（电路与系统专业论文）drm接收机混频器设计.pdf

摘要 摘要 近年来，传统的模拟调幅广播由于自身存在着传输质量差、业务单一和易被干扰等 固有缺陷，加之数字电视、数字卫星广播、多媒体广播及因特嘲等新型传输手段的出现， 面i | 缶着越来越严峻的挑战，其处境日益艰难。相比模拟调幅广播，数字调幅广播具有许 多优点，数字广播技术的迅速发展，为提高中短波广播质量提供了一种全新的途径。 d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 标准是针对1 2 0 m h z 以下频段广播数字化的最为成 熟、并得到最广泛支持的国际性标准。研究设计具有自主知识产权的适用于d r m 标准 乃至兼容d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 频段信息的接收机前端是本次课题所在项 目组的主要任务。 本论文的课题是设计用于d r a m 接收机的第一中频和第二中频的两个混频器。论文 首先介绍无线接收机的系统结构和原理，提出一种比较符合d r a m 标准的改进型低中频 结构，并完成系统指标和各级电路模块的性能估算。然后，本文按照系统对混频器的要 求，对混频器的结构、增益、线性度和噪声等进行分析和优化，并采用t s m co 1 8 1 _ l m c m o s 工艺完成混频器电路和版图的设计，给出详细的仿真和后仿真结果。仿真结果表 明，所设计的超宽带、低功耗、高线性度的有源双平衡混频器和高线性度的无源双平衡 混频器达到d r m 接收机的设计要求。 【关键词】 数字音频广播，d r m 接收机，低中频结构，混频器，c m o s 工艺 a b s t r a c t t r a d i t i o n a la n a l o ga m b r o a d c a s t i n gh a ss o m ei n h e r e n td e f e c t s ，s u c ha sl o wi r a n s m i s s i o n q u a l i t y , s i n g l eb u s i n e s s s u s c e p t i b l et oi n t e r f e r e n c e s r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e w w a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s ，s u c ha st h ed i g i t a lt v , t h ed i g i t a ls a t e l l i t eb r o a d c a s t i n g , m u l t i - m e d i a b r o a d c a s t i n ga n di n t e r n e ta i c a n a l o ga mb r o a d c a s t i n gf a c e sm o r ea n dm o r es e v e r ec h a l l e n g e c o m p a r e dt oa n a l o ga mb r o a d c a s t i n g , d i 百t a la mb r o a d c a s t i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ，a n d p r o v i d e san e ww a y t oi m p r o v em w 9s wr a d i oq u a l i t y t h ed r a m ( d i g i t a lr a d i om a n d i a l e ) s t a n d a r di st h em o s tm a t u r ea n dw i d e l ys n p p o r t e d s t a n d a r df o rd i g i t a lb r o a d c a s t i n gb e l o w1 2 0 m h z t h ei n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e s i g no f t h e r e c e i v e rf t o n t - e n dw h i c hi sc o m p a t i b l e 诵t hd r ms t a n d a r da n dd a bb a n di st h em a i nt a s k s o f o u r p r o j tt e a m i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g nc o n s i d e r a t i o n sa n dr e a l i z a t i o n so ft h ef i r s ti fa n dt h es e c o n di f m i x e r , a p p l i e dt ot h ed r mr e c e i v e r , a r ed i s c u s s e d t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h et h e o r yo f w i r e l e s sr e c e i v e ra r ed e s c r i b e df i r s t l y t h e na ni m p r o v e dl o w i fs u - u c t u r ef o rd r ms t a n d a r d i si n t r o d u c e d , a n dt h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n dc i r c u i tp e r f o r m a n c 髓a r ee s t i m a t e d a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so ft h es y s t e ma n dm i x e rr e q u i r e m e n t s ，t h em i x e r ss t r u c t u r e ，c o n v e r s i o ng a i n , n o i s ef i g u r ea n dl i n e a r i t yp e r f o r m a n c e sa r ea n a l y s e da n do p t i m i z e d u s i n gt h es t a n d a r d o 1 8 - t t mc m o st e c h n o l o g yo f t s m c t h ec i r c u i td e s i g n , l a y o u td e s i g n , s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d t e s ts o l u t i o n sa r ec a r r i e do u t t h es i m u l a t i o nr e m i t ss h o wt h a tt h et w oi n i x e r sm a t c ht h e d e s i g nt a r g e t k e y w o r d s d a b ，d r mr e c e i v e r , l o w i fa r c h i t e c t u r e ，m i x e r , c m o s 一 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：日期：丝兰! ! ! 竺 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。 研究生签名牡导师签名：净日期 第一章引言 1 1 应用背景 第一章引言 调幅( a m ) 广播诞生于2 0 世纪2 0 年代，现已成为人们生活不可或缺的一部分然而，传统的模 拟调幅广播存在着传输质量差、业务单一和易被干扰等同有缺陷。加之数字电视、数字卫星广播、 多媒体广播及因特同等新型信息传播手段的出现，模拟调幅广播面临着越来越严峻的挑战，处境日 益艰难。 由于3 0 m h z 以下频段的电波其特有的有利传播特性，在该频段内的调幅广插可以非常简单经 济而又高效地实现远距离和大范围的覆盖，既适合于固定和便携接收，也适合于高速移动接收( 理论 上可允许时速1 0 0 0 k m ) ，是实现地区性、全国性及国际性广播覆盖的最佳手段之一该频段下的接 收特性是其它传媒方式所不可相比的，同时3 0 m h z 以下的调幅广播频段是一段宝贵的频率资源。应 该得到有效利用 因此，寻找调幅广播的出路以适应时代的需求已经迫在眉睫。为此，从加世纪9 0 年代初期人 们就开始研究用数字广播代替模拟广播这一重大课题。研究发现，数字调幅广播相比模拟调幅广播 具有以下优点： 1 1 显著地改善调幅频段信号传送的总体可靠性和音质； 2 1 大幅度降低a m 广播的发射功率需求量，从而节约广播运行费用，降低电磁污染； 3 ) 支持单频网( s f n s i n g l ef r e q u e n c y n e t w o r k ) ，频谱利用率高： 钔能够提供附加业务和数据传输； 5 1 接收机的操作更加简便。 可见，数字技术的迅速发展，为提高中短波广播质量提供了一种全新的途径。调幅广播数字化 是克服模拟a m 广播致命弱点的最佳选择，调幅广播数字化也是科技发展的必然趋势。 模拟调幅广播数字化是技术发展的必然，而d r m ( d i g i t a tr a d i om o n d i a l e ) 标准i 二是针对3 0 m h z 以下频段广播数字化的最为成熟的、并得到最为广泛支持的标准。2 0 0 5 年3 月。d r m 组织还将d r m 扩展到3 0 - 1 2 0 m h z 的频率范围，以包括现有f m 波段在内【4 j 。 但是数字广播的推广目前遇到了瓶颈。d r m 可以利用现有的现代发射机，稍加改造即可适应 d r m 广播，然而必须采用全新的d r m 接收机才能接收d r m 广播。一项新技术能否在全球推广， 技术本身的先进性与可行性虽是前提，却远非决定因素，市场条件和消费者f 挎接受程度十分关键。 调幅广播数字化不应重复实施d a b 时的错误，从一开始就应向市场提供足够的价格合适的接收机， 以确保听众数量的快速增加。如果市场实施这个最后的障碍口j 题得到解决，数字调幅广播的时代就 到来了。由此可知，不管从技术还是市场方面来看，制约数字调幅广播发展的瓶颈不在于标准的完 善也不在于发射系统改造的技术储备或经费，而在于接收机的性能与价格。所以，物美价廉的接 收机是调幅广播数字化在全球普及的一个决定性因素。 1 2 本次课题研究的意义 目前国内外尚未出现d r m 接收机射频前端专用芯片，市场上所出现的d r m 收音机射频前端电 路中常用调谐器芯片均是基于原有模拟调幅广+ 播接收机电路中的芯片。这些芯片外用电路复杂、电 东南大学硕士学位论文 源电压高、功耗大、价格高，不适合与基带处理芯片进行单片集成，更不合适d r m 接收机的大规 模推广 d r m 接收机”1 射频前端芯片曰以广泛应用于台式收音机、车载收音机、p d a 、手机等等， 还能够与p c 机相连，将所接受到的数据内容通过显示器显示目前，国内外设计的所谓d r m 原型 机或一体机中，射频前端中常用的调谐器芯片有s t 公司的t d a 7 5 1 2 、t d a 7 5 1 5 及p h i l i p s 公司的 t e f 6 7 0 1 、t e f 6 7 2 1 、t e f 6 7 3 0 等，或采用一些应用于数字电视的调谐器来实现d r m 的部分功能如 r a d i o s c a v e 公司的r s 5 0 0 中的射频前端模块。这些芯片均是原来用于接收模拟广播信号时推出的产 品，并不是根据d r m 标准定制出来的大多采用b i c m o s 工艺制造，其外围电路复杂、电源电压 高、功耗大、价格高也不适合在未来与基带处理芯片进行单片集成，不适合未来d r m 的大规模 推广国外适用于接收d r m 信号的专用射频前端电路芯片尚处在研发阶段，技术方案尚不成熟， 暂时无法实行产业化。 对于中国这样地域辽阔、拥有大量调幅广播电台的发展中国家来说，数字广播产业有广泛的市 场前景。如果直接采用欧美技术实现调幅广播数字化，将面临需要巨大的改造资金和技术投入的困 难。同时由于调幅广播数字化采用全世界统一的标准，拥有全球需求市场。因此，掌握并研发拥有 自主知识产权的d r m 关键技术，对于推动我国及至世界调幅广播数字化改造工作，带动产业升级， 创造广播事业新的发展空间以及对民族工业的发展和保护国内广播通信安全都具有重要的意义。 1 3 数字广播标准简介 数字广播标准可以统称为d a b ( d i g i t a l a u d i o b a d s d 雌) 口，它是继a m 、f m 传统模拟广 播之后的第三代广播数字信号广播，它的出现是广播技术的一场革命。数字广播具有抗噪声、 抗干扰、抗电波传播衰落、适合高速移动接收等等优点。 目前世界上d a b 系统之发展大致可分为：( 1 ) 欧规e t u e k a - 1 4 7 系统；( 2 ) 美国带内同频技术 ( b l o c ：i n - b a n d o n - c h a n n e l ) 系统：( 3 ) 法国d r m 系统。还有部分国家白行发展的d a b 系统， 而我国目前主要研究测试e u r e k a - 1 4 7 系统和d r m 系统。各种标准的简单介绍如下所述。 1 3 1 欧规e u r e k a - 1 4 7 这是由欧洲共同体研究的宽带数字声音广播系统，属于尤里卡计划的一个项目( e u r e k a - 1 4 7 ) 。 该系统所占带宽为1 5 m h 2 ，利用同一载波传送多套节目，音频编码采用m p e g 1l a y e r i i ，每路音 频信号的码率可以有多种选择，目前在系统中采用的主要是1 9 k b i t 立体声，广播的声音质量可达到 c d 音质；信道编码采用可删除卷积编码以实现对重要性不同的数据使用不同的保护级别；采用 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制和频率、时间交织、可保证在移动、便携和 固定条件下的接收质量；其数据结构的设计使系统既可传送音频也可传送高速率数据；可利用同一 载波频率组成广播网，即单频网，从而大大节省频率资源。 e u r e k a - 1 4 7 d a b 系统已经在多个国家进行了长时间的现场试验，除欧洲共同体外，加拿大、澳 大利亚等国家和亚洲的一些国家也在进行试验，而且，德国、法国、英国和加拿大已经进入试播阶 段，我国也已在广东和北京建立实验网。 - 2 第一章引言 1 3 2d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 系统 d r m 系统在2 0 0 1 年1 0 月被欧洲电信标准协会( e t s i , t h e e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i t u t e ) 标准化，并在2 0 0 2 年3 月经国际电工委员会( c ) 通过d r m 系统规范正式生效，为 a m 波段广播的数字化铺平了道路。国际上不少广播机构的部分发射台已经从2 0 0 3 年6 月1 6 日日 内瓦召开i t u 0 n t e r u a t i o n a l t e l e c o m n a m i c a f i o n u n i o n ) 世界无线电通信大会开始，正式以d r m 数字方 式运行，这标志着3 0 m h z 以下的广播新时代的开始i 】。 d r m 系统是经过严格的开路试验的、技术成熟的系统，是世界上唯一的非专利性数字系统，用 于短波、中波和长波。它可以使用已有的频率和带宽，是对模拟a m 广播的重大改善。d r m 系统充 分考虑到了与i t u 现有的边界条件相一致以及与现有的模拟业务相兼容，并保证了由模拟广播向数 字广播的平滑过渡。 在音频压缩方面，d r m 使用先进音频编码( m p e g 4a a c ) 方法，并将其与c o d i n gt e c h l l o l o g i 公司已开发的s b r ( s p e c t r a lb a n dr 印c 叫i o n 一频带恢复) 技术相结合，构成目前世界上压缩能 力最强的压缩方法1 1 0 j 在信道编码方面，在d r m 中使用的方法与d a b 完全相同，即使用约束长度为7 的可删除型卷 积编码，对传输的数据流实施等差错保护或不等差错保护 对于d r m 来说另一个要求是所谓的多径传播特别是在长、中、短波出现这种效应，会导致 接收机接收来自不同方向、有时间延时的相同的无线电波，例如由于电离层的反射。为了使出现的 延时在多至很多个毫秒的情况下不会带来影响，使用了编码正交频分复用( c o f d m ) 传输方法。这 里，编码的信号考虑了差错修正，并将其分配在许许多多个被调制的载波上来发射采用这种复杂 的方法简而言之，可以使通常的干扰噪声和信号衰落( 称为信道衰落) 不再出现此外，c o f d m 允 许同步网( 单频网) 运行。这样，一套节目使用相同的颁率，它们来自不同的发射台。可以得到很 大的覆盖区域而迄今为止的模拟同步，“播在交叠区始终有干扰 关于d r m 多载波系统每一载波的调制方法，主要是使用6 4 q a m ，为使抗干扰能力强一些，也 可以使用1 6 q a m ，甚至有些信息使用4 q a m q p s k ，但传输的音质要稍差一些 图1 1 给出了1 m s 3 2 0 d 鼬d 3 系列d r m ，d b 方案结构图它是d r m 成员t e x a s i n s t z u m e n t s i n c o r p o r a t e d ( t 1 ) 公司和r a d i o s c a p e 公司合作开发的用于装备价格便宜的d r m 接收机的成果。1 1 公 司提供必要的基于d s p 的硬件，而r a d i o s c a p e 公司为软件接收机技术做好了准备，这样就可以生产 能够接收d r m 、d a b 、模拟f m 和长、中、短波a m 广播的价格更便宜的接收机“w 。 图1 1t m s 3 2 0 d r m 3 x x 系列d r m d a b 方案结构图 一3 - 东南大学硕士学位论文 1 3 3 美国带内同频技术( i b o c ：i n - b a n do n - c h a n n e l ) i b o c 是由美国研究的“带内同频”数字声音广播系统。它利用目前使用的调幅或调频广播电台， 将数字信号放在与模拟信号相同的频带内或相邻的频带内，实现中波a m 和超短波f m 的数字化， 一个载波频率只传送一套节目。这种广播系统的最大特点是，不改变原来广播电台的工作频率和广 播业务，不需要新的频谱分配，模拟和数字可以同时广播若干年，容易实现模拟到数字的转变。这 对美国这样的非国营电台很多且每个电台仅覆盖本地的国家是非常重要的。由于采用数字化，这种 数字式声音广播系统的音质比目前使用的调幅、调频广播的声音质量有明显的改善。目前有三种方 案在进行试验，两种方案的音频编码采用m p e g a a c ，另夕卜一种采用l u c e n t 自行研究的e p a c ：传 输技术采用o f d m 。 m o c 系统采用基于开放系统互联参考模型1 5 0o s l 标准的分层模式，i b o c 系统的协议层实际 上共分为5 层分别为：物理层，数据链路层、传输层、编码层和应用层，它与开放系统互联参考模 型 s o0 s i 标准的对应关系如表1 1 所示 表1 1i b o c 系统的协议层 i s 0 0 s l m o d e_m o cp r o t o c o l 应用层( a p p l i 6 衄l a y e r ) 应用层( a p p c 撕o n ) 表示层口m 哟l 油l a y e r ) _ 编码层但n c o d i n g ) 会议层f s e 硒i 叩l a y s ) - n o t u s e d 传输层( t r a m r tl a y e r ) o 传输层( t m s p o n ) 网络层( n e t w o r kl a y e r ) - n o t u s e d 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) _ 数据链路层( s e r v i c em u x ) 物理层口h y s i c a ll a y e r ) - 物理层( p h y s i c a d 1 4 本论文的主要工作 本文的主要任务是根据d r m 标准提出的性能指标要求，设计用于d r m 接收机的第一中频、第 二中频混频器其中第一中频混频器为超宽带低功耗有源双平衡混频器，第二中频混频器为高线性 度的低功耗无源双平衡混频器。本论文将按照如下结构组织： 首先第一章介绍d r m 数字广播的应用和发展 第二章介绍目前无线接收机常用的系统结构，分析各种结构的特点，结合d r m 接收机的具体 应用提出一种改进型低中频接收机系统结构，并根据标准推导出接收机系统指标要求和各级电路指 标估算。 第三章介绍混频器的基本原理和性能参数，详细分析各种混频器常用结构的优缺点，为后续混 频器具体电路设计提供理论支持。 第四章介绍了用于d r m 接收机第一次混频的超宽带低功耗有源双平衡混频器的详细的分析与 设计过程，包括结构的选取，增益、线性度、噪卢的分析与优化，偏置电路的设计，最后给出了各 项性能的仿真结果。 第五章主要介绍了用于d r m 接收机第二次混频的高线性度无源双平衡混频器的设计，并给出 了各项指标的仿真结果。 第六章介绍了混频器的版图实现，并提取寄生参数进行后仿真验证。在版图设计时已经考虑到 可能流片后的芯片测试口j 题，第七章给出了可能的测试方案。 一4 第二章d r m 接收机系统结构设计与电路指标估算 第二章d r m 接收机系统结构设计与电路指标估算 移动通信的迅速发展对无线接收机提出了越来越高的要求，如低电压、低功耗、低价格、高集 成度和高可靠性等。促使人们不断地从系统结构、电路技术和工艺三方面对射频前端做出改进。其 中，接收机系统结构的改进往往导致革命性的发展。 接收机结构发展的动力之一就在于解决镜像干扰问题。按所采用镜像抑制技术的不同，接收机 结构大致可分为三类口0 j ：第一类，将设得尽量的高，并采用高q 值镜像抑制滤波器来抑制镜像， 采用这种方法的有外差或超外差式结构( s u p e r - h e t e r o d y n e ) ；第二类将设为零，这时镜像干扰即 信号自身，镜像抑制要求较低。采用该方法的有零中频结构( z e r o - i f ) 或者称为直接变频结构( d i r e c t c o n v e r s i o n ) ；第三类，采用复混频的方法将有用信号与镜像信号分别混频到频率轴上关于零点对称 的左右两边，一个为正频率，一个为负频率，然后利用对正负频率分量有不同传输函数特性的多相 滤波器来抑制镜像干扰，采用这种方法有低中频( l o w - i f ) 结构；另外，还有采用镜像抑制混频器， 通过信号抵消的方法来解决镜像抑制问题，h a r t l e y 和w v m 结构均采用此方法 本章首先介绍衡量射频电路设计的一些基本概念，然后详细比较分析了各种接收机的系统结构 的优缺点，最后给出了本人参与协助设计的d r m 接收机前端的系统结构与各级电路性能估算。 2 1 射频设计的基本概念 为了描述射频电路的性能，需要引入一些基本概念雌1 ”本节就主要介绍这些基本概念，包括 灵敏度和噪声、线性度和动态范围，以及噪声和线性度的系统级联关系。 2 1 1 灵敏度和噪声系数 射频无线接收机系统接收到的信号质量是很差的，常常需要检测微弱的信号灵敏度就是用来 衡量接收机系统检测微弱信号的能力的，其定义为系统解调输出达到最低信噪比( s i g n a l n o i s c r a h o ，s n r ) 时射频无线接收机系统能够检测的最小信号功率p 孟，通常以血m 来表示。1 r o w 的功 率相当于o d b m ，故 p ( d b m ) = 1 0 1 0 9p 等 ( 2 1 ) 无线接收机系统的灵敏度是由组成接收机系统的各种电子元件产生的噪声所决定的，因此系统 的灵敏度取决于接收机前端的噪卢系数。 噪声最广泛的定义为“期望信号以外的所有信号”。因此，为了获得系统的最佳性能，我们必 须降低外部噪卢的影响，并且使系统内部产生的噪卢最小。 热噪声功率可用下式表示： 只= k t b ( 2 2 ) 其中，只表示噪声功率；x 为波尔兹曼常数( 1 3 7 4 x 1 0 一”j k ) ；t 为电阻物理温度；口为噪 声带宽。 对于t = 2 9 0 k ，噪声功率为4 x 1 0 _ 1 。w 或者为1 7 4 d b m ( b = l h z ) 。如果噪声系数和带宽已知， 最低噪声可用下面方程表示： 5 东南大学硕士学位论文 n o i s ef l o o r = - 1 7 4 d b m + n f + l o l o g b ( 2 3 ) 其中n f ( n o i s ef i g u r e ) 为噪声系数，是噪声因子( n o i s ef a c t o r , ，) 的对数值。b 为噪声带宽。 噪声因子f 的定义为： f ：丝些 - 其中- h 表示信源的噪声功率。表示网络所贡献的折合到信源端的噪声功率。 n f ( n o i s e f i g u 化) = 1 0 1 0 9 f ( d b ) ( 2 5 ) 也可以用输入信噪比( i n p u ts n r ) 与输出信噪比( o u t p u ts n r ) 来定义噪声系数： n f = 1 0 地【授 g 回 理想无噪声网络的噪声系数为0 d b ，实际的有噪声网络其噪声系数恒为正且大于o d b ，而对于 有损耗的无源网络噪声系数就是它的插入损耗。 对于一个无线接收机系统来说，如果在保证服务质量的条件下可以接受的最小信噪比为岛傻l 面i ， 则接收机系统的灵敏度可表示为： 只自= 一1 7 4 d b m h z + n f + i o l o g b + $ n i k ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，踟0 。为系统解调输出要求的最低信噪比，为接收机可以检测到的最低信号功率 式( 2 7 ) 的前三项等于式( 2 3 ) ，又称为系统的基底噪卢( n o i s ef l o o r ) 。因此，要获得较高的灵敏度， 就要降低接收机的噪声系数， 当绝对温度为t = 2 9 0 k 时，k t 一1 7 4 d b m h z ，则由式( 2 7 ) 可知： n f = 只j m 一( 一1 7 4 d b m h z ) 一1 0 1 0 9 b s 自 ( 2 8 ) 当知道了接收帆系统可以接受的最小输入信号功率莆i 最小信噪比时，载可以采用上式计算系统 的噪声系数要求。 2 1 2 线性度和动态范围 衡量射频电路性能的另一个很重要的参数是线性度。它表述了射频电路由于非线性而引入的失 真程度，其值决定了射频电路能够承受的域大输入信号功率。在工程应用中，一般用1 - d b 压缩点p m 、 二阶互调点h p 2 和三阶互调点l i p 3 来描述射频电路的线性度。下面我们来推导线性度参数与系统参数 之间的关系。 对于一个非线性系统，如果输入而( f ) 和而( t ) ，则输出与输入可以表示为 y ( t ) = o t j x ( t ) + o e ：2 x 2 ( f ) + 吗，( f ) + ( 2 1 0 ) 大多数的模拟和射频电路在输入为小信号时，因为高阶项可以忽略，因此可以用线性模型来近 似表示，当输入信号增人时，高阶项的作用开始变得明显，模拟和射频电路开始表现出1 f 线性特性。 谐波 当一个非线性系统的输入为一个正弦波时，输出的频率分量将是输入频率分量的整数倍。 在式( 2 1 0 ) 中，如果x ( t 1 = a c o s “则 6 第二章d r m 接收机系统结构设计与电路指标估算 r ( t 1 _ o c , a c o s 研+ 彳2c o s 2 “+ 砺s 3 c o t ：璺! 笙+ ( t r 三旦遂1 c o s 甜+ 旦垒笙里垒尘c o s 3 甜gjl)od+ c o s 2 a 】t + 24j 2 4 其中，与输入频率相同的称为基波，高阶项则被称为谐波。 从式( 2 1 0 ) 中我们可以看出。偶数阶谐波分量来自吗，为偶数，当系统为奇对称，如全差分 结构，那么此系统的输出将不含偶数阶谐波分量，而实际上。失配破坏了对称性，从而系统输出含 有偶数阶谐波分量； 次谐波的幅度与成正比。 增益压缩 电路的小信号增益通常是忽略谐波分量以后得到的。如在式( 2 1 0 ) 中，如果口4 显著大于其 它项，则该电路的小信号增益近似等于国 然而，当输入信号幅度逐渐增大时，电路的增益将发生变化。绝大多数电路的输出对输入都是 “压缩”和“饱和”的，在足够高的输入功率条件下，增益将会接近零例如在式( 2 1 1 ) 中，当a 3 0 时，增益将是一的递减函数。 在射频电路中，这一现象用1 - d b 压缩点( p l ) 来衡量。如图2 1 所示，它定义为使得电路增 益与小信号增益相比下降l d b 时的输入信号电平 可得 图2 11 - d b 增益压缩点示意图 对于式( 2 i l ) ，当电路增益下降l d b 时， 2 s 卜；耸d b i = 2 0 l o g q h 4 m = ( 2 1 2 ) 佗1 3 ) 大信号阻塞 当电路的输入信号为一个微弱的有用信号和一个强的干扰信号时，由于强的干扰信号会降低电 路的增益，那么，对于有用信号而言，电路增益的降低会使得灵敏度下降( d e s e n s i t i z a t i o n ) 例如， 假设输入信号为x ( t ) = 4c o s o 叩+ 4c o s o 嘎t ，则输出为 y ( r ) = ( q 4 + ；吗彳+ i 嵋4 彳) c o s q ，+ 一 ( 2 h ) 当丘 ( 互时，上式可以化简为 - 7 - 东南大学硕士学位论文 y ( r ) = ( q + ；吗彳) 4 c o s 邵+ ( 2 1 5 ) 所以，对于有用信号4 ，电路增益为q + 3 a 3 彳2 ，当吗 3 ll i p 3 2l i p 3 3 - l o - 第二章d r m 接收机系统结构设计与电路指标估算 由式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 可以看出。由于后级电路的噪声会被前级电路的增益抑制，因此接收 机的噪声系数主要由前端电路决定；而前端电路的增益越大，后级电路的输入信号功率越大，因此 整个接收机的线性度主要由后级电路决定 从以上讨论可以知道，当第一级子系统有足够高的增益时，可以提高整个系统的灵敏度：而当 最后一级子系统有足够高的增益时，可以提高整个系统的线性度，在总增益一定的情况下，灵敏度 和线性度之间存在一定的权衡。在对系统的灵敏度要求很高的应用中，可以在保证系统达到要求的 线性度的前提下，按照减少整个系统的噪声系数的原则来分配各级子系统的增益( 前面各级子系统 具有尽可能高的增益) ；在对系统的线性度要求很高的应用中，可以在保证系统达到要求的灵敏度 的前提下，按照增加整个系统的线性度的原则来分配各级子系统的增益( 后面各级子系统具有尽可 能高的增益) ；另外一种分配方法是按照晟大化整个系统的动态范围来分配各级子系统的增益，这 种增益分配方法比较复杂，实际中也较少用到。 2 2d r m 接收机系统结构设计 射频收发机由发射机和接收机组成。发射机射频部分的任务是完成基带信号对载波信号的调制， 将其变为带通信号后搬移到所需的频段上以足够的功率发射出去。由于其发射的信号是处于某一信 道内的高频大功率信号，因此应尽量减少它对相邻信道的干扰。发射机的主要指标是频谱、功率和 效率。 接收机射频部分的作用与发射机相反，它要从空问中众多信号中选出有用信号，对其放大后由 解调器解调，将射频信号变为基带信号。由于传输路径上的损耗和多径效应，接收机接收到的信号 是微弱和变化的，并伴随着许多干扰，这些干扰信号的强度往往远远大于有用信号，因此接收机的 主要指标是灵敏度、动态范围和选择性。 本节仔细分析射频接收机的三种结构：外差式结构( h e t e r o 由ea r c h i t e c t u r e ) 、直接变频结构 ( d i r e r - c o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e ) 、低中频结构( l o w - i fa r c h i t e c t u r e ) ，并结合它们的优缺点，提出 适合d r m 标准的接收机系统结构的设计方案。 2 2 1 外差式结构 外差式接收机射频部分的结构方框如图2 4 所示【1 2 1 4 1 。天线接收到的射频信号首先通过带通滤 波器( b a n d - p a s sf i l t e r ，b p f ) 将频段以外的信号滤除低噪声放大器( l o w - n o i s e a m p l i f i e r ，l n a ) 在引入较低的噪声的前提下将接收到的微弱信号进行放大。输出信号通过镜频抑制滤波器 ( i m a g e - r e j e c tf i l t e r ，i r f ) 滤除镜频干扰成分。混频器通过本振信号( l o c a lo s c i l l a t o r ，l o ) 将射 频信号变换到中频信号( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ，i f ) ，输出经中频选择器、自动增益控制放大器 ( a u t o m a t i cg a i nc o n l r o l l e r ，a g c ) 进入解调器( d e m o d u l a t o r ) ，变换成基带( b a s e - b a n d ) 信号。 c 0 6 吲 图2 4 超外差结构接收机框图 东南大学硕士学位论文 这种方案有三个方面的优点：首先中频比信号载频低很多，在中频段实现对有用信道的选择 要比在载频段选择对滤波器q 值的要求低得多。第二，接收机从天线上接收到的信号电平一般非常 微弱，如此微弱的信号要放大到解调器可以解调或a d 变换器可以工作的电平，其增益要求比较高 采用超外差式接收机方案可以将总增益分散到高频、中频和基带三个频带上。在较低的固定中频上 实现窄带高增益放大器要比在载频上实现窄带高增益放大器要容易和稳定得多。第三，在较低的固 定中频上解调或a d 变换也相对容易 外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。这是因为变频器往往并不是一个理想的乘法器， 而是一个能完成相乘功能的非线性器件。它将进入的有用信号编，和本振信号码。，以及混入的干 扰信号( 如频率为国与娼的干扰信号) 通过变频器非线性特性中的某一高次方项组合产生组合频 率，如j p 红b g 也k i 或i p 土( 嗍士栉吗) l ，若它们落在中频频带内，就会形成对有用信号的干 扰，通常就是所说的寄生通道干扰而消除这些干扰的唯一办法就是不让它进入变频器，这就需要 在变频器前面加滤波器滤除。 外差式结构的中频越高，镜频干扰与射频信号频率相隔越远( i 厶一厶，| - 2 丘) ，镜频干扰 越容易被抑制，如图2 5 所示。但提高中频频率中频选择器的q 值( q = j ：。萌。) 也相应提高， 通常高q 值的滤波器更难实现。因此选择合适的中频频率非常重要。 图2 5 中频频率高低对镜频抑制的影响 在外差接收机结构中，为了解决中频选择中碰到的“灵敏度”和“选择性”的矛盾，可以采用 二次变频的方案，如图2 6 所示。 图2 6 二次变频方案结构框图 在二次变频结构中，第一中频采用较高的中频值，以提高镜像频率抑制比( 接收机抑制镜像频 率干扰的能力) 。第二中频采用较低中频值，以提高接收机对信号的放大能力和信道选掸能力。在接 收机中放大器、变频器和滤波器之间应进行较好的阻抗匹配，以保证滤波器的滤波性能。 为了解决超外差式接收机中镜像抑制滤波器难以集成的问题，i i a n l w 和w v e r 提出了镜像抑制 接收机结构| j ”j 如图2 7 ( a ) 、( b ) 所示。这两种结构利用正交混频可以区分正频率成分和负频 率成分的特点，对有用信号和镜像信号进行不同的处理，然后通过叠加来增强有用信号并同时抑制 1 2 第二章d r m 接收机系统结构设计与电路指标估算 镜像信号。 ( a ) h a r t z c y 结构 2 2 2 直接变频结构 ( b ，w e a v c r 结构 图2 7 镜像抑制接收机结构 图2 8 所示的直接变频结构”1 中，低噪声放大器输出的射频信号直接进入混频器被变换到基带， 经自动增益控制放大器后再通过低通滤波器将干扰信号滤除。本振频率等于载频，即取中频 吐k = 0 ，则不存在镜像频率干扰。把载频直接下变频为基带的方案也称零中频( z e r o ) 方案 图2 8 直接变频结构接收机框图 l q 除了没有镜像频率干扰外，直接下变频的方案还有以下优点：接收机的射频部分只包含了低噪 声放大器和变频器，增益不高，易于满足线性动态范用的要求；而且由于没有镜频抑制滤波器，也 就不必考虑放大器和它的匹配问题；下变频器后面是基带信号，因此不必采用专用的中频滤波器来 一1 3 一 东南大学硕士学位论文 选择信道，而只须用低通滤波器来选择有用信道，并用基带放大器放大即可，而这些电路都是很容 易集成的。 但直接变频带来了下列问题m l ： 本振泄漏( l o l e a k a g e ) 零中频方案的本振频率和信号频率相同，如果变频器的本振端 口与射频端口之间的隔离性能不够好，本振信号就很容易从变频器的射频端口输出，再通过 高频放大器泄漏到天线，辐射到空问，形成对邻道的干扰。这在外差式接收机中就不容易发 生，因为外差式接收机的本振频率和信号频率相差很大，一般本振频率都落在前级滤波器的 通带以外。 直流失调( d c - o f f s e t ) 直流失调是零中频方案特有的一种干扰，它是由白混频引起的如 果由本振泄漏的本振信号又从天线回到高频放大器，进入下变频器的射频口，它和从本振口 进入的本振信号相混频，产生一个直流信号。同样，进入高频放大器的强干扰信号也会由于 变频器的各端口隔离不理想而漏入本振口，反射回来又和来自射频端口的强干扰信号混频 产生一个直流信号。这些直流偏差往往比射频前端的噪声还大，叠加在基带信号上使信噪比 变差。而且这些大的直流偏差还可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号由 于模块之间的隔离度有限信号泄漏使混频器端口出现射频信号、本振信号与自身相混频的 现象，从而产生直流分量，直接干扰基带信号，如图2 9 所示 图2 9 信号泄漏导致信号自混频 低噪声放大器偶次谐波失真干扰两个频率相近的干扰信号进入低噪声放大器，由于器件伏 安特性非线性偶次项所引起的差频信号，在直接变频方案中就可能会因为混频器的射频端口 与中频端口隔离不理想而直接进入基带信号，造成干扰。 l f 噪声有源器件内存在的l ，f 噪声随着频率的降低会显著增加，尤其是场效应管的l f f 噪 声比较大它对搬移到零中频的基带信号产生干扰，降低信噪比。 正交失配c l qm i s m a t c h ) 。混频器端的正交本振信号，其相位和幅度的失配会严重影响基 带信号的数据判决，从而增大系统误码率。高频时影响更为严重。 尽管零中频接收机存在一些不容易解决的固有缺陷，但是由于零中频接收机具有很高的集成度， 并且随着数字信号处理技术的发展，可以实现复杂的数字信号处理算法来消除直流失调和i 、o 支路 失配对接收机的影响，所以采用零中频结构来实现无线接收机引起了人们的广泛关注和尝试”j 。 2 2 3 低中频结构 从以上讨论可以看出，超外差式接收机的本地振荡信号是一个同时具有正频率成分和负频率成 分的实信号，故会受到镜像信号的干扰，而零中频接收机的本地振荡信号是一个仪具有正频率成分 的复信号。所以理想情况下不会受到镜像信号的干扰。那么是否存在一种接收机结构既不会受到镜 - 1 4 第二章d r a m 接收机系统结构设计与电路指标估算 像信号的干扰，又不会受到直流失调的影响呢? 从此思路出发，低中频接收机”1 的概念应运而生。 低中频接收机的核心思想是用一个仅具有正频率成分的复本地振荡