（信号与信息处理专业论文）基于单变频结构的地面数字电视调谐器前端设计.pdf

重庆大学硕十学位论文 中文摘要 摘要 数字电视是数字信息技术发展的产物，其数字化、交互性明显。与传统模拟 电视相比，它不仅有效地节省频道资源，而且大大提高了影音效果。由于它使用 的宽带网可以传播即时图像和声音，所以数字电视可以开展各种综合性业务。地 面数字电视作为数字电视的一个重要组成部分，其研究具有十分重要的意义。文 中主要对地面数字电视系统中调谐器前端的低噪声放大器和双调谐跟踪滤波器进 行了研究。 首先介绍了地面数字电视系统在国内外的发展现状，对该系统中调谐器的几 种结构进行了分析。经过比较各种结构的优、缺点，选用了较为简单实用的单次 变频结构。低噪声放大器和双调谐跟踪滤波器是该结构前端的两个组成部分。在 低噪声放大器的设计中，以基于前馈原理抵消噪声的共栅电路为核心电路。采用 电流复用技术降低功耗，利用m o s 管进行反向隔离，提高了输入、输出阻抗匹配。 通过仿真，低噪声放大器在工作频段内( 5 0 m h z 9 6 0 m h z ) 电压增益( $ 2 1 ) 大于 1 4 3 d b ，噪声系数( n f ) 低于2 8 7 d b 。该电路完全能满足调谐器对宽频带、高信 噪比和有效提高信号增益的要求。 在双调谐跟踪滤波器的设计中，主要解决了信号增益受损、在4 0 0 m h z 以上 频段较难实现较高镜像抑制的问题。通过对双调谐滤波器的选频特性和镜像频率 特点的分析，给出了谐振网络电感、电容，镜像抑制电容等重要参数的计算公式。 为双调谐跟踪滤波器前端接入一个陷波滤波器。调节该陷波滤波器参数，可使镜 像频率落在其零点处，而信号频率落在极点处。这样就使得在4 0 0 m h z 以上的高 频段，镜像频率得到有效抑制且减小了全频段信号的衰减。通过仿真，双调谐跟 踪滤波电路不仅有效地抑制了镜像频率( 全频段镜像抑制达到5 0 d b 以上) 及谐波 干扰，还在一定程度上降低了插入损耗，提高了信号增益。 关键词：调谐器，低噪声放大器，跟踪滤波器，镜像抑制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d i g i t a lt e l e v i s i o ni st h ep r o d u c to fd e v e l o p m e n to fd i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ， d i g i t a la n di n t e r a c t i v eo b v i o u s l y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la n a l o gt v ，i tn o to n l y e f f e c t i v e l ys a v et h ec h a n n e lr e s o u r c e s ，b u ta l s og r e a t l yi m p r o v et h ev i d e oe f f e c t o w i n g t oi t su s eo fb r o a d b a n dn e t w o r kc a nt r a n s m i tt h er e a l - t i m ei m a g ea n ds o u n d ，s ot h e d i g i t a lt e l e v i s i o nc a nc a r r yo u t av a r i e t yo fi n t e g r a t e db u s i n e s s d i g i t a lt e r r e s t r i a l t e l e v i s i o na so n eo fi m p o r t a n tp a r to fi t sr e s e a r c hh a st h ev e r yv i t a ls i g n i f i c a n c e i nt h i s p a p e r ，m a i n l yo nt h ed i g i t a lt e r r e s t r i a lt vs y s t e mt u n e rf r o n to fl o wn o i s ea m p l i f i e ra n d d o u b l e t u n i n gt r a c k i n gf i l t e rw e r es t u d i e d f i r s ti n t r o d u c e dt h ed i g i t a lt e r r e s t r i a l s y s t e m i nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n d e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，t h es y s t e mo fs e v e r a l s t r u c t u r e sw a sa n a l y z e di nt h et u n e r t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fv a r i o u ss t r u c t u r a la d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，s e l e c t s i m p l ea n dp r a c t i c a ls t r u c t u r eo ft h es i n g l ef r e q u e n c y l o wn o i s ea m p l i f i e ra n dd o u b l e - t u n i n gf i l t e ri st h ef r o n t e n do ft h e t w op a r ts t r u c t u r e i nt h ed e s i g no fl o wn o i s e a m p l i f i e r ，b a s e do nf e e df o r w a r dp r i n c i p l eo f f s e tn o i s eg a t ec i r c u i ta st h ec o r ec i r c u i t t h ec u r r e n tr e u s et e c h n o l o g i e st or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n ，t h eu s eo fm o st u b e r e v e r s ei s o l a t i o n ，i n c r e a s et h ei n p u ta n dt h eo u t p u ti m p e d a n c em a t c h i n g t h r o u g ht h e s i m u l a t i o n ，t h el o wn o i s ea m p l i f i e ri nw o r k i n gf r e q u e n c yb a n d ( 5 0 m h z - 9 6 0 m h z ) v o l t a g eg a i n ( $ 2 1 ) i sg r e a t e rt h a n1 4 3 d b ，n o i s ec o e f f i c i e n tf n f ) o fl e s st h a n2 8 7 d b t h ec i r c u i tc a nm e e tt h et u n e ro nw i d eb a n d ，h i g hs i g n a lt on o i s er a t i oa n di m p r o v et h e s i g n a lg a i nr e q u i r e d i nt h ed o u b l e t u n i n gf i l t e rd e s i g n ，m a i n l yt os o l v et h es i g n a lg a i ni si m p a i r e d ；i n f r e q u e n c yb a n d sa b o v e4 0 0 m h zi sd i f f i c u l tt oa c h i e v eh i g h e ri m a g er e j e c t i o np r o b l e m s b a s e do nt h ed o u b l e - t u n i n gf i l t e rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa n di m a g ef r e q u e n c y r e je c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，g i v e st h er e s o n a n tn e t w o r ki n d u c t a n c e ，c a p a c i t a n c e ， s u p p r e s s i o nc a p a c i t o r sa n do t h e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r s f o rt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a d o u b l e t u n i n gf i l t e rf r o n ta c c e s san o t c h f i l t e r r e g u l a t i o no ft h en o t c h f i l t e rp a r a m e t e r ， c a nm a k et h ei m a g ef r e q u e n c yf a l l si nt h ez e r o ，w h i l et h es i g n a lf r e q u e n c yo nap o l e t h i sm a k e st h e4 0 0 m h zm o r eh i g hf r e q u e n c y ，i m a g ef r e q u e n c yg e t sb ei n h i b i t i o n e f f e c t i v e l ya n dr e d u c e st h ew h o l ef r e q u e n c yb a n ds i g n a la t t e n u a t i o n t h r o u g h t h e s i m u l a t i o n ，t h ed o u b l e t u n i n gt r a c k i n gf i l t e rc i r c u i tn o to n l yc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s st h e i m a g ef r e q u e n c y ( a l lb a n di m a g e - r e j e c t r e a c h e dm o r et h a n5 0 d b ) a n dh a r m o n i c i i i n t e r f e r e n c e ，a l s ot oac e r t a i ne x t e n t ，r e d u c i n gi n s e r t i o nl o s s ，i m p r o v e st h es i g n a lg a i n k e y w o r d s ：t u n e r , l o wn o i s ea m p l i f i e r , t r a c k i n gf i l t e r , m i r r o ri n h i b i t i o n 重庆火学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 数字电视是指采用数字技术将活动图像和声音等信号加以处理、压缩、编码， 经存储或实时广播后，供用户接收、播放的电视系统。系统的各个环节，包括从 演播室节目制作，到处理、传送、存储传输，直至接收、显示等过程都采用数字 信号【1 。 数字电视采用双向传输，交互性强，因此就能拥有许多新的功能，从而满足 人们更多的要求。比如视频点播、远程教学、网上购物等。其中视频点播是现阶 段数字电视提供的一项重要服务。它改变了传统收看模式，使观众能够主动选择 播放界面，拥有更大的自由度，更多的选择权和更强的交互能力，传用户之所需， 看用户之所点，有效提高了节日的参与性、互动性和针对性。 数字电视的一个重要发展方向是连接互联网。从技术上讲，通过在数字电视 中增加处理器，可实现利用无线或有线技术与互联网连接。未来的数字电视还将 支持更多的互联接口，如u s b 2 0 、u s bo n t h e g o 、s d 卡、m m c 卡、1 3 9 4 和 w i f i 等，以实现各种数码设备与数字电视之间的信息互享。 按照数字电视的信号传输可以分为地面无线传输、卫星传输、有线传输三类， 分别对应地面电视、卫星电视和有线电视。不同的信号传输方式对应了不同的调 制方式：一是正交振幅调制，这种方式调制效率高，但要求传送途径的信噪比高， 适合有线传输方式；二是键控移相调制，这种方式调制效率也非常高，但要求传 送途径的信噪比低，适合卫星广播传输；三是残留边带调制，这种方式抗多径传 播效应好，适合地面广播；四是编码正交频分调制，抗多径传播效应和同频干扰 好，适合地面广播传输方式怛儿3 | 。 在上述传输方式中，以无线传输方式为我国电视用户的主要接收方式。在全 国3 5 亿户的电视用户群体中，约有三分之二的用户采用这种方式收看电视节目。 这些用户主要分布在城郊及广大的农村地区，他们迫切需要接收更加稳定可靠的 电视节目。 按照国家规划，目前我国正处在电视节目从模拟化向数字化的转化过程中。 去年底颁布并执行了地面数字电视的国家标准，为地面数字电视的发展提供了新 的机遇。 与传统模拟地面电视相比，地面数字电视接收的电视图像质量明显改善、频 谱使用效率大大提高、可以提供更加丰富的信息服务、提高公共服务水平、拓宽 公共服务领域【4 】。其优势具体来说有 重庆人学硕士学位论文1 绪论 高信息容量：可提供大于2 4 m b s 的单信道码率。 高度灵活的操作模式：系统支持固定、便携、步行或高速移动接收。 高度灵活的频率规划和覆盖区域：使用单频网和同频道覆盖扩展器缝隙填 充器的概念，通过选择不同保护问隔的工作模式可构建1 6 公里和3 6 公里覆盖范围 的单频网。 支持多个传送网路协议，易于与其他的广播和通信系统连接。 便携终端功耗低。 支持多种工作模式，传输速率可选范围5 4 1 4 ，- - - 3 2 4 8 6 m b p s ；调制方式可选 q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ；保护间隔可选5 5 6 m s 、1 2 5 m s ；内码码率可选0 4 、0 6 、 o 8 。 目前，我国已迎来地面数字电视发展的黄金机遇。据预测，未来1 0 年内，国 内将有4 亿台彩电需要更新换代；未来3 年内，车载电视、车载机顶盒市场总容 量可达8 0 多万台，个人多媒体终端如p m p 将达到7 5 0 万台；未来5 年内电脑电 视的用户数量有望达到3 0 0 0 万，而这些都将使用地面数字电视传输系统【5 j 。 地面数字电视通过机顶盒或内置调谐设备来接收地面广播电视信号。数字电 视调谐器是数字电视系统中的重要组成部分，俗称高频头。它把接收到的射频电 视信号进行放大、变频、滤波、解调等处理，最后传给数字电视显示器【6 j 。调谐器 的能力大小将直接影响收看数字电视节目的质量高低。所以，对调谐器的研究具 有重要的意义。 1 2 地面数字电视调谐器研究现状 随着数字技术的发展，调谐器越来越向集成化、小型化和高可靠性发展。在 国际上，法国的t h o m s o n ( 汤姆逊) 公司，日本的s h a r p 公司，荷兰的飞利浦 公司，韩国的三星公司等，是地面数字调谐器的主要生产厂家，几乎垄断了数字 调谐器国际市场，但目前基本都是生产满足欧秒i t d v b t 标准，美国a t s c 标准的地 面数字调谐器产品。上述主要厂家在国内基本都有相应的合资工厂如天津三星公 司、苏州菲利普等。在国内同行业中，成都旭光电子股份有限公司，长虹高频电 器公司，t c l 高频电子有限公司等国内较大调谐器制造业，基本上都是以生产数 字卫星调谐器为主( 主要为出口) ；其次是生产d v b c 有线数字电视调谐器，地 面数字调谐器都还处于研制或小批试制阶段。因此，目前符合我国数字电视地面 传输标准的调谐器的研发，国内外生产厂家都处于同一起跑线上。 由于地面数字电视传输方式采用c o f d m 或8 v s b 调制方式，对调谐器的相 位噪声更为敏感，需要具有较好相位噪声性能的调谐器。目前与其配套使用的主 要是单变频调谐器和双变频调谐器。 重庆人学硕士学位论文1 绪论 本文主要设计地面数字电视调谐器单次变频结构中较为重要的低噪声放大器 和滤波器两个部分。 1 3 论文内容和组织结构 简单介绍了论文研究的背景、意义和地面数字电视调谐器的国内外研究现状， 通过分析地面数字电视调谐器的基本架构，确定了以单次变频输出架构为主的研 究方向。根据调谐器设计方案，主要对其中低噪声放大器和滤波器两个部分进行 了电路设计和仿真。具体组织结构如下： 第一章介绍数字电视系统，分析地面数字电视的国内外发展状况及传输标 准。介绍地面数字电视调谐器的发展。 第二章对数字电视系统中调谐器的几种基本架构进行介绍，分析它们各自的 特点，选定合适的架构。 第三章设计调谐器前端的低噪声放大器并进行仿真。在介绍调谐器中低噪声 放大器主要参数的基础上，对比现有放大器设计的基本技术，采用基于噪声抵消 技术的共栅结构设计核心电路。对电路进行推导分析并计算出其中主要元件的参 数值。 第四章介绍双调谐跟踪滤波器的设计基础知识。包括谐振电路的选频特性和 重要参数的推导过程。 第五章设计双调谐跟踪滤波器电路并进行仿真。在双调谐谐振回路基本框架 的基础上，对不同波段的选频特性和镜像抑制电容进行推理计算。在双调谐滤波 器电路前端加入一个陷波滤波器，使4 0 0 m h z 以上的信号波段能达到较高的镜像 抑制。 第六章总结与展望。 重庆大学硕士学位论文 2 数字电视调谐器功能及系统结构分析 2 数字电视调谐器功能及系统结构分析 2 1 调谐器功能 作为接收并处理电视信号的数字电视接收机，一般可分为前端的调谐器及解 调器，后端的译码器。下面主要介绍其中调谐器的分类及主要参数。 2 1 1 调谐器的种类和功能 调谐器通常可区分为传统式调谐器及硅晶调谐器两种。依据不同的传播媒介， 可区分为卫星调谐器( s a t e l l i t et u n e r ) 、有线系统调谐器( c a b l et u n e r ) 和地面广 播调谐器( t e r r e s t r i a lt u n e r ) ；依据不同的标准，可分为模拟调谐器、数字调谐器； 依据不同的广播性质，又可区分为音频调谐器和视频调谐器等。 调谐器的主要功能就是接收、放大信号并降频、滤波。但是由于数字电视信 号可在一个频道上载入多个节目，因此调谐器需要从接收到的多个信号中选择客 户想要的频道，并滤除不要的频道。此外，因接收信号载有多个频道而形成宽带 信号，所以调谐器必须具备宽带设计才能完整的接收信号并进行处理【7 | 。 2 1 2 调谐器的主要参数 动态范围： 动态范围是指改变输入信号强度时，调谐器具有的处理信号的能力。例如， 调谐器必须具有自动调节增益大小的功能。接收到微弱信号时可放大信号以提高 信噪比，而接收到较强信号时可减小信号以防止信号饱和。 不同的传播方式对动态范围的要求不同。通常情况下，卫星传播方式对动态 范围的要求最小，有线传播方式次之，约为3 0 4 0 d b ；地面广播方式对动态范围的 要求最大，约为6 0 7 0 d b m j 。 噪声指数： 噪声指数即是输入信噪比与输出信噪比之差，它决定了调谐器的接收灵敏度。 以卫星系统为例，它的噪声指数通常要小于l d b ；而数字地面广播要求不得 高于7 d b ；有线系统1 0 d b 就己足够瞵j 。 相位噪声： 相位噪声对数字调谐器的影响较为明显。由于实际工作中本振信号常受噪声 影响在零点位置产生抖动，影响数字调谐器的信噪比，从而降低了频谱使用效益。 镜像抑制： 镜像频率是指高于有用信号频率两倍中频处的频率。它在降频过程中会与有 用信号混合在一起，对有用信号产生极大的干扰。所以必须使用带高镜像抑制功 能的滤波器或混频器对镜像信号进行滤除，降低镜像干扰。 4 重庆大学硕士学位论文 2 数字电视调谐器功能及系统结构分析 数字电视对信号清晰度的要求非常高，所以在调谐器设计时镜像抑制必须达 到5 0 d b 以上才足够。 2 2 调谐器系统结构分析 2 2 1 单变频输出 低噪声放大器 跟踪滤波器 混频器声表面滤波器 本地振荡器 图2 1 单变频输出结构 f i g u r e 2 1s i n g l e f r e q u e n c y - c o n v e r s i o no u t p u ts t r u c t u r e 这种结构对传统的调谐器来说，不论模拟或数字均可采用。单变频输出的结 构如图2 1 。其工作流程为：首先，宽带电视信号经过低噪声放大器处理提高抗噪 声的能力，减小后级模块对信噪比的影响；然后，信号通过跟踪滤波器，实现对 镜像信号和谐波频段干扰信号的抑制；接下来通过混频过程，将需要的信号搬移 到中频处；最后经由声表面滤波器，将其他频率信号滤出，选出需要的信号频带， 交由低频模拟模块作进一步处理。在该架构中，采用跟踪滤波器取代传统滤波器 有其重要的意义。 假设调谐器接收到的宽带信号位于有用信号频段的最低端( 图2 2 中白色部 分) ，那么高于其两倍中频的位置即是镜像频道( 图2 2 中黑色部分) ，假设它们都 位于有用信号频段内，如图2 2 ( a ) 。此时利用追踪滤波器将镜像频道去除，如图 2 2 ( b ) ，滤波器的性能越好，镜像频道抑制得越好。尔后在混频器中与本振信号 进行混频，将有用信号降到中频位置，如图2 2 ( c ) 。此时有用信号已与镜像信道 重合，若镜像信道过强，将破坏信号质量。最后，经过声表面滤波器选择出有用 信号，滤除剩余的频道干扰，如图2 2 ( d ) 。 假设调谐器接收到的宽带信号位于有用信号频段的最高端( 图2 - 3 中白色部 分) ，高于两倍中频的镜像频道( 图2 3 中黑色部分) 位于有用信号频道之外，如 重庆大学硕士学位论文 2 数字电视调谐器功能及系统结构分析 ， i fl f 。 1 l 卜+ ( a ) n ( c ) ( d ) 图2 2 低频道单变频输出频谱图 f i g u r e 2 2s i n g l e - f r e q u e n c y - s p e c t r u mo u t p u td i a g r a m so f l o wc h a n n e l l f l f l f ( a ) i f ( b ) ( c ) ( d ) 图2 3 高频道单变频输出频谱图 f i g u r e 2 3s i n g l e f r e q u e n c y - s p e c t r u mo u t p u td i a g r a m so fh i g h c h a n n e l 图2 3 ( a ) 。此时跟踪滤波器的中心频率需要随着选择不同的频道而改变，否则很 6 重庆大学硕士学位论文 2 数字电视调谐器功能及系统结构分析 容易将有用信道一并去除，如图2 3 ( b ) 。其后的原理与低频段时相似，如图2 3 ( c ) 、( d ) 。 通常用变容二极管来调整跟踪滤波器的中心频率。为了使该结构适应较宽波 段的选频要求，必须选择较大变容比的二极管。 2 2 2 双变频输出 低噪声放大器混频器1 声表面滤波器1 混频器2 声表面滤波器2 本地振荡器1本地振荡器2 图2 4 双变频输出结构 f i g u r e 2 4d o u b l e - f r e q u e n c y - s p e c t r u mo u t p u ts 缸1 l c t i l r e i f 、 i f 、 _ o 玉醛 w a n t e ds i g n a ll o li m a g e l s i g n a l ( a ) l f 2i f 2 产_ i ，r 、 n 3 一 重庆大学硕士学位论文 2 数字电视调谐器功能及系统结构分析 如图2 4 为双变频输出结构。该结构对信号进行了两次频谱搬移。首先将经过 低噪声放大器的信号频段搬至较高的中频处，这样有利于滤除镜像频率。然后第 二次搬移将信号频段降低，由声表面滤波器选择出有用信号。具体频谱分析如下： 假设调谐器接收到有用信号( 图2 5 中白色部分) 在宽带频段范围内，而镜像 频率在位于两倍中频处( 图2 5 中黑色部分) ，落在宽带频段之外。由于第一中频 频率较高，且高于宽带信号的最高频率，所以镜像信号比宽带频段高出很多，容 易被滤波器滤除，如图2 5 ( a ) 。经过第一混频器，有用信号与第一本振信号混合 后，被搬移到第一中频位置，如图2 5 ( b ) 。在进入第二混频器之前，利用第一声 表面滤波器将第二镜像频率滤除，如图2 5 ( c ) 。由于第二镜像频率是固定在低于 两倍第二中频位置处，所以不需要跟踪滤波器，只需要固定的对该频率滤波即可。 然后宽带信号进入第二混频器，将信号降频到第二中频位置，经第二声表面滤波 器选择得到有用信号，如图2 5 ( d ) 。 2 2 3 两种变频结构的优缺点分析 在上述两种结构中，单变频结构的优点是：相位噪声和噪声系数比较低；可 分段设计电路，灵活选择元器件；结构经济简便，成本低。 单变频结构缺点：镜像频率存在于信号频段内，若不能很好地滤除镜像干扰， 有用信号将严重受损。所以通常必须采用带有高镜像抑制功能的双调谐跟踪滤波 器来滤波。但该滤波器的使用带来的缺点是通带内的群延时及插入损耗带来的信 号失真及信号带内平坦度的恶化【9 。生产过程中，需要调整通带频率而费时费力。 另外由于单独设计各部分模块，体积较大，较难集成。同时，调谐器内泄漏的信 号易互相产生干扰。 双变频结构优点：根据前面的叙述，双变频结构一个重要的特点就是对镜像 频率的抑制非常强，通带的选择性好。即使本振信号泄漏也不在信号带内，不会 产生相互干扰，且体积比单变频结构小。 双变频结构的缺点：与单变频结构比起来，双变频结构的相位噪声和噪声系 数更高；对干扰信号的滤除能力不强；在具有强干扰信号的情况下，可能会产生 互调现象；直流功耗消耗大 9 1 。另外由于其结构较单变频复杂，所以在较宽的工作 频段上很难保证调谐器特性的一致。 2 2 4 零中频输出结构 零中频( z e 附一i f ) 解调又称为直接下变频( d i r e c t - - - c o n v e r s i o n ) 解调，( 如图2 6 所示) 。其工作原理是：将低噪声放大器放大后的射频信号与互为正交的两路本振 信号混频，分别产生同相和正交两路基带信号。使本振信号等同于射频信号，则 混频后可直接产生基带信号。由后级的滤波器和可变增益放大器选择信道。 零中频接收机最大的特点是本振频率与信号频率相同，所以不存在镜像频率 重庆大学硕士学位论文2 数字电视调谐器功能及系统结构分析 干扰和滤除的问题。但这个特点也会带来很多麻烦。如果本振信号发生泄漏，通 过低噪声放大器传到天线，再辐射到空中，就会形成较强的邻道干扰。 v g a 图2 6 零中频输出结构 f i g u r e 2 6z e r oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yo u t p u ts t r u c t u r e 直流偏差是零中频方案特有的一种干扰，它是由自混频( s e l f - m i x i n g ) 弓i 起的。 泄漏的本振信号可以分别从低噪放的输出端、滤波器的输出端及天线端反射回来， 或泄漏的信号由天线接收下来，进入混频器的射频口【l0 1 。它和本振口进入的本振 信号相混频，差拍频率为零，即为直流。同样，进入低噪放的强干扰信号也会由 于混频器的各端口隔离性能不好而漏入本振口，反过来和射频口来的强干扰相混 频，差频为直流。这些直流信号将叠加在基带信号上，并对基带信号构成干扰。 被称为直流偏差。直流偏差往往比射频前端的噪声还要大，使信噪比变差，同时 大的直流偏差可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。 2 2 5 低中频输出结构 低中频又称为近零中频输出结构。它将本振信号选择在与有用信号相近的频 率上，这样经过变频后的中频将非常接近于零频，以此来避免零中频结构中存在 的直流漂移和低频噪声影响等问题。但是此结构镜像频率会落在有用信号附近， 需要特别高的镜像抑制能力，这在整个工作频段内很难实现。且由于工艺问题， 相关元件参数很难得到精确控制。 经过对调谐器结构的比较，发现很多结构的优缺点相互制约。在提高某方面 性能的同时，总会影响其它方面的性能发挥。但各种结构对噪声和镜像抑制程度 都是比较关注的，这也是数字电视信号对调谐器要求中的重要参数。经过综合考 虑，最终选择以简单实用的单次变频结构作为基本框架对地面数字电视调谐器的 前端部件进行研究，使该结构在传统设计的基础上性能有新的提高。 9 重庆大学硕士学位论文 3 低噪声放大器电路设计 3 低噪声放大器电路设计 3 1 低噪声放大器基础 3 1 1 低噪声放大器的主要性能指标 低噪声放大器作为地面数字电视调谐器前端接收电路的一个关键模块，它的 性能指标直接影响整个地面数字电视系统品质的优劣。其作用一是对射频信号进 行放大；二是抑制后级噪声贡献。因此，l n a 的设计对满足调谐器系统中高信噪 比的要求起着十分重要的作用。衡量低噪声放大器的主要性能指标包括噪声系数、 增益、阻抗匹配特性、增益l d b 压缩点、三阶交调点等。 噪声系数 数字电视的一个显著特点是其播放的画面清晰度高，尤其是高清晰电视画面。 这就要求接收到的信号信噪比要高，噪声被限制在一个很小的允许的范围内才能 满足要求。在衡量噪声的参数中噪声系数非常重要。 噪声系数n f 可定义如下 n f = 揣 姗) 0 、。 其中：s i ”n i n 分别是输入端的信号功率和噪声功率，s o u t 、n o u t 分别是输出 端的信号功率和噪声功率。噪声系数被定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。 实际上就是信号经过系统时由于系统白带噪声的引入使得信号本身信噪比下降的 程度。但是噪声系数的减小又与阻抗匹配、电路功耗、信号增益等参数相矛盾。 通常情况下，需整体平衡考虑，在保证系统要求的情况下，尽量减小噪声系数。 为便于计算，噪声系数也可用如下公式表示： n f ( d b ) = 10 1 9 ( n f ) 式( 3 2 ) 对于两个端口的放大器模型，噪声系数用导纳的形式可定义为： f = 旦式( 3 3 ) 。 l + t y o p t 瓷 趣3 4 ) f = 瓦i 。+ ( r 。g 。) iy 。y 。，i 2 1 0 式( 3 5 ) 重庆大学硕士学位论文3 低噪声放大器电路设计 其中f m i n 为最小噪声系数，r n 为器件的等效噪声电阻，y o u t = g o u t + j b o u t 为最 佳信号源导纳，y 。= g s + j b 。是信号源端的实际导纳。将其带入式( 3 5 ) 得 肚f m i n - 4 - 篙滞 趣3 固 肚商赫 趣3 6 ) 由式( 3 5 ) 可以看出，当器件的参数一定时，网络的噪声系数f 的大小可以 完全由源反射系数r 。确定，那么就可以通过调整r 。源反射系数来改变噪声系数。 在设计放大器的输入匹配网络时，若使l = f 。，即设计成最佳噪声匹配状态，这 时放大器的噪声系数就等于晶体管的最小噪声系数f m i n 1 1 。对于实际设计中多级 放大电路，其总的噪声系数f a l l 可表示为： 耻e + 等+ 蕞意去 姗， 其中f 为每一级的噪声系数，而g 则为每一级的增益。如果每一级特性完全 相同，即e = e = = f = f ，g 。= g ：= = g 。= g ，则可以利用级数求和得到 下式： f a l l = 1 + m式( 3 8 ) m ：二上 式( 3 9 ) 式( 3 8 ) 中通常将m 称为放大器的噪声度量。由式( 3 9 ) 可见，每一级的m 越小， f a l l 就越小。m 达到最小值则f a l l 达到最小值，要m 值最小就要求每一级的f 最 小g 最大。当然，在同一放大器的设计中，噪声系数和增益往往是矛盾的，两者 同时改善不可兼得，只能兼顾考虑。 增益 低噪声放大器提高本级增益对下一级的信噪比提高有非常重要的作用。然而， 提高增益不仅对噪声系数的降低产生负面作用，而且可能引发后级的线性度问题。 因此，考虑放大器增益时应与后级联系起来综合考虑。 放大器的增益有以下几种： 1 ) 实际功率增益g p g p 定义为放大器输出功率( p 2 ) 与信号输入放大器的功率( p 1 ) 之比，即： g p 2 鲁2 卷揣 姗。， g p 与晶体管s 参数及负载反射系数有关，也就是说，实际功率增益只与输出 端匹配程度有关，而与输入端匹配程度无判12 1 。 2 ) 转换功率增益g t 重庆大学硕士学位论文3 低噪声放大器电路设计 g t 的定义为放大器输出功率( p 2 ) 与信号源输出的资用功率p 1 a 之比，即： g ，2 象2 等裂料 姗，1 置。1 一s ：t1 2 i1 一lr 11 2 、 由( 3 1 1 ) 式可以看出，g t 不仅与s 参量有关，而且还与源反射系数b 和负载 反射系数r ，有关，即它的大小与输入和输出端的匹配程度有关1 2 】。 3 ) 资用功率增益g a g a 定义为放大器输出端1 5 的资用功率增益p 2 与信号源输出的资用功率p l a 之 比，也就是网络输出端共轭匹配( 1 1 ，= r + ) 时的转换功率增益。 昨几7 2 = d 漱笺喾最 枷2 ， p l 。i ( 1 一s l l l l s ) ( 1 一s 2 2 r 2 + ) 一s 2 曼l r s r 2 1 2 、。 g 。取决于s 参量和源反射系数，即只与输入端匹配有关而与输出端无关。在 一般情况下，对同一放大器件而言，g p g t ，g a g t ，只有当放大器的输入端e l 和输出端口都同时实现共轭匹配时，才有g p = g t = g a 1 2 。 反向隔离 反向隔离定义为：一s 1 2 ，$ 1 2 为反向增益。反向隔离有利于阻止本振信号泄漏 后经放大器放大发射到空中而引起的邻道干扰。同时反向隔离度提高可增强输入 阻抗匹配。由于反向增益的固有反馈特性减小了信号带的有效性，低的反向隔离 将导致增益减小。 稳定性 如果放大器电路对源和负载阻抗的任何关系都是无条件稳定的，那么电路就 是稳定的。无条件稳定要满足公式： 旷酉羝列 姗3 ) 其中，为s 参数矩阵：a = s 。s ：一s 2 1 s 。：，通常可以通过减d , h s ：i 来增大u 。 从式( 3 1 3 ) 看出，增大分母中的反向隔离度一s 1 2 可以增大电路的稳定性。 增益l d b 压缩点和三阶交调点 增益l d b 压缩点又叫做1 分贝压缩点输出功率( p l d b ) 。在放大器的输出增 益曲线中，一般存在两个区域。一是线性区域，二是非线性区域。在线性区域内， 输出功率随输入功率线性增加；进入非线性区域后，输出功率的增加变为非线性 ( 如图3 1 ) 。一般情况下非线性区域的增益值要小于线性增益的预估值。通常把 在非线性区域增益下降到比线性增益预估值低l d b 时的输出功率值定义为输出功 率的l d b 压缩点，用p l d b 表示。当功率超过p l d b 时，增益将迅速下降，电路输 重庆人学硕士学位论文 3 低噪声放大器电路设计 出功率完全饱和，其值比p l d b 大3 - 4 d b 。增益l d b 压缩点越高意味着输出功率越 高。 z l 撼q 群 _ _ ， 犁 ：嘞s 一 坞 ：一d 婴哆一 图3 1 增益l d b 压缩点 f i g u r e 3 11d bg a i nc o m p r e s s i o np o i n t s 图3 2 三阶交调点 f i g u r e 3 2t h i r do r d e rr e f e r e n c ep o i n t s 三阶交调点又叫三阶截取点( i p 3 ) ，是表征电路线性度和失真程度的参数。当 正弦信号经过放大器时会产生多个频率分量，其中包括三阶交调分量。它与输入 信号基波电平相同时的输入输出电平功率即是三阶交调点( 如图3 2 ) 。通常， 三阶交调点越高就表示电路的线性度越好，失真越少。 3 1 2 场效应管放大电路小信号电路模型 在m o s 管( 增强型或耗尽型) 的衬底极与源极相连，且工作在饱和区的工作 条件下，假设直流量上叠加交流量，即 在交流量足够小时，可求得 v g s = 跑+ v 舻 式( 3 1 4 ) vd s2y d s q + v d s i d 2 i d q + f d i g = 0 式( 3 1 5 ) 式( 3 1 6 ) 式( 3 1 7 ) 重庆人学硕士学位论文3 低噪声放大器电路设计 阻。 z 。= 厂v g s ，v d s ) i d q + 。o ，i “l ) jl qv + 。o ，i 。d sl q v d ，式( 3 8 ) 或 i= i一 脚v + v 出式(319)dd d q g g s g a s 域 2 一 脚v + v 出 氏【j 图3 3 受控电流源小信号电路模型 f i g u r e3 3s m a l ls i g n a lc i r c u i tm o d e lo f c o n t r o l l e dc u r r e n ts o u r c e 画出的小信号电路模型如图3 3 。其中g m 是跨导，r d 。( 1 g d 。) 是等效输出电 么 l 一厂一 p g m 图3 4 受控电压源小信号电路模型 f i g u r e 3 4s m a l ls i g n a lc i r c u i tm o d e lo fc o n t r o l l e dv o l t a g es o u r c e 利用戴维宁定理可将图3 3 转换为电压源电路模型，如图3 4 。其中电压源为 该式中 g m vg s r d s2 ”vg s 2g m r a s 式( 3 2 0 ) 式( 3 2 1 ) 称为放大因子。 当衬底极与源极不相连，且其间存在交流量时，即v u s = v u s q + v u 。，则图3 3 和3 4 中的电路模型需要附加压控电流源g m u v u 。，如图3 5 。 其中，g m u 称为衬底跨导，表示v u 。对i d 的控制能力。工程上，其值可近似表 1 4 重庆人学硕士学位论文 3 低噪声放大器电路设计 示为 式中，叩为常数，一般为0 1 - 0 2 。 2 赳 “2 蒜1 侣研 图3 5 计及衬底效应时小信号电路模型 f i g u r e 3 5s m a l ls i g n a lc i r c u i tm o d e lo fc o m p u t e s u b s t r a t ee f f e c t 式( 3 2 2 ) 高频应用时，若考虑了极间电容对电路的影响，则电路模型变为图3 6 所示。 图3 6 高频小信号电路模型 f i g u r e 3 6s m a l ls i g n a lc i r c u i tm o d eo f h i g hf r e q u e n c y 图中，c g 。和c g d 分别为栅源极和栅漏极的极间电容，它们主要是由m o s 平板 电容组成，c d 。为漏源极间电容。 3 1 3 场效应管组成的常用放大电路 场效应管常用放大电路包括共源放大器、共栅放大器和共漏放大器。 + 图3 7 共源放大器交流通路 f i g u r e3 7c o m m o n s o u r c ea m p l i f i e ro fa l t e r n a t i n gc u r r e n tn e t w o r k s 重庆大学硕士学位论文3 低噪声放大器电路设计 共源放大器 共源放大器交流通路和交流等效电路如图3 7 和图3 8 。 从等效电路图3 8 的输入端看网络是断路，可知 r 二= 从输出端看进网络，是两个电阻并联，即 r o2r d s f jr d + r g d 囊钟。申 式( 3 2 3 ) 式( 3 2 4 ) 图3 8 共源放大器交流等效电路 f i g u r e 3 8c o m m o ns o u r c ea m p l i f i e ro f a l t e r n a t i n gc u r r e n te q u i v a l e n tc i r c u i t 结合以上两式，可求得放大器增益 a-。：兰：一些坐型：一g。(尺。，n。)越2v 一5 )= = 一= 一2i ，武i j ) j ” i v g s 。”、o7 、。 共