（无线电物理专业论文）卫星数据采集系统射频部分研究与实践.pdf

华东师范大学硕士学位论文卫星数搬采集系统射频酆分硖究与蜜践 摘要 近馨来 随着气假 能源 政治 军臻等多个领域的需求 卫星数据聚集系 统有若越来越广瓣驰疲属兹景 发生在2 g 0 4 年年溅瓣东南鼹太海穗缓缛黧憾有效 遮建立怒窭然灾戆夔联警暴统基袋冀墨蔻蒜莺美心戆一令热门谗蕤 虹褥霹疆趣 等编远鹩兹入区域游矿产瓷源进行鬻年懿考察帮数据静援嶷熬瑗 船褥戳礅 j 豹 代价达到最大程度的抑制恐怖主义活动的目的 粥外 在翠事领域 如何广泛地 援集秘美憾擐选是 蠼 美键熬超蔻 卫星数据瀑然系统在这鎏镶域罄毒饕不霹替 代的优势 基于当前这样的背景 本文研究了卫星接收焱绞中射频电鼹部 分的实黼 本文翁赶奔绥了懿 罨蘩 羔蔼下瓣簌憨傣上鼗诗歪星接浚辊 势疆据翼体灏链 路预算 干扰情况等等提出总的技沭指标 并将诚总指标分配到每 个具体电路 擎元 熬簿又龌述懿秘至下褥上熬裁蔫矗瓣较箨涞嵇真农骏疆该攒稼懿可行蛙蠢 蓬疆毪 文举又觚缨第上熟髂酌介绍了姆个龟路单元瀚设计方法鞠瑾谂依据 并都给 出了相威的实际结果 首兜是室夕 单元 低噪声下变频器 其包括低噪声放大 嚣 l 液菠袋媚菝率合葳嚣裁滤波嚣等 文章第三霉重点瘸遴了l 波段嚣臻声藏 大器的设计 仿真秘实践 选用勉i l e n tp h e 淞镑予埘f s 4 1 4 3 终为裁级放大 后面级联了两级姗i c 最终设计结果为噪声系数2 d b 增箍大于4 5 d b 室内举元蘩重煮夯绥躲囊设诗祗褪嗓躲镁檄灏率合袋器 蕊建露于镬糖耀懿 原理作了详细的分析 然厢选择高性能 低成本 结构简单的方案实现锁相源 本文采耀躲避如公镯a d 融1 1 2 纛a d f 4 i 分割设计了1 黼 z 靳1 4 0 潲z 锁榴源 并瓣实辩豹镁穗源溪浚懿疆整臻声饔颓率稳定浚避霉亍嚣爨稳臻予系统毪怒疆稼 静瓣求 详缁分析了d d s 的输出频谱以及相位噪声靼聚敬对d d s 频谱特性的影螭 选 撵矗鹦8 5 l 搀为电鼹秘鞠s 莰诗部分 设诗著基建藏了该奄路 经遘调试嚣 测 试褥到躲缝果达到了谖愿鹣指标墓裳 详细阐述了锁相接收机的设计要点 即频率的快速捕获和跟踪 本文选用了 一黪薪型麓羧匏秀美菠攘嚣 荬效搴迎一黢瓣豢法器要裹 瑟疑或本羝 嚣鬻适 合在民晶中使用 而如何借助辅助捆描电路快速捕获频率熙这 电路的难点 调 华东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频部分研究与实践 试日e 常困难 为此专门写了一段计算环路参数的代码 可以根据一些要求 锁定 时间 捕握频率范隘等 来计算环路参数 关键词 低噪声放大器 锁相源 直接数字合成 卫星采集 频率捕获 举东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频龆分研究与实践 a b r a e t s a t e l l i t ed a t ac o u e c t i o ns y s t e mh a 8aw i d e ra i l dw i d e r 娜 p l i c a t i o ni n c l 妇e e n e r g ys o u r c e p o l i t i c s 础i t a r y 矗e l d s 髓et s u n a i l l iw h i c hw a s 魏婶p 髓e 建遮s 洲穗一a s i 拽2 0 0 酝dm 旌el o t s p e o 露eb s t 畦砖i rl i 怒蕊 p r o p e 啊 n o w a d a y s h o wt oe s 诅b l 呈s he 娲娟v ep r e d i c t i o ns y s t e m si s a h o tt o p i ci nm ew o r l d t h e r ea r eag r e a td e a lo fm i n e r e s o u r c e si n n o r t h w e s ta r e ao fc h i n a w h i c hi su 姗a n n e d i no r d e rt or n a k eu s eo f 氆e s e 琏n e 撑s 酬 e s 嫩矗 毽l d 糟s e 建瓣h 凌e s ea 糟鑫s e o l l e c 专嚣蘸d 黼鑫l y z e d a t ao ft h e s ea r e a sf o ral o l 吗t i m ef i r s t a n t i t e r i s mc a n 零 g n 娥t h e r l di sf a c e dw i 也an e wc h a l l e n g e n 鼬i o n s 渝t l l ew o d da r er e s e a r c h i n g 钓b 啦韬as y s t e ma ss a f ea sp 0 8 s i b l ea t 也ec o s t8 sl o wa sp o s s i b l e i n 鑫纛d i t i o 羹 轴w 弱e o l 圭 蜣i 羟岛凇越o no 难c 主e 熊yi s 撼i 嚣攀 糯嫩i s s u ei n m 黼a r ya r e 乱s a t c l l i t ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e mh a sau 娃i q u ea d v a n t 毽g e 遮 t 1 1 e s ef i e l d s b a s e do nm ec u e mb a c k 掣o u n d t l l i sp a p e rr e 8 e a r c h 锄d d e s i g i lr 拳舶me n dm o l eo fs a t e l l i t er e c e i v i n gs y s t e m s 强i sp 簪e r 蠡嘲yi n 拍氐 c e 莲t o 娅g 髓e 隧 s 运辩o fs 撕l l i t e r e c e i v e r s a n d 也e np r o p o s e d 也es y s t e mt e c h n i e a lr e q u i r e m e n ta c c o r d i n g s p e c i f i cs i 8 n a ll i n kb u 此e t j a n m l i n ge t c m e na l l o ca t e di tt oe a c hs p e c i f l c c i 辩u i tm o d u l e s h o wt ou s e 也ea d ss o 托v a r et os i m u l a t ea n dc e r t i f i c a t e 氇es y s t e 搬 e s 逊l l 磅 醚v 奎i d i 移魏a s 舔 毽e 徽鑫s e u s s e 矗 a f i e r 饿a t 也e 眦i c l ed e s c r i b ed e t a i l so fi 娃l p l e m e n t a 畦o ne a c hs p e c 浓c m o d u l e sa n d c o e s p o n d i r 培a c t u a lr e s u l t s 0 m d o o ru i l i t 1 0 wn o i s e i 华东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频部分研究与实践 d o w n e o n v e r c e r s w h i c h i n c l u d e d l o w n o i s e a m p l i 6 e r t 1 1 el 出a n d 觚q u e n c ys y n t h e s i z e r s a n d 髓l t e rw a sf i r s t l yi n 廿o d u c e d c h a p t e ri i i f o c u s e do nt 量l el b a n dl o wn o i s e 舭l p l i 鑫e rd e s i g n s i m u l a t i o na 芏1 d p 黼e t 主c e w 囊i 馥魏8 v e 谯e 鼯 搬 t 懿p e 挑掘f e 爹e r 瓢雒e eo f 毒5 基 9 8 主莛 1 e s s 吐m2 d bn o i s ef i g u a l l du l l c o n d i t i o n a ls t a b l e i n d o o ru n i t s e m p h a s i z e do nh o wt od e s i g nal o wp h a s en o i s e 沁q u e n e ys y n t h e s i z e r s t h i sp a p e rp r e s e m a h i 曲 p e r f o r m a n c e l o w e o s t s 主薹辩p l e s 黩饕e 惑聪o fp l s o l l r c e s w 魏o s ep 魏a s e 娃o i s e 鑫堇堇d 懿驰e 芏l e y s t a b i l i t ra r es u p e r i o rt ot l l er e q u i r e m e n t t h ea r t i c l em a d ead e t a i l e da n a l y s i so f 廿1 ed d so u 中u ts p e c t r u ma n d p h a s en o i s e a d 9 8 5 li su s e dm 也i ss y s t e ma sal o c a lo s c i l l a t o r 谢1 0 s e 捻s tf e 蠢专s 曩r es 娃秘e e t 如凌er e 鼙u i 擞e 嬲o f 魄e 拖r g 鸱8 n dce 蠢e 量s 鑫圭s o p r e s e n ti nt 1 1 ep a p e r l a s tb u tn o tt 1 1 e 1 e a s t k e ye l e m e n t sa b o u tp l lr e c e i v e rw a s i n 拍d u c e dh e r e h o wt oc 印t u r e 眦d 台a c k 魏q u e n c y q u i c l 1 yi ns u c hab a d 粥i s ye 建v i 妫髓俄l ti s 雠e 醴氇e 掇o s td i 避e 毯l tp b l 雠 鑫稳湃e l 冬伊eo f p h a s ed e t e c t o ri sc h o o s e dh e r es i n c ei t se f 珏e i e n c ya n dl o w c o s t w h i c hi s h i 曲l ys u i t a b l e f o ru s i n g mc i v i l i a n p r o d u c t s i n o r d e rt o s i m p 母 d e b u g g i n 妊am a t l 出p r o g m m ei sd e s i g n e dt oc a c u l a t em el o o pp a r a m e t e r x 譬 w o r 蠖s l o wn o 主s e 鼬争l i 薮e r p 娩 翔 s s 氇专e l l 主t e 幽拖 c o l l e c t 舶q u e n c yc a p t u m i v 学位论文独创性声明 本人所旦炎的学位论文是畿在导师的指导下进行的研究工律及取得的研究成 果 据我所知 除文中已觳注明引用的内容外 奉论文不包含其他十人已经发袭或撰 禧过斡瓣究蔑慕 对本交辩研究辍辫重要簧靛篱伞天净寨露 麓己在变串律了蛲礁藕 臻蒡轰零淮意 作者签名 日期 学位论文援毅使爝声舞 i 毛 6 掣 本人究全了懈华东师范大学有关保留 使用学位论文的规定 学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子龊器羝骏叛 翕投将学位论文建予嚣赢羁罄簿鹭少量复潮并灸许论 文进入学校匿书馆被查阕 有投犍学饿论文终赶客缡入有关数据瘁进 行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 保密的学位论文在 解潦后适筒本规定 学位论文髂者辫 搴谭鼍 嚣糍 一 j 蔓 l 二兰 警 导蝾麟渤蛩 嚣裳 一塑坠皇童 华永师范大学硕士学位论文 绪论 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 1 卫星数据采集系统关键技术及其研究现状 卫星数据采集系统是稳翔航天遥测 遥控 遥蕊等技拳 对航天器远遗点进幸亍 各种监测 并根据需求进行自动采集 经过卫星传输到数据中心处理后 送给用户 使鞠的应麓系统 激星数据采集系统的技术特点是 锈自动提取被采集的数据 数 据串较低 数据分时采集 覆盖地域广 可野外工作 无入馈守 卫星数据采集系 统的优点是 时效性高 采集数据地域广 经济性优 真实性强 卫星数据采集系 统的主要缝成套 健感器 数据采黎平台 翌星采鬃透道 数据接收站 髓终管理 和中心处理系统 盥星数据采集系统由空间卫星信邋 传感器 数据采集平台 用 户数据接牧蛞及中t 管理蛄协调缝戏 各用户数摆采裘平台群与接牧蛄棱或子系统 中心管理站对系统卫星信道分配 数据资源交流 系统运营等进行统一管理协调 里鬟信遴爨怒气象翌量 资源至量瓣 i 蘧遂 瞧霹菇怒透信翌爨静营 莲 卫星数据采集系统的关键技术媲 1 专用传感器技术 如林区地液可燃物含水 率袋测传惑禧 土臻墒清传薅器 海上东诧成分传感器等懿开发 2 商效能源技术 因为数据平台所在地电源条件很差 需要开发高效太阳能电源 高能电池等 3 开 发系统网络管理 控制技术 实现系统资源共享和信息交流状态监测自动化 4 高 可靠 低功耗 遥控程序下载的智能化数据采集平台的开发 5 高稳定度 小型他 的频率源的开发 目前 大多数魄卫星数据采集平台都是麓予海事卫星 9 0 年代孱 国鼯海事卫 星通信发展迅速并取得了很大成功 凋际海事卫星通信以摸拟通信发展到数字通信 业务范围也在不断鳃扩震 蒺缺点浚采集乎套移翌蹙赘是国努公司磷剑 导致数据 保密性不足 在如今复杂的图际环境下 研究设计基于我国自己发射的卫星的数据 采集系统 露有意义 2 卫星数据采集系统在国际上的液用情况弹 翻1 3 闽 荚国剥耀3 颞静止软遵气象卫爨 g o e s 的数据聚嶷系统 除采集露怒气象要素 华东师范大举硕士学位论文 卫星数据采黛系统射频部分研究与实践 外 在其他领域也建立了许多专用嘲 如大西洋 太平洋 加勒比海商船上都装有 数摄采集平窘 餍予黢测海援 美国瘩文局建蠢5 0 0 0 套的数据采集乎套拳文羲摄圈 监测河流水情 在馘海岸的哥伦比溉 科罗拉多等贫瘠地区越有2 5 0 0 台的数据采集 平螽拳文数据网 瓣家洼数 受务鼹褒洼麓上建有5 台戆数据采集蒸平台渣馕瓣 用于调查水质和捕煎品种 另外 在地震 海啸预报 农业 森林防火中也大量采 瑟彳数据采集平台 巴西专门发辩了两颡数疆采集小卫星 布设5 台瑷上舱数据 采集平台 在中巴两国荚同研制的中巴地球资源卫鼹发射成功后 融西在全国布设 了l o o o 台酌数据采集平台 用于收集国内气象 海洋 热带雨林和溉马孙河水文监 测数据 欧洲 日绋 也在大力开展数据采集系统的成用 3 我国卫星数据采集系统的应用情况及展望 至1 9 9 2 每爻壹 泰懿部铙洪承灾臻摄系统在黄溺三花麓 长汪粼江段 漆海歪 阳关 北京官厅水滕 太湖簿2 0 多个重点防洪匡和1 5 0 个大型水库 布设了1 7 0 0 多个 数攘采集乎螽 靛天科技鬃溺公司除在风云一号 风云二号帮中巴撼球资源卫星中 研制了数据采集系统通道外 还研制了数据采集平台样机 并开发了c 频段的通信卫 星翡数据采集平台系统 已经用于辽宁太子河流域 我国有9 6 0 万平方公里的领土 3 0 0 雾万平方公里的海域 3 2 万公璧的海岸线和6 5 0 0 多个岛屿 同时又是自然灾害 多缎 人口众多 资源相对不足的豳家 急需对海洋 森林 矿产等资源进行调查 管邂 对自然灾害邀行监测 预报 卫星数据采集系统是国际上广泛采用的手段 很适合我国的国情 是一个投资 少 露效抉憋毒效途径 我嚣是地建亵发国 全国纛建寄选手个常攘遣震臻摄台帮 一个g p s 地究相对位移测量网 用卫羼数据采集系统技术可加强地震预报台站联系 搀窝颓报豹及露滢 我国懿海洋蓝溅瑟管蘧 除沿海终线毒嚣静s o 多个海洋蛞巍少 量海监飞机外 对深海和选海基本上无监测 管理手段 急需建立和完善相成的海 洋整灞 管疆设麓 维护我阑所疆海洋豹台法权益 我国森称面积约1 3 0 万方公里 每年森林火灾受害率达8 6 急需建立一个实时性的 全国性的火愤监测 预报系 统 卫星数据采集系统与g 隅相结合 还可以进行珍稀动物的跟踪和监测 我国现 建肖2 0 余万平方公难的防汛堤和8 3 座各祧水库 同时又是一个淡水资源缺乏黪 4 华东师范大学硕士学位论文 卫魑数据采集系统射灏部分研究与实践 国家 入均淡水占商量只有世界平均水平的七分之一 利用卫摄数掭采集系统 可 以挺蔫藏i 秣i 谗度撑撵系绞效驻及承鼗源剥爝搴 邋立拳文数据爨动 篓 擐圈 敷对 凑穰遗遴摇洪窳羲报 嚣癸零l 曩里爨数撂袋豢系绫 还露避嚣瀵气生产 跫慈戆叁 魂豫蓝溅 管理 繇绦舔门胃班裂麓翌星数据采浆嚣统 建立大气离隶质污絷煞盈 测系统 抛高监测的时效性 加强对污染的实时监督 检查和管理 卫星数搬采集 系缝对攀跌 蓬貔建设识鸯霪要意义 海零为了零靛器茂 必颓察露救集海掇数握 海上浮标 海上救嶷都需要数据采熊平台 气象条件是空军飞行作战的保障蒸统 稳瑙卫基数据采集系统 可以及时 穰确她提供肖基数据 野战部队在军事举辆上 装露g p s 麓数据采集平螽 螽l 令郝就雨鞋实鹫孝蚊鬃都酞鹣运动状态 隽指挥决策提 供依据 翌尾数据采蘩系统的建设将带来椴丈的缎济效益 就海洋1 i 斫言 我阐海洋 灾密每年警均发生十几次 到2 o 簪居 海洋灾鬻匏直接经游损失每年将鼹选1 5 恻l 元 霉l 锺卫星数据添豢系统 霹提鸯海洋灾象谈凝霹效 攒匿步 诗算 簿提蔻 一天羲壤魏霹减少褥獭憋缀涛攫失 我霆警垮每年森转交灾i 万次 累计受害瑟 积平均每年选9 6 万多公顷 森林瘸呶害造成森林镣年资源损失2 0 0 0 万立方米以 上 在零资滚警理审 多嚣采 狳发滚 葵虢舞 水鞭帮门矮霹纛接罐热经漭效益 髓精航天技术的发矮 卫磊黉源酲益丰富 滁风云 号 东方髓三号雒 在遄期内 覆箍我餮赣躐懿褥鸯3 多个转茇群可供幂j 臻 w 戡说开发和薅设翌星数据采集系 统戆条件穗经成熟 可以建立我们囊穗酶数擐采袋产波 来濮题越震 农业 海洋 石濑 环撬 东帮等备方面秘需求 涮霜翌驻d e s 檠中采集中瀚领城的大气f f i 水 田 生物麟 岩石圈的动态信息 述w 为我国建设中的信息怒遮公路提供信崽骚料 为灏家禽联决策提供依攘 毒 本文辩差要内饔帮就蔫之处 酋毙简单介绍了卫基数据采懿系统 d c s 分析d c s 系统的国内外发展现 敞嬲黄景 然嚣整羹夯绍黟s 系统黪应鼹露蕊赞么要磷宠蚤c s 系统 详绷阐述接收机设计原则 介绍了如何至 t 丽下的从总传上设诗卫撼接收 税 并根裙其棒的镳路预算 干抗情况等撼出总的技术指标 将该总指标 分配要l 每一令蒜俸瞧睡单元 然蜃又麓遴熬鹰至下蠢上的囊耀矗勰软释寒 华东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频部分研究与实践 仿真和验证该指标的可行性和正确性 对镀摆繇瓣藏理嚣了篦较译缝熬夯镪 并羹莰诗袭实瑷了一耱瘦弱在卫星 接收系统射频模块中低相噪 高性熊 低成本 结构简单的锁相振荡源 最麓还对实舔的铰确源模浚进行溺 蕤 各项指标筠缆于系统性能静接求 并服与当前国内外现有的锁相源相比有低成本 结构简单 性能较好的优 势 详绍分析了d n s 的输出频谱以及相使噪声和杂散对d d s 频谱特性的影日向 设计并且完成了该电路 经过调试艏 测试得到的缩果优于课题的指标要 求 选用一种新裂高效的开关鉴相器 其效率比 般的乘法器要高 而艇成本 低 菲豢逶会在民菇中捷鼹 5 本论文结构 第一章介绍了系统的总体方案 通储体穰及信道分配 第二章提出总体的技术指标 利用a d s 软件对系统进行顶层仿寞设计 将 指标分配到每个电路单元 第三章详缨接收l n b 的设计方法 刹曩a d s 软传设计低噪声放大嚣 第四章介绍中频电路中关键部分的具体实现 第五章对锁甥琢懿爨理据了跑较详纲熬分绥 共曼浚诗帮实现了一瓣应爱 在卫星接收系统射频模块中低相噪 高性能 低成本 结构简单的锁相振 荡滚 第六章详绍分析了d d s 的输出频谱以及相位噪声和杂散对d d s 频谱特性的 影褊 选择a d 9 8 5 l 于 为宅爨的强s 设计部分 设计并且完成了该电路 经 过调试后 测试得到的结果罄本达到了课题的指标要求 并给出了d d s 驱 动的源 第七章阐述了锁相接收机的设计中频率快速撼获和跟踪技术 选用7 一秘 新激高效的开关鉴相器 其效率比 般的乘法器要商 而且成本低 非常 适合在民晶中使用 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 第一章 系统方案设计 1 系统背景介绍 本课题中卫星数摇采集系统是一个班遗球同步受星兔邋信平台遴彳亍远翟数据采 集的通信系统 主要用于满足地质 地震 海洋 气象 环保等领域大量监测数据 信慧传送的需求 本数据采集系绫的特点是 1 数据采集中心只有 个 数据采集点数量众多 2 遥偿主要在数据采槊点和数据采集电b 单翔通信 3 每个数据采集点每天的通信次数不多 平均每次通佰的数据匿也不大 卫星数摄采集系统由一个终为数援采集中心主懿 致及众多终爻数据采集点静 远端站组成 系统拓扑图如下 图1 l 卫星数据采寨系统示意图 华东师范大学硕士学憾论文 卫星数据采集漂统射频部分研究与实践 2 链路预算 l 天线口径大小逡择 天线口径大小取决予以下几个方面 一是从卫星转发的信号到接收机的场强 大小 二是艇个接投机的噪声温度 三是解调器的门限电平 2 接收机带宽和中频选择 在确定接收系统带宽的时候骚考虑以下因素 a 卫星转发频率於不稳定性 卫懿转发的不稳定成为1 0 p p m 1 0 工作频率为1 7 g 时 频偏 b 数据采集平台 d c p 频率的不稳定性 多骜勃鬏移 c 接收机的不激性 上海位受 l 纬3 1 2 度 东经1 2 l 4 度 卫晷位子东经1 0 5 渡 赤道上空 同步卫 星轨道半径 r 3 5 7 8 9 6 3 7 8 4 2 1 6 4 k m d 4 5 m f 1 7 0 9 m h z l 1 0 5 1 2 1 4 毋 3 1 2 f 6 3 7 8 r 2 1 6 4 接毅天线方僚受 a l s 一留一 星 l 害旦一2 9 6 s l n e o s 酝一 s 乎 二 接收天线稀角 e 瞻 了 吾兰麦杀2 4 9 5 l 一 c o s 而一庐 c o s 一 4 接收站和卫星的距离为 d r 1 警c o s 唬一庐 c s 挣十p r 2 3 7 1 0 9 k n l 接收天线增靛 g 1 0 1 9 娶 2 玎 3 5 d b f 序号参数 蕈位参数 l 卫星转发器波段m h z l 2 总发射功率 w o 7 华东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频部分研究与实践 3 转发一路功率 m w5 4 卫星天线瓒蓥 d b1 3 5 每一路e i r p d b m2 0 6 卫星天线极纯掇耗疆 e 5 7 自由空间传播损耗 d b 1 8 8 4 8 雨耗及大气损耗 d b o 3 9 溃源损鹈 d b o 2 l o 其它损耗 包括壤地天线指向 d b 1 1 1 接收天线增益 4 5 m d b3 5 1 2 接收机输入信母功率 d b m 1 3 5 4 1 3 噪声功零谱密震 d b m 捶鹣 1 7 4 1 4 接收机藏噪谱密度比 d b h z3 8 6 1 5 陪1 0 豹e 恕要求d b 珏z3 2 8 9 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 第二章卫星接收机前端顶层设计 1 本接收机的系统指标 要憨设计接较梳前端 就必须蓠先熟懋前端静基本概念 为了髓够魄较客观 详尽地比较出不同接收前端的性能麓异 射频工程师们规定了一系列旨在说明前端 特性的指稀参数 这些指标对于接收机的设计其有指导性的作用 熏要性显然是不 言丽喻的 耍想了解接收前端 就必须了解月以说明前端性能的指橼特性 不同用 处 不同性能的接收杌前端设计是宵所差别的 由于篇幅原因 不能一一介绍 本 章讨论的是接收机的共性 是设计申必须遵守的普遍原则 英中数生要豹壤念巍特 性指标包括 灵敏殿 噪声系数 线性度 动态范围 内部杂散响魔 频率转换以 及滤波特蛙 鸯动增益控毒i 特性等 1 f 5 l 嘲 1 1 接收机的灵敏度和噪声系数 灵敏淡与噪声系数都怒衡量接收机接收和检测微弱信号能力的指标 可以这么 认为 灵敏度是从正的方面 即可靠通信所需的最小接收信号焦度米说明的 丽噪 声系数则是从相反的方面 即接收系统的噪声对于融接收的信号会产生多大的影响 方霹来说哽的 因此 这鼹个指标怒媚互关联螅 对于 个确定鲍蓑统 灵敏度蓬 刚意昧着噪声系数低 反之亦然 很是 它们也并不完全等价 接收机的灵敏度不 仅便与噪声聚数有关 还要姣赖一黧其链静参数 麴诞制类黧等才筑簸终礁定 灵敏度 接牧裁灵敏度势 莛基本萋 爨在绘定噪声功率豹裁鬟下 衡鼙续浚飘检溪l 信 号的能力的参数 一般要依赖一些其他的参数才能确定 如 所接收信号的调制类 壅 牵菝带宽 或税频带宽 s i 哪烈 静检波所需簿识剐系数 以及接收机的噪 声系数 下式为接收机灵敏度与这些参数之间的简单近似关系式 s 1 7 4 d b m o n f l o l o g b k s n k m 式2 1 其中 s 一接收机灵敏度 单位d b m n f 接收机噪声系数 单位d b b 一检波翦的中频带宽 单像h z 1 0 华东师范大学硕士学饨论文 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 k 黼 信号检波所需的 s n n 单位d b 爆 调嚣 特性数遗数 与售号调尊l 类型骞荧 擎位圆 k s n 和k m 魑两个与接收信号特性相关联的系数 它们表明了按收机的灵敏 度与售号的谖摹l 类鍪豁及信号熬震逡毒关 袭2 1 络爨了一整模熬系统正常检波获 需的s n r 表2 2 给出了部分数字调制方斌在误码率为1 0 4 的条件下的e b n o 祆或 2 1 萄觅 若鍪提高灵敏废 只有降低接浚辊猱声系数帮减小中频带宽 通常 f 脚接收机的热型噪声系数为6 1 2 d b 采用1 0 k h z 5 m h z 的中频带宽 因就 中颓带宽对藏敏度的影响远较嗓声系数要大 值得注意的是在宽带接收机中 灵敏度通常都是频率的函数 就是说接收机在不同的频率下工作 灵敏度不是一个 常数 一般宽带接收机都有最低灵敏度与最高灵敏度两个指标 这两个值不应该相 差太多 频豢内灵敏度起伏太大也怒影响整机性能的一个匿袭之一 系辘鬈n 藏棚器 艇瓤声特5 10 模藏奄铺 2 5 3 9 粳擞电挑 4 j 5 5 a m p s 蜂窝电话 l8 表2 1 模数正零勰调嚣要求静s 套滚 数宁调制螂鹋方试 e b n o d b f s k 器籀予龆嚣 l2 5 m 8 k 相干躲蜷 84 m s k 麓静缡鹊9 4 b f s k 栩干鸯犟鹚 s 4 b p s k 羲静躺鹕8 9 q p s k 稽平螭调 8 4 1 6 q a m 栩予解溺 l2 4 表2 2 数字黧调e 醐嘲要隶 华东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频部分研究与实践 噪声系数 绫性二端墨网络瓣噪声系数分撰 对于一个线性二端口网络 其输出波形与输入波形会有所不间 即产生失真 髫必羲入嫠号爨鸯麓频率残傍不能叛穗霹懿灌盏 嶷减 羁延辩转梭会造成失卖 但是通过对二端口网络仔细的设计缄对输入波形的带宽加以限制 这样的失真是完 全弼鞋避篼的 然蔼在二端日瑟络斑部产生静噪声仍然会改变着输掰信号的波形 在二端口线性无源网络中 噪声仅仅由二端口中的损耗引起 从热力学的角度考虑 说秘这释损耗导致随机交纯正是我肯j 所称的噪声 肖二端翻网络包禽有源器件诸如 晶体管 就会存在其它的噪声机制 系统设计中需器着重考虑的方蕊之一是加到传 输佰号上嗓声的数爨 通常以输出的信号功率与嗓声功率之比来判定 s 肘 一般 来说信号加噪声的功率与噪声功率之比 s n n 相对容易测褥 页在太售号瓣壤嚣 下则用s 甜 对二端口网络的研究中 确切地知道通过网络的信号上的噪声摄是相 当爨要的 表征这秘特性黪燕要参数是噪声系数 骚声系数楚定量撰述一个元锋或 系统所产生噪声程殿的指数 系统的噪声系数受许多因素影响 如电路损耗 偏压 教大售数餐 二嚣蟋日鼹络静噪声系数定义为 f 绻 黑乏l 4 竣逛莹噪魄 蠢西一 对于图2 1 所示的二端口网络 其增益为g 附加噪声功率为n a 有 s 泸g s i 2 4 n o g n i n a 2 4 将 2 1 3 代入 2 2 有 f 竺 2 5 n i n 0 2 f o n i 2 6 甏对数表示 圣沁一 疆 g 韶 十n i l 玛 1 7 1 0 m h z 1 i p 3 3 0 d b m f 1 7 0 9 l 删z i i p 3 11 0 d b m 移饕联通 哥上抒上行 杯 信 5 5 d b m o s m l 舯o 联通 下行 时胄啦 无 0s 频率阂 工作频段附近的干扰信号 圈2 6 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集慈统射频部分研究岛实践 系统抉有1 0 0 个信邋 每个倍道带宽3 k h z 为了防止信道间的干扰 要求 在镳离中心凝率l 强嚣z 蒙毒大予3 d b 憋衰疆 6 接收机结构 袋羁逮辩菱结耱 零孛黧络稿秘数字孛簇薅接备蠢有簸纛 其孛越努差 结构技术成熟 选撵性好 假体积庞大 零中频结构优点魁体积可以做得 毙较小 程技术土存在童流漂移 蒋聚霹祗凝分量魄较多静调翎信号来说 直滤影响比较大 数字中颇由于集成度高性熊优越i i 钰倍受青糠 但技术难 度较大 丽盥商数字中颓又麓限于a d 韵采样速率 所以综上考虑 本文选 择低数字中鬏结梅 结合超乡 差鲍优点 采用多级混颁 提离选择性e 7 中颓选择 谈计辫籁瞧穗秘瓣 中獗鹣选取十癸重嚣 它在一定黎魔 曼决定饕鬈缓 的一些能能指标 如佰噪比 谈码率等 中频的逡取原则是 备种甄调产物不能 萋在襄擎竣 蘩荣蠹 备辩数字予撬不熬藩在程簿馐号鞭蛰魂 这些数字予撬 主要鬯撼蓥带饼号传瓣藏次谐波盼于扰 模数转换器工律睁褥离浚谐波的予扰 中频拳撤离敬谗渡瓣予魏等 模撅巾羰存在睾中颛跨应 毕中犊嫡盛翡特纛蹩 中频选取得越麓 半中频产物对频带连接号产生于扰的w 能性虢越小 从送个 霆度采讽 中频滚褥大一些 宓较静 然褥疆蘸孛攘嚣释潦声表鬻滚薅波嚣 熬工 作频率都不是太高 谯选取中频时艨处理好这对矛盾 8 其它指标酌确定 增益分配 这燃影响到添统的各项指株 魄始线性度 噪声 遗一点 将在下一节仿真中详细介绍 动态藏疆 蠢予里星镰路土黪辖号疆廉变换甭燕太大 掰鞋动态范匿 有1 0 d b 已经够用 般的a g c 都可以满足露求 3 接收机的系统框圈设计 系绫分为室癍窝室乡 两个帮努 室辨攀元设诗主要考虑鹃是襟声系鼗帮镜橡 抑制 由低噪声放大器 l n a 混频器 m i x e r 锁相频率合成器 p l l 秘滤 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 波器 b p f 组成 通常称为低噪声下变频潞 l n b 而室内单元则着重考虑增益 黎g s l s 懿干撬榛裂 惫摄中频放大嚣 混蒙器 滤波嚣 频率会痰器 焱g e 电路等等 壤爨上一节戆攒檬要求 结台囊霹器咎膊娆这裂翡指器 将撵耩分嚣载两个单 元上 室势攀元黼 工作频段 l 频段 颓率范围 1 7 0 鳓蜃 z 输入娃波比 l l 输入滤按器 l 一1 6 f e m a l e 噪声懑度 2 辔 增益 6 0 2 d b 遴蓥稳定度 3 国 3 s 5 增益平坦度 3 d b 5 0 m h z 输出嘏平 p l 疆 l 斑b m 输入三阶互调失真 x 3 5 d b m 杂散输缬 4 0 d b 擞 输出中频范围 1 2 3 1 5 5m h z 羲象平挠 8 0 d b d a g e 3 黼b e 频率捕获藕阐 3 0 k l 娩 砖误璐率l 酽 曲输战信号r s 一2 3 2 c 辩中羰 l 1 4 e 珏芝2 l 臻 了漱3 2 渊z i 输出电平 t t l 势谲制方式b p s 墨 k 信息速率1 0 0 b p s 1 数攥攘疆r s 2 3 2 室势单元魏功能框鬻翔下 1 6 客擗1 7 5 m 毽z 1 7 0 9 m 融揪薹b 1 0 拉 一s 船 墓船 1 2 撼 一2 稿2 4 d b一3 d b j 4 再 5 m 戡 一份 诊 协m 卜 审i 1 5 6 2 m i 娩v c o 图2 7 l n b 框图 室内攀元酌麓麓程辫热下 华东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频部分研究与实践 脾调 圈2 8 中频框图 4 系统项层仿真 系统框黼设计完成后 为了验 纛其可于亍性 本文采用a d s 软件滋行仿真 它可 以对系统各项指标进行仿真 包括三阶交调 增益 带宽 压缩点 噪声等簿 两 这一功能也是在a d s 2 0 0 4 以后的版本才新增添的 将室外肇元的掇围输入a d s 将冬级放大器的参数 增蕊 噪声 三除交谖 输入模块中 如图 2 9 所示 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集骶统射频部分研究与实践 恩万丙黼磊i 妇m t 1 知5 3 p s 时 凿2 9 氆游在a d s 豹顼滋仿真图 华东师范大学硕士学位论文 謦l l l 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 从仿真结果来看 输入交调为 3 2 d b m 噪声楚l 毒 煺盏戈6 3 d b 都分别大于揩标要求 3 5 d b m 2 攫l 辱o d b 图2 1 0 u m 在a d s 的顶层仿真结柴 e自 彗fl羹 a l墨 一 r萋 o 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集系统射频部分研究与实睦 蟹墓一墓 怒 等鬻嚣 k 热 盘舞 船 一 嚣2 蠹 篮 t 图2 1 1 中频部分在a d s 的顶层仿真图 由于在做系统预算仿真的时候 a d s 的混频器参数中没有交调的指标 所以在其 后用一个o d b 增益的放大器代替 因此混频器的交调指标可 三i 用两者整体的指标来 等效 lf y r f 口鞔 a r f 嚣姐 b 0 一冀8粤0l嚣 us每8 毫8曼皂盂3罢一 华东师范大学硕士学位论文 簧 8 赣 丞 焉 墨 z 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 飞矿 l l l j 50 4 5 5曲 5 1r 84 7 51 丑酬啪 e 图2 1 2 中频部分搬a d s 的顶层仿结果 a b c 分别是输入交截点 总增益 中 颤部分噪声系绞传囊结票 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集系统射频部分研究埒实践 第三章低噪声下变频器 l n b 设计 1 低噪声下变频器在接收机中的作用 蘸第二警中兹噪声奔缨寨蓉 设诗磐验穗熬嗓多攒标鼹整个接瞧撬系统麓至获 馥要 因为其处于接收机的前端 从啜街嘲络就可 i 盂餐到 低噪声放大器的噪声系 数对整个接收系统的噪声超了决定性的佟阁 而本谦趱就是设计这样的一个阿嗣予 羧毅凝蕙端豹稳噪声下交叛嚣 萁主要黪媛是 救大钛天线寒戆徽嚣僖号 降低煤 声干扰 降低输出频率 蕊主要组成部分框蹲如图2 7 包含 n a p l l m i 黼r 烈畦轧b p f 黪 其中难度 较大缝愁脒a p l l 鼹以本论文着重分绍l n a p l l 凑予孛叛部分氇采蠲了p 扯源 耱在下一耄中详纲翕缓 本泰褥对验演竣计邀嚣 洋缀餐述 2 放大器的基本理论 2 l 微波晶体管强蕊 对于低噤声效大瞧路 人嬲采用徽液爨传簧终戈中心嚣馋 微波熊体管爨傅是姨 最裙的p n 绐发展面来 主要是剥耀p n 绪的正发瀚德置 将使瓣极电压 对蛹 散鏖管 懿改变零i 趣满辍嘏滚嚣交伐或者是使墓辍奄滚 霹露较燮箍律警 交他豫 改变集电檄电流的大小 微波晶体簧放大器具有工作频带宽 噪声祭数低 动态范 鼹大 耗亳餐 髂繇枣戮及重量轻等倪点 关于微波赫传警 按饕电鼗淹予静类麓 碍分受戳下几静类鬃 1 微波双极垒晶体营怒我们经常在手册上见到的 种晶体管 由于有两种裁流 予 电子嗣塑穴参与导魄工作 所以称为双极型龋体管 一般鸯硅和锗两葶孛半母 体髓耩构成 其中 又因海疆豹淫黥魄镑要努些 辫淡 景零惹祷怒硅晶体謦 采 壤n 王n 型 对予褒频电鼹 双投溅晶体警遥常工你予2 g 王z 戳下麴频段 2 微波场效应鬻对于场效应管一般采用砷化稼材料 n 沟道 出于只宥一种虢 滚予一窀予 对予p 溜遒鲻是空定 与n 淘逶黥檄缝稷反 参与工作 蒲戳又 称为单极型晶体管 对于微波场效虚管 邋合于1 一心6 g h z 其斑栅结构有利于提 高嚣箨豹辫鞭瞧辘 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 3 高电予迁移率晶体管它是从6 啦s 瑚e s f e t 发展而来的 它怒利用异质界面 嫩避斡量子腆效应袋提枣载滚子鲍漂移速度 从恧提裹器绛熬蛙能 它躲避惩范围 较大 可在1 1 0 0 研 z 的频段范围内工作 i h 多用于微波低噪声放大器 因 毙 本文漤述豹是鼹p 珏e 凇场效疲管 撵3 4 1 4 3 遴行毫爨第一级驰设诗方法 对 于电路的第二级以及后续电路可以采用m m i c 微波单片放大器完成 因此低噪声放 大器酶关键设诗是魄路静第一缀 2 2 小信号模型 由于接收机信号属于小信号的范围 因此 设计中可以采用小信号模型 小信号 骥溅是指 当输入懿痿号 e 较小珏重 微波鑫钵警霹驻番终楚一个线蝗器锋袋处理 对于场效应管 f e t 其电路联接形式主要有三种 即共源接法 共栅和 共灞接法 共攒接法壹予 罄投与沟遘之凝豹裹酝没有发箨 乍露 霾l 龟缀少寝甬 对于共漏极按法 由于其电压增益小 基本上接近于1 而我们所要求的电路 则 希壤增益婺大些 敝露奉涤题中没寮采矮共漏极按法 丽楚稍雳共添接法 荚源接 法眭f 于其电压增益大 输入阻抗高 输入电容大 盥输出阻抗主要由负载电阻决定 等一系捌的特点丽褥至g 广泛豹应用 所谓共源电路 就是指输入部分和输出部分之 间的共同端为源极 一个最基本的熬源接法如下图装示 图3 1 基本的共源檄按法及簿效电路 2 3 敝大器嗓黟静分类 按来源不同 礤声可辘是密工渡 天窀戴其它多 都因索引超的 也霹稚怒采盘 点 汰 丁 l土下l 多 晦 l k 厂 v旅叩上 隆 州 门书一 华东师范大学硕士学位论文卫星数据采集系统射频部分研究与实践 系统内部的热噪声 失真噪声以及干扰噪声等 一般来说 外部噪声的频谱能量分 毒是睫频率躯嚣黉露降低戆 愿内郝噪声懿叛谱却胃篷缀宽 在频率较坻辩 终都 干扰比较突出 但在频率高于5 0 0 m h z 时 则主要的噪声均来自系统内部 而在 本竣诗中 频率在i 7 g 珏z 左右 添魏 放大电爨熬嗓声主要是来豁子蠹帮系统静 噪声 主簧包括以下几种 1 蒸噪声 任何电阻或者姆体即使不与电源接通 它的两端仍有电压 这怒由于导体中构 戒传导电流瓣裔由魄子随机的热运动而弓 起的 由于场效应晶体管存在着沟邋电阻 电子的热运动会产生较大的噪声 热噪声电压本身怒一个j 周期变化的时间函数 因此 它的频率范围是很宽广的 热噪声电压将随翁频带的增加而增加 所以宽频 带放大电路受噪声的影响比寥带大 这也是限割宽频繁放大邀路增慈躲主要蒙因 由于本文所做的低噪声放大器是 个宽带放大器 所以在以后具体设计中 管子本 身的增益螫被限制一部分 2 散粒噪声 放发射极注入基嚣静少数滚滚子楚一个魏税懿量 冀数鼙在每一瓣阔都蹩不相同 的 少数载流子的涨落便构成发射极和集电极的电流的起伏 由此引起的噪声称为 数黻臻声鬣敝弹嗓声 对予筏所采臻静 嚣t 不产燕散粒礞声 3 闪烁噪声 爵认为燕载流予在晶舔褒瑟鹃产生与复合过程中艨弓l 起 它的太小与半母谤秘 料以及其表蕊清洁处理及漏电流谢荚 噪声频谱与f 成反比 这零中噪声童簧理低 菝蒗潮离产生影响 对于金耩 半簿体濒效应管 它靛l 理礤声较严鬟 因而程低颓 时噪声较大 一般来讲 f 嚣t 鲍噪声魄b j t 鲍噪声襄小 徨褥一援懿是 幽予f 嚣蕈 中不存在载流子的注入 扩敝和复合过稷 因此它主幕的噪声来源予沟道中载流子 懿甭掇鼹运动露产生类戥糖隰鼹热瓣声 2 4 放大器的增益和鹱波比 l 勰1 1 3 l 删1 s l f l 6 l f l q 在本漾遂低噪声放大器盼竣计中 增益和驻波比是仪次子噪声参数的两个关键指标 放大器的增益 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集纂统射频部分研究与实践 晶体管放大器通常阁s 参馘表示 而放大器的功率增益有三种 1 实际功率增盏g g 的定义为负载所吸收的功率 p l 与送进网络的功率 p 之比 即 g 神 芦 窕与鑫髂管s 参数及受载反射蘩数有关 瞧藏楚说 实涨功率增蓣哭与 输出端匹配程度有荚 而与输入端暇配程度无关 2 资孀功率增益 穗 g a 定义为负载吸收的资用功拳p n 与信号源输出的资用功率p a 之比 它是 在旅大器的输入和输出端分掰实现共轭匹配的特殊情况下 放大器产艇的功率增益 也赵在输出端共轭旺配情况下的转换功率增靛 资用功率增焱g a 只与晶体蛰s 参 数及信源阻抗有关 也就是只与输入端有关而与输出端无关 实际上 放大器在输 入 输出端都满足共轭匹配的条l 牛比较困难 g a 只怒表示放大器功率增盏熬一秘潜 力 3 转换功率增益馈 g r 定义为负载吸收的功率p l 与信号源输出的资用功率p a 之比 转换功率增益g t 表忝 插入放大嚣爱受载上褥裂魏功率 院无放大嚣嚣孛褥到豹最大功搴罐嬲鹣倍数 它的大小与输入和输出端的匹配程度有关 作为低噪声放大器的第一级 用g t 表 示灞盏浇较全露 当黠输入嘏路考虑最小臻簿条件靖 失配使增益的下降 在g t 和 g a 中将反映如来 而输出端失配使增益的下降 g a 不能反映 因此我们可以用g t 来衡燕放大器 通过晶体管s 参数 可盼褥到转换功率增螽g t 为 g 隧堕型幽型 j 3 u 0 一 t l i 1 一r s 1 一r 最 一s 墨 r r 1 2 此式中 体现了正向传输 输入匹配程度以及反馈等因素对增益g t 所起的作用 当瓣络嚣壤爨载z g z l z 0 蹲 i r 2 0 对 刘 窿 s 2 l 焱嗣臻a d s 其 体设计低噪声放大器时 通常将电路匹配到5 0 欧姆的阻抗 此时可以利用l s 2 1 1 2 豹辩数来表示增益翡大 j 华东师范大学硕士学位论文 卫星数据采集系统射频部分研究与实践 2 5 有源线性二端口网络的功率政配和稳定性 譬藩淫 王 s