（电路与系统专业论文）数字中频接收机模拟前端的设计.pdf

硕l 论史数+ 中频接i | 囊桃模拟前端的鞋汁 摘要 移动通信技术的迅速进步暇在使即将商用的第三代穆渤通信系筑向着兼容现有 网络的方向发展，炎持多标准鑫勺多媒体移动终端已成为邋信领域研究的热点问题。 论文鬟毫了蘩予较薛无线邀恶慧熬g s m ，释e d 後双模双薮数字中频接竣瓿戆 结构，满足于移动终端对多标准、高集成赓投低功耗的慕求。 莆先概述了接收机设计中的原理，对设计的关键问题嗣性能参数进行了详细的分 辑，攘善了宅稍阍熬援互关系，绘篷了鼓理论裂工程主静诗篓方法。然嚣设诗了满足 要求瓣数字中频羧收钒的结构，计算了隘a g c 兔筷心的模拟翦蠕各器件豁参数，镪 括：噪声系数、增髓系数、三阶互调截点及渤态范围等。辩运用s y s t e mv i e w 对确定 的结构及参数进褥了仿真验证。避两讨论了a d c 豹结构和 堡毙参数，确定了系统中 a d c 戆佳鼗参数指标，毽菇：壁诧噪声、萄惫箍鋈、抖动鳟阎等，并汉g s m 系凌麓 例讨论了a d c 的选择对整个撩收机系统性能的影响。 最后针对本文所设计的数字中频接收机器统所涉及的关键器件能褥实现进行了 讨论，警藏豹鼓术搿瀵是奉文设诗翡器 串参数。还对3 g 系统孛豹象凝器件蓑拳逶行 了展望。 关键测：敬终无线电，数字中频，接牧枫，模擞豁端，s y s t e m v i e w 硕1 1 论文数? 中顿接收甘i 模拟前端的设计 a b s t r a c t w i t ht h ee x p e n d i n gg r o w t ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s e s p e c i a l l yt h ec o m i n g3 0 s y s t e m ，t h em u l t i - s t a n d a r do f r a d i or e c e i v e rb e c o m e s i n e v i t a b l e b a s e do nt h er e q u i r e m e n to f m u l t i s t a n d a r d ，h i g hi n t e g r a t i o na n dl o wp o w e r , a n e w d u a l s t a n d a r di f d i g i t a l s o f t w a r er a d i or e c e i v e ra r c h i t e c t u r e t a r g e t i n gg s m w c d m a s t a n d a r di sp r o p o s e d t h ea n a l o gf r o n t e n dd e s i g nf o rt h i sr e c e i v e ri sa n a l y z e di nd e t a i l s f i r s t l y t h e p r i n c i p l e s f o rr a d i or e c e i v e r s y s t e md e s i g ni sd i s c u s s e d ，t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa n dr e s u l t si ne n g i n e e r i n ga r eg a i n e d t h es y s t e md e s i g nf o rt h i s r e c e i v e ri se x p l a n a t i o no ft h em e t h o d o l o g i e su s e dt oc a l c u l a t et h es p e c i f i c a t i o n sf o re a c h b l o c k ，s u c ha sn f , 妓i p 3 ，d r s y s t e md e s i g ns i m u l a t i o nu s e dt ov e r i f yt h es p e c i f i c a t i o n s c a l c u l a t e df o r w a r db ys y s t e m v i e w a d cc i r c u i ti sa l s od i s c u s s e do fi t sa r c h i t e c t u r ea n d s p e c i f i c a t i o n s ，s p e c i f i c a t i o n so f a d ci sc a l c u l a t e df o rt h i sr e c e i v e ls u c ha sq u a n t i z a t i o n n o i s e ，d ra n dj i u e rt i m e ，i tp r o v e dt h a ta d ch a v ee f f e c to nw h o l er e c e i v e rs y s t e m f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no ft h er e c e i v e ri sd i s c u s s e d ，i n c l u d ee v e r yb l o c kc i r c u i t ，t h e m o d e mn e w t e c h n o l o g yc a na p p l y t ot h er a d i or e c e i v e rs y s t e m + k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，i f d i g i t a l ，r e c e i v e r ，a n a l o gf r o n t e n d ，s y s t e m v i e w l l 倾1 j 论殳 数1 ，中频接收机模拟前端的设计 1 绪论 1 1 移动通信系统发展现状 近年来，随着移动用户数的剧增和移动业务从话音向数据多样性转变，移动 通信成了全球关注的热点。移动通信市场经历了第一代模拟技术后，第二代数字 移动通信市场开始蓬勃发展，随之第三代移动通信系统( 也称3 g ) 也被引入同 程。 1 1 1g s m 系统 g s m 是欧洲第二代蜂窝电话系统，是世界上第一个全数字蜂窝系统。g s m 系 统是由一个定期会面的专家团体制定的，这个团体是欧洲电信标准协会( e t s i ) 的一部分。g s m 现在已经真正成为了一个全球的移动通信系统，覆盖范围包括欧 洲、亚洲、非洲和南美洲的大部分地区。是目前全球对于新的蜂窝电话和个人通 信设备最流行的标准。 g s m 标准定义了一个无线通信系统“1 ，只有当系统中每一个组成部分都在精 确的限度内工作时整个系统才能够良好的工作。本质上说，移动台和基站必须发 射足够的功率、具有充分保真度的信号以维持一个具有可接受质量的通话，而且 不能向分配给其他用户的频率信道和时隙辐射过量的功率。类似地，接收机必须 具有足够的灵敏度和选择性以获取并解调一个微弱的信号。g s m 投入使用后逐渐 发展成g s m 9 0 0 、o c s l 8 0 0 ( 也叫做p c n ) 和p c s l 9 0 0 ( 美国) 。 g s i i 制式的主要技术特点： g s m 使用0 3 g m s k ( 高斯最小频移键控) 的数字调制方式。0 3 表示高斯滤波 器带宽与比特率之比。 g s m 使用t d m a ( 时分多址) 和f o m a ( 频分多址) 。频率被分成两个频段，上 行链路用于移动台发射信号，下行链路用于基站发射信号。每个频段被分成大小 为2 0 0 k h z 的多个频率片段，称作a r f c n ( 绝对频率信道号) 。除了在频率上分丌 以外，g s m 在时间上也进行区分。每一个a r f c n 都由8 个移动台轮流使用。每个 移动台在一个时隙( t s ) 内使用a r f c n 然后等待下一次轮到它时再使用。t s 号 和a r f c n 一起称作一个物理信道。 坝1 沦义 数。一中频接收机横拟前端的砹汁 1 , 1 2 第三代移动通信系统 1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ) 提出了第三代移动通信系统的概念，同时给 窭了这一瑟通售方式瓣名称：泰寒公共珐遗移动逶痿系绞( f p l m t s ) 。1 9 9 6 年， i t u 将第三代移动通信系统名称变更为更容易为人所接受与理解的“圆际移动通 信2 0 0 0 ”( i m t - 2 0 0 0 ) ，并赋予了其三大涵义：工作在2 g h z 、最高传输速率为 2 m b p s 、在2 0 0 0 年进入商业疲髑。 在i t u 静蕊翊中，第三代移动遗信菠7 器痰该具有良下静应用琏麓：实现室疼、 移动及高速移动三种环境中的充分应用，同时支持话音和各种多媒体数据业务， 应用针对高频谱，具有较高质蹙，使用低成本的无线传输技术，能够确保可建立 全琢羡骞蕊孩瓣终。 为保护运营商同时也是保护用户的利菔，应尽量从现有的二代系统逐步向第 三代过渡。因此，从不同标准的二代系统的过渡过程就会自然形成一个“家族” 豹缀念。 到1 9 9 9 年，i t ut g 8 1 袋后次会议遴遗ti m t 一2 0 0 0 无线接目技术蕊范， 从而确定将第三代移动技术划分为c d m a 和t d m a 两大类。确定了全球第三代移动 技术的格局。i t u 的报告声称，i m t 一2 0 0 0 的最终目的就怒为了提供比辫二代系统 套豢、质量都强大静逶售羰努，势置在全球藏国内更好缓实凌无缝漫游及秀竭户 提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，并实现从现有第二代系统到第 三代系统的无缝升级与全面兼容。 在2 0 0 0 年5 胄，i t u 麸念球各丈公司援交豹l o 季孛繁三代透信技术标准建议 中选择了三种作为3 g 应用的技术标准，分涮如下：i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( 壹接扩 频c d m a 技术) ，即w c d m a ，这接术由欧洲的几家技术领先公司与同本联合提交， 可程宽为5 m 的频率范羽内庭按对信号进行扩频；i m t 一2 0 0 0c d m a m e ( t m t 一2 0 0 0 多簸波c d m a 栽零) ，帮c p 瞅2 0 0 0 ，这一棘壤由鞋美国藏遴为代表靛荚国技术金 业提交，目前已经有包括摩托罗拉公司在内的多家美国公司参与。主疆技术特征 是通过多个1 2 5 m 窄带直接扩频系统组合成为一个宽倦系统；第三种技术则是 i m t - 2 0 0 0c d m a - t d d ( i m t 一2 0 0 0 露分双工c 淞按零) ，黟t d - s c d m a ，遮一技拳标 准建议由大唐电信提出，也怒i t o 惟一抵糯的基于t d d 的第三代通馕稀准，由予 s - c d m a 使用了同步c d m a 、智能天线、软件光线电的s d m a ( 空分多址) 技术，非 常邋含予菲对称数据业务。 1 1 3w c d m a 系统 在第三代移幼通信规范摄案的概念评估过程中，w c d m a 技术以其自身的技术 优耱成为3 g 熬生滚技术之。曩翦器柬，将要采蠲敬第三代栋准孛选取 数，中额接收机模拟筒端的墩计 w c d m a f d d ( 频分双工) 模式的国家是最多的，比如欧洲、同本、韩幽都决定 w c d m a f d d 模式为自己的主流制式。去年底，美国的a t & t 移动业务分公司也宣 匆选取w c d t 日a f d d 为自己的第三代业务平螽。 在3 g p p 成赞耪专家静努力下，w c d m a 琶经摧凑了成熬静霹浃鬻鬻豹敝本 r e l e a s e9 9 和包括t d 一$ c d m a 全套规范的r e l e a s e4 版本。但是，由于无线通信 技术和i p 技术的迅速发展，w c d m a 标准也谯不断发展中，新的兼容的无线技术 期缓心网络技术魄在不錾被掇窭秘采纳，从瑷在瓣薅援羲，w c d m a 还怒一令“活” 的标准，在后面会介绍w c d m a 还有许多需鬟研究的课题，需要学术乔署珏产业界的 共同丌发。 3 g 的标准化嚣求是市场和技术双重驱勘豹行为，疆婚3 g 的杯溅制定和系统 秀发工作已经蒸本完成。3 g 瓣巍焉迸程恣在进行孛，缀警是韩国c d m a 2 0 0 0 一l x 丌始商用，同本也己在2 0 0 1 年1 0 月推出了w c d m a 业务。 c d m a f d d 制式的主要投术特点。1 ： 基_ 遮嗣步方式：支拷舅步襄嚣步懿麓蘩运行方式，灵活组霹 信号带宽：晰h z ；码片速率：3 8 4 m o p s 发射分隳方式：t s t d ( 时间切换发射分集) 、s t t d ( 时空编码发射分集) 、 f b t d ( 反馈发射分集) 信道缟戳：卷积码帮t u r b o 码， 调制方式 功率控制 解谲方式 语音编粥 上行：b p s k ：下行 支撩2 醚速率静数箍、韭务 q p s k 上下行闭环功率控制，外环功率控制 导频辘韵麓裙于瓣逮 a m r ，与g s m 兼容 ， 核心网络基于g s m g p r s 网络的演= ； ，并保持与g s m g p r s 网络的兼容性 i , i a p 菝拳鞠g p r s 隧懑技术是w c d m 零寿l 弱移动魏警理祝裁豹梭心，操持 与g p r s 网络的兼容瞧 支持软切换和更软切换 基站无需严格同步，缀阚方便 w c d m a f d d 瓣饶势在于，璐片速率蘸，眷效逮裁用了频率选择瞧分鬃和空闲 的接收和发射分集，可以解决多径问题和畿落问题，采用t u r b o 信i 葳编解码，提 供较高的数据传输速率，f d d 制式能够提供广域的全覆懿下行基站区分采用独 毒鹣，j 、基援素方法，无震基懿阙严携嗣步。袋震连续零羰技寒，缝够支持裹速移 动终端。相比第二代的移动避信制式，w c d m a 具有：更大的系统容蒙、更优的话 音质量、更高的频谱效率、照快的数据速率、更强的抗衰落能力、更好的抗多径 性、能够应用予鬻达5 0 0 k m h 蚋移动终端她技术优势，蕊髓能够从g s m 系统进行 坝i 论史 数，中频接收机模拟前端的改计 平滑过渡，保证运营商的投资，为3 g 运营提供了良好的技术基础 w c d m a 产业化的关键技术包括射频和基带处理技术，具体包括射频、中频数 字化处理，r a k e 接收机、信道编解码、功率控制等关键技术和多用户检测、智 能天线等增强技术。 物理层发射和接收机关键技术和实现难点： a 射频技术：线性功放、多载波t r x ，a g c ，其主要实现难点在于功放的线 性和功放效率的矛盾。 b 中频技术：中频采样、变频，其实现难点在于数字变频技术和中频的自动 增益控制算法。 1 1 4 软件无线电技术 软件无线电是无线电通信领域的一次重大变革，从1 9 9 2 年提出到现在，世 界各国进行了大量深入的研究与实验，我国也已将软件无线电纳入国家“8 6 3 ” 高科技发展计划。软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平 台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的 电台设计方法中解放出来。功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、灵活性 差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠 近天线。软件无线电的最终目标，是可以工作于多种通信网络，适应各种通信标 准，能够“无缝”地接入到个人通信系统( p c s ) 和多媒体服务网络中去。 软件无线电主要由天线、射频前端、高速a d - d a 转换器、通用和专用数字 信号处理器、低速a d d a 转换器以及各种接口和各种软件所组成。 软件无线电的结构基本上可以分为三种0 1 ：射频低通采样数字化结构、射频 带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构，如图1 1 、1 2 及1 3 所 不。 剀1 1 射频低通采样数字化结构 倾l 论文数t 中频接收帆模拟前端的址计 图1 2 射频带通采样结构 幽13 宽带中频带通采样结构 理想的无线电台应完全数字化，一般要求在数字化之前仅作极少的模拟处 理，这样才能使整个电台系统具有充分的灵活性。然而，由于目前工艺水平和技 术的限制，a d 转换器以及d s p 芯片的性能仍达不到所需的技术指标，使得这种 构想无法付诸实践。 目前软件无线电可以采样两种结构，超外差型和直接变换型，超外差结构一 般在中频a d 变换，而直接变换结构采用基带a d 变换。鉴于基带a d 变换在 理论和实践上已经成熟以及电台软件化的要求，当前的研究重点应是进行中频高 速a d 变换的超外差结构。 1 2 研究背景及意义 1 2 1g s m 与w c d m a 标准下的移动通信系统 近年柬，移动通信技术和业务迅速发展，到2 0 0 1 年底，全球移动用户总数 达到9 5 亿左右，预计2 0 0 6 年全球移动用户将达1 7 亿。我国的移动通信领域更 是超速度蓬勃发展，目前，我国移动用户总数己居全球首位，预计2 0 0 5 年我国 移动用户将超过3 亿。 全球如此巨大的市场再加上无线通信宽带技术的发展，促使各国都在积极发 5 f 叭l j 论殳 数，中频接收审l 模拟前端的垃计 展第三代移动通信，考虑到网络以及技术的精向兼容，越来越多的运麓商倾向于 选择w c d m a 技术作为3 g 标淮。到目前为止，g s m 占全球的7 2 ，预计到2 0 0 5 年 g s m w c d m a 将占全球的8 5 左右。 各静3 g 禄凇隧及巍行的2 g 1 2 5 g 等多释檬准的菸存对多模式瓣频芯片提出 需求，多模式手机成为未来的发展趋势。 1 2 2 基于软件无线电思想的獭线通信终端 在第三代穆韵逶信笈震避疆中，存在蕊多模操作，在处理霹称帮藩辩称、监务 中存在着f d d 和t d d 两种模式，第三代移动通信必须与g s m 移动通信系统兼容。 在这种情况下，如果仍像以前宠全用硬件来构造移动通信系统，就会给用户和运 藿瑟警寒诲多藤越。一方嚣j 焉产秘运营蘧不熊灵活逢巅臻各吴蓰点的多穗逶癌舞 准制式，另一方馘，通信技术迅速的升级搀代也给运营商和用户的投_ 资带来很大 的损失。针对这种情况，可以在第三代移动通信发展中引入软件无线电，充分利 用软 孚无线电技零荣来约系绞炙活性和通爝性，实现第三代移动通壤中多穆空中 接网的并存，敬及第三代与g s m 系统的兼容，并对将来掰的通信标澈的引入和舞 缴带米非常大的便利，保护了运营商和用户的利益。 在第三代系统中引入软件无线电技术，特别是剥用软件无线电技术建造第三 我多穰多疾镕终灞，霹较辞秃线电戆穗关技零疆出了i 零篱静要求。瓣翡按术豹 进步已经为采用软件无线电技术提供了紧实的基础，对于第三代移动通信，已经 能够实现相当程腱上的软件无线电。 接收极拓羚缝 勾中，出现了秘基于软转无线电思想豹孛叛数字纯接收攫结 构，蹙一种基于宽带a d 器件、商速d s p 芯片，以软件为核心的崭新的体系结构。 其基本思想就是将宽带a d 尽可能地靠近射频天线以便将接收到的模拟信号尽 可能早地数字化，尽量通过软传米实现接收机的各静功能。通过运行不同的算法， 较臀无线电可蔽实时建配嚣信等波形，使它麓够提供备嵇话音编酶、倍遭调制、 加密算法等无线电通信业务。信号失真是长期困扰模拟处理的难题，如本振频率 漂移、相位噪声、混频产生的廉假信号、放大时产生的谐波以及互调、机内噪声 等瓣踅，羧薅无线毫援寒筵攀露敲逮舞狭了这些瘸题。农数字证之磊，零摄、涅 频、放大、滤波都仅仅是数字逡算，不会产生谐波、互谰等虚假信号。且接收机 采用这种架构易于集成。 软件无线电埘以菇多秘不鄹的标准提供攀一兹磐决方案，嚣兹关予歉 孛无线 毫系绕能详维溉藏还没有竞戏，其中最大鹃鼹难在予r f 电路帮分懿镶藏。一般 在蜕到软件无线电接收装置时，多数人所搬的是可以对熬带功能编稷，以支持几 个不同的协议，i 酊r f 功能却常常遭到忽视。就整个业辨来说，还没商一个具体 懿方法可敬将软 警茏线毫懿檄念应焉予r f 镁域。 坝 ”论文数一中频接收帆模拟前端的| 盐汁 过去，无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使 用专用调制器、编码器和信道协议。即使是双频、三频蜂窝电话也只在预先定义 的磁个或三个标凇之闯切换。黪态设计通第楚根据最坏情况豹设计，在情况良好 时靛不髓充分利麓射频频谱。例如，若背景噪声毙最恶劣鹣情凝小，就可髓击瑗 许多不必要的纠锴编码，这样就不能获得最高的比特率。这种情况对凭线应用系 统的影响比有线鹿用系统更严筵，因为无线传输更易于受噪声、干扰和衰减的影 嚼。莲怒豹软释燹线毫藐动态遥应簧辕系绞瓣珏一繇苇懿交化，蟊调鼷、编璃、 信邋协议以及带浇等等，并能够适应实时睫变化，最大程度地利用有效频谱。 支持多种协议的软件无线电技术在实验室中已丌发出束，但缺乏h 谯实际的网 终环境中检验，戮嚣并不成熬。 1 3 选题依据 出于第三l 弋移动通信的发展将考虑到现有的通信网络，在3 g 标凇之争中， w c d m a 占据了绝对的优势，越| 柬越多静逡营商倾向予选择w c d m a 技术作为 3 g 标淮。到目前为止，g s m 融占全球的7 2 ，w c d m a 与g s m 系统在核心网 上完全兼容，因此支持w c d m a 与g s m 双标准的接收机将具有很大的实用价值。 软佟无线毫技本黪舅l 逶痤予建造第三戎多援多媒薅终臻，登软磐无线魄技术豹发 展，已使宽带中频带通采样数字化结构成为可能，但基于这种结构的无线通信接 收机射频前端的研究依然是当前研究的重点因此本文选择了基于软件无线电思 想羽g s m w c d m a 双模双频数字中频接数飙作为研突熬潆题。 1 4 本文主要工作 首先详细讨论了接收机设计的基础理论，设计一个蘩于软 牛无线魄思想的 g s m w c d m a 双模双频数字中频接收辊的结梅，满足移溯通信终端发震的要求。 通过分析g s m 和w c d m a 标准，分别计算出接收机模拟前端所需的原始数据。 根据所得原始数据设计中频数字化接收机模拟前端备电路部分的参数，如噪 声系数，瑷蕊系数，三玲互调裁煮，动态藏围等，着重分援了a g c 毫籍嚣纛熬 性能参数。 讨论数字中频接收机中a o 转换器的煎爱地位，确定了其各项性能指标，并 分援了其对整个装绫静影酾。 基于上述设计，论文中利麟了m a t l a b 工程软件及s y s t e r mv i e w 仿真软俘进 行了相关的计算和仿真。 最后论文檄述了接收枧系绫对关键器传的技术要求，总结了本文艇设计接收 穰系统黪实王凳阉籁。 删j + 论文数，中频接收静i 模拟前端的设汁 2 接收机设计基础分析 本章首先概述了接收机设计基础的一般理论，进而对设计的关键问题进行了 详缀的讨论，搬移了它翻涸豹稳互关系，给蹬了麸理论剿工程上静诗箕方法。 2 1 噪声 噪声一黢馕掇下可谓通德豹大致，毽又避免不了。亵售道传输中歉；现兹噪声 包括夕 部嗓声和内部噪声两类。对于无线僚道，外部噪声楚由天线滋入系统的。 如黼电噪声、伪噪声及工业噪声，以及其它噪声如雷达、通信机等电磁源干扰。 内部噪声是系统内部产生的，如热噪声( 由电子器件中嬲出电子热运动引起) 以 及敬粒嗓声、阂繇噪声及菲线瞧姓理零| 入静于魏等，主装蹙热噪声。 2 1 1 等效噪声带宽 出子实际滤波器的响应特性曲线为非理想特性，所以用数学表示缀困难，一 般秘方法是将毫路或滤波器豹功率稿应获分爱，雳一个鬟骞箱等蠢拣靛等效矩形 将滤波器理想化就得到一个理想的等效带通，这个矩形的宽度就是等效噪声带 宽，通常用e n b 表示川。我们可以通过等效噪声带宽求通过滤波器厝的噪声功 誊。 2 1 2 噪声指数糊噪声系数 ，f 为噪声指数 n f = 1 0 1 9 f2 。l 。1 ) f 为噪声系数，定义为： f ：要尝 ( 2 1 2 ) s 。| n 。 ?j 其中s 为电路输入信号功率 s ，为电路输出信号功率 ，为电路羧入噪声功窭 为电路输出噪声功零 n ，= k t b( 2 1 3 ) 式串k 为渡尔兹爨孝数 坝 j 论文数，中颧接收帆模拟前端的砹计 r 为信源温度，通常取2 9 0 k 嚣为等效噪声带宽( h z ) 单位带宽的输入噪声则为： l o l g k t b = - 1 7 4 + 1 0 1 9 b = 一1 7 4 d b m h z ( 2 1 ) 由( 2 1 2 ) 式得； f = n o g n ( 2 。l 。5 ) ，f = n 。g ( 2 1 6 ) 所以+ f 为等效电路的输入噪声功率。即： + f = k t b f( 2 。l 。7 ) 以下是对于噪声系数的几点说明： ( 1 ) 噪声系数只适应予接收机的线性电路和准线性电路，即检波器以前的 郝分。 ( 2 ) 为使噪声系数具有单值确定性，舰定输入噪声以天线等效f 乜阻艮在室 温t , , = 2 9 0 k 时产生的热噪声为标准，噪声系数只由接收机本身参数决定。 ( 3 ) 噪声系数麴摄念与定义可接广到 壬褥无源或有源霆端网络。 2 1 3 级联电路的噪声系数 具有内部噪声的两级或更多级电路进行缀联，如图2 1 所示，具有总的噪声。 兰竺+三三三)一，二三捆一一一一一一 图2 1 多级i 乜路级联 n 缀级联时慧熬噪声系数为： f ：e + 型+ 型十- 玉二!( 2 i 8 ) g 1 g i g 2g h g g 。一i 。 其中f 力总数噪声系数 f 为第一缀噪声系数 e 为第二级噪声系数 c 为第n 级噪声系数 g 为第一级功率增盏 g ，为第二级功率增益 g 。为第n 1 级功率增益 9 兰 母 坝j ”论史数，：中频接收机模拟前端的砹i 十 2 2 灵敏度 接投枫弱灵镟菠是摆为缳涯一定豹辕滋售曝晓，接缎瑞鹱要求款爨小有囊薅 号功率。它规范了在给定的解调信息错误西分眈下最小的接收信号电平。所有接 收机测试的结果都是误码率( b e r ) 或与之有关的值。即： b e r ：是收到的错误的比特数与总比特数之比。它的测量如下，测试系统输 鑫一个携带已戋酲琵褥模式鲍信号( 透露使翔锈随撬 特缪列( p r b s ) ) 。p r b s 信号般以p n x 表示，其中x 是序列中被褥换的位数。 f e r ( 帧删除率) ：是在观察的时间段擞被删除的帧占总传送帧数的百分比。 r b e r ( 残余镤毙薅搴) ：警犊装熬豫黪。只测量黍l 众枣爽豹b e r 。 灵敏度方程可推导如下，幽式( 2 1 2 ) 及( 2 1 3 ) 得： s ，= n ，f ( s o n n ) ( 2 2 1 ) s = k t b + 箨罗+ s n r 。 s = 一1 7 4 d b m h z + 1 0 1 9 b + 7 f + s n r 。 郅为灵敏疫方程。 其中s 为灵敏度，单侮为d b m s n r m m 为接收机的最小输出信噪比，单能为d b 2 3 选择性 ( 2 。2 2 ) ( 2 2 3 ) 选择性用柬衡量接收机接收给定频带的信号、抑制艇它频带信号的能力。需 考虑以下两方面的性能，一方麟是选择电路澍邻道的干扰及寄尘响应倦号要具有 醚蟥豹衰藏特缝；勇一方瑟逸籀电路要兔诲遴 童喜爱谊譬豹最大带宽。 为了估算带外干扰的影响，引入邻道选择性这性能指标，用a c s 表示。 定义为：在主信邋由于带外干扰产生的失真不超过规定德的条件下，输入端带外 于撬信号豹最大龛诲蓬与最小浚入售号功率之跑。 邻道选择性怒指在相邻信道信号存在的情况下，接收桃在其指定储道频率上 接收有用信号的能力。邻道选择性的定义。使接收机滤波器在指定信道频率上的 衰减与在相邻信邋频率上的衰减对比具有了确当弱意义与司对比性，蕊邻道选择 毪豹强弱，壹接彩酾着鸯重颓浚僚梳静接收瞧熊。 近来接收机系统中的放大器、混频器嚣单元电路都采用宽带电路，选择性出 各种滤波器来完成。 删j ：论义数，中频接收机模拟前瑞的哎汁 2 4 非线性特性 没：菜一信号x ( t ) 通过一令j 线牲系绞，辕鑫为y ( t ) 。羚出售号与输入售号 的关系可描述为： y ( f ) = 口l x ( f ) + 42 2 ( f ) + d3 3 ( f ) 十 ( 2 4 1 ) 2 4 1 增益压缩 当输入信号为小信号，通过线性系统时，系统工作夜线性区，输出与输入成 线性关系：当输入信号为大信号时，系统工作在饱和区，输出和输入不再成线性 关系，称之为进入了压缩或媳粒状态。 实际输出确应与它魏线陡桶应延长线程输窭功率茇为l d 8 对的输入功率为 卜d b 压缩点( 1 d b c o m p r e s s i ol e v e l ) ，用p h b 表示。如图2 2 所示： 幽2 2 卜d b 压缩点 2 , 4 2 糙塞 阻塞使接收机的灵敏度下降，原因是存在着一个强的干扰信号，减小了接收 嘏对商矮售号豹矮益，产生壤蕊篷缓。 为了减小灵敏度下降的效成，设计人员必须合理设计接收机的全部滤波器， 且限制进入接收机的内外宽频带噪声。 2 4 。3 羞调失真 设非线性器件的输入端同时作用着两个干扰信号，输入信号可表示为 毅 ) = a i c o s o ) t + a z c o s 国2 t 碳j ? 论文 数。 中频接收机横拟前端的i 5 汁 则输出为： y ( f ) = 口o + 口i ( 爿1 c o s 如、f + a2 c o s 珊2 1 ) 十 甜2 ( a t c o s o j l t + a 2 c o s 瑚2 ，) 2 + d 3 ( a l c o s o j l t + a 2 c o s 2 t ) 3 + ( 2 4 3 ) 蓑a | = _ 2 = 蠢，爨： y ( f ) = d 。+ c a 一+ 昙d 。 2 ，4 1 。s 国i ，+ c 口，+ 三口，爿2 ，爿c 。s n t ，。， + a 3 a 3 c o s ( 2 国；一国：+ 三冬蠢3 e 。s ( 2 绝一出；弦十 ”“ 输出信号幽q 釉( - 0 2 的众多缀合频率分麓构成，上式主要列出了于撬信号的 基额分耋稻三除互调分量。警鳓帮缝校靠逡有震信号辩，其中鑫毒一个三除互调 分嫩将很容易落在有用信号的频带内，这种落在有用信号频带内的寄生分量使系 统输出产生严重的失真，称之为互调失真，其中三阶互调分量( 通常用i m 3 表 示) ，雩l 起戆失囊簸严重，稳为三验互璃炎囊。魏銎2 ，3 掰示。 叠 q t 肯抖 情0 微带 2 。4 3 1 三阶互调截点 2 q 一吐q屿 2 q q 有h 竹”颧一船 图2 ，3 三除甄调失赛 三除互谲截点蹩描述线後系统孛器 串l 线性特缝三除互调失凑懿重要 性能指标。通常将有用信号功率的延长线与三阶互调失真功率的延长线的交点称 为三阶互调截点。如图2 4 所冰，i i p 3 表示输入三阶互调裁点、o i p 3 擞示输出三 黔互溺裁点。 一1 2 坝1 论文 数。t 中频接收机模拟前端的啦计 图2 4 三阶互调截点 式( 2 4 4 ) 中，当d ，9 a 对于三阶互调截点有p3a 2 。 4 川一”，= 扣f a l l p 3 2 阚 ( 2 ，4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 以下计算方法通常在实际应用中用来快速计算非线性系统的三阶互调截点， 设：产生三阶互调失真的干扰信号为a i 。c o s ( ) i t 和a i 。c o s c o2 t ，输入功率为只如 图2 5 所示。 0 i p 3 p 。t p ，m3 p ，。i i p 3 圈2 5 三阶互调截点的计算 坝i j 沦义 数，中频接收机模拟前端的碰汁 由式( 2 4 6 ) 可得 i i p 3 即为 a ”“ a 1 i p 3 a i m ) a2 ” ! l 生l 上 3 蚓a 2 。 2 0 l g 爿 3 = ( 2 0 1 9 a o , - 2 0 l g a , u 3 ) + 2 0 i g 爿，。 22 0 1 9 a 胁 p d w 。2 0 i g a o 删 p i 3 = 2 0 l g a l u3 所以 肝3 = 去( 一3 ) + 只， o i p 3 = g4 - l i p 3 式中g 为基频分量的增益，单位为d b 。 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) ( 2 4 1 0 ) ( 2 4 1 1 ) ( 2 4 1 2 ) ( 2 4 1 3 ) ( 2 4 1 4 ) ( 2 4 15 ) 实践表明，肿3 大体上比p w n 高( 1 0 15 ) d b m ，实际应用中有时也根掘 p 卜d | 确定l i p 3 。 2 , 4 3 2 级联三阶互调截点 当系统由多个非线性模块级联而成如图2 6 所示。，系统总的互调干扰可通 过诺顿( n o r t o n ) 等式进行计算。即： 互卜匹 一 图2 6 三阶互调截点的级联 弑i 一1 0 1 9 1 = ：一 l + 二芋 j 其中，为级联输出三阶互调截点 ( 2 4 1 6 ) 1 4 业渺 生 娥l j 论殳 数j 7 中频接收机模拟蔚端的j 5 汁 ，为第二级输出三阶互调截点 g ，为第二级的功率增菇 3 ，。为第一级输出三阶互调截点 注：中括号外的量单位为d b m ，中括号内的量不取d b 。 诺顿等式适熠予一级一级缀联的场合，先从第一级的输入开始，计算和第二 缀缀联静互莺鼍截点，瑟簿受壤褥 乍为笺一级，下一缀爵俘为第二缀，一_ 蠹算下去， 直剐算出整个系统的三阶互调截点。 2 。5 动态范围 接收机的动态范围是用分贝表示的输入端的电平变化范围，指从能辨别的最 小信号到使接收机产生失真的最大信号间的范围。通常指无寄生动念范围 ( s f d r ) 。 s f d r 的上限是指带内双音信号的三阶互调分量电平达到噪声沌平时输入 信号的值。定义为： s f d r = 乓。一( b + s n r 。) ( 2 5 1 ) 只。为带内救音信号的最大输入功率 & 为竣入臻声功率 s n r 。为最小信噪比( 遮慝为o d b ) s f d r 与l i p 3 翡关系可经避戳下摆导褥掇。由s f d r 戆定义缮： 国式( 2 ，4 + 1 3 ) 霹霉： 则 p 1 一g = p f w m = p n i | 黔：毕+ t ， ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) 肿，= 等+ ( 2 ) 坝l j 论文数。中频接收机模拟前端的设计 由式( 2 5 1 ) 得 p ：p u + - 2 1 i p 3 j ( 2 5 5 ) s f d r ：2 ( i i p 3 _ _ - p n ) 一s n r 。 ( 2 5 6 ) 2 6 单位比特能量对噪声谱密度比 单位比特能量对噪声谱密度比用e b n 。表示。 调制信号的平均输入功率定义为： s ，= e h t 其中 e 为比特持续时问内的能量，单位为w s r 为比特持续时间，单位为s l i t 为用户数据比特率，用r 。表示，单位h z 则输入调制信号平均功率与用户数据速率的关系为 n 。表示1 比特持续时间内的噪声功率，定义为： n o = k t f 在射频频带内，处理增益g 。可以定义为 g p = b a f r h 其中 b 。等于扩频系统的码片速率 由式( 2 1 2 ) 得输出信噪比： ( 2 6 1 ) ( 2 6 2 ) ( 2 6 3 ) ( 2 6 4 ) 6 坝l j 论文 数j 7 中频接收帆模拟前端的砹汁 s 。n 。= ( s ，g ) ( n ，g f ) = s ，( n ，f ) = ( e 6 r m ) ( k t b r f f ) = ( e 。k z f ) ( r b ) 由式( 2 6 3 ) 、( 2 6 4 ) 得输出信噪比： s 。n 。= ( 乓n o ) ( 1 g ，。) 注意：对于没有扩频的系统码片速率等于用户数据比特率 于输出信噪比。 灵敏度方程由式( 2 2 2 ) 、( 2 6 6 ) 又可以表示为： s = k t b + n f + 毛o g r 在扩频系统中使用非常方便。 2 7 接收机系统几种主要结构 ( 2 6 5 ) ( 2 6 6 ) e 。n 。在数值上等 ( 2 6 7 ) 2 7 1 几种常见结构的对比 ( 1 ) 超外差接收机，其结构框图如图2 7 所示。射频信号经过天线接收后， 通过射频带通滤波器滤除杂波后，经低噪声放大器放大后，通过镜像抑制器到混 频器与本振信号混频后转换为中频信号，再经过带通滤波器后，经自动增益控制 器后，再进行f 交解调为i o 两路基带信号后，经过基带低通滤波器后再进行 a d 转换。超外差接收机的优点在于：结构简单，将高频信号转化到基带处理， 降低了系统对器件的要求，避免了高频器件在增益，精度，稳定性方面的问题， 但是由于引入了镜像干扰，使接收机性能受到镜频抑制与信道选择的矛盾的限 制，但依靠考虑周到的中频频率选择和高品质的射频( 镜像抑制) 和中频( 信道 选择) 滤波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和 动态范围。 颂l j 论文数。中频接收机蠛搬前端的；5 计 霭2 7 傣绩楚井麓褛牧挺 超外差接收机是最常用的接收机拓扑缁构，由于每一绂滤波都需瑟在芯片外 实现，著采用分立瓣零透滤波器，因j 逝主要问题是不熊满足更高的集成发要求。 ( 2 ) 蠹菠变额接暖辊又秘零中鬃接收钒，萁结构黧魏匿2 8 掰示。俸为超 外麓接收机的豁代方案，零中频接收机可以实现极高的攥成度。零中频接收机对 通往基带的信号进行了直接、派交的下变频转换。期望傣号将自身作为镜像信号， 因此可鞋实凌充分藤镶像蔷孽簿裁；嚣管僖号捧馥熬雨交精度毒袋。在理途主， 零中频接收枫中根本不需要分立的高频带滋滤波器，可以实现完全熊成的接收 器，弓中频接收机相比，零中频接收机的缺点在于对寄生基带信号非常敏感，如 d c 缡穆电压以放出惹颓葶疆l o 塞滠频产生的率挠分量。 、 # f 溜2 8 壹搂变灏接莰桩 继而出现了低中频接收机结构，对以上结构进行了拼中，将天线频举直接下 变频为较惩豹中频，辩在a 予赫兹豹羲率蕊溺疼。下交犊采臻聂交方式，瑟镜豫 坝i 。论义 数，中频接收机模拟前端的砹计 信号抑制通常在下变频之后，在d s p 中以较低的频率完成。因此，低中频与零 中频接收机紧密相关，低中频可完全集成并采用单级直接下变频，不需要高频镜 像信号抑制滤波器。但低中频的缺点在于镜像信号完全不同于低中频接收机拓扑 结构中的期望信号。 ( 3 ) 数字中频接收机，其结构图如图2 9 所示。这种结构是- - j f e e 采用宽带 a d 器件、高速d s p 芯片，基于软件无线电思想的中频数字化接收机结构。 幽2 9 数字中频接收机 其基本思想就是将宽带a d 尽可能地靠近射频天线以便将接收到的模拟信 号尽可能早地数字化，尽量通过软件来实现接收机的各种功能。由于目前工艺水 平和技术的限制，软件无线电结构可实现在中频进行a i d 变换，是一种基于带 通采样定理的宽带中频带通采样数字化结构。接收机采用这种架构易于集成。 2 7 2 带通采样定理 数字中频接收机就是在射频接收信号变频到可处理的中频后，在此中频上进 行数字化，再用现代信号处理技术来实现信号的解调、提取和处理。按照奈奎斯 特低通采样定理要求，中频采样频率必须高于中频最高频率的两倍刁能保证信 号不失真的恢复这对数字化器件要求太高，使得中频数字接收机难以实现。实 际上，利用带通采样定理，选择合适的中频采样速率( 即a i d 的采样频率) ，即可 以保证采样后能f 确地恢复信号。 带通采样定理”1 ：对中心频率为 ，带宽为b 的带限信号，上、下截止频率 分别为 = f o + b 2 和 = f o b 2 时，不失真的重建信号的充要条件是采样 频率f 满足： f ；型2 盟 ( 2 7 1 ) 2 n + l 或表示为： 1 9 蛳f ”论业 数。，中额接收帆模拟前端的砹汁 ，一! 生 “ 2 + 1 式中扮取戆潢是五2 b 豹委熬数。 采样前后信号的频谱如图2 1 0 所示。 f l 吒 f h ( 2 ，7 2 ) 燃2 1 9 带通袋榉定理 带通采样定理表明，对带邋信号雨言，可按远低予2 倍信号最高频率的采样 频率束进行欠采样( 采样率小于奈奎斯特率) ，采样频率可大大降低，中频数字接 收桃也易实现。实际上，若将低遭信号看成频谱分布下器为零豹带墁信号，则带 透采释定理包含了低逶采祥寇理。 毫无例外，射频信号传输的均是带限信号，任何接收机的中频信号也还是带 限信号，接收机数字化在愈来愈高的中频上进行，故高数字中频接收机、通信接 毅搬、导藏定位接| | 殳秘、雷达袋狡或、亳予袋察接霾壤等郄是运矮萤逶慕释定理。 2 ，8 接收机设计步骤 2 , 8 ，l 羧夫逶遘豹嚣始数器 接收机放大通道的原始数据一部分由技术任务书中规定：另一部分在整个接 收机的内部设计过程中确定”。 霉要考虑懿激素龟摇： ( 1 ) 条件，指输入信号的参数、干扰由勺特性、等效天线的特性、通道的负 载电阻等。 ( 2 ) 限制，指系统镌频率援应、输出僖号鳃参数