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文档简介
1、1 典型的GSM移动通信系统 2 任何无线通信系统都包括发射机和接收机两个基本部分。 发射机的功能是将信号调制到载波上,并由天线辐射出去。 接收机的功能则相反,将天线接收到的加载在载波上的信号恢 复出来。 发射机和接收机由调制器、功率放大器、频率合成器、低噪声 放大器、解调器、天线以及相关的滤波器、耦合器等有源、无 源基本射频与微波电路单元构成。 正确理解接收机、发射机电气特性的有关参数,对射频与微波 电路设计十分重要。它是我们对各类有源、无源射频与微波电 路提出要求的依据。 3 滤波器1限制输入信号的通带以减少互调干扰以及本振通过天线的辐 射。 低噪声放大器放大的信号与第一本振输出的信号同时
2、加到混频器1, 其输出的高中频信号经高中频滤波器1滤波后被高中频放大器1放大。 被放大的高中频信号与第二本振输出的信号经混频器2再次混频后, 得到的低中频信号通过低中频滤波器2滤波后,最后送到检波器恢复 出基带信号。 4 1灵敏度(Sensitivity):接收机灵敏度衡量接收机检测微弱信号的能力, 对于模拟接收机用信噪比(SNR)量度,对数字接收机则用误码率(BER) 表示。 2选择性(Selectivity):接收机的选择性衡量接收机抗拒接收相邻信道信 号的能力。要实现70-90dB选择性是很困难的。 3Spurious response rejection: the ability of
3、 reject undesirable channel responses is important in reducing interference. This can be accomplished by properly choosing the IF and using various filters. Rejection of 70-80 dB is possible. 4Intermodulation rejection: the receiver has the tendency to generate its own on- channel interference from
4、one or more RF signals. Those interference signals are called intermodulation (IM) products. Greater than 70 dB rejection is normally desirable. 5频率稳定性(frequency stability):本振的频率稳定性对于降低频率调制, 相位噪声十分重要。常用的频率稳定技术有介质谐振器、锁相环、频率综合 器等。 6辐射(radiation emission):本振信号经过混频器泄漏到天线并经天线辐 射到自由空间引起的干扰务必低于FCC规定的电平。 5
5、接收机动态范围是指接收机 可检测的最小信号与在失真 允许情况下能接收的最大信 号的范围。 最小可检测信号受限于接收 机噪声 在失真允许情况下最大接收 信号取决于接收机的饱和输 出特性。 如果输入功率低于动态范围 的下限,噪声将占主导地位。 如果输入功率超过动态范围 的上限,输出开始饱和。 接收机动态范围是设计射频 与微波电路的重要依据之一。 实际系统(混频器、放大器)1dB压缩点 6 接收机噪声来自两个方面,一是天线接收到的噪声,二是接收机自身产生的 噪声。 天线接收到的噪声包括天空噪声(sky noise),大气噪声(atmospheric noise),地球噪声(earth noise)、
6、银河噪声(galactic noise)和人工噪声 (man-made noise)。 天空噪声的噪声功率可表示为 式中B是带宽,k = 1.381023 J/K,是波尔兹曼常数。TA是天线噪声温度。 大气噪声源于闪电等因素,在10KHz附近最强,频率超过20MHz一般可忽略。 银河噪声来自遥远的天体,其最大值在20MHz附近,到500MHz可忽略。 人工噪声源多种多样。任何电路断开与合上时,在电路上产生的瞬时脉冲都 是人工噪声源,从通信、广播、电视、雷达、系统以至输电线的电磁辐射被 天线接收后都可看作对有用信号的干扰。 接收机自身产生的噪声包括放大器、滤波器、混频器、检波器各级产生的噪 声。
7、 接收机内部噪声限制了接收机检测的最小信号。信号强度必须大于噪声一定 强度才能被检测到。 BkTN A 7 1热噪声(Thermal, Johnson, or Nyquist noise):电阻热噪声源 于束缚电荷的随机起伏。在通带B范围内热电阻噪声电压的均方 值为 式中k为波尔兹曼常数;T是电阻器的绝对温度,单位K;B是带 宽,单位为Hz;R是电阻,单位为。 热噪声分布与频率无关,也叫做白噪声。 2闪粒噪声(shot noise):闪粒噪声源于真空电子管、固态器 件发射电子的起伏。 31/f噪声(Flicker or 1/f噪声):顾名思义,1/f噪声与频率成 反比,从1Hz到100MHz范
8、围内1/f噪声才是重要的。超过100MHz 热噪声起主要作用。 kTBRVn4 2 8 接收机输出信号的质量可用信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR) 表示 (1.1) 信号可检测,要求信噪比大于3dB。 对于移动电话,S/N要求大于15dB。对于固定电话要30dB,电视 要40dB,而对于高保真音乐则要60dB。 对于雷达系统,高的信噪比就相当于高的检测概率低的虚警概 率。如果信噪比达到16dB,检测概率可达到99.99%而虚警概率 低于106。 无用的噪声功率电平 有用信号功率电平 N S 9 接收机可用一个二端口网络表示。对于任何一个二端口网络,噪声系数F的 定义
9、是 噪声系数常用分贝表示,记为NF。对于增益为G的二端口网络 输出噪声No应为N0 = GNi +网络产生的噪声Nn。 网络产生的噪声Nn为 (W) 故 所以 (W) 故以分贝表示的输出噪声等于输入噪声No(dB)加上噪声系数F(dB)和增益 G(dB)。 Ni = kTB F G Nn No SoSi oo ii NS NS F / / 输出端信噪功率比 输入端信噪功率比 io GSS ion GNNN i o oi ii GN N NGS NS F / / io FGNN 10 噪声系数要只反映器件本身噪声性能,而与输入噪声无关,故 噪声系数的定义应基于标准噪声源Ni。 (W) 式中k是波
10、尔兹曼常数,T = 290K(室温),B是带宽。因此噪 声系数F成为 Ni = kTB F G Nn No SoSi kTBN i GkTB N F o 11 对于N个二端口网络级连组成的系统,其总的噪声系数 为 N个网络的级连 由此可见,第一级的增益、噪声系数对总链路的噪声 系数起决定作用。注意式中G、F是功率比。对损耗为L (以功率比表示)的无源器件,G = 1/L,F = L。 12121 3 1 2 1 111 n n GGG F GG F G F FF F1 G1 F2 G2 F3 G3 Fn1 Gn1 Fn Gn 12 例题:计算如图1-5所示两级放大器的总噪声系数。 级连放大器
11、解:F1 = 3dB = 2,F2 = 5dB = 3.162, G1 = 20dB = 100,G2 = 20dB = 100, dB 注意FF1,因为第一级放大器有较高增益。(需要换算为dB) ! F1 = 3 dB G1 = 20 dB F2 = 5 dB G2 = 20 dB 06. 3 100 1162. 3 2 1 1 2 1 G F FF 13 等效噪声温度定义为 式中To = 290K,F以功率比表示,所以 因此级连放大器的等效噪声温度可表示成 Ten是n级以K表示的等效噪声温度。 oe TFT1 o e T T F1 12121 3 1 2 1 n enee ee GGG T
12、 GG T G T TT 14 混频器、放大器以至整个接收 机通常工作于线性区域,即输 出功率与输入功率呈线性关系, 其比例系数就是转换损耗或转 换增益。 线性工作时,输入功率的变化 范 围 , 称 为 动 态 范 围 (dynamic range, DR)。如果 输入功率超过动态范围的上限, 输出开始饱和;如果输入功率 低于动态范围的下限,噪声将 占主导地位。 实际系统(混频器、放大器)1dB压缩点 动态范围定义为1dB压缩点(1dB compression point)和最小可检测信号 (Minimum Detectable Signal, MDS)之间的区域。既可用输入功率表示,也 可用
13、输出功率表示。 15 匹配电阻负载的噪声电平为 如果假定T为室温(290K), 带宽为1MHz,则 最小可检测信号(MDS)定义为比噪声功率高3dB的电平,故 MDS = 114dBm + 3dB = 111dBm 所以在室温及1MHz带宽条件下最小可检测信号(MDS)为 111dBm (9.741012mw) kTBN i dBm mw kTBN i 114 104log10 log10 12 实际系统(混频器、放大器)1dB压缩点 16 对于转换损耗为Lc的混频器 注意式中PD、Pout都以dBm表示,而G、Lc以dB表示。Pout是1dB 压缩点输出功率,PD则是1dB压缩点对应的输入功
14、率。 dBGPP outD 1 dBLPP coutD 1 当中频输出功率与线性时 相比减小1dB,或转换损 耗增加1dB的点就叫做1dB 压缩点。此1dB压缩点就 定义为动态范围的上限。 对于增益为G的放大器或 接收机在1dB压缩点,以 dBm计的输入信号功率或 驱动功率(PD)由图可见 为: 实际系统(混频器、放大器) 1dB压缩点 17 式中IP3为二个信号输入时三阶交截点(Third-order two-tone intercept),将在下节讨论。 MDSPDR D MDSGIPDRsf3 3 2 实际系统(混频器、放大器) 1dB压缩点 根据前面定义的1dB压缩点以及 增益、带宽、
15、噪声系数,动态 范围DR就是1dB压缩点输入信 号功率电平与最小可检测输入 信号电平之差,即 注意,PD和MDS用dBm表示,DR则是dB。 当不止一个信号加到输入端时, 动态范围定义为“spurious-free region”,如果输入信号电平相 等,“spurious-free”动态范围 DRsf 18 当两个频率为f1、f2的信号源或更多频率的信号源加到一个非线 性器件时,原则上将会产生多个交调分量 (Intermodulation (IM) products),并可分为二阶交调分量 , 三阶交调分量 ,以及更高阶交调分量。 两信号输入时产生的新的频率分量 fIF1和fIF2是需要的中
16、频输出信号,fIM1和fIM2是三阶交调信号。 两信号输入时三阶交调分量特别受到关注,因为它有可能落在 中频带通范围内。 Mixer or receiver fLO fIF1 fIF2 fIM1 fIM2 f1, f2 , 2 , 1 , 0, 21 nmnfmf 21 ff 1221 2 ,2ffff 19 产生三阶交调的过程是,输入信号f1和f2混频,再跟本振差拍,得到 (1.4) 注意频率间隔为 这些三阶交调信号幅度相对较大,且又很难用滤波器从中频输出信号(fIF1, fIF1)中滤除,要特别予以重视。 121 2 IML ffff o 212 2 IML ffff o 11IFL ff
17、f o 22IFL fff o 22211121IMIFIFIFIFIM ffffffff fIM2fIM1 fIF2fIF1 fLO f2f1 Frequency IF bandwidth RF bandwidth 20 混频器或接收机对三阶交调信号的抑制程 度可用三阶交截点度量。 三阶交截点反映了所研究系统线性特性。 在线性工作区,如果输入信号功率增加1dB, 中频输出信号功率也增加1dB,而IM3增加 3dB,即三阶交调线斜率与所要求输出信号 线斜率之比为3:1。 当多级电路级连时,系统总的三阶交截点 计算步骤如下: 1把所有交截点转换到系统输入端,转换 规则是减去以dB计的增益,加上以
18、dB计的 损耗。 2交截点功率用dBm表示。 3假定所有交截点彼此独立互不相关,则 总的IP3input为 mw(1.5) 4将以mw表示的IP3input用dBm表示。 nIPIPIP IP input 3 1 23 1 13 1 1 3 21 计算下图所示射频系统总的IP3。 解:将各级交截点转换到输入端 射频系统(L损耗,G增益,LC转换损耗) 所以系统总的IP3为 mwdBm IPIPIPIP IP 93. 207. 4 93. 2log10 95.19 1 98. 3 1 1 .25 11 1 log10 43 1 33 1 23 1 13 1 1 log103 或 22 发射机一般
19、包括振荡器、调制器、上变频器、滤波器、功率放 大器。 最简单的发射机可能只有一个振荡器,复杂的发射机还包括锁 相环或频率合成器 信号对振荡器的调制方式有振幅调制(AM)、相位调制(FM、 PM)或数字调制 振荡器输出功率也可上变频到更高的频率,功率放大器用来提 高高频输出功率。 为了减小相位噪声可用锁相环将振荡器相位锁定,或用频率合 成器代替一般的振荡器。锁相环、频率合成器都基于高频率稳 定度的晶振。 Information Power amplifiers ModulatorFilterUpconverter Oscillator Filter 23 表示振荡器的特征参数有: 1输出功率与工
20、作频率(power output and operating frequency) 2效率(efficiency) 有两种定义,一种是直流到射频(dc-to-RF)转换效率,定义为 另一种定义叫做功率附加效率PAE(power added efficiency),其定义为 Pout、Pin分别为射频输出、输入功率。 3输出功率随频率变化(power output variation) 4频率调谐范围(frequency tuning range) 频率调谐可以通过电的也可通过机械的方法实现。 5稳定性(stability) 稳定性指当振荡器/发射机经受某种电的或机械扰动后回到原先工作点的能 力
21、。 %100 dcRF PP %100 dc inout P PP Information Power amplifiers ModulatorFilterUpconverter Oscillator Filter 24 6电路品质因数(circuit quality(Q) factor):指振荡器谐振电路的固有品质 因数以及有载品质因数。 7噪声(noise)有AM、FM噪声,还有相位噪声。 8频率波动(frequency variations):包括频率跳变(frequency jumping)、 频率挽入(frequency pulling)、频率推出(frequency pushing)。 频率跳变源于器件阻抗的跳变,频率挽入是指负载相位变化360引起的频变 化,频率推出源于
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