第16单元 无线类比数位接收机之设计与制作

逢甲大學通訊系何滿龍博士 第16單元無線類比數位接收機 13 2 大綱 無線類比數位接收機簡介接收機的架構接收機的靈敏度接收機的動態範圍電路範例分析電路範例實測結果討論 13 3 無線類比數位接收機簡介 射頻接收機的功用是將所要的電波訊號由天線接收後 負責將天線輸入的微弱訊號逐級加以放大和降頻 最後將接收到的射頻訊號解調 還原成原來的訊號 接收機的電路結構可分為射頻前端電路 中頻 和基頻等三級 我們就分別將這三級電路的功能加以說明 13 4 無線類比數位接收機簡介 射頻前端電路 RFFront end 包含射頻低雜訊放大器 LNA 和混頻器 Mixer 兩個部份 主要負責接收的靈敏度和動態範圍等兩種性能的表現 前端電路的性能越好 則接收微弱訊號或訊號急遽變化時的品質表現越好 中頻級電路包含中頻放大器 類比解調器 濾波器 自動增益控制 AGC 等電路 中頻級電路最為複雜 主要負責接收機的選擇性和提供足夠的增益 使中頻解調訊號有足夠的位準送至基頻處理器 繼續完成解調的工作 13 5 無線類比數位接收機簡介 基頻級主要是由基頻處理器所構成的 一般是由數位訊號處理器處理中頻級送來的基頻類比訊號 並轉換成基頻數位訊號 發射時則將基頻數位訊號轉換成基頻類比訊號 以及處理自動增益控制 AGC 位準和跳頻等等的工作 13 6 接收機的架構 接收機的架構 可以簡單區分為超外差式與直接變換 DirectConversion 或稱直接降頻式等兩大類 超外差接收機 超外差式接收機是先將接收到的射頻訊號轉至中頻 經過中頻濾波與放大的處理 供解調器進行訊號解調還原 超外差式接收機之架構如圖13 1所示 超外差接收機可採用一個中頻或兩個中頻的架構 超外差接收機無論在靈敏度 選擇性及穩定性上都有相當優越的表現 因此傳統的接收機 大都是採取超外差架構 13 7 接收機的架構 圖13 1超外差接收機架構圖 13 8 接收機的架構 超外差方式的最大優點是選擇性 也就是在強干擾訊號下 小信號的處理和選擇能力很優秀 若經過兩次變頻 可以獲得更高的選擇性 超外差方式的主要缺點是對中頻鏡像訊號太靈敏 進而造成接收機靈敏度的降低 且中頻鏡像濾波器須使用大量的被動元件 更由於兩次混頻需要額外的VCO和PLL 所以需外加許多元件 以致無法有效地將功耗 體積減小 以及成本無法降低等缺點 13 9 接收機的架構 直接降頻式接收機 直接降頻式接收機如圖13 2所示 為一種零中頻接收技術 即RF訊號不需變換到中頻 而是由射頻直接變換到基頻 並解調出類比I Q訊號 然後再送至基頻處理器 解調成為基頻數位I Q訊號 由於射頻訊號直接變頻到基頻時 射頻訊號的正負頻率會重疊 因此直接降頻方式 需要兩個混頻器 産生正交I Q解調訊號 零中頻方式可以抑制鏡像頻率 但其前端的選擇性較低 一般只需加入帶通濾波器濾掉帶外訊號即可 I Q通道的低通濾波器的功用則為選擇希望的頻道 並抑制鄰頻干擾 13 10 接收機的架構 圖13 2直接降頻式接收機架構圖 13 11 接收機的架構 直接降頻式接收機由於RF與LO頻率幾近相同 LO訊號較容易洩漏至天線端發射出去 或再進入混頻器而產生了自混頻 SelfMixing 的現象 射頻訊號經LNA放大後 同樣地也會進入混頻器的本地振盪端產生自混頻現象 自混後使I Q輸出含有近乎直流的拍差訊號而造成直流偏移 如圖13 3所示 圖13 3本地振盪洩漏及自混頻造成直流偏移現象 13 12 接收機的架構 直接降頻式接收機的優點為電路結構簡單 缺點為靈敏度 選擇性及直流穩定性較差 本地振盪洩漏是直接降頻方式的最大缺點 本地振盪洩漏也會調諧到天線並幅射出去 因而造成附近同頻帶接收機的帶內干擾 直接降頻式接收機的混頻方式 大多使用次諧波混頻 Sub harmonicMixer 模式 以倍頻混頻方式來增加隔離度 並減低本地振盪洩漏及自混 Selfmixing 的現象 13 13 接收機的架構 直接降頻式接收機的好處有下列幾點 由於未經中頻轉換 電路簡單 減少非線性轉換失真 可以提高接收機動態範圍 由於沒有中頻 因此不需要中頻放大器與中頻SAW濾波器 可以簡化電路結構及降低成本 直接降頻方式中 頻率合成器只使用一個 可減少不必要的干擾和耦合 並可加快頻率合成器的鎖定時間 13 14 接收機的靈敏度 靈敏度是指接收機在天線端收到的訊號 並且可以將其解調出來的最小訊號感度 接收機所要接收的訊號功率低於雜訊底層 NoiseFloor 時是無法收到任何訊號的 唯有所要的訊號功率大於雜訊底層功率和接收系統的雜訊指數之和時 才能收到所要的訊號 如圖13 4所示 此即接收機的接收靈敏度 所以接收機的接收靈敏度與其本身的雜訊指數息息相關 13 15 接收機的靈敏度 MDS MinimumDiscernibleSignalSFDR Spurious FreeDynamicRange 圖13 4IP3截點和動態範圍 13 16 接收機的靈敏度 在絕對溫度為290oK時 且於50 環境下的熱雜訊功率為4 10 21W Hz 若以dBm為單位時 則可寫為 174dBm Hz NF是指接收機於50 環境下的雜訊指數 BW是接收的頻道頻寬 SNRmin為接收系統可於其規定的誤碼率下 解調出原來訊號時的最小訊號雜訊比 SNR 可辨別的最小輸入訊號功率MDS則可表為 13 1 13 17 接收機的靈敏度 圖13 4中三階轉換曲線大於雜訊底層 或三階訊號出現 時的最小輸入功率可表示為 13 2 13 18 接收機的動態範圍 動態範圍 DynamicRange DR 的定義是接收機可以正確接收到訊號的訊號強度範圍 亦即是指接收機可以接收到所需要的訊號時之最小功率 MDS 至其所要訊號被三階訊號掩蓋 IIP3 而無法將訊號解調出來時的最大輸入功率間的範圍 如圖13 4所示 若強干擾訊號或訊號本身的輸入功率大於1dB壓縮點時 接收機便因飽和而無法收訊 這個現象稱之為阻塞 Blocking PS 13 19 接收機的動態範圍 無混附信號範圍 SFDR 則是指接收機可以接收到所要的訊號時之最小功率 到其三階轉換曲線大於雜訊底層 或三階訊號出現於放大器之輸出 時的最小輸入功率間的區域 在此區域放大器並不受三階訊號的干撓 所以SFDR動態範圍是接收機的最佳工作區間 由圖13 4中可以看出SFDR關係如下 13 3 13 4 13 20 電路範例分析 圖13 5所示是以調頻為基礎的接收機系統方塊圖 由圖可知它主要是由天線 Antenna 射頻前端電路 RFFront end 鎖相迴路模組 PLLModule 中頻處理電路 IFProcessor 與基頻處理電路 BasebandProcessor 所組成 要接收發射機所傳來的訊息時 須先經由天線將空氣中所欲接收之電波信號接收下來 再送入低雜訊放大器 LNA 中將射頻信號加以放大 而後再利用混頻器 Mixer 並配合鎖相迴路模組所輸出之本地振盪信號將高頻率的射頻信號降頻至固定的中頻信號 13 21 電路範例分析 圖13 5調頻的接收機系統方塊圖 13 22 電路範例分析 中頻信號經由中頻低通濾波器 LPF 將混頻所產生的高頻訊號濾除後由中頻放大器將中頻信號放大再送入FM解調器中作FM解調 若發射機所傳送的訊息是音頻訊號 則解調器所輸出之音頻信號需送入音頻處理器中加以放大與解壓縮及解強調 若發射機所傳送的訊息是數位訊號 則解調器所輸出之數位信號需送入資料處理器中加以處理與解碼 13 23 電路範例分析 天線 天線在無線通訊接收機中主要扮演的角色是要將空氣中接收機所欲接收的射頻信號收入 使用與發射機相同的平板天線 PatchAntenna 來製作接收機所需之天線 因此我們直接參考圖12 14所示之平板天線的大小 Size 來設計製作所需之天線 射頻前端電路 射頻前端電路主要負責接收機的靈敏度和動態範圍等兩種性能的表現 前端電路的性能越好 則接收微弱訊號或訊號急遽變化時的品質表現越好 13 24 電路範例分析 由圖13 5可知射頻前端電路包含射頻低雜訊放大器 LNA 和混頻器 Mixer 兩個部份 低雜訊放大器是接收機的第一級放大電路 其主要目的是提供接收來自天線信號所需的增益 Gain 與靈敏度 Sensitivity 由於LNA是接收機的前端部分 因此一個接收機模組雜訊指數 NoiseFigure 的好壞將決定於LNA的雜訊指數 混頻器電路的功能主要是做訊號頻率的轉換 將接收到的射頻訊號與本地振盪器所輸出的訊號互相混合 將射頻訊號轉換成中頻訊號 以便讓基頻電路可以處理該訊號 13 25 電路範例分析 鎖相迴路模組 鎖相迴路模組之功能是要產生一組穩定的本地振盪信號源 並配合所欲接收之射頻信號來輸出不同的頻率 以提供中頻處理電路70 7MHz的固定中頻信號 圖13 5所示之鎖相迴路模組與第12章所述相同 只不過每個不同通道之頻率與發射機皆相差70 7MHz 如表13 1所示 因為平衡式混頻器需要功率較強的本地信號源來驅動 因此在模組中我們利用RF2334來設計一級本地振盪信號放大器 LOAmplifier 如圖12 11所示 以提供混頻器足夠強的本地信號 13 26 電路範例分析 表13 1接收機之頻道規劃表 13 27 電路範例分析 中頻處理電路 中頻處理電路之目的在於將射頻降頻後的中頻訊號濾波 放大與解調 在接收電路中 經過第一降頻後的訊號往往無法達到基頻電路所能處理的頻率範圍 因此我們需有另一個能將第一中頻訊號頻率降頻至基頻電路所需頻率範圍之電路 中頻處理電路包含有中頻濾波器 中頻放大器和FM解調器等三大部份 13 28 電路範例分析 中頻濾波器在中頻處理電路中主要扮演之角色在於濾除前級混頻器所輸出的高頻混附輸出信號 以避免高頻的混附信號使下級電路提前進入飽和 圖13 6所示為中頻濾波器之詳細電路圖 由圖可知我們設計的中頻率波器是屬於六階的低通濾波器 LPF 中頻放大器在中頻處理電路中主要扮演之角色在於將中頻濾波器所輸出之中頻信號放大 且接收機部分的訊號放大增益主要是來至中頻電路的放大器 圖13 7所示為中頻放大器之詳細電路圖 由圖可知我們設計的中頻放大器為兩級的共射級放大器 以提供中頻信號20dB以上的增益 13 29 電路範例分析 圖13 6中頻濾波器之詳細電路圖 13 30 電路範例分析 圖13 7中頻放大器之詳細電路圖 13 31 電路範例分析 FM解調器在中頻處理電路中主要扮演之角色在於將帶有FM調變訊息的中頻信號予以解調並輸出音頻信號 圖13 9為FM解調器之完整電路圖 在解調器中所需之第二本地振盪信號我們是直接使用60MHz的石英振盪器來設計 如圖13 9所示之電阻R2 電容C1 C3與X tal 電阻R4電容C6 C9 C10與電感L1組成正交檢波器所需之90o相移器 第二中頻濾波器主要的任務為濾除混頻器輸出端之雜訊 於此我們直接使用10 7MHz之SAW帶通濾波器 13 32 電路範例分析 圖13 9FM解調器之完整電路圖 13 33 電路範例分析 基頻處理電路 基頻處理器的主要目的是在處理解調變器所輸出之音頻信號與數位信號 處理後的音頻信號直接送入喇叭中輸出聲響 而處理後的數位信號則輸出與發射機所輸入之相同的數位資料 由圖13 5所示可知 基頻處理器主要是由音頻處理器與資料處理器所組成 圖13 10所示為音頻處理器電路方塊圖 其主要是由音頻解壓縮電路 AudioExpandor 音頻解強調電路 AudioDe emphasis 與音頻放大器 AudioAmplifier 等部份所組成 13 34 電路範例分析 圖13 10音頻處理器電路方塊圖 圖13 11音頻信號壓縮示意圖 13 35 電路範例分析 中音頻解壓縮電路與解強調電路之主要目的是要將由解調器所輸出的音頻信號回復原先發射音頻處理電路所補償的高頻響應與振幅大小 如圖13 11所示 以維持整個收發機音頻電路頻率響應的平坦度 音頻放大器之主要目的是要將由音頻信號放大到主足以推動喇叭之位準大小 圖13 12所示為音頻處理器之詳細電路圖 其中解強調電路是由運算放大器 TL 062b 與電阻R6 R8 R9及電容C10 C11 C12所組成 它是一個由RC元件配合運算放大器所組成的主動低通濾波器 如此即可回復原先壓縮電路所補償的高頻響應 13 36 電路範例分析 圖13 12音頻處理器電路圖 音頻放大器電路 解強調電路 解壓縮電路 靜音控制電路 13 37 電路範例分析 解壓縮電路主要是由一顆外接的運算放大器 TL 062a 與SA571壓縮IC所組成 此電路是藉由SA571依輸入訊號的大小來控制外接OP放大器的增益 音頻放大器是由一顆音頻功率放大器 AudioPowerAmplifier 和周圍的電容C14 C15 C16與電阻R12等被動元件所組成 如此經由音頻功率放大器放大輸出之音頻信號將可直接輸出至喇叭將聲音輸出 運算放大器 A741 電容C17 C18 C19 C20 C21 電阻R13 R14 R15 R16與電晶體Q1等元件組成靜音 MUT 控制電路 此電路可藉由FM解調器的RSSI輸出信位準來控制音頻放大器是否動作 13 38 電路範例分析 圖13 13所示為資料處理器電路方塊圖 其主要是由資料回復器 DataRecovery 時脈回復器 CLKRecovery 時脈同步電路 CLKRecovery 與曼測斯特解碼器 ManchesterDecoder 等部份所組成 圖10 13資料處理器電路方塊圖 13 39 接收機模組 MSA 08實驗模組 13 40 電路範例實測結果討論 圖13 12或MSA 08模組之音頻處理器解強調特性測量結果 13 41 電路範例實測結果討論 圖13 12或MSA 08模組之音頻處理器解壓縮特性測量結果 13 42 電路範例實測結果討論 圖12 5或MSA 07模組之資料處理器信號波形量測結果 CH1 測試點T4 除頻器輸出 CH2 測試點T5 時脈同步輸出 CH1 測試點T6 曼測斯特編碼輸出 13 43 電路範例實測結果討論 圖13 13或MSA 08模組之資料處理器信號波形量測結果 續 CH1 測試點T3 資料回復器輸出 CH2 測試點T4 資料回復器輸出 CH1 測試點T1 時脈回復器輸出 13 44 電路範例實測結果討論 圖13 13或MSA 08模組之資料處理器信號波形量測結果 續 CH1 測試點T2 時脈同步輸出 CH2 測試點T4 資料回復器輸出 DataO P輸出端 曼測斯特解碼輸出 13 45 電路範例實測結果討論 圖13 9或MSA 08模組之FM解調器之量測結果 音頻訊號 1kHz 音頻訊號 400Hz 13 46 電路範例實測結果討論 圖13 9或MSA 08模組之FM解調器RSSI輸出電壓與中頻信號輸入功率關係圖 13 47 電路範例實測結果討論 接收機或MSA 08模組之本地信號源與接收通道之量測結果 參考圖13 1 13 48 電路範例實測結果討論 接收機或MSA 08模組之低雜訊放大器增益與雜訊指數量測結果 增益 10 55dB NF 1 64dB f 2 4GHz 13 49 電路範例實測結果討論 接收機或MSA 08模組之混頻器轉換增益與RF輸入功率關係圖 轉換增益 約41dB 20dBmPRF 13 50 電路範例實測結果討論 圖13 8或MSA 08模組之中頻濾波器頻率響應量測結果 3 dB頻率 114 5MHz 13 51 電路範例實測結果討論 圖13 7或MSA 08模組之中頻放大器頻率響應量測結果 增益 26 6dB 3 dB頻寬 20MHz fo 70MHz 40dBmPIF 13 52 電路範例實測結果討論 圖13 5或MSA 08模組之射頻前端