（通信与信息系统专业论文）超宽带通信定位系统射频电路研究.pdf

摘要 超宽带 u l t r a w i d e b a n d u w b 技术是一种具有巨大发展潜力的新型无线通信 技术 具有高速率 低功耗 抗多径能力强等特性 但其广泛应用受到包括超宽 带射频电路器件不成熟等物理条件的限制 因此 研究并提高超宽带通信射频电 路性能 对u w b 通信技术应用具有重要意义 本文以超宽带接收机射频电路研究为重点 对其原理图和主要链路参数进行 了设计 同时设计出了一种性能优良的超宽带低噪声放大器 本文主要研究成果 如下 l 在介绍无线电接收机结构的基础上 分析比较了这几种接收机的优缺点 提出了一种超宽带通信接收机结构框图 2 完成了u w b 通信接收机射频电路原理图设计 在对接收机各个模块电路 进行了功能分析的基础上 完成了增益分配 噪声性能设计 器件选型等 3 设计了一种3 2 5 g h z 3 7 5 g h z 频段的低噪声放大器 并利用s e r e n a d e 软件 对其进行了仿真和优化 仿真结果证明了该放大器具有噪声系数低 增益高 结 构简单的优良性能 关键字 超宽带射频电路低噪声放大器接收机 a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n d u w b t e c h n o l o g yh a sg r e a tp o t e n t i a l si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n l i t l li t sc h a r a c t e r i s t i c so fh j l g hd a t ar a t e s l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dt h es t r o n g m u l t i p a t h r e s i s t e da b i l i t y e t c b u t i t sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o nh a sb e e nr e s t r i c t e d i n c l u d i n gp r e m a t u r eu l t r a w i d e b a n dr fc i r c u i td e v i c e sa n do t h e rp h y s i c a lc o n d i t i o n s t h e r e f o r e i ti s o fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h eu w bc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n st os t u d ya n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fu w b r fc i r c u i t t l l i st h e s i sc o n c e n t r a t e so ns t u d y i n gt h er fc i r c u i to fu l t r a w i d e b a n dr e c e i v e ra n d m a k e sr e s e a r c hi nt h es c h e m a t i ca n dp r i m a r yl i n kp a r a m e t e r s m e a n w h i l e ag o o d p e r f o r m a n c eo f t h eu l t r a w i d e b a n dl o w n o i s ea m p l i f i e ri sd e s i g n e d 1 1 舱m a i n c o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa l ea sf o l l o w s 1 t i l i st h e s i si n t r o d u c e st h er a d i or e c e i v e rs t r u c t u r ea n dm a k e sa n a l y s i so fi t s s t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s a n dau w b r e c e i v e rb l o c kd i a g r a mi sp r o p o s e d 2 ak i n do fr fc i r c u i ts c h e m a t i co fu w bc o m m u n i c a t i o nr e c e i v e ri sd e s i g n e d m e a n w h i l e t h ed i s t r i b u t i o no ft h eg a i n t h ed e s i g no fn o i s ep e r f o r m a n c ea n dd e v i c e s e l e c t i o na r ec o m p l e t e db a s e do nt h ef u n c t i o n a la n a l y s i so fe a c hm o d u l ei nt h er e c e i v e r c i r c u i t r y 3 ak i n do fl n ac o v e r i n gt h ef r e q u e n c yr a n g i n gf r o m3 2 5 g h zt o3 7 5 g h zi s d e s i g n e d i ti sp r o v e dt h a tt h el n a 析t hi t sc h a r a c t e r i s t i c so fl o wn f h i g hg a i na n d s i m p l ec o n f i g u r a t i o nb yt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n 诵t 1 1s e r e n a d e k e y w o r d u l t r a w i d e b a n d r fc i r c u i tl o wn o i s ea m p l i f i e rr e c e i v e r 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大学 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做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切的相关责任 本人签名 雾业柏日期丝兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解函安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 学校有权保 留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内 容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 同时本人保证 毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 本学位论文属于 在一年解密后适用本授权书 本人签名 导师签名 架之群 日期 三 三 日期 础触 第一章绪论 第一章绪论 1 1u w b 通信 定位发展历史与现状 超宽带 l 5 l 技术是一种高速率 低成本和低功耗的新型无线通信技术 超宽带 的概念首先由美国军方于1 9 9 0 年提出 其定义为信号的相对带宽大于2 5 的任何 波形 4 这里 信号的相对带宽是指2 扣一丘 伪 丘 其中 扫表示信号高端 频率 五表示信号低端频率 力一正 表示信号带宽 即 信号的相对带宽 掣 r 二丝 o 2 5 1 1 h 3 l1 c 式 1 1 中 乃 力 4 2 为信号的中心频率 2 0 0 2 年4 月 美国f c c 给出了超宽带的两种定义 l 第一种定义对军方的定 义作了两点修改 一是信号的带宽是指 1 0 d b 带宽 即 r 和 压分别表示超宽带信 号频谱中低于信号最大值 包括天线的影响 1 0 d b 处的高端和低端频率 二是信 号的相对带宽大于 等于o 2 第二种定义是信号的 1 0 d b 带宽大于或等于5 0 0 m h z 而不管相对带宽是多少 u w b 系统具有超宽的带宽 这使得它与某些现有的通信系统的频谱相互重 叠 图1 1 所示即为u w b 系统与现有的一些通信系统频谱相互重叠的图示 u w b 与窄带系统频谱重叠图示 一 望 乏 e 刁 碍 罄 杂 罂 旧 剞 校 如 频率 g 图1 1u w b 与窄带系统频谱重叠图示 目前针对u w b 系统与窄带系统之间的相互干扰问题已经作了不少工作睁1 2 超宽带通信 定位系统射频电路研究 总体来看 由于u w b 系统发送功率的限制 除空间距离非常接近 三维空间内存 在多个u w b 发射机等特殊情况外 它对于窄带系统的影响较小 而窄带系统对它 的影响则比较大 针对窄带系统的影响使得u w b 系统性能恶化程度较大这种情 况 文献 1 2 3 0 提出了多种窄带干扰抑制方法 与传统的窄带通信系统不同 u w b 通信技术具有占用带宽极大 功率谱密度 很低等特点 这使得u w b 技术具备诸多特点 可归纳为如下几个方面 1 大信道容量和高速数据传输 根据经典的香农公式 c 蚓 熹 m 2 c 表示信道容量 s n n 分别表示信号和噪声功率 该式表明增加信号带宽可 以提高信道容量 由于u w b 带宽很大 意味着u w b 通信系统能获得较大的信道容 量 且带宽增加使得信道容量的增加远大于信号功率提高所带来的效应 因此u w b 非常适合于高速率的无线传输 2 多径分辨力强 在时域上 u w b 信号采用脉冲仅为n s 级的窄脉冲通信 因 此多径传播时具有很高的时间分辨率 常规窄带信号的持续时间一般大于多径时 延扩展 多径分量会互相交叠而形成严重的多径衰落 而u w b 脉冲信号持续很短 这种可分辨的多径分量不会相互叠加 因此 多径衰落不像窄带系统那样严重 从频域上看 u w b 带宽很大 会出现频率选择性衰落 但仅在整个带宽的某些频 点出现 衰减的能量是总能量的很小部分 另外 由于多径可分辨 易于采用r a k e 接收技术来提高系统性能 3 具备隐蔽性 抗干扰能力和共存通信能力 u w b 信号在发射时将微弱的无 线电脉冲信号分散在宽阔的频带中 输出功率甚至低于普通设备产生的噪声 因 此u w b 信号具备隐蔽性和低截获能力 l p d l o wp r o b a b i l i t yo f d e t e c t i o n 适用于 军事通信和重叠通信等应用 同时 与u w b 带宽相比 窄带系统产生的干扰都在 较小的带宽内 使得u w b 系统抗干扰能力较强 而对u w b 功率谱密度的限定使其 对现有系统的干扰也较小 因此u w b 通信系统能与现有系统较好的共存 4 系统结构简单 设备功耗低 基于脉冲方式的u w b 通信系统 无需采用传 统窄带系统的射频载波电路 简化了复杂的调制解调电路 因此系统复杂度大为 降低 能减小收发端设备的体积和成本 u w b 信号只是发出瞬间脉冲电波 脉冲 持续时间很短 一般在2 n s 以内 并且占空比很小 因此u w b 设备功耗低 电磁波 辐射对人体的影响也很小 5 测距定位精度高 无线信号的距离分辨力与信号的带宽有直接关系 由于 信号的宽带特性 u w b 系统的距离分辨精度要比现有无线系统高的多 u w b 采用 的脉冲宽度为纳秒或亚纳秒级 在理论上可以达到厘米级甚至毫米级的测距定位 精度 在精确定位应用中具有极大潜力 此外 u w b 系统能完成定位与短距离高 第一章绪论 3 速通信的融合 这极大地扩展了系统的应用范围 其他如微波 毫米波雷达 超声 波 红外和激光都可用于定位 和这些技术相比 u w b 定位技术能够完成复杂场 景下定位 如多径传播 遮挡环境等 并能支持移动性 6 良好的穿透能力 在具有相同带宽的无线信号中 超宽带信号中富含低频 分量 因此相对于毫米波和红外等信号具有更强的穿透能力 有实验系统表明 u w b 无线技术具有很强的穿透树叶和障碍物的能力 有希望填补常规超短波信号 在丛林中不能有效传播的空白 这一特点为u w b 在复杂场景下的通信定位提供了 有力支持 同时使得u w b 技术能广泛应用于透墙成像 探地雷达和医学成像等领 域 7 灵活的多址和组网能力 u w b 无线系统发送占空比很低的窄脉冲 可采用 跳时 t h 和扩频等方式实现灵活的多址功能 这也提高了用户数量 此外 u w b 满足低成本 低功耗的设计要求 适合于多种网络组网时的物理层应用技术 以 无线传感器网络 w s n 为例 u w b 技术可以很好的解决其关于体积 成本和功耗 的难题 特别适合于微小传感器节点的需求 我国一直非常重视这项革命性的技术 在2 0 0 1 年9 月初发布的 十五 国家8 6 3 计划通信技术主题研究项目中 首次将 超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容 技术 作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容 鼓励国内学者加强这方面的 研究工作 中国科学技术大学无线网络通信实验室成功地进行了基于脉冲超宽带 技术的无线传输演示 极窄脉冲信号穿越两堵砖墙和一个走廊 将一问实验室内 的视频图像传送到另外一问实验室 这是中国国内首次报道自主研发的i r u w b 系 统实现无线传输演示 2 0 0 4 年5 月在北京 海尔集团和飞思卡尔成功地展示了相距 4 0 i n c h 的手提摄录机与等离子平面电视机之间采用d s u w b 技术进行的无线连接 这是市场首度采用d s u w b 融入家庭影音设备的全功能模式 这证明了u w b 技术 在手持设备上应用的可行性 目前美国的x t r e m e s p e c t r u m 公司已有商业化的u w b 通信芯片组出售 t i m e d o m a i n 公司已经推出三代u w b 通信芯片p u l s o n 而已推出过两代u w b 通信芯片 的与t i 和i n t e l 公司结盟的w i s a i r 公司也宣布制成了采用o f d m 技术的u w b 射频芯 片 1 2 射频 微波研究的核心问题 对于u w b 技术的应用来说 由于其超宽带以及功率限制等因素的影响 其射 频电路的研究是一个重难点问题 作为贯穿射频 微波工程的三大核心指标频率 阻抗和功率 它们能形象地反映射频 微波工程的基本内容 这三方面既有独立特 性 又相互影响 三者的关系如图1 2 所示 4 超宽带通信 定位系统射频电路研究 图1 2 频率 阻抗和功率的铁三角关系 这三个方面涵盖了射频 微波工程中的全部内容 下面给出对它们的解释 1 2 1 频率 频率是射频 微波工程中最基本的一个参数 对应于无线系统所工作的频谱范 围 也规定了所研究的微波电路的基本前提 进而决定微波电路的结构形式和器 件材料 直接影响射频 微波信号频率的主要电路有 1 信号产生器 用来产生特定频率的信号 如点频振荡器 机械调谐振荡器 频率合成器等 2 频率变换器 将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号 如 分频器 变频器 倍频器 混频器等 3 频率选择电路 在复杂的频谱环境中 选择所关心的频谱范围 经典的频 率选择电路是滤波器 如低通滤波器 带通滤波器 高通滤波器和带阻滤波器等 近年来发展起来的高速电子开关由于体积小 在许多方面取代了滤波器来实现频 率选择 1 2 2 功率 功率用来描述射频 微波信号的能量大小 所有电路或系统的设计目标都是实 现射频 微波能量的最佳传递 影响射频 微波信号功率的主要电路有 第一章绪论 5 1 衰减器 控制射频 微波信号功率的大小 通常由有耗材料构成 有固定衰 减量和可调衰减量之分 2 功分器 将一路射频 微波信号分成若干路的组件 可以是等分的 也可以 是比例分配的 希望分配后信号的损失尽可能小 功分器也可以用作功率合成器 在各个支路口接同频同相等幅信号 在主路叠加输出 3 耦合器 定向耦合器是一种特殊的分配器 通常是耦合 d 部分功率到支 路 用以检测主路信号的工作状态是否正常 分支线耦合器和环形桥耦合器可实 现不同相位的功率分酉己 合成 配合微波三极管 完成多种功能微波电路 如混频 变频 移相等 4 放大器 提高射频 微波信号功率的电路 在射频 微波工程中地位极为重要 用于接收的是小信号放大器 该类放大器着重要求低噪声 高增益 用于发射的 是功率放大器 对于该类放大器 为了满足要求的输出功率 可以不惜器件和电 源的成本 用于测试仪器的放大器 完善和丰富了仪器的功能 1 2 3 阻抗 阻抗是在特定的频率下 描述各种射频 微波电路对微波信号能量传输影响的 一个参数 电路的材料和结构对工作频率的响应决定电路阻抗参数的大小 工程 实际中 应设法改进阻抗特性 实现能量的最大传输 所涉及的射频 微波电路有 1 阻抗变换器 增加合适的元件或结构 实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡 2 阻抗匹配器 一种特定的阻抗变换器 实现两个阻抗之间的匹配 3 天线 一种特定的阻抗匹配器 实现射频 微波信号在封闭传输线和空气媒 体之间的匹配传输 1 3 课题意义及主要研究的问题 无线通信技术是当前发展最迅速 最具活力的技术领域之一 在这个领域中 各种新技术 新方法层出不穷 其中超宽带 u l t r a w i d e b a n d u w b 技术是在2 0 世 纪9 0 年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术 目前超宽 带技术以其高速率 低功耗等特性正受到通信学术界和产业界的重视 并将获得日 益广泛的应用 因此 研究并提高超宽带通信射频电路性能 对无线通信的发展 具有重要的科学意义和现实意义 1 4 本论文的结构安排 本文以超宽带接收机射频电路研究为重点 完成了射频电路原理图设计 并 解决了系统整体增益等的分配问题 同时以射频接收前端的关键器件低噪声放大 6 超宽带通信 定位系统射频电路研究 器为研究对象 在系统分析超宽带接收机射频电路结构及其性能指标的基础上 根据低噪声放大器的工作原理与技术参数设计了一种性能优良的超宽带低噪声放 大器 第一章 叙述了u w b 通信 定位发展历史与现状以及射频 微波研究的核心内 容 第二章 介绍了无线电射频接收机的各种结构 同时说明了它们各自的优缺 点 第三章 针对u w b 信号特点 对其接收机射频电路结构进行了详尽的研究 完成了其原理图设计 解决了增益分配 噪声性能设计 器件选型等 第四章 对低噪声放大器进行了理论分析 同时设计出了一种3 2 5 3 7 5 g h z 的低复杂度u w b l n a 并对其进行了分析和仿真 第五章 对全文的研究进行了总结并对未来的工作进行了展望 第二章无线电接收机结构 7 第二章无线电接收机结构 2 1 超外差式接收机 超外掣3 1 1 s u p e rh e t e r o d y n e 式接收机是传统的接收机结构 在信号处理过 程中使用中频 因此又称为中频接收机 超外差体系结构由a n n s 仃o n 9 1 9 1 7 年提出 自问世以来已被广泛采用 图2 1 为超外差接收机结构框图 l p f 图2 1 超外差式接收机结构 通过结构图 我们可以看出超外差式接收机是通过变频 一次或多次 将射 频已调信号变频到易处理的中频上 最终对中频已调信号进行放大 滤波和解调 目前 超外差式接收机已经具有了成熟的理论基础和丰富的实践应用背景 它具有一系列优点如 可进行细分的增益控制 接收动态范围大 具有最宽 的通道带宽 适合做宽带接收机 具有高选择性 低的噪声特性 超外差式接收 机具有很高的邻道选择性和接收灵敏度 需要有预选滤波器和中频滤波器 可以 抑制很强的干扰 超外差式接收机受v q 信号不平衡度影响小 不需要复杂的直流 消除电路 但由于需要应用到两个以上的本振 多级滤波 因此其功耗和复杂度 比较高 成本高而集成度相对来说不高 2 2 零中频接收机 零中频接收机1 3 2 3 4 l z e r o i fr e c e i v e r s 也称为零差接收 h o m o d y n er e c e i v e r s 或直接转换接收机 d i r e c t c o n v e r s i o nr e c e i v e r s 该体系接收机l o 与有用i 心信道 的频率相同 即接收机的中频i f 为零 直接把射频频谱下变频到基带 然后在基带 内使用低通滤波器抑制干扰 选择信道 如图2 2 所示 8 超宽带通信 定位系统射频电路研究 l p f s 1 n 国 图2 2 零中频接收机结构 由于零中频接收机在下变频过程中不需要经过中频 所以它不存在镜像频率 干扰 相对于超外差式接收机 零中频接收机不需要镜像抑制滤波器以及中频滤 波器 因此可以说它是目前集成度最高的一种接收机 体积小 成本也很低 但 是如果到了v h f 频段设计零中频接收机将变得非常复杂 困难 因为频率越高 i q 解调器所用到的本振很难做到正交 频率也很难做到很准确 一个解决办法就 是增加a f c 电路 自动控制本振频率 另外 由于系统所需的电路模块及外部节 点数减少 降低了接收机所需的功耗并减少了射频信号受外部干扰的机会 不过和其它结构的接收机相比 零中频也存在i q 失配 本振泄露 直流偏差 闪烁噪声等问题 2 2 1i q 失配 采用零中频方案进行数字通信时 如果同相和正交两支路不一致 例如混频 器的增益不同 两个本振信号相位差不是严格的9 0 0 这样就会引起基带信号的变 化 即产生i q 失配问题 以前它曾是数字设计时的主要障碍 但是随着集成度的 提高 i q 失配可以通过电路设计等方面来改进 设计时应引起足够的重视 2 2 2 本振泄漏和直流偏移 l o 泄漏 第二章无线电接收机结构 9 图2 3 本振泄漏不意图 如上图2 3 给出了零中频本振泄漏的示意图 零中频结构接收机中 在混频器 的输入端 信号频率和本振信号频率相同 如果混频器两个端口的隔离度不高 本振信号就很容易从混频器的射频口输出 再经过低噪声放大器泄漏到天线 辐 射到空间 对邻道形成干扰 同样泄漏的信号又可以分别从低噪声放大器的输出 端 天线反射回来 进入混频器的射频输入端口 它和本振端口进入的本振信号 相混频 差频为零 即直流 同样 进入低噪声放大器的强干扰信号也会由于混 频器的端口隔离度不高的原因而漏入本振端口 反过来和射频端口来的强干扰信 号混频 差频也为直流 这些直流信号将叠加到基带信号上 并对基带信号形成 干扰 称之为直流偏移 直流偏移往往比射频前端的噪声还要大 同时大的直流 偏移可能使混频器后面的各级放大器饱和 无法放大有用信号 2 2 3 闪烁噪声 有源器件内的闪烁噪声又称为噪声 是零中频接收机中主要的噪声源 其大 小随着频率的降低而增加 主要集中在低频段 与双极性晶体管相比 场效应晶 体管的噪声要大得多 闪烁噪声对搬移到零中频的基带信号产生干扰 降低信噪 比 通常零中频接收机的大部分增益放在基带级 射频前端部分的低噪声放大器 与混频器的典型增益大约为3 0 d b 因此有用信号经下变频后的幅度仅为几十微伏 噪声的影响十分严重 因此 零中频结构中的混频器不仅设计成有一定的增益 而且设计时应尽量减小混频器的噪声 由以上的分析可知 如何消除直流偏移是零中频接收机设计时要重点注意的 问题 为此 可以采取两种方法 谐波混频和交流耦合 2 2 4 谐波混频 l ol e a k a g e r fs i n g 面h a r m o n i cm i x e r b bs i n g a l o 乞名f 乞 0 2 图2 4 谐波混频器工作原理 谐波混频工作原理如图2 4 所示 本振信号频率选为射频信号频率的一半 混 频器使用本振信号的二次谐波与输入的射频信号进行混频 由本振泄漏引起的自 1 0 超宽带通信 定位系统射频电路研究 混频将产生一个与本振信号同频率的交流信号 但不产生直流分量 从而有效地 抑制了直流偏差 下图2 5 给出一个c m o s 谐波混频器 本振信号的二次谐波可通过c m o s 晶体管 固有的平方律特性得到 v d d 图2 5c m o s 谐波混频器 晶体管m 3 和m 4 组成的电路将差分本振电压v l o 和v l o 转换为具有二次谐波 的时变电流 本振信号的基频和奇次谐波在漏极连接处被抵消 产生谐波混频器 所需的本振信号的二次谐波电流 实现谐波混频 2 2 5 交流耦合 将下变频后的基带信号用电容隔直流的方法耦合到基带放大器 以此消除直 流偏差的干扰 对于直流附近集中了比较大能量的基带信号 这种方法会增加误 码率 不宜采用 因此减少直流偏差干扰的有效方法是将欲发射的基带信号进行 适当的编码并选择合适的调制方式 以减少基带信号在直流附近的能量 此时可 以用交流耦合的方法来消除直流偏差而不损失直流能量 缺点是要用到大电容 增大了芯片的面积 2 3 低中频接收机 低中频接收机是把射频信号变频到一个接近直流的低频信号 其结构如图2 6 所示 相对于零中频接收机 这样就避免了直流偏移对信号的干扰 同时还比较 第二章无线电接收机结构 容易实现载波恢复 而相比较于超外差式接收机 它不需要高频的带通滤波器 并且集成度高 体积小 功耗更低 但是 由于将下变频信号从基带转变成了低频信号 因此低中频接收机对i q 不平衡度很敏感 这就需要i q 双路信号精确的匹配 同时在低中频接收机中 镜 像信号可能比有用信号强很多 因此它也需要很强的镜像抑制 另外 低中频接收机对中频的选择有一定限制 一方面 中频要尽量高一些 以减小直流偏差和闪烁噪声的干扰 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 c o s 缎 0 1 图2 6 低中频接收机结构 2 4 镜像抑制接收机 b p f 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 l 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 0 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w e a v e r 接收机优于h a r t l e y 接收机 w e a v e r 结构自身也存在不足之处 1 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 2 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 1 2 超宽带通信 定位系统射频电路研究 2 5 本章小结 本章主要介绍了几种接收机结构 包括超外差式接收机 零中频接收机 低 中频接收机和镜像抑制接收机等 并分析了它们各自的优缺点 为下一步u w b 通 信接收机射频电路设计作好了准备 第三章u w b 通信 定位接收机射频电路设计l3 第三章u w b 通信 定位接收机射频电路设计 3 1u w b 链路预算及其接收机结构框图设计 3 1 1u w b 通信链路预算 1 发射功率 根据f c c 规定u w b 通信系统应用于室内无线通信的发送功率谱密度应小于 4 1 3 d b m m h z 以确保现有的无线通信系统正常工作 这时5 0 0 m h z 带宽中最大 辐射功率为只 4 1 3 d b m 2 7 d b 1 4 3 d b m 2 接收机输入端的噪声功率 接收机输入端的噪声功率包括天线的热噪声 3 5 1 和低噪声放大器 l n a 的热 噪声 通常用噪声温度乙和c 分别表示 乃 2 9 0 k c 1 0 坼儿 一1 2 9 0 k 3 1 其中l n a 的噪声系数 2 d b 波尔兹曼常数k 1 3 8 xi o 2 3 w s k 于是 接收机的噪声功率谱密度为 n o2 七 瓦 c 1 3 8 1 0 2 3 x 2 9 0 x 1 0 n 肿 6 3 4 1 0 2 1 w s i i z 一1 7 2 d b m h z 3 2 则5 0 0 l d h z 带宽中总的噪声功率为 昂 b n o 5 x 1 0 8 0 8 7 1 7 2 d b m 8 5 d b m 3 3 3 传播衰减 根据自由空间传播公式 发射功率 与接收功率 的关系式 仁瞩q 嚼y 3 4 当传播距离为d 时 中心频率为3 5 g h z 信号的传播路径功率损耗因子为 p g p 嚼 2 晶 2 3 5 4 6 5 x 1 0 巧 d 2 4 3 3 d b 一2 0 1 0 9 d d b 假设我们作业的区间为1 0 0 m x l 0 0 m 的面积 那么最大路径损耗因子为 一8 3 3 d b 则接收端收到的信号功率为 1 4 3 8 3 3 9 7 6 d b m 1 4 超宽带通信 定位系统射频电路研究 3 1 2 接收机基本参数 3 1 2 1 接收灵敏度 3 6 1 描述接收机对小信号的反应能力 其定义为 s 历而 3 6 式中 k 1 3 8 x l o z 3 j i k 是波尔兹曼常数 t 为绝对温度 吃是系统的 等效噪声频宽 s n r d 是系统要求的信噪比 z 是系统阻抗 是总等效输入噪声 系数 由三大部分组成 接收器各级的增益与噪声系数t 镜频噪声名 和宽带 的本振调幅噪声民 即 辱 兄l 瓦2 毛3 3 7 耻 喜嚣却等 嚣 俘幻 扛1 兀q u 1u l u 2 j u 兀q 瓦 兀q 甚f 一1 1 鲁二 培1 兀q 兄 兰丝竺荨竺 加1 l o o o g r o 兀q j l 3 9 3 1 0 公式说明如下 f 为第i 级的噪声系数 g f 为第i 级的增益 为镜像频率下的单极噪声系 数 g 为镜像下的单级增益 n 为接收机的总级数 不包含混频器 只 d 为本振 输出功率 单位为 l b m 聊 为边带频率上的相位噪声 单位为d b c h z k 为 带通滤波器边带频率上的衰减值 单位为d b m n b s b 为边带频率上的混频噪声 r o 为室温2 9 0 k m 为边带频率的总个数 坼为包含混频器在内从接收端至混频器 的总级数 对于模拟接收机 满足一定信噪比时的输入信号功率 对于数字接收 机 满足一定误码率时的输入功率 一般情况下 接收机灵敏度在 8 5 d b m 以下 3 1 2 2 选择性 接收选择性亦称为邻信道选择度a c s 是用来量化接收机对邻近信道的接收 能力 其定义为 第三章u w b 通信 定位接收机射频电路设计 15 a c s 棚一l o l g 1 0 w s 1 0 1 0 s p l o 玩1 0 肿 3 1 1 式中 c r 为同信道抑止率 i f s 为中频滤波器在邻信道频带上的抑制衰减量 吃为中频噪声频宽a 与邻信道频率的差值 s p 为本地振荡信号与出现在频率为 乙 处的邻信道噪声的功率比 p n 跚是本地振荡信号在差频处的相位噪声 如 图3 1 所示 o 3 1 2 3 频率稳定度 i 乞 h z 乙出 u 忍 图3 1 本地振荡的频谱 描述接收机的本振信号的频率稳定度 影响接收机的中频信号的质量 频率 稳定度在数量上通常用频率偏差来表示 它是指振荡器的实际频率和指定频率之 间的偏差 可以分为绝对偏差和相对偏差 设石为实际振荡频率 石为指定频率 绝对偏差为 矽 石一石 3 1 2 相对偏差为 竽 丘当 丘五 3 1 3 石石石 1 6 超宽带通信 定位系统射频电路研究 在上述频率偏差中 除了由于置定和测量不准引起的原因外 这一般称为频 率准确度 人们最关心的是频率随时间变化而产生的偏差 通常称为频率稳定度 因此频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内 振荡器频率的相对变化 用 v 石i 时间问隙表示 这个数值越小 频率稳定度越高 按照时间间隔长度不同 通 常可分为长期稳定度 短期稳定度和瞬时稳定度 为了提高频率稳定度 可以采 取提高振荡器回路的标准性 减小晶体管对振荡频率的影响和减小负载的影响等 措施 3 1 2 4 交调抑制 交调干扰的形成与本振无关 它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时 由混频器的非线性形成的干扰 它的特点是 当接收有用信号时 可同时听到信 号台和干扰台的声音 而信号频率与干扰频率间没有固定的关系 一旦有用信号 消失 干扰台的声音也随之消失 犹如干扰台的调制信号调制在信号的载频上 所以交调干扰的含义为 一个已调的强干扰信号与有用信号同时作用于混频器 经非线性作用 可以将干扰的调制信号转移到有用信号的载频上 然后再与本振 混频器得到中频信号 从而形成干扰 由非线性器件的i f u 展开成泰勒级数 其四阶项为a 4 u 4 设u u j u s u l 这里 u j u j 1 m jc o s q t e o s w j t 3 1 4 u s2 u s c o s w c t 3 1 5 u l u lc o s w l t 3 1 6 将这三个信号代入四阶项 可分解出6 a u 2 u u l 其中 3 u 2 u s u l 1 m jc o s o i t c o s w i t 可以通过混频器后面的中频通道 从而对有用信号 形成干扰 这就是交调干扰 交调干扰实质上是通过非线性作用 将干扰信号的 调制信号解调出来 再调制到中频载波上 由交调干扰的表示式可以看出 如果 有用信号消失 即u 0 则交调产物为零 所以 交调干扰与有用信号并存 它 是通过有用信号而起作用的 同时也可以看出 它与干扰的载频无关 任何频率 的强干扰都可能形成交调 只是c 与 相差越大 受前端电路的抑制越彻底 形成 的干扰越弱 为了抑制交调干扰 一是提高前端电路的选择性 降低加到混频器 的u 值 二是选择合适的器件及合适的工作状态 使不需要的非线性项尽可能小 以减少组合分量 第三章u w b 通信 定位接收机射频电路设计 17 3 1 2 5 本振辐射 由于混频器的隔离不好 本振信号进入接收信号通路 通过天线辐射 引起 系统的三阶交调 3 7 1 失真加重 为了降低本振辐射的影响 可采用m o s 管隔离法 集中磁力线法 所谓集中磁力线法是指将振荡线圈上的磁力线变得更集中 其方 法是在高频铁氧体磁芯上绕制电感线圈 使得磁力线集中在磁芯内 以减小线圈 和其它元件的磁交链 降低电源电压法 振荡网络的高端屏蔽 对一个并联谐振 网络而言 可以等效为电感l 和电容c 的并联 为了减弱本振辐射 在设计印制板 时应有意识地用封闭形式的地线来封闭振荡电路的高电位端 减轻它的本振辐射 3 1 3 接收机结构的选择 由第二章分析我们可知 不同接收机的主要区别在于其将信号下变频到基带 的级数不同 一次变频接收机 即传统的超外差接收机 因为受a d 采样速率的限制 中 频的选择不能太高 其最大的缺点是难以做到良好的镜频抑制 直接下变频方式将载频调制信号直接变换为基带i q 两路输出 其优点在于 没有镜像干扰 同时不需要中频滤波器 只有最后一级的低通滤波器 具有简化 的模拟设计 但是直接下变频存在如下几个问题 1 本振泄漏和直流偏差 由于本振和载频相同 本振信号将泄漏到天线并辐 射到空间 对其他设备形成干扰 同时 由于辐射的本振信号也容易再次进入混 频器 与本振信号混频后形成较强的零中频干扰 2 噪声 有源器件内的噪声随着频率降低而增加 对零中频的基带信号产生 干扰 降低信噪比 3 阶失真产物容易混入基带 综合上述考虑 并且为了保证高的通道增益和动态范围 本文u w b 接收机结 构采用两次变频方式 第一次变频采用高中频方式 将射频信号混频到1 g h z 的中 频上 这样做主要是为了提高镜像抑制比 第二次将中频信号直接变频到基带 以利于a d 采样和基带处理 具有良好的频带稳定特性 但因为本振较多 互调 干扰较多 需要仔细分析和设计 具体结构如下图3 2 所示 1 8 超宽带通信 定位系统射频电路研究 中 图3 2u w b 接收机结构框图 3 2 接收机链路参数设计 号 射频通道链路参数的设计是非常复杂的 要对多方面综合考虑后进行折中 包括整体增益 动态范围 组合串扰 噪声系数 镜像抑制 频带分配等 本文 主要从组合串扰 增益分配 噪声性能三个方面进行阐述 3 2 1 组合串扰及中频选择 用户机的射频单元仅为接收通道 对于二次变频方案而言 组合串扰主要包 括射频信号和本振 高本振和低本振之间的各种组合 射频信道内部频率分配极为重要 选择合适的i f 可以使接收机在第一混频 器m i x e r l 之前排除第一r f 镜像频率 而不增加额外的费用 复杂度 如果对 r f 和i f 带宽及l o 和 频率选择不当 会产生严重干扰 混频器也会产生伪响 应 严重降低接收质量 画啦 第三章u w b 通信 定位接收机射频电路设计 1 9 3 2 2 信道增益分配 由3 1 1 节链路预算可知 热噪声的功率 8 5 d b m 远远大于接收机接收信号 功率 一9 7 6 d b m 这样的状况一直保持到基带信号的解扩之前 因此 u w b 接 收机射频信道的增益主要依据热噪声的功率来进行设计 预定进入解调器前的总 功率为0 d b m 这里指信号和噪声的总功率 因此总的增益为0 8 5 8 5 d b 由 于考虑到滤波器的插入损耗 混频器损耗等 总的增益需达到1 0 0 d b 以上 这里 需要说明的是在第一次混频时 m i x e r l 内引入了两级m i n i 公司的e r a 5 s m 放 大器 以满足系统的增益要求 具体过程请参考混频器原理图 具体各个模块的增益分配详见下图3 3 喘入 g a i n 3 r i b 舳 3 d b2 9 d b 3 d b 2 1 d b荆锄 一晰h 蜊ah 骈卜酬晰h 盎h 蛾卜 p m i r lm 翮 1 4 d l j 脚 一3 3 衄m 5 9 d b m 3 6 d b ni 6 2 c 1 b i 罐9 d l 坷 3 2 3 低噪声性能设计 图3 3 射频信道增益分配图 由于射频信道的第一级是决定射频信道噪声性能的关键器件 因此第一级前 置滤波器和低噪声放大器的选取就变得很重要 根据设计 将低噪声放大器的噪 声系数定为l d b 这样能有效地降低系统接收机的噪声系数 级联情况下噪声系数可通过f r i i s 方程 3 5 计算 通过噪声系数的等效计算公式 兄 型 望 l 3 1 7 舭 x z t 公式中e 为第一个器件的噪声系数 e 为第二个器件的噪声系数 为第一个器件的增益 为第二个器件的增益 各模块器件技术指标如表格3 1 2 0 超宽带通信 定位系统射频电路研究 表3 1 器件技术指标 m o d u l e n r d b 噪声系数 f n i g a i n r i b g a i n g p m i b p f21 5 8 30 5 l n a 1 1 2 6 3 0 1 0 0 0 b p f21 5 8 3o 5 m l x e k1 8 36 7 6 12 97 9 4 3 3 b p f2 1 5 8 3 0 5 i f a m p4 32 6 92 l1 2 5 8 9 a g c63 9 8 2 0 2 53 1 6 2 3 m e r86 3 53 1 6 将表3 1 的数据代入式 3 1 7 q b 得到 f 1 5 8 1 2 6 1 i 墨二 鱼z 鱼 二 2 3 7 3 1 8 0 50 5 1 0 0 00 5 x 1 0 0 0 x 0 5 转化成分贝数得到本机的噪声系数 n r 为1 0 l 0 9 2 3 7 3 7 5 d b 3 3u w b 接收机各模块电路功能分析和原理图设计 3 3 1 滤波器 滤波器的功能是滤除带外的干扰和噪声 保留带内的有用信号 此外还可以 对传输信道的频率特性进行校正以及阻抗匹配 阻抗转换等 滤波器可以是l c r c l c r l r 或是由分布式元件构成 3 引 如果按特性来分 滤波器可以分成有源 和无源两种 有源滤波器主要包括一些放大器和上述集总无源元件 而无源滤波 器主要由集总或分布式元件构成 例如在带通和带阻中应用的陶瓷和晶体滤波器 这些滤波器不仅能提供从超窄带到宽带的各种带宽 而且也能明显的改善滤波器 的波形系数 波形边缘的陡峭程度 在本文的接收模块中 对于混频以前的前置滤波器等要考虑对接收机噪声系 数的影响 因此使用微带滤波器 考虑参数为通带3 2 5 g h z 3 7 5 g h z 带内插损小 于3 d b 驻波小于 1 5 d b 带内波纹小于0 3 d b 带外1 0 0 m h z 的抑制为2 5 d b 同时为了抑制频率综合器产生的谐波 分别使用如下图3 4 和图3 5 所示的l c 带通滤波器 第三章u w b 通信 定位接收机射频电路设计 2 1 9 ul x 蚶啊l 登 未 图3 41 g h z i 5 g h z 带通l c 滤波器 3 3 2 混频器 m i x e r 图3 52 g h z 3 g h z 带通l c 滤波器 混频器是3 端口的有源或无源设备 如果在两个输入端端口分别输入不同频 率的两个信号 在输出端口将产生一个和频和一个差频信号 这一过程叫做频率 变换 f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 接收机中必须使用这种频率较低的信号 因为它很 容易用中频级进行有效放大和滤波 并且很容易使频段得到优化 从而使接收机 的增益和选择性得到提高 混频器的输出端不仅有差拍两个信号所产生的有用信 号 而且还有很多寄生频率 只是 这些寄生频率大多数在混频器的中频级被滤 掉 剩下的是在差频处所需要的频率 包括载波和边带 对于变频器的选择 主要考虑的指标有 工作频率 变频增益 输入i p 3 端 口隔离度等 本文在设计第一次变频所用混频器时 使用了h i t t i t e 公司的 h m c 2 1 3 m s 8 器件 其原理图设计如下图3 6 所示