双模北斗卫星导航接收机射频前端研究与设计

1、双模北斗卫星导航接收机射频前端研究与设计 厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果,均在文中以适当方式明确标明,并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范试行。另外,该学位论文为 课题组的研究成果,获得 课题组经费或实验室的实验室完成。请在以上括号内填写课资助,在题或课题组负责人或实验室名称,未有此项声明内容的,可以不作特别声明。慨喇年箩月弓日厦门大学学位论文著作权使用声明燃燃必本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文,并向主管部门或其指定机构送交学位论文包括

2、纸质版和电子版,允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索,将学位论文的标题和摘要汇编出版,采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于:.经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文,于 年 月 日解密,解密后适用上述授权。.不保密,适用上述授权。请在以上相应括号内打,或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文,未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的,默认为公开学位论文,均适用上述授权。声明人签名:垅。川晚加年多月弓日摘要摘要北斗卫星导

3、航系统是由我国本土开发并且独立运行的国有卫星导航系统,对我国的经济和国防等领域具有非常重要的作用。射频前端是北斗卫星导航系统中北斗接收发射机的核心,因此,其研发工作具有非常重要且实际的意义。为了完成双模北斗卫星导航接收机射频前端样机的研制任务,论文在对无线通信系统进行分析的基础上,首先介绍了射频接收机与发射机的结构方案和主要性能指标,然后结合卫星导航接收机的特点,根据实际情况和指标要求对射频前端的关键参数进行了规划,完成了关键芯片的选型,并提出了整体的板级电路设计方案。本文采用模块化思想合理地划分各个功能子模块,包括低噪放模块、频率合成模块、混频模块、功率放大模块等。论文详细地论述了各个功能电

4、路的设计依据、器件选型以及设计方法,重点介绍了低噪声放大器、混频器、滤波器以及功率放大器的设计过程。在功率放大器设计过程中,为了兼顾小尺寸与大功率,论文改进了传统的微带功率合成器,实现了供电,的功率输出。最后,本文简单介绍了射频前端的设计与实现,制作了射频前端样机,并对样机电路进行调试与测试,测试结果证明了本设计方案可行性。关键词:北斗;射频接收机;功率合成 .,. . ? ?, .? ., ., , ., , . /, .,., .:; ;目录目录摘要。.?.?.?.目录?。.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.国内外研究现状。.研究目的和内容?.本文的工作与结构第章双模北斗接收

5、机射频前端总体设计?.射频前端基础理论.无线通信系统简介?.射频前端技术指标分析?.射频接收机结构及工作方式.射频发射机结构及工作方式.双模北斗接收机射频前端技术要求。.射频前端主要技术指标.射频前端接口要求?.射频前端主要技术难点.双模北斗接收机射频前端的方案设计.射频前端接收通道方案设计.射频前端接收通道方案设计?.射频前端发射通道方案设计.本章小缔?目录第章双模北斗接收机射频前端关键电路设计?.低噪放模块设计.。通道低噪放模块设计?一.通道低噪放模块设计.频率合成电路设计.。锁相环电路基本原理.通道频率合成器设计?.通道频率合成器设计.。通道频率合成器设计?.混频模块设计?.通道下变频模

6、块设计?.通道下变频模块设计.通道调制器设计?.功率放大模块设计?.功率合成技术.小尺寸合成器.器件选型.偏置电路设计.源牵引和负载牵引?.。功率分配和输入匹配.功率合成和输出匹配.功放电路设计。本章小结?。第章双模北斗接收机射频前端样机实现与测试?.设计与实现.布局.隔离和屏蔽?.滤波和接地?.叠层和特征阻抗设计目录.样机测试.接收通道测试?。.接收通道测试.发射通道功放模块测试?一.本章小结.第章总结与展望?.本论文的工作总结与创新之处?.后期工作展望?.参考文献?.致谢?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.

7、?。.?.?.?.?.?.?.?. .?.讧?.?. ?. .?. .?.:;. .,.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.:;.:;.?.?. .。.?。.。.。?。?.。.。.。.?.?.。?。?.?.?.?. .?. :;. /.:;.?.:;.?.?.?.?.?.?.?.?.?. .?.?. .?.”.?.?.?. .?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.第章绪论第章绪论.课题背景与意义为保证我国和我国周边地区能够获得高精度、实时性以及全方位的卫星导航定位信息,我国正在部署和完善中国自主研发、独立运行的卫星导航定位系统一北斗卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统由地面段、用户段以

8、及空间段三部分组成,其中空间段包含有颗非静止的和颗静止的轨道卫星,提供开放和授权两种服务,而地面段的构成部分主要是主控站、监测站和注入站等若干地面站,用户段则包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端【】。年和年中国先后三次发射试验卫星,组成“北斗一号”卫星系统,奠定了中国自身北斗导航系统的基础。北斗二代卫星导航系统也由于有北斗一代的技术储备的支撑而迅速崛起【。从年到年,我国已经发射了颗卫星导航系统组网卫星,据公开资料,在年左右,将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。“北斗二号”卫星导航系统并不是“北斗一号”的简单延伸,它将克服“北斗一号”系统存在的缺点,将可以提供海、陆、空全方位的全球导航

9、定位服务,类似于美国的和欧洲的伽利略定位系统【】。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,并且已经成功应用于测绘、电信、渔业、森林防火、减灾救灾、水利、交通运输等诸多领域,产生显著经济效益和社会效益【。】。它的运行无论是对于我国军用还是民用,无论是经济发展还是国家安全都具有重大的意义【。基于这样的背景,本课题旨在研制既可以接收北斗二代又同时兼容北斗一代的双模卫星导航接收机。.国内外研究现状作为全世界最早出现的卫星导航定位系统,经过多年的发展与技术积累,已经形成了一个涉及军用、民用的庞大产业链【】。现今全球接收机制双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计造商有几十家,

10、根据接收机提供的不同服务,可以将终端分为用于运动载体的导航型接收机、用于大地测量以及工程测量的测量型接收机和用于天文台以及无线基站中的授时型接收机三类【】。随着半导体技术的不断发展,接收机的发展趋势是小型化、低功耗和高精度。同时,由于在全球范围内通信、导航和计算机技术的不断融合,使得接收机得以嵌入到蜂窝通信、计算机、安全和娱乐类电子产品中【】。目前,多数终端接收机厂商广泛采用 、意法半导体等主要厂商的芯片进行终端开发,最终为用户提供具有方便的导航软件和友好的人机接口的终端接收器。由于我国自主建设的北斗卫星导航定位系统仍处在试验、组网阶段,所以北斗系统地面接收终端的研制与推广也刚刚起步。但作为试

11、验系统的“北斗一号”的成功组网,已经在国防和安全等领域显露出巨大作用【。“北斗一号”导航定位终端目前已经有多个版本的军用手持机问世,其特有的双向简讯传递功能已经在地震抢险救灾中发挥了巨大作用【】。在“北斗一号成功的基础上,“北斗二号”地面接收终端在我国各大研究所已经开始了紧张的研制。目前,多模式卫星定位接收机主要还是与“北斗一号”的兼容【】,而“北斗一号”和“北斗二号”的双模导航接收机很少,研制“北斗一号”和“北斗二号”的双模导航接收机具有一定的意义。.研究目的和内容本课题来源于作者实验室的北斗一代和北斗二代双模导航终端产品研发项目。该课题研发主要包括双模导航终端的硬件及软件的研究,硬件部分包

12、括了基带数字信号处理的实现与射频接收通道和发射通道的实现,软件部分主要是操作系统的研究。综合考虑开发周期、可靠性、成本、体积等约束条件,本方案决定示:第章绪论基带模块射频模块一一二二二:嗽啪道广?竺兰坚兰望? 控制信 发射通道一二;二一:一一一一一一一一一剖 一一一一一一一一一.图系统框图由上图可见,整个硬件电路包括射频模块和基带模块两部分,基带模块和射频模块通过插针式接口进行通信。基带模块主要实现数字基带信号处理以及系统控制作用。射频通道主要实现接收信号的放大、滤波、变频以及发射部分的调制和功率放大。射频模块有单独的控制电路,主要完成锁相环频率合成器的配置以及对射频通道状态的控制。该系统将实

13、现北斗、两个射频通道的接收、解算并实现卫星定位,同时,通过发射通道,实现简短数字报文通信功能。控制信号由基带模块通过总线写入以控制射频模块的工作状态,主要是微调发射通道的载波频率。作者主要负责射频模块的设计,在论文中的主要工作包括:.详细分析了射频收发机的结构和工作方式,针对收发机的各性能指标做深入研究,确定双模手持机的技术指标,提出射频前端收发机系统的设计方案;.根据系统技术指标和方案要求,进行器件选型,完成原理图的绘制,对关键电路进行仿真验证;.完成绘制,进行射频模块的制作与调试。.本文的工作与结构本文结合卫星导航接收机的特点,研制北斗一代和北斗二代双模式卫星导航接收机的射频前端样机,对其

14、整体方案及软硬件实现进行详细地阐述。本文共分为章,各章节的内容安排如下:第章是文章的概述,主要分析了本文的研究背景与意义,国内外研究现状,最后简要介绍了本文的工作和结构。双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计第章是双模北斗卫星导航接收机射频前端的总体设计部分,本章首先介绍了系统涉及到的无线通信理论、接收机技术和发射机技术,然后提出了系统的功能指标,完成了关键芯片的选型并确定了系统的总体设计方案。第章是双模式北斗卫星导航接收机射频前端的电路设计部分,是本文的核心部分,本章将射频接收机合理地划分成各个功能电路,详细地论述了各个电路的设计依据。重点分析并仿真了包括射频前端低噪声放大器、混频器、功

15、率放大器等关键电路。第章介绍了双模北斗卫星导航接收机的射频前端样机设计,并对样机电路进行调试与测试,主要包括北斗一代接收通道测试、北斗二代接收通道测试以及北斗一代发射通道测试。第章总结全文的工作,并指出下一步的研究方向和内容。第章射频前端总体设计第章 双模北斗接收机射频前端总体设计本章将首先介绍双模式北斗卫星导航接收机涉及到的关键理论,在此之后提出双模北斗卫星导航接收机射频通道的技术指标要求,并根据技术指标要求,对射频通道结构进行设计,同时对关键芯片进行选型。.射频前端基础理论.无线通信系统简介图无线通信系统基本结构无线通信系统的基本结构如图.所示,主要可以分为基带处理和射频前端两个部分。基带

16、处理一般包括信源编解码、信道编解码、数字调制解调以及和认转换,而射频前端主要实现放大、滤波以及上下变频以匹配信道。无线通信系统在发射状态时,基带处理部分先将信息进行压缩编码产生信息序列,然后以受控方式引入一些冗余实现信道编码,接着进入数字调制器映射成信号波形,再通过转换输出信号波形,之后由射频电路组成的发射机通过上变频等方式,将基带处理后的信号变换为适合在频带内传输的形式发射到信道中;无线通信系统在接收状态时,射频前端先通过天线以及滤波器选取特定的频段信号,通过放大等方式提高了信号的功率,通过下变频变换降低信号的载波频率,再经过变换实现数字化,进入基带处理部分,通过数字解调以及一系列解码操作还

17、原出原始信息【】。在无线通信的收发机中,虽然从规模上看,射频部分不如基带部分庞大,但是目前通信电路设计的瓶颈依然在于射频部分【训。与数字集成电路相比,射频集双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计成电路目前还不够成熟,一些高性能的元器件需要外接,匹配电路和偏置电路也大多需要外接,设计难度比数字电路高的多。而且射频电路的仿真软件与测试工具还处于起步阶段,对于射频电路的设计、调试与测试,既要求全面广泛的理论知识,也非常依靠工程师的经验。可见,射频部分是无线通信系统中,最关键的组成部分。.射频前端技术指标分析在无线通信过程中,干扰和噪声是设计者不得不面对的问题,他们是影响接收机和发射机性能的主要因

18、素。对于接收机来说,有用信号功率与噪声功率必须满足一定的信噪比要求,才能在基带处理过程中正确解调出有用信号。对于发射机来说,为了减少对其他频带的接收机的干扰,对带外杂散辐射和互调也有要求。在进行射频前端收发机的设计过程中,主要考虑的技术指标包括:灵敏度、噪声系数、链路增益、线性度、动态范围、带内带外杂散、载波相位噪声等,在实际应用过程中,收发机的尺寸、功耗以及散热也必须加以考虑。在系统设计过程中,各个指标之间通常会有冲突,所以在方案设计与器件选型过程中,必须协调好各个模块的指标分配,做好折中设计,确保达到最好的系统性能。.接收机噪声系数噪声通常是由器件和材料中的电荷或者载流子的随机运动产生的。

19、根据产生。在机制的不同分为热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、等离子噪声和量子噪声等很多实际情况,通常只讨论热噪声对接收机的影响。热噪声的计算公式:只 式中,为玻耳兹曼常数. /;为热力学温度,单位为;为信号所占的带宽,单位为。噪声系数是通信系统中非常重要的一个指标,用来衡量电路的噪声性能,定义为输入端信噪比与输出端信噪比的比值:剐弘,第章射频前端总体设计噪声系数表征了信号通过系统后,系统内部噪声造成信噪比恶化的程度,通常用表示以招为单位的噪声系数。对于级联而成的整个系统,噪声系数又可以表示为【】:型型.其中、分别为第一、二、三级的噪声系数。、为第一、二级的增益。可以看出,在整个级联的系统中,总的噪声

20、系数主要取决于第一级网络的噪声系数和增益。要降低整个系统的噪声系数,就必须要求第一级拥有较小的噪声系数以及比较高的增益。这样当后面各级的噪声系数较大时,如果第一级的增益有保证,那么后面各级的噪声系数对系统将没有太大影响】。.接收机灵敏度灵敏度是衡量接收机检测信号能力的参数,接收机灵敏度定位为:在给定接收机解调前所要求的输出信噪比的条件下,接收机所能检测的输入信号的最低电平。接收机正常工作时,输入信号强度必须不小于接收机灵敏度,若输入信号强度低于灵敏度电平,则接收机将无法准确对信号进行后续处理。接收机灵敏度的计算公式如下【】:一. 式中,./为温度下的热噪声功率谱密度,表示接收机灵敏度,单位;表

21、示接收机的噪声系数,单位;表示信号的中频带宽,单位;肌喝删表示接收机允许的最小输出信噪比,单位。由此看出,接收机灵敏度可以度量接收机接收微弱信号的能力,它不仅由输出信噪比决定,还受到系统的中频带宽和噪声系数的影响。在设计接收机系统时,当信号的调制类型以及用途确定之后,接收机的最小输出信噪比舳僻删就确定了,当中频信号带宽也确定之后,就只有通过降低接收机噪声系数来提高接收机灵敏度。定义基底噪声为【】:一招掰万如召形 双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计.接收机线性度理想的接收机是线性的,即输出信号对输入信号的响应是线性关系,在输出端不会有额外的频率成分产生。然而,现实的接收机都是非线性的,电

22、路的非线性是电子器件固有的特性。线性度对接收机系统?悼厶匕:。的影响很大,射频电路由于非线性导致失真的程度可以用线性度来表征。衡量系统的线性指标主要有:压缩点只,、二阶和三阶交调点即皿和明。在实际系统中,输出响应严格正比于输入激励的理想化线性系统并不存在,一般系统可以简单的描述成【】:口口%? ?当输入信号为,系统输出为:圭口彳。,%丢口:么%彳;口,彳。刎,。.,。纠.?寺%么因此,基频信号的系统增益为口?么云口,彳,对于大多数系统,口?和%的符号相反,系统增益随着信号幅度的增加而下降。如果用对数来表示系统的输入信号功率和输出信号功率,那么当输出功率与理想线性情况偏离达到时,系统的增益也降低

23、了,此时的输入信号功率成为增益压缩点只,如图所示。图 压缩点 图三阶交截点第章射频前端总体设计当系统输入两个频率靠的很近的信号时,在系统输出中除了会产生基波及其各次谐波外,还会产生频率之间的交调成分。假设输入信号: 彳哆得到的系统输出信号为:川瓴彳百 肛州喇?去口口.三口可以看出,在双音输入的情况下,系统输出产生了二阶、三阶以及更高的产物,由于偶数阶交调产物距离基频比较远,可以很方便的通过滤波器滤除,而奇数阶产物通常在滤波器带内,尤其是以三阶产物幅度最大。因此,系统重点考虑的是三阶交调的影晌】。以为单位的坐标中,基频信号和三阶交调信号的斜率不同,因此随着输入功率的增加,两条线必有一个交点,这个

24、点就是三阶交截点伊,可以用输入功率表示卿或者输出功率表示,如图.所示。通常来说,放大器或者混频器的线性度越好,功耗也就越大,所以在设计电路时候,需要在功耗和线性度上面做一个折中。在整个接收机中,低噪放对于整个系统的线性度影响是非常小的,越往后的电路模块对于系统的线性度影响越大。但是为了处理大信号干扰,避免低噪放饱和,对于低噪放线性度也会有一定的要求。.接收机动态范围动态范围是用来表征接收机在检测噪声基值上的弱信号和处理无失真的最大信号的能力,定义为接收机输入端的最大信号和最小信号的比。它的下限是灵敏度,上限是有最大可接受的信号的失真决定的【】。这是因为当接收到的信号功率很大时,会导致系统产生非

25、线性失真,降低输出信噪比。常见的动态范围定义有线性动态范围、无杂散动态范围、增益受控动态范围三种。线性动态范围,它不提供任何由接收机产生的失真信息,一般只在不同系统双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计性能比较时才使用,定义为压缩点输入功率与系统基底噪声之比。瓦招一 。无杂散动态范围,一般用在固定增益的系统中,对于低噪放或混频器,无杂散动态范围定义为三阶互调功率与输出噪声相等时,输入信号与系统基底噪声之比】,可以表示为:.÷在一般系统中,通常使用自动增益控制电路的调节来扩展动态范围。信号很弱时,接收机自动增大增益,只要能够满足系统解调误码率所需的最小信噪比;信号很强时,接收机减小

26、增益,只要接收放大的信号没有阻塞通道或者使饱和。这样,就扩展了接收机对于强弱信号接收的范围。.本振信号相位噪声相位噪声是表示振荡器频谱纯度的性能参数。理想情况下,振荡器的输出是单一频率的,可以用一根单独的直线表示。实际中,振荡器存在噪声从而使输出频谱并非是单独的直线,而是带有“裙状”的围绕在载波频率周围的噪声频谱,这些噪声称为相位噪声。相位噪声通常定义为在距离载波频率偏移某一频率处的带宽内噪声功率与载波功率之比。如图.所示,载波频率在,在偏移处./的相位噪声,就意味着在距离载波的地方带宽内的噪声功率比载波功率低。弋卜?一,一一一/在下变频的过程中,本振相位噪声的存在会影响接收机的信噪比,如图?

27、第章射频前端总体设计所示,主要体现在两方面【】:一方面,整个信道带宽内的信号会和本振带宽内的相位噪声进行混频,形成的噪声也落在信道带宽内;另一方面,如果存在一个干扰信号,它也同进行混频并被下变频到频率范围内,因为干扰比有用信号强的多,相位噪声的“尾部”将涌进信道内。图本振相位噪声的影响由于振荡器的相位噪声,在混频过程中产生的噪声是覆盖在有用信号信道上,无法通过滤波器滤除,所以振荡器的相位噪声指标对接收机相当重要。.射频接收机结构及工作方式射频前端是无线通信系统中最靠近天线的部分,主要任务是完成功率放大、滤波、上下变频、调制解调等功能。在射频前端结构设计过程中,要根据接收机所要求的灵敏度、增益、

28、线性度等技术参数确定合理的拓扑结构。基于接收机的中频频率规划,可以将接收机分为超外差结构和零中频结构两大类。其中,超外差接收机技术成熟,可以细分为很多不同的结构;而零中频接收机是集成化趋势,可以使电路体积降低到最低。下面将介绍几种常见的射频接收机结构。.超外差接收机超外差式接收机是目前应用最广泛的一种接收机结构,它由在年发明,该结构的基本原理是:把从天线接收到的高频信号经过滤波、低噪放后与本地振荡器进行下变频转换成一固定的中频信号,中频信号再进行滤波和中频放大,使中频信号符合后级处理的增益电平并抑制中频信道外的干扰,这双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计就是超外差变换的一个过程,所以通常

29、又称超外差接收机为中频接收机。根据中频信号下一步的处理,又可以把超外差接收机细分成多种结构,图为超外差接收机基本框图。图超外差接收机基本框图在进行接收机系统设计时,超外差式接收机是最受青睐的,因为超外差接收机的频率选择性好、设计灵活并且具有较高的稳定性。采用超外差方案,中频可以远远低于载频,所以高值的信道选择滤波器在中频实现要比在载频实现容易很多。对于多次变频的超外差结构,可以逐级滤波,对相邻信道的信号干扰有很好的抑制作用,信道选择性更好。接收机一般需要以上的增益,采用超外差式接收机方案,可以将接收机的总增益分散到射频、中频和基带三个频带上,一方面可以保证放大器的稳定性和避免振荡,另一方面可以

30、降低电路难度,在较低的固定中频上做高增益放大器要比在射频上面做高增益放大器要容易和稳定【】。超外差接收机除了上述的优点,也还有不少的问题,其中一个比较严重的问题是镜像频率的干扰【】。如图.所示,镜像频率和有用信号相对于本振信号呈对称存在,当有用信号被变频到中频的时候,镜像频率也会同时变频到中频处,从而干扰信息的正常接收。为了抑制镜像频率的干扰,通常在混频之前加一个高值的射频滤波器,将镜像频率抑制到足够低的水平。卜旦 。图镜像频率干扰示意图第章射频前端总体设计镜像抑制 滤波器的实现,受到中频的限制,选的越低,意味着镜像频率和有用信号频率越接近,滤波器的实现难度越大;选的太高,则会导致后面解调电路

31、难度的提高。为了降低对镜像抑制滤波器的要求,可以使用两次变频结构,第一次中频设高点降低镜像抑制滤波器的要求,第二中频则可以灵活选择以满足后面解调电路的要求。二次变频链路更为灵活,系统也更为稳定,镜像抑制效果也更好,但是电路实现也更为复杂,功耗更大,占用空间也更大,同时组合频率干扰可能也更严重】。在接收机方案设计过程中,选用一次变频或者二次变频的结构,需要综合考虑各方面的需求。在传统的超外差接收机中,经过超外差变换得到的中频信号进入解调器,经过基带信号放大、限幅、增益控制等模拟基带处理,输出解调出来的信息。随着数字技术的发展,数字基带处理逐渐取代了模拟基带处理,超外差变换得到的中频信号通常先经过

32、解调器变到模拟基带,再经过转换到数字域进行数字信号处理解出原始信息。近十年来,随着数字信号处理技术和半导体工艺的飞速发展,的频率迅速提高,成本越来越低,使得直接从中频直接采样,继而进行数字信号处理的方法得以实现。这种采样中频,在数字域实现数字下变频的超外差结构,通常又称为数字中频接收机。由于数字信号处理不仅精确,且容易控制,近年来,数字中频结构接收机在射频前端的应用越来越多。相比较传统的超外差接收机,数字中频接收机对于的要求更高。尽管超外差类型结构的接收机也存在不少缺点,但是其可以提供优良性能,依旧被认为是最可靠,最稳定的接收机结构,且得到了很多实际的应用。.零中频接收机【】【】从上文对超外差

33、类型结构的接收机分析中可以看出,超外差接收机采用了镜频抑制滤波器来抑制镜像频率,虽然可以有效的压缩镜像频率,但是滤波器太占空间,尤其是多次变频的情况,不利于系统集成。由超外差接收机存在的镜像频率干扰的问题,可以想到,若本振频率设计等于射频频率,那么混频之后的信号频率即为零,自然就不存在镜像干扰,这就是零中频接收机,也称为直接下变频接收机。零中频接收机结构如图.所示,天线接收过来的信号,经过射频滤波器的频率选择和低噪声放大器的增益放大,与相互正交的两路本振信号完成混频双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计处理,分别输出两路同相和正交的基带信号。这里采用正交下变频的方式是为了避免混频后的基带信

34、号的正负频率成分混叠在一起,恶化信号质量,影响接收机性能。?图零中频接收机结构与超外差结构相比,零中频接收机在某些方面有不少优点。首先,没有镜像干扰的问题,所以不需要高性能的镜频抑制滤波器;其次,无需专门的中频滤波器来进行信道选择,使用低通的滤波器即可,并用基带放大器放大,这些电路更易于集成,并且成本也更低。总之,零中频接收机的电路结构要比超外差接收机精简多,易于集成。然而零中频接收机也存在很多超外差结构中没有的缺点,如直流偏移、本振泄漏、失配、闪烁噪声、偶次失真等问题。.镜像抑制接收机零中频接收机虽然结构易于集成,但是其直流偏移、本振泄漏、闪烁噪声、失调等众多问题还是给设计带来很大的困难。而

35、超外差接收机虽然可靠、稳定并且可以提供良好性能,但却不易于集成,主要问题在于镜像抑制滤波器无法集成。为了解决这一问题,和在中频接收机的基础上提出了镜像抑制接收机结构【】。镜像抑制接收机的设计思想是,利用混频后正交的、两路信号相位特性的不同,在复数域中分离有用信号进而实现对镜像信号的抑制,图是一般镜像抑制接收机的框图。与超外差结构一样,镜像抑制结构也是把射频信号变频到中频,有效的避免了零中频接收机的各种问题。而且,由于复数滤波器多相滤波器的镜频抑制作用,中频可以设的接近零频而无需担心镜频干扰,这样有效的降低了后续中频滤波器、等电路的难度。第章射频前端总体设计图镜像抑制滤波器示【】。镜像抑制电路设

36、计为正交混频的结构,射频信号与相互正交的两路本振信号完成混频处理,分别输出两路同相和正交的低中频信号,再将其中一路移相度,然后两路信号相加,最终即可得到抑制镜像频率的中频信号;镜像抑制电路与结构类似,不同的是用两个相互正交的本振信号,来替代度移相电路。华结构双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计结构图 常用镜像抑制接收机结构理论上来讲,上述两种镜像抑制结构可以完全消除镜像干扰和噪声,可是在实践中都有比较明显的缺点。最主要的原因是,这两种结构都要求两个混频支路完全一致,包括本振幅度、混频增益,相位也要求精确,显然电路的实现上有极大的难度。结构在实现上比结构相对简单,两个支路的失配相对也会较小

37、,但是结构不可以实现宽带中频的下变频,因为宽带的固定移相器不易实现。而结构则没有这个顾虑,第一次混频到固定中频,第二次混频得到所需要的中频,由于经过两次变频,所以两路的不平衡程度会很大。镜像抑制结构更适合在射频集成电路中使用,由于不需要高性能高值的射频滤波器就能实现镜像干扰信号的抑制,只需要低值的带通滤波器就能实现信道的选择,这样有效的简化了整个接收机的复杂度,利于电路集成。而且直流偏移、本振泄漏和偶次交调对该结构都不敏感,但由于存在实际电路、两路的失配,镜像抑制结构对于镜像干扰的抑制程度也有所限制。一般当幅度不平衡在.,或者相位偏差的情况下,实际中可以获得的镜像抑制,足以取代镜像抑制滤波器,

38、大致满足系统需求【,】。.射频发射机结构及工作方式发射机的主要功能是将有用信号频谱搬移到射频,然后进行功率放大,通过第章射频前端总体设计天线辐射出去。因为发射机输出一般是大功率信号,如果设计不合理,就会产生干扰,不仅会影响接收机的信噪比,同时还会对其他无线电设备产生电磁干扰。发射机的结构大致可以分为两种,直接变频发射机和两次变频发射机。前者是将调制和上变频合二为,直接从基带调制到射频,使用一个电路实现;后者是先在低中频上面对基带信号进行调制,然后再上变频到射频载波上面【】【】。.直接变频发射机直接上变频发射机的基本结构如图.所示,发射基带信号、分别经过一个低通的信道选择滤波器,然后直接调制在正

39、交的发射载波上,通过合路器合成一路,再经过功率放大器和射频滤波器后通过天线发射出去【”】。在该结构中,射频滤波器作用是滤除功率放大器产生的谐波,所以滤波器设计要求很简单,仅需要满足最大输入功率要求以及在谐波频率的抑制。信道选择滤波器是在基带部分进行,为了降低调制误差矢量,滤波器最好有线性相位和恒定的群延时【】。?基带?嘻带图?直接上变频发射机目前,数字基带信号处理基本上已经取代了模拟基带信号处理。数字基带信号先经过星座映射成、两路信号,然后进行插值滤波,实现信号成型和信道选择,再通过输出,此时模拟低通滤波器的作用就是平滑输出,滤除引起的频谱扩展和采样频率。直接上变频发射机因为结构简单,成本较低

40、的优点,得到了广泛的应用,尤其在射频集成电路中。但是,它同样有不小的缺点,由于信号频率和本振频率相同,本振频率通常会从混频器的射频泄漏,经过功率放大后,通过天线辐射到空间,从而产生邻道干扰。同时这种干扰可能会产生泄漏或者反射回来来影响本振信号,牵引其频率,导致本振频率稳定度变差,降低发射机的各项性能指标。双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计直接上变频发射机还有一个难点,即实际电路设计中难以保证/支路的严格正交和增益匹配,而/失调会影响发射机的边带抑制以及调制误差,最终降低接收机对信号的解调难度,可见/调制器的平衡设计是直接上变频发射机结构的关键。.两次变频发射机二次上变频发射机的结构如图

41、.所示,发射/信号先正交调制到一个恒定的中频上面,再经过中频滤波和中频放大,最后在将中频上变频到射频载频上面,由射频功率放大器放大到指定的功率,从天线发射出去【”】。与直接上变频发射机相比,缺点是:器件较多,成本相对高点,需要的滤波器较多,集成度低;使用两级混频可能会导致杂波干扰更大;电路结构较复杂,调试和测试时间更长。优点是:在较低的中频进行/调制,可以比较容易的实现两个正交支路的正交性和一致性;由于射频本振可以被滤波器抑制掉,所以射频本振泄漏的问题,以及由此引发的本振频率牵引等问题可以避免。图二次上变频发射机.双模北斗接收机射频前端技术要求北斗卫星发射的导航信号使用了伪码扩频调制,从卫星到

42、地面接收机距离非常远,信号在经过大气中的传播损耗后,到达接收机天线的信号极其微弱,信道带宽内的功率已经低于噪声功率。所以想要从信号中提取有用信息,对接收机的技术指标要求就很高。前面小节已经对射频收发机的关键技术指标进行了详细讨论。射频前端系统技术指标的高低反映了系统工作性能的好坏,对整个射频前端的性能提出了最低第章射频前端总体设计要求,并为器件选型和后续的电路设计提供了指导。.射频前端主要技术指标表射频前端系统主要技术指标北斗接收通道.±.接收频率一”一输入功率范围中频输出功率.,.中频输出载噪比信号输入一,.中频带宽中频带外抑制±输出时钟电平?功耗 .供电北斗通道接收频率

43、接收频率 .±.瑚.输入功率范围中频输出功率.,.中频输出载噪比信号输入,.中频带宽中频带外抑制.输出时钟电平?功耗.供电北斗通道发射频率。±。发射频率输入调制信号电平 丌电平双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计发射信号调制方式 调制招发射功率载波相位噪声;.射频前端接口要求.接收通道射频输入,由天线通过接口,交流耦合至本射频模块。.接收通道射频输入,由天线通过接口,交流耦合至本射频模块。.发射通道射频输出,有本射频模块通过接口,交流耦合至天线。.数字通信接口,本射频模块与基带模块通信接。.射频前端主要技术难点.考虑到射频通道有的发射功率,为了防止前级低噪声放大器的饱

44、和,必须在低噪放最前端加预选滤波器,但是该滤波器的插损会使噪声系数严重恶化,影响接收机灵敏度,因此必须将该滤波器插入损耗降到最低,同时又要确保足够的带外抑制性能,增加了低噪放部分电路的设计和调试难度。.由于模块中有三个射频通道,有多个本振和时钟信号及其谐波,这几个信号功率都很强,无论是通过传导还是辐射,都很容易造成干扰,甚至是带内干扰,所以给电路设计,尤其是设计和调试增加很大难度。.接收通道多的增益分配,必须确保噪声系数足够好,并且每一级功能模块都工作在线性区域,系统有足够的动态范围。.考虑本文设计的手持双模机的应用场合,功率放大器必须设计成用供电,同时由于尺寸受限,就要求在很小的空间实现的功

45、率放大,常用的功放管不仅封装大,而且大多需要负压驱动,还需要另外设计使能电路,而集成的功放没有供电输出的。为了解决这些难点实现系统要求,需要在方案设计过程中,就明确各个功能电路性能对系统指标的贡献,采用折中的思想规划各个部分电路参数。在实际电路设计中,采取优化方法,进行反复精心调试。第章射频前端总体设计.双模北斗接收机射频前端的方案设计双模北斗卫星导航接收机将同时实现两个接收通道和一个发射通道,所以整个射频前端的设计可以分为三个部分:接收通道设计、接收通道设计、发射通道设计。在为无线通信设计射频收发机时,首先,必须依照各个指标来确定接收机和发射机的结构,其不同结构的性能和优缺点在上述章节中已经

46、详细描述过;其次,再把系统的主要性能指标分割到各个电路模块,包括系统增益分配、噪声系数设计等;然后,再根据这些进行各个电路模块的关键器件选型,进行评估,验证系统实现的可行性:最后进行电路设计。在设计过程中,为了使射频收发机达到最佳性能,往往需要对各个模块的参数进行折中考虑,既包括不同模块之间的指标分配,例如,低噪放模块的增益和混频模块线性度的折中,也包括同一模块不同指标之间的折中,例如模块的功耗和线性度的折中。.射频前端接收通道方案设计.通道结构设计北斗接收通道载波频率达到.,带宽又很窄,如果想直接实现信道选择则射频滤波器的值太大,基本上不可能实现。同时,考虑到在射频载波频率很高的情况下,直接

47、使用/解调器变频到基带是不现实的,这是因为载波频率越高,要实现、两路的匹配难度越大,并且射频电路在稳定性、精度和增益方面更容易出问题。因此,选择使用超外差类接收机,通过多级变频,把系统增益分配到各个环节中去实现,有利于各级电路的稳定。又由于射频载波频率太高,使用单次变频结构的话,镜像抑制滤波器要求的值非常大,难以实现,所以本设计采用两次变频的结构,将载波下变频到合适的中频后,送给基带模块进行和数字基带处理。射频前端接收通道结构框图如图.所示,下面将简单介绍各个电路模块功能。天线之后的射频滤波器的作用是滤除带外的强干扰信号,主要是抑制发射通道的强信号,防止后续电路饱和导致接收机的整体性能降低,所

48、以该滤波器要求在有较高的抑制。双模北斗卫星导航接收机射频前端的研究与设计低噪放模块是具有低噪声系数的放大电路模块,主要作用是放大进入天线的微弱信号,同时有效的减少信噪比的恶化。前面小节已经提到,要降低整个系统的噪声系数,就必须要求系统最前端的电路拥有较小的噪声系数以及比较高的增益。由级联系统的噪声系数计算公式,不难看出低噪放前的滤波器插入损耗对整个系统的噪声系数影响是致命的,所以为了保证系统的良好噪声系数,低噪放前的射频滤波器插入损耗必须尽量小。然而在同等条件下,滤波器插入损耗越小,通常意味着带外抑制就越弱,如此为了保证低噪放模块不因强信号而饱和,就必须加大低噪放电路的工作电流。所以,如何做好

49、系统噪声系数和功耗的折中,是本设计中的个难点。在进入第一级混频之前,需要加一个镜像抑制滤波器,主要作用是:抑制第一级中频的镜像频率,提高信噪比;起到一定的信道选择作用,防止后续电路饱和;起到一定的隔离作用,降低本振及其谐波对低噪放电路的影响。本设计采用两次变频的接收机结构,所以该镜像抑制滤波器的设计难度不高,镜像抑制左右即可,通常使用射频声表滤波器。第一级混频和第二级混频之间需要加一个中频滤波器,主要作用有:抑制第二级中频的镜像频率,提高信号的信噪比;抑制了第一级混频之后的各种组合频率,防止这些组合频率进入第二级混频器产生更多的组合频率干扰,并且起到一定的信道选择作用;起到一定隔离作用,防止第二级本振及其谐波泄漏到第一级混频电路,产生组合频率干扰。混频器的主要功能是实现信号的频谱下搬移,由于本设计采用的是两次变频的超外差结构,并且混频之后都有接滤波器,所以对于混频器的本振及其谐波的泄漏要求并不高。混频器的噪声系数一般都在左右,远大于放大器的噪声系数,所以在系统增益分配以及噪声系数设计过程中,混频器的设计很关键。功耗与线性度,也是混频器设计中需要重点考虑的。本振信号的相位噪声对于系统的性能影响很大,系统指标中对于相位噪声要求也较高,设计中使用锁相环频率合成器的方式产生本振。为了降低系统的功耗和电路尺寸,我们希望通过一个频率合成器就产生