05射频前端下变频器

1、实验五微波下变频器的测试实验一、实验目的1 .了解射频前端接收器的基本电路结构与主要设计参数的计算2 .用实验模块的实际测量得以了解射频前端接收器的基本特性、预习内容1 .熟悉带通滤波器、变频器、信号发生器、低噪声放大器、中频放大器的理论知识。2 .熟悉带通滤波器、变频器、信号发生器、低噪声放大器、中频放大器的设计的理论知识。三、实验设备项次设备名称数量备注1微波扫频仪、频谱仪1套亦可用网络分析仪2LNA本振、卜交频器、滤波器1套置于实验箱内3L16-SMS或BNC-SMA专接头各24SMA1接线2根四、理论分析BPU如图6-1所示，射频前端接收器可分为天线（Antenna）、射频低噪声放大器

2、（RFLowNoiseAmplifier,LNA)、下变频器(Down-Mixer,DownConverter)>中频滤波器(IntermidateFrequencyBandpassFilter,IFBPF)、本地振荡器(LocalOscillator,LO)。其工作原理是将发射端所发射的射频信号由天线接收后，经LNA将功率放大，再送入下变频器与LO混频后由中频滤波器输出到基带处理单元(BasebandProcessingUnit、BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(MessageSignals).这类只经一个混频器上变频(或下变频)的电路构造称为单变频结构(Sing

3、leConversionconfiguration)o而在实际应用中也有双变频结构(DualConversionConfiguration),甚至多变频结构(Multi-conversionConfiguration),使用的场合视系统指标而定。因为BPU的处理频率有所限制(一般在500MHz以下)，所以需要利用变频器(Mixer)及频道振荡器(ChannelOscillator)将射频信号由射频前端接收器下变频为中频段(IntermidateFrequencyBand、IF)信号后再送入BPU,或是将BPU送出的IF信号用射频前端发射器上变频至射频段(RadioFrequencyBand、R

4、F)信号经放大后再发射。射频前端接收器有如下设计参数.(一)天线(Antenna)(二)射频接收滤波器(RF_BPF1)(三)射频低噪声放大器(LNA)(四)射频混频滤波器(RF_BPF2)(五)下变频器(DownMixer)(六)带通滤波器(Filter)(七)本地振荡嚣(LocalOscillator)(八)中频放大器(IFAmplifier)主要设计参数：(一)接收灵敏度(ReceiverSensitivity)S'v"kTBw(SNR)Zs(式6-1)其中s接收灵敏度K1.38*10-23(Joul/°K),波尔兹曼常数(Boltzmann'sCon

5、stantT绝对温度(°K)=273.15+T(°C)Bw系统的等效噪声频宽SNRd在检波器输入端，系统要求的信噪比(Signal-to-noiseRatio)Zs系统阻抗(SystemImpedance)Ft总等效输入噪声因子(NoiseFactor)而上述中，总等效输入噪声因子(NoiseFactor)则是由三大部分组成.(1) Fin1,由接收器各单级的增益与噪声指数(NoiseFigure)造成.，(2) Fin2,由镜频噪声(ImageNoise)造成.(3) Fin3,由宽带的本地振荡调制噪声(WidebandLOAMNoise)造成.其计算公式如(式6-2)(

6、式6-3)(式6-4)及(式6-5)所列.FT=Fim+Fn2+Fin3(式6-2)nFin1=1一二:-1二FF2-1+F3-1+（式6-3）i-IIGjj卫GiG1G2N1一口GjF-i-in2-NITGji3N1+2Fi1-1i-IIG；jain3M,=E-sb4.FLo10WNsb_Lsb-MNBsb10Nt1000kToGjj壬（式6-4）（式6-5）上列公式中变量说明如下：Fi第i单级的噪声因子(NoiseFactor)Gj第i单级的增益(Gain)(G0=1)Fi'在镜象频率下的单级噪声因子(对于因反射所造成的镜频衰减的单级，其Fi'=1.)Gjj在镜象下的单级增

7、益，G0'=1N在接收器中，从接收端计算至混频器前的总单级数(即不包含混频器)Plo本地振荡器的输出功率(dBm)WNsb带通频率上的相位噪声(dBc/Hz)Lsb带通滤波器在旁带频率上的衰减值(dB)MHBsb在旁带频率上的混频噪声均衡比(MixerNoiseBalance)T0室温，2900KM旁带频率的总个数Nt包含混频器在内，从接收端计算至混频器的总单级数五、设计实例某接收系统如图示6-1所示，其各单级增益及噪声指数列于表中单级编号单级名称单级增益Gn(dB)单级杂讯指数NFn(dB)单级杂讯因子Fn(linear)1RF-BPF1G1-2.5NF12.5F11.7782RFA

8、MPG212NF23.5F22.2393RF-BPF2G3-2NF32.0F31.5854MIXERG4-8NF48.3F46.7615IFBPFG5-1.5NF51.5F51.4136ifampG620NF64.0F62.5127BPUNF715F731.623而其它指标特性如下：RF-BPF2镜象衰减量等效噪声频宽lo输出功率lo单辿带相位噪声带通滤波器响应参数=10dBBw=12KHzPlo=23.5dBmWNsb=-165dBc/Hz0.0dBfLo土fiF10.0dB2fLo土fiF20.0dB3fLo土fiF混频噪声均衡比(MixerNoiseBalance)30.0dBfLo土f

9、iF25.02fLo±fiF20.0dB3fLo土fiF系统要求经过实测后的信噪比SNRd=6dB(3.981)（一）求Fini由上述公式可计算出下列结果单级名称前级总增益(dB)nGTn=2GiiZZ0Go=0前级总增益(linear)Gt=10log(袅)10各级噪严贝献（linear）Fn-1GtRF-BPF10.010.778RFAMP-2.50.5622.204RF-BPF29.58.9130.066MiXER7.55.6231.025ifbpf-0.50.8910.464ifamp-2.00.6312.396bpu1863.0960.485故可得:(1) Fini=1+0

10、.778+2.204+0.066+1.025+0.464+2.396+0.485=8.418（二）求Fin2单级编Rn单级名称单级镜频增益Gn(dB)单级镜频增益Gn(linear)单级镜频指数NFn(dB)单级杂讯因子Fn(linear)1RF-BPF1G1-2.50.562NF12.5F11.7782rfAMPG21215.849NF23.5F22.2393RF-BPF2G3-100.1NF30.0F31.0单级名称前级镜频总增益(dB)前级镜频总增益(linear)各级镜频贝献(linear)RF-BPF10.010.778rfAMP-2.50.5622.204RF-BPF29.58.9

11、130.0(0/10)(2) F=(2/10)10.7782.2040.0=0.6310(2/10)(三)求Fin3频率fLO+flFfLO-flF2fLO+flF2fLO-flF3fLO+flF3fLO-flFLsb(dB)0010102020MNBsb(dB)303025252020噪声(Plo栖Nsb-Lm国NBsbJ10101.98419.840.6280.6280.1980.198Nt1000kTonGjjT一，Nt其中，计算到混频器的总增益，口Gj=10L2*)/10=0.891,及1WNsb=-165dBc/Hz,To=29C°K,k=1.38x10-23(Joul/&

12、#176;K).可得Fin3=1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62(四)求Ft=Fini+Fin2+Fin3=8.418+0.63+5.62=14.668(五)求接收灵敏度,Sensitivity.S=14.6681.381023290120003.98150=0.37V(二)接收选择度(ReceiverSensitivity)接收选择度亦可称为邻信道选择度(AdjacentChannelSelectivity,ACS),是用来量化接收器对相邻近信道的接收趋势，目前国际间在电波段规范上趋向窄波道的要求，更显示了接收选择性在射频接收器设计中的重要性，而

13、且这个参数经常限制系统的接收性能。接收选择度是由下列五大部分组合而成.其定义如(式6-6)所示.(1)单边带相位噪声(SSBPhaseNoise)(2)本地振荡源的噪声(LOSpuriousSignal)(3)中频选择性(IFSelectivity)(4)中频频宽(IFBandwidth)(5)同波道抑止率(CochannelRejection)或截获率(CaptureRatio)ACS、CR-1010g10FS1010'p10BW10PNssb101(式6-6)其中ACS(dB)对应于接U攵灵敏度(NominalReceiverSensitivity)的邻信道选择度(Adjacent

14、ChannelSelectivity)CR(dB)同信道抑止率(CochannelRejection)IFS(dB)中频滤波器在邻信道频带上的抑制衰减量BW(Hz)中频噪声频宽(IFNoiseBandwidth)A与邻信道频率差值(ChannelSpacing)Sp(dBc)本地振荡信号(本信道)与出现在频率为(fLO+A)的邻信道噪声的功率比，如图示6-3所示。（三）接收噪声响应（ReceiverSpuriousResponse）从中频端观察，所有非设计所需的信号皆为噪声信号（SpuriousSignal）,而大部分的接收噪声信号来源于RF与LO的谐波混频（HarmonicMixing）。在

15、实际应用中，不可能没有噪声，主要看其功率是否在系统允许范围之内，由混频器的特性，可以式（12-7）来表示RF、LO与IF三端频率的相互关系：nfLOrIFfRF=（式6-7）m较常出现的接收噪声响应有下列三项，可以图6-4表示。（1）镜频（Image）,fRF±2昨（2）半中频（Half-IF）,frf土（3f/2）中频（IF）,fIF中频杂波半中频杂波fRF+2fIF镜象频率杂波图6-3常见的接收杂波响应然而在全双工发收机（Full-DuplxerRadio,即是发射与接收同时作用）,则还会再多出现两项杂波，如图示6-5所示。f爪ffRX双工镜频杂波半双工杂波图6-4常见于全双工接

16、收的噪声(四)接收互调截止点(ReceiverInterceptPoint)互调截止点(InterceptPoint)是电路或系统线性度(Linearity)的评价指标，可由此推算出输入信号是否会造成的失真度(Distortion)或互调产物(Intermodulation(IM)Products),其定义如图6-6所示。图6-5n阶互调截止点在实际应用上，常用的互调截止点有(1)二阶互调截止点(Second-OrderInterceptPointIP2)与(2)三阶互调截止点(Third-Orde门nterceptPoint,IP3)。(1)二阶互调截止点(Second-Orde门nterc

17、eptPoint,IP2)IP2是用来判断混频器对半中频噪声的抑制能力的主要参数，对于一个接收系统中混频器的等效系统输入二阶互调截止点(IP2input)的计算方式如式(6-8)所示，并以下图为例来做说明。IP2input=IP2mixer-(混频器前各单级增益的总和+(混频器前各单级半中频选择度的总和)(式6-8)图6-6射频前端接收器基本电路结构图通带增益(dB)-210-2-半中频选择度(dB)10015二阶输入互调截止点(dBm)-IP2=40dBmIP2input=40-(-2+10-3)+2(10+0+15)=85dBm(2)半中频噪声抑制度(Half-IFSpuriorsReje

18、ction,1/2_IFR)1/2_IFR=(IP2-S-CR)/2(式6-8)假设一FM接收器中混频器的IP2|nput=50dBm,且系统的接收灵敏度，S=-115dBm,而接获率CR=5dB,由式(6-8)可计算出此接收器的半中频噪声抑制度。1/2_IFR=IP2input-S-CR)/2=(50+115-5)/2=80(3)射频放大器的接收增益(TakeoverGainforRFAmplifier,GTAKEOVER)/,FampGamp_1-GTAKEOVER=1010g1-dBFmixert其中GTAKEOVER射频放大器的接收增益Famp射频放大器的噪声因子(NoiseFacto

19、r)Gamp射频放大器的增益(Gain)Fmixer混频器的噪声因子(NoiseFactor)此参数会降低混频器的噪声抑制度，降低数量为：GTAKEOVERdBn其中n为噪声响应的阶数(n>1).对半中频而言，n=2。(4)三阶互调截止点(Third-Orde门nterceptPoint,IP3)IP3是用来决定接收系统抵御内调制失真(IMDistortion)的能力，计算步骤如下:1、绘出系统的电路方块图，并标明各单级的增益(dB)及三阶互调截止点(dBm),对于滤波器衰减器，IP3=8。2、换算出各单级的等效输入互调截止点，公式如下：n1IPn=IP3n八Gii1其中Ipn第n单级的

20、等效输入三阶互调截止点，dBmIp3n第n单级的三阶互调截止点，dBmGi各单级的增益，dB各单级标号。3.将各单级的等效输入互调截止点Ipn(mW)=10(IPi)的单位从dBm换算成mW。Ipn(dBm)/104.假设各单级的输入互调截止点皆是独立不相关，则系统输入三阶互调截止点为各单级的输入互调截止点的并联值，如式(6-9)所示：一11IP3input=-IN-=-1mW式(6-9)'一一'-i4IPiIPlIP2IPN5.系统输入三阶互调截止点(IP3input)的单位从mW换算成dBm。IP3input(dBm)=10.log(IP3input(mW)六、模块测量测量步骤：1、打开微波接收实验系统的电源开关，为有源部件提供电源。2、打开扫频仪和频谱仪的电源开关，并校准仪器，为测试做准备。3、测量相关的各个模块