 和北欧的n m t 4 5 0 9 0 0 为代表的模拟移动通信技术，在7 0 年代末、8 0 年 代初发展起来并大量投入商用，其特点是以模拟电话为主，为f d m a 制式，采用频率 复用技术和多信道共用技术口3 。第一代移动通信系统具有很多不足之处，己被各国逐渐 淘汰，我国已于2 0 0 1 年1 2 月3 1 日全面关闭。第二代移动通信系统2 g 属于数字系统， 它主要采用时分多址技术t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 或者是窄带码分多址技 术( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，目前采用t d m a 体制的主要有三种，即欧洲的 g s m 、美国的d a m p s 和日本的p d c ，采用c d m a 技术体制的主要为美国c d m a ( i s 9 5 ) 口儿删。2 g 系统目前正广泛使用，我国使用的是欧洲的g s m ，但是2 g 系统带 宽有限，限制了数据业务和多媒体业务，因些3 g 系统势在必行。第三代移动通信系统 3 g 采用智能信号处理技术，实现基于话音业务为主的多媒体数据通信，并将具有更强 的多媒体业务服务能力和极大的通信容量，国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月就确 竺奎堕蔓奎兰堡主兰垡丝茎量王堕! 呈堕塾塑些垄墨笙里壅皇堡生 定了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主要的协议标准碡1 。中国的3 g 技术涉 及到所有三大标准，而因为t d s c d m a 具有更多的知识产权，故主要采用t d s c d m a 。 3 g 系统实际所能提供的速度为3 8 4 k b p s ，远低于标称的最高速率2 m b p s ，难以满足用 户日益增长需求，因些在3 g 系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领 域的专家已经开始进行4 g 系统的研究和开发工作呻1 。4 g 技术是把移动通信系统同其他 系统( 如无限局域网、w l a n ) 结合，提高传输速率以及提供多种业务，实现商业无 线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容，具有高速、 灵活、兼容、业务多样和全时空介入等优越特性口1 。 目前3 g 已经开始试点应用，并很快会大面积商业化使用，而4 g 系统也正处于研 发初期，并必将成为未来移动通信的主流系统。3 g 业务可以分为四类：第一，通信类， 就是基础的语音通话业务；第二，视频类，视频、音乐、铃声及在线游戏等；第三， 资讯类，新闻、财经及便民资讯；第四，互联网业务，邮件、及时信息等新业务畸1 。而 针对4 g ，2 0 1 0 年世博会期间，由中国移动公司承建的展现新一代宽带移动通信技术的 t d l t e 演示网正式开通，基于t d l t e 技术的移动高清视频会议、移动高清视频监控、 移动高清视频点播、便携视频传播等演示业务向公众开放，同时高速上网卡、天线海 宝等新业务也供参观者体验，充分展示了t d l t e 的产业进展和超强业务能力， 向全 球展示了中国大力推进并主导的国际化标准t d l t e 的发展成果n 伽n 1 1 。 1 3r f t p 功能和设计意义 本文研究的射频收发系统是基于某种射频测试平台( r a d i of r e q u e n c yt e s t i n g p l a t f o r m ) ，简称r f t p ，它是专门设计用来测试射频通信中的模块电路、芯片或机器的， 功能强大，用途广泛，可模拟基站及终端产品的部分功能。r f t p 相当于一个小型的无 线射频收发系统，图1 - 1 给出了基本的无线射频收发系统的组成。 图1 1 基本的无线射频收发系统结构框图 本文设计的射频测试系统框图如图1 2 所示。它主要由八块电路板组成，分别是 p w r ( 电源板) 、c l k ( 时钟板) 、c a i ( 数字控制板) 、a d c ( 模数变换) 、d a c ( 数 模变换) 、t x ( 射频发射板) 、r x ( 射频接收板) 和e i ( p a ) ( 扩展板功放板) ，八块电 路板相互联系并进行数据传输，其中每一板单板都可以单独使用，起到信息处理、信 号提供或模块测试的作用。 3 华东师范大学硕士学位论文基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 图1 2r f t p 总体设计框图 下面对r f t p 的总体设计框图进行简要的介绍。系统的主要功能是测试和验证r f 芯片和模块，为公共平台应用提供支持，当然还有其它一些用途，比如可单独作为一 个模块供别的系统使用。 r f t p 系统的作用包括： 支持d a c 测试，包括d e m o 板和自己设计的单板。 ”支持a d c 测试，包括d e m o 板和自己设计的单板。 支持r x 测试，包括d e m o 板和自己设计的单板，以及部分及整个电路单元。 ( 支持1 r ，2 r ，4 r ，8 r ) 羚支持t x 测试，包括d e m o 板和自己设计的单板，以及部分及整个电路单元。 ( 支持l t ，2 t ，4 t ，s t ) 支持c l k 测试，包括d e m o 板和自己设计的单板，以及部分及整个电路单元。 支持p a 测试，包括d e m o 板和自己设计的单板。( 支持l p ，2 p ，4 p ，8 p ) 支持f b 测试，以验证f b 通路性能。 支持b b u 连接功能，2 c p 接口。 支持连接外部参考时钟( 包括g p s ) 。 ”支持验证r r h 的设计。 ”配合相应的软件后，可模拟信号源，差分信号源功能。 ”配合相应的软件后，可模拟频谱分析仪，差分信号分析仪等。 r f t p 的特点有： 系统的发射机和接收机都可以有8 路，且可配置成2 * 4 t x 和2 * 4 r x 模式。 系统同时支持零中频、高中频的工作模式验证。 系统可进行硬件和软件的升级。 华东师范大学硕士学位论文基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 系统采用结构通用性设计。 系统设计采用模块化设计，使用广泛，可操作性强。 系统支持r f 系统测试和算法验证。 系统支持各种f d d 和t d d 模式。 ( g s m ，w c d m a ，l t e _ f d d ，l t e _ t d d ，t d _ s c d m a 等) 制成的整个系统体积1 0 l ，重量小于1 0 k g 。 射频测试平台r f t p 功能强大，开发流程复杂，涉及到硬件和软件的许多方面。本 文主要介绍其中的发射器和接收器方面硬件设计及其仿真的内容，主要是t x 和r x 两 个模块，部分会涉及到a d c 和d a c 两个模块电路板，这四块电路板也正是该系统测 试平台的核心模块。下面的表1 _ 2 - - - , 表1 5 分析简要介绍了它们在r f t p 中的功能，关 于各电路板具体的技术指标及工作方式在后文会详细介绍。 表1 2r x 部分的功能 移 7 。j。?- ；尊 l ， ， ，。，r x 板一， ， 一么 功能1接收射频信号，经过低噪声放大，下变频至2 1 5 m h z 后，经i f 端输出 功能2接收射频信号，旁路绕开低噪放，下变频至2 1 5 m h z 后，经i f 端输出 功能3接收射频信号，经低噪放后送出 功能4接收射频信号，旁路绕开低噪放后，直接送出 功能5提供8 r x 或2 * 4 r x 工作模式( 包括l n a ) 表1 - 3t x 部分的功能 嚣， “ i7。 。、8 。4 t 7 一。1 2 。，。，? 。，。j 。j t x 板。j 。；。，j 。一国 功能1接收d a c 输出中频信号，经放大滤波后送出 功能2提供8 t x 或2 * 4 t x 功能( 包括射频放大器和滤波器，但不包括变频) 表1 4a d c 部分的功能 嚣：。一。：。，；+ + i i ： j 一 “” ， 馕 。 j ，沁j ，一j | ，。一j a d c 掇，。t 一一一2 。j 。j 掷 m 一。o 一。i ”i p v ? 。 i o。一 i一7t 一一一一 ”。忆一n i | 功能1接收射频信号，零中频解调后，信号经a d c 后，送给基带 功能2接收中频信号，零中频解调后，信号经a d c 后，送给基带 功能3接收中频信号，二次下变频后，信号经a d c 后，送给基带 功能4接收差分信号输入，信号经a d c 后，送给基带 功能5提供8 r x 或2 * 4 r x 工作模式( 不包括l n a ) 华东师范大学硕士学位论文 基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 表1 5d a c 部分的功能 j， i 。7 ，+ ， 。，d a c 板一。一， ，。，：；。 功能1接收基带信号，经d a c 后，进行正交上变频后送出 功能2接收基带高中频信号，经d a c 后，进行正交上变频后送出 功能3支持f b 和c a l 通道功能 功能4支持a i s g 功能 功能5提供8 t x 或2 * 4 t x 功能( 不包括射频放大器和滤波器) 1 4 本文工作及章节安排 本文的研究对象是基于射频测试平台( i 江t p ) 的射频收发机，从理论论证到电路 仿真，再到最后的电路图和p c b 版图，本文都详细地进行了介绍，最后本文还在实验 室环境下对做成的p c b 板进行了测试。 本文各章节的安排如下： 第一章：绪论。首先简述了射频通信的概念，从3 0 k 至3 0 0 0 g 的八种频段的应用 进行了划分，讲述了射频通信系统的基本构成，分为发射机、天线和接收机三大块。 然后对当前射频通信的发展现状及未来的发展趋势进行了介绍，从最早的模拟机器进 行的l g 到现在正在研发的4 g 系统，射频通信因社会需要而进行了飞速发展；最后介 绍了本文研究的平台r f t p 的整体框图及其作用和特点，用表格的形式说明了r f t p 上 四块核心电路板的功能。本文主要研究与设计r f t p 的射频接收机r x 和射频发射机 t x 。 第二章：射频收发系统的设计原理及指标。介绍了射频发射机和接收机的工作原 理和常见的设计参考指标，分析了其中的每个单元模块的作用；最后对常见的射频发 射机和接收机进行了详细的介绍，包括结构框图、工作原理及其各自的优缺点。 对基于r f t p 的射频发射机的功能进行了简要的介绍，对设计电路时需要考虑的各个指 标进行了设计前的规划，最后介绍了该射频发射机的整体框图，同时用m e n t o rg r a p h i c s 公司的d x d e s i g n e r 软件绘出了原理图，对原理图中关键的单元模块进行了分析，包括 滤波器、调制器、射频开关、数控衰减器和放大器。 第四章：基于r f t p 的射频接收机设计。本章结合r f t p 平台的实际需求，对基于 该平台上的射频接收机的功能特色进行了介绍，同时在设计前对设计指标进行了规划， 最后介绍了该射频接收机的整体框图，用软件绘制出电路图，并对关键的单元模块电 路进行了分 华东师范大学硕士学位论文 基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 第五章：系统仿真与测试。本章首先对射频领域常用的几款仿真软件进行了介绍， 并且单独介绍了a d s 仿真软件的功能和特色，然后重点研究如何利用a d s 软件对基 于i u t p 平台的射频发射机和接收机电路进行了模型仿真，最后在实验室的环境下利用 网络分析仪对实际的电路板进行了测试。 第六章：总结与展望。对全文工作进行简要总结，并对下一步的工作进行展望。 7 而实现将低频信号搬移到高频段，由高频信号携带进行传播n 朝。完成这种调制过程的 设备称为调制器。调制可分为模拟调制和数字调制，模拟调制就是对模拟信号进行调 制的过程，可分为幅度调制( a m ) 、频率调制( f m ) 和相位调制( p m ) 三种方式。 数字调制就是对数字信号进行调制的过程，也可分为振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 三种调制方式。 ”滤波器 射频发射机的多处都要用到滤波器，在对信号进行调制后，要利用滤波器滤出有 用的信号再送给混频器去作混频操作，一般这时用的是低通滤波器，在后端放大器的 前面也要用滤波器滤出有用的信号送到信号放大器或功率放大器去放大，一般这时用 的是带通滤波器。滤波器除了进行滤出有用的信号操作外，还被用来滤去带外的杂散、 干扰及n 次谐波等信号。滤波器的主要指标有频带范围、插入损耗、阻带衰减等。按 8 华东师范大学硕士学位论文基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 照滤波器的功能可将其分为信道选择滤波器、镜像抑制滤波器和射频滤波器等。 玲混频器 混频器的作用也是变频，和调制器差不多，调制器有许多种，比如a m 、f m 、p m 、 q p s k 等等，而混频器就是频率调制，是调制器的一种。混频是将载频为九的已调信号 变换到载频为，i 的已调信号，一般允信号为低频的基带信号，而，i 为高频的中频或射频 信号。混频器对频率的变频操作要求保持原载频己调信号的调制方式、携带信息都不 变，而且不产生失真n 钔。混频器电路的主要技术指标有变频增益g c 、线性度、隔离度 和噪声系数n f 等。 其中线性度可用i p 3 和l d b 压缩点来衡量，如下图2 - 2 所示。左图表示l d b 压缩点 的含义，对系统而言，当输入功率比较小时，输出功率随输入功率呈线性变化，而当 输入功率逐渐变大时，输入输出曲线进入非线性区，其输出功率不再随输入功率线性 变化，低于小信号输入时所能达到的值，通常把增益下降到比线性增益低l d b 时的输 出功率值定义为输出功率的l d b 压缩点，用p 嘶l 表示。右图表示i p 3 的含义，第一条 直线虚线表示正常接收中频信号，它是按1 ：1 上升的，即输入功率每增加l d b ，互调 失真功率就要增加l d b ；另一条直线虚线表示当产生三阶互调失真时，通常互调失真功 率随输入功率呈立方变化，即输入功率每增加l d b ，互调失真功率就要增加3 d b 。当这 两条虚线相交时，交点就是三阶互调阻断点，或简称三点截点，此时无线收发系统就 无法进行正常的收发操作。三阶截点越大，表示系统可运行的线性范围越宽，系统线 性性能也就越好。 o 卜聃态湖叫 玮蛳鹏p r 变频压缩点( 1 d b )三阶截点 图2 - 2 混频器的线性度指标 本振 本振器用于产生一定的频率送给混频器，混频器将滤波器和本振器送来的两个频 率进行频率相乘算法，得到的新频率送给后级处理。本振器一般由锁相环、数字分频 华东师范大学硕士学位论文基于r f f p 的射频收发系统研究与设计 和数字鉴相器等电路组成。锁相环保证极高的频率稳定，否则会产生频率漂移，不利 于后端信号处理。 殄放大器 这里的放大器包括中频i f 和射频r f 的信号幅度放大器和功率放大器。i f r f 的信 号幅度放大器用于满足中频或射频信号的增益要求。功率放大器用于进行功率放大， 一般处于发射级的最后端。在发射机中，利用幅度放大器对信号的幅度进行一定的控 制( 增大或降低) 后再用功率放大器提高功率。信号获得足够的功率后才能加载到负 载天线上发射出去，因此必须采用功率放大器。功率放大器的最重要的两个指标是非 线性和放大效率，非线性包括输出三阶截点o i p 3 和邻道泄漏功率比a c l r 等参数n 5 1 。 2 1 2 射频发射机的常见指标 射频发射机的结构有很多种，如何设计一套正确高效的发射机关系到整个系统的 成本和设备的稳定程度。可以参考如下几个指标来衡量一个射频发射机的性能情况： 频率稳定度 频率稳定度总是射频发射机必须要考虑的一个性能指标。它是由载波基准频率振 荡器决定的，是指发射机在指定的载频上工作时，其发射信号的频率稳定能力。不同 应用的射频发射机对频率稳定度有不同的要求，它可以用h z 或频率的百分比来表示。 输出功率 发射机的输出功率是指发射机提供给天线的射频功率。不同的设计结构或调制方 式，其输出功率是不一样的。一般在发射机上设计了v g a ( 可变增益放大器) 或d s a ( 数控衰减器) ，用于对发射通道输出功率进行动态改变，一般以l d b 或o 5 d b 为尺寸 进行改变。 玲邻道泄露功率比( a c l r ) a c l r 的英文是a d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g er a t i o ，取名为邻道泄露功率比，定义为相 邻信道平均功率与发射主信道平均功率之比。这个指标是反应发射信号对相邻信道的 干扰情况n 7 1 。如下图2 - 3 的示意图，计算方法可以采用积分求面积法进行求值后再求 比值。 瓣 罄 a c l r = 相邻信道主信道 左邻 信道 主信道 右邻 信道 华东师范大学硕士学位论文基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 ”频率和相位误差 频率误差是指发射机的发射频率( 非调制) 与该射频频道上的标准频率之间的误 差，相位误差是指发射机发射信号的相位与标称相位之间的误差。这两者是判断发射 信号的频率和相位是否与理论值相符的指标参数。 频谱纯度 频谱纯度是由干扰和噪声产生的寄生信号与全部信号之比。载波信号及所需要的 连带信号是发射机必须要产生的，但是往往在处理这些信号的过程会产生谐波成分， 这些就是寄生信号，所有的放大器都有可能产生寄生信号。通常要用滤波器对寄生信 号进行滤除，但是还是不可能完全除去，所以频谱纯度也是衡量信号质量的一个指标。 殄矢量幅度误差( e v m ) 矢量幅度误差的英文是e r r o r v e c t o rm a g n i t u d e ，表示实际信号和理想信号的偏差， 是表征调制质量的指标，用来判断数字调制器的好坏n h 引，可以用 塑鬻蓁学1 0 。来计算。如下酚4 所示e v m 示勰 图2 - 4 矢量幅度误差e v m 示意图 2 1 3 常见射频发射机的设计 根据射频发射机设计时有无中频处理结构和调制混频方式，通常可分为超外差式 射频发射机和零中频射频发射机。 i 超外差式射频发射机 超外差式发射机，是最常用的一种射频发射机结构，它的基本电路框图如图2 5 所示。这种电路是有中频频率成分的，它将基带的i q 信号经过两次上变频操作变成射 频信号n 6 1 。首先，数字信号经d a c 或d s p 处理后变成模拟信号，第一次上变频操作采 用正交上变频，其中的正交频率采用了h i l b e r t 变换，正交的频率合成后得到中频信号。 然后，信号通过中频的带通滤波器( b p f ) 以消除中频信号谐波，再经第二次上变频操 华东师范大学硕士学位论文 基于r f t p 的射频收发系统研究与设计 作( 混频) 得到射频信号( 频率更高了) 。再次，信号通过一个片外带通滤波器( b p f ) ， 这种滤波器是镜像抑制滤波器，以滤除镜像信号和谐波成分。最后，信号经功率放大 器放大后送给天线发射。 l 倍弓 厂一 j 弋眇 c o s f o o i 莎 叫d a c d s p 卜- - - 仁、i 厶。叭 b p f 则 d r r 丫 l c o s t 0 0 2 网q 塑曼s m 翩c t o , j 图2 5 超外差射频发射机结构框图 超外差式发射机的优点是它可用于恒定包络调制和可变包络调制；间接调制避免 了注入或本振牵引。超外差式发射机由于会产生镜像信号，发射机必须拥有足够的抑 制率，因此对镜像抑制滤波器有很高的要求，一般不能将镜像抑制滤波器集成在芯片 上，这样就提高了系统成本。 i i 零中频射频发射机 零中频发射机，因为它没有中频信号，基带信号在同一级中实现调制和上变频操 作，在上变频中不会产生镜像信号，从而避免了镜像抑制问题n 羽。它的电路结构框图 如图2 - 6 所示。 图2 - 6 零中频射频发射机的结构框图 电路结构包括数模转换器d a c 或数字信号处理d s p 、混频器、功率放大器和天线。 d a c d s p 将基带信号变成数字信号后，由正交上变频器直接变频到射频信号，然后通 过功率放大器进行功率放大以匹配天线负载，最后送给天线发射出去。 零中频发射机的优点是使用了更少的硬件，节约了成本；缺点是当本振信号与工 作信号为同一频率时，两者之间会产生互扰，高频载波馈通和注入牵引可能存在。 兰查堕堕奎兰堡主兰垡堡壅 量三些! 箜塾堡坚垄墨竺翌壅皇堡生 2 2 射频接收机的原理及分析 2 2 1 射频接收机的工作原理 无线射频接收机的作用与发射机的正好相反，它是接收发射机发射过来的射频信 号，将其下变频到基带信号( 低频、i q 信号) ，然后解调出有用信息。射频接收机通常 位于无线通信系统的前端，其结构和性能直接影响到整个通信系统啪1 。无线射频接收 机一般由天线、低噪声放大器、滤波器、混频器、本振等组成，这些基本模块的特点 在本章2 1 节中已经介绍了，故在此就不再赘述了。 最基本的模拟型无线射频接收机的结构框图如下图2 - 7 所示。天线接收空间中射 频信号送给低噪声放大器( l n a ) 放大后，再经过一次或多次的下变频操作，将高频 的射频信号变换到低频的基带信号，然后再对基带信号进行解调，得到有用的信号后 进一步对信号进行幅度放大，最后有可能利用a d c 变成数字信号送给d s p 处理，或者 直接将模拟信号送给后端设备处理。 图2 - 7 最基本的射频接收机结构框图 2 2 2 射频接收机的常见指标 常见射频接收机的指标一般有接收灵敏度、邻信道选择性、噪声系数、l d b 压缩点、 三阶截点i p 3 和动态范围，而以灵敏度和选择性为最关键的两个指标，其中l d b 压缩点 和三阶截点i p 3 在2 1 1 节中已经详细介绍了，下面将简单介绍其余四个指标的意义。 殄接收灵敏度 接收机的灵敏度定义为接收机正常工作时能