（通信与信息系统专业论文）24ghz接收机射频前端设计.pdf

摘要 频率资源日趋紧缺，2 4 g h zi s m 频段的接收机的设计和研究在无线通信领域具有十 分重要的意义本文详细深入的讨论了无线接收机的结构体系和射频接收前端中关键模 块的原理、设计、测试工作。本文共分七章： 第一章说明了课题背景，指出了2 4 g h z 接收机设计的重要意义，表明了本课题的主 要工作；第二章系统阐述了常见的射频接收机结构体系和基本知识，在此基础上提出了 本设计中接收机的总体指标和各功能模块的具体指标，并对其增益、选择性和变频性能 进行了系统级仿真；第三章讨论了低噪声放大器的工作机理和主要的性能指标，并用射 频电路权威仿真软件a d s 进行了设计仿真，并达到预期的设计指标。第四章首先介绍了 混频器的基本知识，系统介绍了无源微带混频器的工作原理，并用a d s 对电桥平衡混频 器进行了设计仿真。此外还设计了带增益的有源混频器。第五章对2 4 g h z 圆极化微带天 线进行了设计仿真，在设计好天线单元的基础上，对2 2 的微带天线阵进行了仿真设计。 第六章对设计仿真的低噪声放大器、混频器和微带天线进行了加工制作和测试。第七章 对本文所做的工作进行了总结，并指出了需要继续完善的工作。 本文中的2 4 g h z 射频接收前端设计是基于教研室2 4 g h z 无线传输的预研项目，具有 很好的应用前景。本文中的低噪声放大器由于采用了源极负反馈电路形式，所以在较宽 的带宽内均有较好的噪声性能，本文中的圆极化微带天线采用按顺序旋转组阵技术来展 宽带宽，采用侧馈的馈电形式，由于采用了阵列技术及宽频带技术使其在组阵后综合性 能得到了极大的提升。 关键字：接收机，低噪声放大器，混频器，圆极化微带天线 a b s t r a c t w h e nt h es o u r c eo fs p e c t r u mb e c o m i n gm o r ea n dm o r es c a r c e ，t h ed e s i g na n d r e s e a r c ho ft h er e c e i v e rw o r k i n gi n2 4 g h zi s mf r e q u e n c yr a n g ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et h ea r c h i t e c t u r e o fr fr e c e i v e ra n d t h ek e yp a r t si nt h er fr e c e i v ef r o n t e n d i n c l u d i n gt h e t h e o r y ，d e s i g na n dt e s to ft h i sp a r t ，e a c ha l li nd e t a i l s t h e r ea r e s e v e nc h a p t e r s i ut h i sp a p e r i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ea u t h o rs h o wt h eb a c k g r o u do ft h i s t o p i c ，p o i n to u tt h ei m p o r t a n c eo ft h ed e s i g no f2 4 g h zr e c e i v e r ，a n ds a yt h em a i n t a s ko ft h i sp a p e r ；t h e nt h ea u t h o rs y s t e m a t a c i a l l ye l u c i d a t et h ea mo fr f & c o m m o n a r c h i t e c t u r e so fr fr e c e i v e ri nt h es e c o n dc h a p t e r ，b a s e dt h i s ，t h ec o l l e c t i v i t y t a r g e t so ft h er e c e i v e ra n dt h ep e r f o r m a n c ef e a t u r e so fe v e r yp a r ta r eg i v e n ， t h e nt h es e l e c t i v i t y ，g a i na n dp e r f o r m a n c eo ft h em i x e ro ft h er e c e i v e rw e r ea l l s i m u l a t e d ；i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ea u t h o rd i s c u s st h ew o r k i n ge l e m e n ta n dm a i n p e r f o r m a n c ef e a t u r e so ft h el o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) t h e nd e s i g nt h el n aw i t h t h e d s _ aa u t h o r i t a t i v ee l e c t r o n i ce m u l a t es o f t w a r eu s e di nr a d i of r e q u e n c y a n d m a k et h el n am e ta l lp r e d e s i g nf e a t u r e s ：i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h ec o 咖e ns e n s e o fm i x e r f i r s tb e e ni n t r o d u c e ，t h e n ，t h et h e o r yo fh o w t h em i x e rw o r k sw a s d i s s e r t a t e ds y s t e m i c a l l y ，a n dt h e nt h eh y b i r db a l a n c em i x e rw a sd e s i g n e db yu s i n g a d s ：t h ed e s i g na n d s i m u l a t i o no ft h e2 4 g h zc i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i p a n t e n n aw a sd o n ei nt h ef i f t hc h a p t e r ，a f t e rd e s i g n i n gt h eu n i tm i c r o s t r i p a n t e n n a ，t h es i m u l a t i o no ft h e2 x 2a r r a yw a sa l s od o n e ；i nt h es i x t hc h a p t e rt h e d e s i g n e dl n a 、m i x e ra n dm i c r o s t r i pa n t e n n aw e r em a d ea n dt e s t e d ；i nt h el a s t c h a p t e r ，a l lw o r kw e r ec o n c l u d e d ，a n dt h ef o l l o wt a s kw e r eb r o u g h tf o r w a r d t h e2 4 g a zr fr e c e i v ef r o n t e n di nt h i sp a p e ri sap a r to ft h el a bp r o j e c to f 2 4 g h zw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n 。i tw i l l h a v eav e r y g o o da p p i i c a t i o n f o r e g r o u n d t h el n ai nt h i sp a p e ri sd e s i g n e di nt h ew a yo fs o u r c eg r o u d i n g s o i th a sav e r yg o o dn fi naw i d e b a n d ：t h ec pm i c r o t r i pa n t e n n ai nt h ep a p e ru s e t h es e q u e n t i a lr o t a t e dm e t h o dt os p r e a dt h eb a n d ，i t sf e e dw a yi ss i d ef e e d ，b e c a u s e a r r a ym e t h o d s & b r o a db a n d w i d t hm e t h o d si su s e d ，i tp e r f o r m a c e sw e l l k e yw o r d s ：r e c e i v e r ，l n a ，m i x e r ，c pm i c r o s t r i pa n t e n n a i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 易年占月1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： c ：2 - 舻钥旧 硕士论文2 4 6 1 t z 接收机射频前端设计 1 绪论 1 1 课题背景及其意义 近几年来，由于移动通信产业的蓬勃发展，使得无线通讯的技术与研究也日渐成 长，更带动了无线数据通讯的想法。能否将目前相当成熟的无线通讯技术应用到网际 网络的服务上，以无线的传输方式取代传统网络所依赖的有线接入，成为了当今国内 外移动通信运营商，设备供应商，科研机构和高校纷纷研究的重要课题。 随着无线通信技术的发展，宽带无线接入技术得到了快速发展和应用，如无线局 域网，蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 等，这些技术不仅可以商用，通过改进，还可以广泛应 用到军事通信，如数字头盔等设备。近年来，随着电信市场的开放和通信与信息产业 技术的快速发展，各种高速率的宽带接入不断涌现，而宽带接入系统凭借其建设速度 快、运营成本低、投资成本回收快等特点，受到了电信运营商的青睐。目前宽带无线 接入技术的发展极为迅速；各种微波、无线通信领域的先进手段和方法的不断引入， 各种宽带固定无线接入技术迅速涌现，包括3 5 g h z 频段中宽带无线接入系统、2 6 6 h z 频段l d s 系统和无线局域网w l a n 等。宽带固定无线接入技术的发展趋势是：一方面 充分利用过去未被开发、或者应用不是很广泛的频率资源( 如2 4 g h z 、3 5 g l l z 、 5 8 g h z 、2 6 g h z 、3 0 g h z 、3 8 g h z 甚至6 0 g h z 的工作频段) ，实现尽量高的接入速率； 另一方面融合微波和有线通信领域成功应用的先进技术如高阶q a m ( 如6 4 q a m 、1 2 8 q a m ) 调制、a t m 、o f d m 、c d m a 、i p 等，以实现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力 和更灵活的带宽分配方法。 w l a n 与蓝牙、h o m e r f 、通用分组无线业务( g p r s ) 、c d m a 、3 g 、3 5 g h z 、5 g h z 、 5 8 g h z 无线接入、本地多点分配业务( l m d s ) 等主流的无线通信系统具有竞争和互补 关系。作为极有前景的通信技术，无线局域网络技术( e a n ) 和蓝牙技术现在已经可以 在企业中实施了 目前，无线数字通信的应用越来越广泛。接收机作为通信系统的重要组成部分， 正面l 临着高工作频率、高集成度、低电压、低功耗、低价格的挑战。要提高接收机的 集成度，关键是提高接收机中模拟前端的集成度。目前常见的接收机前端结构有超外 差、零中频、低中频、宽带中频和镜像抑制接收机等，数字中频接收机也逐步应用到 设计中。 超外差式接收机是大多数接收系统中最常用的结构。在超外差接收系统中，接收 信号经过或不经过放大，进入混频器变换成中频，检波器再将基带信号提取出来。再 某些应用中，特别是毫米波的应用，单级下变频因同时接收镜频导致接收性能极差， 而两级交频的超外差接收机可获得较好的接收性能。 本文所阐述的2 4 g h z 接收机就是可应用于无线局域网或蓝牙网络的无线通讯设 备，具有很好的应用前景，本接收机采用两次外差结构，实现简单且性能较好。 硕士论文2 4 g h z 接收机射频前端设计 1 22 4 g h z 信道的重要意义 影响现代无线通信发展的一个重要因素，就是不可再生的频谱资源。通常，为保 证通讯的正常进行，该资源由一国政府统一管理。各国政府的电信管理部门组成i t u ， 负责对全球无线电频谱的使用进行协调和分配，其下属的全球无线电管理委员会 ( w a r c ) 专门负责频谱资源的划分。在第二代移动通信系统( 8 0 0 9 0 0 唧z ) 大量发展的基 础上，为扩大容量并兼顾成本和市场，1 9 9 2 年，w a r c 为未来的移动通信业务和卫星移 动通信业务划分和扩展了新的工作频段，以支持无线通信的发展。其中，对未来移动 通信频谱分段的决定如下： 1 7 1 0 姗z - 2 6 9 0 m h z ，在世界范围内灵活应用，鼓励移动业务使用： 1 8 8 5 瑚z 一2 0 2 5 硼z 和2 1 1 0 m h z 一2 2 0 0 姗z ，用于i f f 2 0 0 0 协调和发展世界范围的移动 通信。 1 9 8 0 m h z - 2 0 1 0 姗z ( 上行) 和2 1 7 0 姗z 一2 2 0 0 心z ( 下行) 用于第三代移动通信的移动 卫星通信业务。为了促进无线局域通信应用的发展，美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 8 5 年开放了9 0 2 g h z ，5 8 g h z 及2 4 g h z - - - 个i s m ( 工业、科学和医疗) 频段，允许在低发射 功率下无执照使用这些频段。1 9 9 1 年，欧洲无线电委员会( e r c ) 也公布了一组无线局 域网建议频段，分别是：2 4 g h z ，5 8 g h z ，1 7 i g h z ，2 4 g h z 和6 0 2 g h z i s m 频段。我国无线 电委员会也规定了2 4 g h z 一2 5 g h z 频段将应用于未来移动通信和无线接入应用。 1 3 本课题的主要工作 本文较为详细的分析了各种接收机结构，重点讨论2 4 g h z 二次变频接收机的仿 真、设计和实现，具体阐述了低噪放、混频模块和微带圆极化天线阵的设计、仿真、 制作和测量，并讨论各模块实现中遇到的实际问题及其解决方案。 2 硕士论文2 4 g h z 接收机射频前端设计 2 接收机 2 1 接收机的结构 2 1 1 超外差式接收机 - - 。- - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - 射频中频基带 q 图2 1 1 1 超外差接收机原理框图 超外差式接收机是传统的接收机结构( 框图结构见图2 1 l1 ) ，该结构自1 9 1 7 年由 a r m s t r o n g 发明，该结构中使用了中频，因此又称为中频接收机。它具有成熟的理论基 础和实践背景，获得了非常广泛的应用。然而，该结构需要使用高阶带通滤波器，用于 抑制镜像信号，因此难以集成。 超外差式接收机可以采用在最后一级正交下变频到基带的结构。该结构用低通滤波 器代替带通滤波器实现信道选择，提高了接收机的集成度。正交变频也可以应用在中频， 在正交变频之后，两路信号相加，构成镜像抑制结构，降低了对镜像抑制滤波器的要求。 此外，还可以使用上变频的方法，改进超外差式接收机的集成度。此时镜像信号的频率 高于有用信号的频率，当两者的频率间隔很大时，可以方便地用低通滤波器滤除镜像信 号，然后继续处理。但当接收信号的频率较高时，v c o 的设计变得比较困难。 总体来说，超外差式接收机离不开具有良好选频特性的滤波器。这样的滤波器只能 在片外实现，超外差式接收机无法集成，不适合单片接收杌系统的应用。但因为超外差 体系结构通过适当的选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度，所以被认为是 最可靠的接收机拓扑结构。该结构可用与为2 4 g a zi s m 频段应用而设计的接收机系统中。 3 碰士论文 2 4 g h z 接收机射频前端设计 2 1 2 零中频接收机 射频 q i 圈2 1 2 1 零中频接收机原理框图 提高接收机集成度的关键在于去掉分立元件，主要是中频滤波器。零中频接收机( 也 称为直接变频接收机) 的思想是，跳过中频，将信号直接从射频变换到基带。这种结构的 好处显而易见。首先，不需要中频滤波器，因此集成度大大提高；其次，由于信号下变 频到基带，因此可以使用低通滤波器代替带通滤波器来选择信号，从而简化了滤波器的 设计；由于镜像信号就是接收信号本身，也就是说，两者的动态范围相同，因此对镜像 信号抑制的要求大大降低；最后，接收机的结构简单，功耗自然降低。正因为这些优点， 近年来该结构得到了迅速发展，成为集成接收机设计的主要选择之一。然而，在提高集 成度的同时，也引入了许多问题。 接收机中混频器的射频输入、本振输入和中频输出端口之间的隔离度有限，因此某 一端口的信号会泄漏到其它端口。本振信号还可能泄漏到天线，反射回混频器的射频端 口。本振信号的自混频产生时变的直流寄生失调，当本振信号和射频载波频率相同时， 这一直流失调可能造成后级的增益饱和，而淹没有用的信号。除此以外，c m o s 电路1 f 噪声的拐点频率可以很容易达到1 m h z 以上，干扰接收信号的低频分量，降低接收机的信 噪比。与超外差式接收机相比，零中频接收机还受到偶次谐波失真的影响。偶次失真主 要集中在基带附近，在超外差式接收机中，信号下变频到中频，可以通过带通滤波器消 除这一干扰，而在零中频接收机中，该失真量则和有用信号混迭在一起。采用差分形式 的电路结构，能在很大程度上消除偶次谐波失真，减小它的影响。为了实现镜像信号和 有用信号的分离，零中频接收机须采用双路正交下变频的结构。而双路结构存在着匹配 问题，当两路失配时，会影响接收信号的质量。在电路版图设计中，通过对称布局等方 磺士论文2 4 g h z 接收机射频前端设计 法可以提高电路的匹配。 有多种方法可以减小零中频接收机的非理想特性： a ) 直流寄生失调和l f 噪声的于扰主要集中在低频。而高调制指数的f s k 信号， 它的频谱能量主要集中在两个峰值，低频分量相对较小，在频谱上与失调信号基本分开， 从而可以滤除低频分量，降低干扰，却不会对信号有太大影响。因此，许多f s k 接收机 都使用了零中频结构，比如很多寻呼系统。另外，文献 1 使用的是8 0 2 1 l b 的直接序 列扩谱信号，带宽达2 2 姗z ，对于这种宽带信号，滤除直流分量，损失一些低频信息， 是可以接受的。 b ) 当射频信号的载波与本振信号频率相同时，本振信号自混频产生的时变直流失调 信号影响最大。改变本振信号的频率为射频载波频率的整数或分数倍，能减小本振馈通 带来的问题。 c ) 一些研究将重点放在了混频器的设计上。文献 2 ：提出了多相混频器。其本振信 号频率是射频载波频率的1 n ，2 n 个普通混频器构成一个多相混频器。它克服了直流失 调问题和对锁相环设计的苛刻要求。文献e 3 将c h o p p e r 技术应用于混频器，通过两次变 频，将噪声和信号分离开。文献 4 采取谐波混频器，使用本振信号的二次谐波和射频信 号混频。这样，当射频信号被下交频到基带时，自混频的失调产物则被变换到本振频率 d ) 通过对接收机结构进行改进，可以减小直流失调和1 f 噪声。最简单的方法是， 在混频器后使用交流耦合或高通滤波器，隔离直流分量。但这样做存在许多问题。对于 大部分调制信号，中心频率附近频谱的能量较大，携带信息在基带进行交流耦合后，会 损失低频分量，导致误码。高通滤波的拐点频率越高，损失的信息越多；拐点频率越低， 信号的群延时越长l 2 。因此，交流耦合的方法虽然简单，但应用并不多。另一种普遍使 用的方法是构造反馈电路，消除直流失调。这一方法可以完全由模拟电路实现，也可以 在数字域完成。在模拟域完成直流失调消除的好处是降低了对a d 转换器动态范围的要 求，减轻了数字信号处理部分的难度。在数字域处理则是通过d s p 算法检测失调信号的 变化，然后将失调分量通过数模变换反馈到模拟前端和接收信号相减，消除影响。但这 两种方法都增加了电路的复杂度和功耗。文献 5 使用两级下变频( 也称为非直接变频) 代替直接下变频，先将射频信号下变频到一个较高的中频，再直接下变频到基带。一方 面，由于在第二次下变频时使用的本振信号频率低且固定，因而泄漏较小，直流失调相 对稳定，可以容易地去除。另一方面，混频器的1 f 噪声也随之降低。这种结构的问题 在于需要选择合适的中频频率，使最前端的带通滤波器可以提供足够的相对于第一本振 的镜像信号抑制。总之，零中频接收机结构简单，具有很高的集成度，对镜像信号抑制 5 硕士论史 2 4 g l i z 接收机射频前端设计 的要求也不高。由于电路单元少，且没有片外元件，功耗也较小从简化模拟电路设计、 提高接收机整体集成度以及减少功耗和节约成本的角度来看，零中频接收机是一种极佳 的选择。 2 1 3 低中频接收机 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 射频低中频 q i 图2 1 3 1 低中频接收机原理框图 零中频接收机的直流寄生失调和1 f 噪声都存在于低频，为了避开它们的干扰，一 种简单的思路就是把它们和需要的信号从频谱上分开。这时，接收的信号不再变频到基 带，而是到一个较低的中频。这种接收机的结构称为低中频接收机，它与超外差式接收 机相比，不需要高频的带通滤波器，集成度好，功耗更低；它与零中频接收机相比，克 服了直流失调等低频干扰。因此成为集成接收机设计的选择结构之一。但是，将下变频 后的频率从基带变成低中频，带来了镜像信号抑制和双路信号匹配的问题。在零中频接 收机中，镜像信号就是自身，因此对镜像抑制的要求比较低。而在低中频接收机中，镜 像信号可能比有用信号高很多，需要大镜像抑制和双路信号的精确匹配，这是该结构的 最大缺点。一般的正交结构只能提供2 6 d b 左右的镜像抑制，远远不能达到要求，所以需 要一定的算法加以校正，或者采用匹配精度更高的电路结构在校正算法上，有 g r a m _ s c h e m i t s 重正交算法；借助导频校正幅度和相位失配的算法；利用i q 通路失配 时存在的相关性的自适应算法等。在电路实现上，可以采用双平衡正交下变频结构。该 结构在不需要额外校正电路情况下，可以达到0 3 0 的相位精度。另外，低中频接收机中 频的选择有一定限制。一方面，中频要尽量高一些，以减小直流失调和l f 噪声的干扰， 另一方面，为了减小接收信号的动态范围，中频频率越低越好，所以两者之间存在权衡( 一 般采取适当的预滤波) 。对于g s m 和d c s 等窄带通信系统，低中频结构是一种比较好的选 6 硕士论文2 4 g l l z 接收机射频前端设计 择。g s m 的信道带宽是2 0 0 k h z ，选择输出中频为l o o k h z ，则镜像信号即为第一邻带信号。 根据标准，第一邻带信号比带内信号功率最多高9 d b 。这样，送给模数转换器的接收 信号的动态范围增加不大，直流失调问题减小，接收机的集成度提高，所以低中频接收 机是最佳选择。对于蓝牙标准，它使用g f s k 调制信号，低频分量携带信息，不宜用零中 频接收机；而该标准对射频部分的指标要求又不高，因此也适用于低中频结构。低中频 接收机有较好的集成度，并克服了零中频接收机中存在的低频干扰问题。它适用于信号 本身在中心频率携带信息，但对镜像信号的抑制要求不高的场合。有很多2 4 g h z 蓝牙接 收机都采用低中频结构。 2 1 4 宽带中频接收机 固定本振 i 图2 1 4 1 宽带双中频接收机原理框图 宽带中频接收机是由加州大学伯克利分校的研究者提出的一种很有创意的结构，该 结构将零中频和外差体系结构结合起来以优化功耗和性能，该结构使用固定的本振信号， 将所有信道下变频到中频，在中频完成信道选择，再继续处理。它与一般在射频选择信 道的接收机相比，有以下的优点： a ) 由于将所有的信道都下变频到中频，而不使用高阶的带通滤波器抑制镜像，因此 有较高的集成度； b ) 由于第一级本振频率固定，可以使用低带宽的锁相环，获得低相位噪声； c ) 本振在接收信号带外，相位噪声对接收信号影响小； d ) 由于信道的选择在中频完成，锁相环需要的分频比降低，因此锁相环中参考晶振、 相位检测器和分频电路对频率综合器的相位噪声影响减小，且较低的分频比使锁相环输 出的寄生分量减少。 宽带( 双中频) 接收机不存在本振泄漏问题，但是由于第一次下变频前几乎没有滤波， 使得第二次下变频不得不使用大动态范围的信号。由于要在第二次下变频时选择频段， 增加了电路实现的难度。在中频和射频之间该体系结构也存在信号串扰现象，因此使用 低通滤波器进行信道选择。当输出频率是基带或者低中频时，存在d c 补偿和i m 2 ( 二阶 7 硬士论文 2 4 g h z 接收机射频前端设计 互调失真分量) 的问题。 2 i 5 镜像抑制接收机 s i l l ( f ) 图2 i 5 ih a r t l e y 镜像抑制接收机原理框图 s 域r ) s i n ( 既o f ) c o s ( w ) c o s ( w t ) 图2 i 5 2w e a v e r 镜像抑制接收机原理框图 h a r t l e y 和w e a v e r 接收机都是镜像抑制接收机。即使不使用镜像抑制滤波器，接收 机结构本身也能对镜像信号进行一定的抑制。h a r t i e y 接收机在正交下变频后，使用r c 移相网络将两路信号分别移相9 0 度。在输出端通过相加或相减消除镜像信号，得到需要 的信号。由于r c 移相网络对失配很敏感，镜像抑制的精度有限，且大的电阻和电容也无 法实现片上集成，所以该结构很少被使用。w e a v e r 接收机的工作原理与h a r t l e y 接收机 类似，也是通过两路信号的相移和加减，实现对镜像信号的抑制。它使用两个混频器代 替了r c 移相网络。由于混频器的匹配优于r c 网络，且易于集成，所以w e a v e r 接收机优 8 - 硕士论文z4 g h z 接收机射频前端设计 于h a r t i e y 接收机。w e a v e r 结构自身也存在不足之处： a ) 两路信号的正交下变频同样对失配比较敏感。当需要高精度的匹配时，必须使用 大尺寸的有源混频器或无源混频器，前者增加了电路的面积和功耗，后者则会带来增益 损耗，影响接收机的噪声性能： b ) 该结构只能抑制相对于第一本振的镜像信号，当最后的输出不在基带时，无法抑 制相对于第二本振的镜像信号。通常，使用无源多相滤波器来滤除该镜像信号，但这会 使接收机的噪声性能恶化。文献 6 ，文献 7 和文献 8 对w e a v e r 接收机进行了进一步 的研究，分别通过改交结构或使用校正算法，提高了其性能。 2 1 6 亚采样接收机体系结构 基于带通采样定理应用的中频亚采样接收机系统如图2 1 6 1 所示。在中频的亚采 样接收机系统中，采样电路代替零中频接收机体系结构中的混频器。射频信号以基带信 号的奈奎斯特速率进行采样。带通采样产生的频谱镜像表达式为 q = 七q m 鳞 ( 2 1 6 1 ) 式中女是整数常数：q 是频谱镜像点，在亚采样零中频体系结构中，q = 0 ：埘k 。和q 分别是采样和载波频率。 采样 采样 q 图2 1 6 i 中频亚采样接收机原理框图 该体系结构也很适合于射频集成电路，特别是在c m o s 技术中，将一个复杂的下变频 处理简化为一个简单的采样操作。因为采样所需频率低于载波频率，使振荡器设计变得 简单，并且振荡器功耗也较低。该结构需要关注的问题之一是噪声混淆。由于噪声功率 提高了2 i 倍，这需要使用外部带通噪声滤波器：而采样时钟上的抖动放大了矿倍，导致 了所需信道的干扰。该结构的另一个未解决的问题是时钟馈通和运算放大器不足的设置 时间。这些因素不能使干扰充分衰减，因此要求a d 有一个大的动态范围。由于织和 硕士论文 2 4 g l - l z 接收机射频前端设计 埘0 。成比例，使得更高频的低功率亚采样体系结构很难设计。 2 1 7 数字中频接收机 数字中频接收机根据抽样定理，在中频直接对信号进行抽样，然后进行模拟数字 转换，在数字域完成信号解调。它的优点在于信号不必变换到基带或低频，避免了低频 失调和噪声的影响另外，在高中频进行带通抽样，将信号直接变换到数字域进行处理， 充分发挥了数字电路的功能，可以处理多种调制方式的信号，具有很高的灵活性。从数 字接收机的发展方向来看，一要简化模拟前端电路，将数字电路向射频靠拢；二要具备 灵活性，能接收多标准信号。采用数字中频结构的接收机满足这两点要求，数字中频仍 然是一个活跃的研究方向，是将来接收机发展的方向之一 2 1 8 本文采用的接收机接收体系 综上所述，接收机的结构体系主要有：零中频结构，超外差结构、镜像抑制结构和数 字中频结构等。零中频方案让本振频率等于载频，这样就不存在镜像频率，排除了镜频 干扰。但它存在一些难以克服的困难：首先，本振泄漏问题，如果混频器的本振口与射频 口之间的隔离性不够好，本振信号就会由射频口输出，再由射频放大器泄漏到天线，对 邻道造成干扰：其次，是直流偏差问题，由于混频的隔离度有限，所以本振和强干扰信号 都会自混频产生直流分量，它们叠加在基带信号上，使信噪比变差，甚至会使混频后的 放大器饱和。超外差接收机是将射频信号下变频到中频后进行解调。外差式接收机的主 要特征就是在电路上具有变频器和中频放大器。这种方案有三方面的优点：首先，可以将 接收到的微弱信号分别在射频、中频、基带部分进行放大，中频高增益放大器要比射频 高增益放大器容易实现。其次在中频实现信道选择比在射频上实现对滤波器q 值要求低得 多。第三在中频上解调相对容易超外差接收的最大缺点就是组合干扰频率多。综合考 虑，本文采用超外差方案。 2 z 接收机的技术指标要求 2 2 1 接收灵敏度 接收机的灵敏度表征的是接收机接收微弱信号的能力，是指当接收机正常工作时能 从接收天线上所感应道的最小信号( 场强、电势或功率) ，能够接收的信号越弱，则接收机 的灵敏度越高。接收机正常工作包含两个方面：输出功率达到一定的要求；输出信噪比 达到一定的要求。影响接收机灵敏度的主要因素是接收机的内部噪声和接收机等效带宽 噪声功率，以及终端解调所需的信噪比要求。相应的，灵敏度也分两种；当接收机内部 噪声较小时，接收机输出额定功率即可正常工作，此时天线上的最小信号称为额定灵敏 度或绝对灵敏度；当接收机内部噪声较大时，输出信噪比必须达到一定值接收机才能正 硕士论文 2 4 g 接收机射频前端设计 常工作，此时天线所能感应的最小信号称为实际灵敏度或相对灵敏度。接收灵敏度的计 算公式如下： c m = 足x 写b n f d ( 2 2 1 1 ) 其中，茁为玻尔曼常数，瓦为室温，占为等效噪声频带带宽( 工程上常常用3 d b 带宽代 替矗) ，d 为识别系数，是指基带所要求能识别的最小信噪比， n f = 嬲+ ( 鸠一0 m z + ( v f , - 1 ) g l x g 2 + 为系统级联噪声系数。用招将上式表示 为： 只。( 船) = 一1 7 4 d b m + l o l g r ，+ 1 0 1 9 b ( h z ) + 1 0 1 9 d 当d = l 时， 只二( d b ) = - 1 7 4 d b m + 1 0 l g ，+ 1 0 1 9 b ( h z ) 这时的只。称为临界灵敏度。 ( 2 2 1 3 ) 灵敏度的另一个测量参数式最小可检测信号( m d s ) 。在某些文献中，m d s 依据噪声 基值计算。噪声基值计算式如下： 昂= c 。一 惫o = l o l g ，+ 。，s 口 其中为警接收机输出端的信噪比。 。 川o 2 2 2 接收机选择性和线性度 接收机的选择性定义为：在邻近频率强干扰和信道堵塞的情况下，接收机削弱干扰， 选择有用信号的能力。在多数体系结构中，选择性由中频信道电调谐滤波器决定，用矩 形系数足o 1 或k , o o l 表征。 接收机应该有足够的线性性能去处理可接受的失真信号。如果接收机在频率选择和 线性度上是不充分的，那么就会产生互调分量而降低所需信号的质量。一般来说，失真 度确定了接收机可处理的输入信号的最大功率。三阶失真在很多接收机体系结构中显得 特别重要，这是因为互调分量处在所要的信号中。以三阶输入交调( 截获) 点职来表述， 可以从双音频测试和规定的伴随信道抑制比c c r r ( c o _ c h a n n e lr e j e c t i o nr a t i o ) 计算 出三阶失真来。 在测量互调失真的过程中，所需信号的功率电平只。( 招m ) 和不需要的各个信号的 功率电平匕( d b r a ) ( 其中一个常常被调制) 从技术规范中可查到。位于所需信道的不需要 的互调分量匕，的计算式为 = - c c r r ( 2 2 2 1 ) 接收机的三阶交调点脚j 的计算式为 硕士论文24 g l t z 接收机射频前端设计 丑b = 匕+ - l 咀 ( 2 2 2 2 ) 二 对于压缩和失真的另一个游泳定义是1 掳压缩点丑。1 a b i a 缩点的定义为：功率增益从 理想点下降l d b 的点。l d b 压缩点和三阶交调点有一个近似关系： 异d * 皿己一1 0 ( 2 2 2 3 ) 2 2 3 接收机动态范围 动态范围定义了接收机在检测噪声基值上的弱信号和处理无失真的最大信号的能 力。用接收机输入端的最大信号和最小信号的比定义接收机的动态范围。当只一设为较 低的限制时，则较高的限制取决于体系结构。无寄生动态范围s f d r ( s p u r i o u sf r e e d y n a m i cr a n g e ) 和阻塞动态范围b d r ( b l o c k i n gd y n a m i cr a n g e ) 是特别重要的。s f d r 是以最大输入电平( 三阶互调分量低于噪声基值) 和最4 , - 3 辨别信号z 墒之间的比为基 础的使用式( 2 2 1 4 ) 和式( 2 2 2 2 ) 求出s f d r 的表达式如下： s f d r = 争皿一易卜詈 ( 2 2 3 1 ) j o b d r 定义为上限信号丑。与最小可辨别信号只。的差。b d r 的数学表达式为 b d r * 丑一只m ( 2 2 3 2 ) 计算前端接收链的最大增益时，需要考虑最大可能的带内阻塞只。如果解调器输入端需 要的信号是乞，那么最大增益g o 的计算式为 g o = p 脚一只l ( 2 2 3 3 ) 最大可应用信号蜮) 决定最小增益计算最小增益的等式为 g 0 = 一恤蛐 2 2 4 中频抑制和镜像抑制 中频抑制是指对中频干扰和噪声的削弱和抑制。可以通过将混频器设计成双平衡或 环路，电路尽量对称，这样使中频干扰尽量和中频端口隔离，一般的混频器均给出了r f 和i f 端口的隔离度，这个隔离度在一个程度上反映了接收机的中频抑制能力，此外通过 选择合适的频率的中频可以大幅度的提高中频抑制能力 频率2 么一，0 称为镜像频率，在本振功率较大的情况下，必须考虑镜频对中频的影 响。抑制镜像干扰的有效方法有：提高选择性；采用高中频使得镜频干扰尽量远离有用 信号，然后采用二次变频得到所规定的中频。 2 3 本文研究的接收机总体方案 由于本文所设计的接收机应用于短距离无线( w l a n 、蓝牙) 视音频传输，发射端本身 提供的信号强度较大，对中频放大的动态范围要求较低，综合考虑，本接收机采用二次 硕士论文z4 g 也接收机射频前端设计 变频结构。 2 3 1 本接收机系统指标 表2 3 1 1 2 4 g h z 接收机整体系统指标分配 1射频频率2 4 g h z 2中频频率 7 0 l 姗z 3动态范围- 7 5 d b m 2 0 d b m 4a g c范围9 0 d b 5输入驻波2 6噪声系数8 d b 7中频抑制3 0 d b c 8镜像抑制4 5 d b c 9工作温度 2 5 1 0湿度9 5 l l输入输出阻抗 5 0 q 2 3 2 本接收机原理框图 下变中颓 频器带通 图2 3 2 i2 4 g i l z 接收机原理框图 本课题主要讨论接收机射频前端关键器件的设计与研究工作。通过天线接收进来的 射频信号首先经过经过射频带通滤波器，然后低噪声放大器( l n a ，i o , n o i s ea m p l i f i e r ) 放大，再和压控振荡器( v c 0v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 所产生的第一本地振荡 信号经过下变频器( d o w n c o n v e r t e r ) 混频到固定的中频7 0 m h z ，然后再通过功分器分成i 路和q 路两路信号，q 路和第二本振信号经过9 0 度移相器的信号下变频到所要的q 路输 出，i 路和第二本振信号下变频到所要的i 路输出，然后i 路和q 路分别再经过中频带 通滤波器和带自动增益控制( a g ca u t o m a t i cg a i nc o n t r o l l ) 的中频放大器最终送到 硕士论文 2 4 g l k 接收机射频前端设计 a d 数模转换送到数字后端i ) s p 进行处理 2 3 3 本接收机的指标分配 根据接收机的种类不同，接收机的电路类型也有所不同，用途也不一样，但接收前 端的主要用途大致都是：选择信号、放大信号、变换信号，并尽可能地抑制杂波和干扰。 电路必须具有足够的动态范围，才不会因为信号饱和而使系统产生非线性失真。为了保 证电路的动态范围，可以通过选择输出能力强的器件，以保证瞬时的动态范围；同时还 可以采用a g c 、m g c 、s t c 等电路实现增益控制，以保证系统的动态范围。可根据各级电 路最大输出能力和电路的最大输出信号的幅度，决定增益控制电路的接入位置。增益控 制电路愈接近输出，插入损耗影响愈小，系统愈稳定，实现愈容易，所以在设计时，增 益控制电路应尽量在低频段实现。 在进行射频接收机设计时，主要考虑系统噪声系数、接收机灵敏度、杂波抑制特性 和选择特性，以及系统实现的难易程度及稳定性。在综合考虑接收机系统指标要求，分 析和查阅国际国内微波设备制造商相应产品的指标水平后，在本预研课题中对其关键部 件的指标分配如下： 微带天线：工作频率为2 4 g h z ，天线单元主瓣带宽为2 4 m h z ，增益大于6 d b ，轴比小 于2 d b ，驻波小于2 ，利用侧馈实现圆极化。组阵后( 2 2 ) ，主瓣带宽达到7 0 蛐4 z ，增益大 于l o d b ，轴比小于i d b ，驻波小于1 5 。 低噪声放大器放大器：频率范围2 2 5 g h z 2 5 5 g h z ，增益1 2 d b ，带内波动i d b ， 输入输出驻波比小于1 5 ，i d b 压缩点异口输出功率：1 7 d b m ，三阶交调点z 磁： _ - 3 0 d b m , 噪声系数小于1 射频带通滤波器：中心频率2 4 g h z ，带宽2 0 0 m h z ，带内插损小于2 d b ，带外抑制：在 2 2 g h z 和2 6 g h z 处不低于4 0 d b 。 中频带通滤波器：中心频率7 0 m h z ，带宽4 m h z ，带内插损小于i d b ，带外抑制：在 l o o 埘z 和4 0 蟠 z 处不低于6 0 d b 。 中频低通滤波器：截止频率2 0 k h z ，带内插损小于i d b ，在i m h z 衰减不小于4 0 d b 下变频器：实现2 4 g h z 射频信号到7 0 m h z 中频信号的下变频，噪声系数小于1 3 d b ， 变频损耗小于l o d b 。 2 42 4 g i l z 二次变频接收机系统性能仿真 用安捷