通信电子线路：第12章 收发信机的整体设计

1、第12章收发信机的整体设计12.1 收发信机的工作参数和技术要求12.2 接收机结构12.3 发射机结构12.4 VHF无线传输系统实例112.1 收发信机的工作参数和技术要求12.1.1 收发系统的主要工作参数收发系统的设计必须按照中华人民共和国无线电频率划分规定进行。主要的工作参数如下：(1) 工作频率。通信系统的射频信号处于无线电频率管理部门批准的被称作频段的频率范围之内。频段又细分为若干相互间紧密排列的信道，发射机每次发射一般占用一个信道，具体使用频段内的哪个信道由通信协议确定。一般地发射信号的载频处于信道的中心位置。相邻载频间的频差称为信道间隔。2(2) 必要带宽和指配频带。对给定的

2、发射类别而言，其恰好是以保证在相应速率及在指定条件下具有所要求质量的信息传输所需的带宽称为必要带宽。批准给某个发信机进行发射的频带称指配频带，其带宽等于必要带宽加上载波频率容限(即容许的载波频率偏差的最大值)绝对值的两倍。指配频带和信道间隔相匹配。3(3) 功率。发射功率大小和通信距离有关。但工作在短距离小功率频段如工科医频段的系统的最大发射功率是受限制的。(4) 通信方式。有三种通信方式即单工、双工和半双工。在一条电信通路的两个方向上交替进行传输的工作方式称单工操作，一条电信通路的两个方向能同时进行传输的工作方式称双工操作，电信通路一端用单工操作，另一端用双工操作的工作方式称半双工操作。4(

3、5) 调制方式。无线通信系统中基带信号要经过调制后才能由天线辐射至空间。在模拟通信系统中采用的调制方式为调幅、调频或调相。现代通信系统中基带信号一般为数字基带信号，必须经过调制才能在无线信道中传输，三种基本的调制方式为幅移键控、频移键控和相移键控，根据不同分类方式有二进制数字调制和多进制数字调制、单载波调制和多载波调制等，常用的调制方式BPSK、QPSK、MSK、QAM、OFDM 等。具体选择何种调制方式，与要求的频带利用率、信道质量、现有系统要求等有关。5(6) 基带带宽或数据传输速率。模拟通信系统采用基带带宽来描述系统特性，数字通信系统则采用数据传输速率来描述。(7) 传输距离。无线通信系

4、统的传输距离或覆盖范围受多种因素的影响，包括发射功率、天线高度和增益、接收机灵敏度、工作频率、自由空间衰减、噪声干扰等方面，另外现场环境及移动速度等都会影响通信距离。612.1.2 发信机的技术要求发射机除了要按照工作参数确定的载频、载波频率容限、带宽、发射功率等工作以外，还必须满足电磁兼容的要求。这主要是在发射频带以外的无用发射要符合频率主管部门的规定。无用发射包括带外发射和杂散发射两种，由于调制过程而产生的刚超出必要带宽的一个或多个频率的发射(但杂散发射除外)称带外发射。杂散发射是必要带宽之外的一个或多个频率的发射，其发射电平可降低而不致影响相应信息的传输。杂散发射包括谐波发射、寄生发射、

5、互调产物及变频产物，但带外发射除外。7带外发射的频率范围称带外域，指刚超出必要带宽而未进入杂散域的频率范围。在此频率范围内带外发射为其主要发射产物，带外域以外的频率范围为杂散域，在此范围内杂散发射为其主要产物，杂散域和带外域的频率界限等于偏离必要带宽中心频率250%的必要带宽间隔。8对无用发射的限值要求很严，例如刚超出必要带宽的带外发射为-50dBc，因而发射滤波器的设计要求很高。对于突发方式发射的时分制设备，由于开始和结束时的过渡过程会引起频谱扩展，因而还必须采取措施，降低干扰，必须对发射的时频特性进行限定。912.1.3 收信机的技术要求收信机的性能总体上应满足以下几点：对希望接收的信号应

6、越灵敏越好；对不希望接收的信号及各种干扰的抑制能力应越高越好，此外还应满足电磁兼容的要求。具体有以下主要性能：(1) 灵敏度。灵敏度是为满足接收机的解调器输入端最小信噪比时的射频输入信号功率，通常以dBm表示，是接收机可正常工作的最小输入信号电平。(2) 动态范围。动态范围是接收机的灵敏度和不产生失真的最大输入信号之间的功率差值，通常以dB表示。10(3) 选择性。选择性表征接收机调谐于有用接收信号并排除所有非有用信号的能力。(4) 镜像抑制。主要存在于超外差接收机中，镜像频率信号是一种较为特殊的非有用信号，超外差接收机对其的抑制能力主要决定于输入端的射频滤波电路。通常以镜像抑制比(image

7、 rejection ratio，IRR)来衡量接收机的镜像抑制能力。设输入的镜像频率功率为Pin,im，有用信号功率为Pin,sig，两个高频信号引起的中频信号输出功率分别为Pout,im和Pout,sig，镜像抑制比表示为(12-1)11(5) 中频抑制。超外差接收机的中频抑制的定义与镜频抑制相似，指接收机的混频输出端对射频输入端的中频信号的抑制能力。(6) 抗阻塞能力。接收频带以外的强干扰会使接收机前端处于严重的非线性状态，从而不能正常接收信号。在测量此能力时干扰采用未调载波，测量产生阻塞时未调载波的电平值。由于接收滤波器的缘故干扰频率越接近接收频带，阻塞电平越低。(7) 本振辐射。本振

8、频率会由于电路非理想而从接收天线辐射出去，本振频率的辐射强度应低于规定的值。1212.1.4 灵敏度在接收机中，灵敏度用于衡量接收机在一定条件下接收小信号的能力，是接收机的一个非常重要的指标。灵敏度除了与所要求的接收机输出信噪比有关，还与接收机自身的噪声大小有关。进入接收机输入端的信号有两种，有用信号和噪声信号。设最小可接收信号功率为Pin,min，接收机天线的等效噪声温度为Ta，接收机的噪声系数为NF，总功率增益为GP，带宽为B，环境温度为T。当接收机输入信号为Pin,min 时，输出的信号功率为Pout,min = Pin,minGP。13接收机输出的总噪声功率Pno由两部分组成一是天线噪

9、声另一是接收机的内部噪声，即(12-2)(12-3)如要求的最小输出信噪比为灵敏度14(12-4)(12-5)又把 T0 = Ta + (NF 1)T叫做“工作噪声温度”，灵敏度可表示为用dB表示前两项为天线噪声与接收机内部噪声等效到输入端的噪声的总合成噪声，也称为基底噪声，记为Fn。15当Ta = T = 290K时(12-6)(12-7)灵敏度表示为系统的基底噪声越大或者要求输出的最小信噪比越高时，为保证输出质量所要求的输入信号最小功率就越大，即灵敏度越低。1612.1.5 动态范围接收机的动态范围是衡量接收机性能的一个重要指标。如果接收信号过大，会引起放大器的失真和引入噪声。信号过小，信

10、号无法被检测到。17动态范围是指使接收机能够对接收信号进行检测而又使接收信号不失真的输入信号的大小范围，即最大值和最小值之间的范围。接收机正常工作的下限是灵敏度，上限由最大可接受的信号失真决定。线性动态范围：1dB 压缩点对应的输入信号电平与灵敏度之比。无杂散动态范围：下限输入信号为灵敏度( Pin, min)，输入信号上限( Pin,max)定义为该输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量( Po3)折合到输入端恰好等于基底噪声( Fn)，即满足Po3 = FnGP。18无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range，SFDR)定义为(12-8)图12-1 计算无杂散动

11、态范围19根据式(12-3)可以求出灵敏度Pin,min，由系统的三阶交截点IIP3 和基底噪声Fn 可以求出Pin,max。当输入信号功率为Pin,max(dBm)时，输出三阶互调分量折合至输入端的功率为Fn(dBm)。基波输出功率曲线(desired signal)斜率为1，三阶互调分量输出曲线(IM3 products)斜率为3，有以对数形式表示的动态范围为(12-9)2012.2 接收机结构12.2.1超外差接收机1. 超外差接收机基本结构图1-3 超外差式接收机原理框图21三个频带：射频、中频、基带接收的核心思想：把接收到的信号经过滤波放大与本振信号混频，产生中频信号。本地振荡频率f

12、lo随接收频率fs变化而变化，从而使它们之差fif保持不变。接收频段滤波以及低噪声放大器中的滤波器用于抑制镜像频率等干扰信号。低噪声放大器提供足够的功率增益。混频器将信号频率由射频变换到中频，再进入中频滤波器和放大器。中频带通滤波器在选择有用中频的同时抑制不需要的混频产物，中频部分提供主要的接收机增益。22超外差接收机优点：(1) 超外差式可以根据需要选择特定的中频频率，从而取得良好的频率选择性，可以抑制很强的干扰。信道选择主要在中频段实现，因为工作频率低，同样带宽滤波器的Q值也低，因而对中频滤波器的Q值要求比在射频段对滤波器的要求低得多。(2) 其稳定性、可靠性保证了接收机的质量。天线接收到

13、的信号电平非常微弱，往往只有-120-100dBm，接收机需将信号放大100dB以上，后级的解调器或模数转换器才能够正常工作。超外差接收机将总增益分散到三个频段上，每个频段的放大器增益不超过5060dB，避免放大器增益过大产生自激振荡。而且工作在较低中频上的窄带高增益放大器比高频段更稳定和容易实现。23(3) 超外差接收机受I/Q信号不平衡度影响小，不需要复杂的直流消除电路。此问题将在直接变换接收机中讨论。(4) 有很大的接收动态范围、很高的接收灵敏度。射频前端的低噪声放大器具有较小的噪声系数，减弱了后级的噪声系数对接收机总噪声系数的影响，从而可以获得较高的接收机灵敏度。低噪声放大器的增益一般

14、不高于20dB，调节低噪声放大器的增益可以调节接收机的动态范围。24超外差接收机中的干扰主要有:(1) 中频干扰。接收机前端电路的选择性不够好时，如果频率等于或接近接收机中频的信号进入混频器输入端，这时混频器相当于放大器，对此信号进行放大，在输出端形成中频干扰。(2) 镜像干扰。当外来干扰信号与接收有用信号的频率相对本振频率中心对称时，称其为镜像频率信号。如接收信号频率为fs，本振为flo，中频fif = flo fs ，对应的镜像频率信号的频率为fim = flo + fif 。如果频率为fim 的信号通过前端电路进入混频器，与本振信号混频后也将产生频率等于fif的信号，对有用信号形成干扰。

15、在信号进入混频之前让其通过带通滤波器，抑制镜像干扰。25(3) 组合频率干扰。有用信号与本振的混频产生的干扰称为组合频率干扰。根据第7章分析，进入非线性器件的两个信号，频率分别为fs(接收)和flo(本振)，在输出端产生的组合频率分量为pflo qfs，p、q为正整数或零。设 flo fs ，中频为fif = flo fs 。当p、q 的值使得pflo q fs = fif 时，会形成干扰。能产生中频组合分量的信号频率、本振频率和中频频率之间存在关系(12-10)26将fif = flo fs代入式(12-10)，得到变频比当 fif = fs flo 时(12-11)(12-12)27例如，

16、具有超外差接收机结构的调幅广播，采用中频fif=465kHz，若某电台发射频率fs=930kHz，接收该电台信号的接收机机本振为flo=1395kHz。fs/fif = 2，当p = 1，q = 2时产生的组合频率对中频将形成干扰。因p+q=3，这是一个3阶干扰。对于一定的fs/fif= 2，满足式(12-11)或式(12-12)等于2的p、q值的组合存在不止一组，但当p+q很大时，为高阶组合产物，分量幅度小，对中频影响小。在设计时需要设法减小p+q较小的组合干扰。28表12-1 p、q值与对应变频比29(4) 组合副波道干扰。外来干扰与本振混频产生的组合频率落入中频频带内从而引起干扰，称为组

17、合副波道干扰。镜像干扰也属于组合副波道干扰。抑制各种干扰信号的方法是在接收机前端加高质量的带通滤波器，可用于减弱镜频干扰和其他组合副波道干扰。另外要减小超外差接收机存在的干扰，中频频率的选择非常重要。因此在超外差接收机的频率规划中，第一步是确定中频频率。30较高中频使镜像频率和接收频率距离大，在接收滤波器中更容易滤除镜像频率，提高接收机灵敏度。但对于中频滤波器，Q值相同情况下，中频越高通带宽度也越大，降低了系统对相邻信道的抑制能力，从而降低了超外差接收机的频率选择性。因而中频的选择是在灵敏度和频率选择性这对矛盾之间的折中。31选择中频频率时要从以下几个问题具体考虑：(1) 减少组合频率干扰。组

18、合频率干扰是接收信号本身与本振混频后产生的，无法通过接收频段滤波器消除，减小这种干扰的办法是减少干扰点的数目，提高组合频率干扰的阶数。(2) 采用高中频。高中频指中频频率大于接收信号频率，这时超外差接收机的混频器是上变频器。如短波接收机的波段范围为330MHz，中频采用70MHz。现代高性能宽频接收机的设计趋向于采用高中频的结构，实现宽频段通信。采用高中频可更好地抑制信号自身的组合频率干扰和镜像干扰、中频干扰及其他副波道干扰，但要采用高Q 值波器。32(3) 中频滤波器的可实现性。中频滤波器的频率特性决定了超外差接收机的频率选择性，一般具有较高Q值，应选用体积小、性能优良的成品滤波器，如声表面

19、波滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器等，中心频率为常用值，如10.7MHz、455kHz、70MHz等。33超外差接收机存在的缺点还有：(1) 由于超外差接收机一般会用到一级或几级中频混频所以电路会相对于直接变换接收机复杂。(2) 超外差接收机会用到很多离散的滤波器，这些滤波器可以是石英晶体、SAW 或陶瓷的，但一般比较昂贵，而且体积较大，系统集成度不高，成本也较高。(3) 超外差接收机电路构成复杂，进而功率消耗较大。342. 多次变频方案为了解决中频选择中“灵敏度”和“选择性”之间的矛盾，可采用多次下变频方案，有多个中频，对各级的滤波器的选频性能要求降低。高中频的接收机至少有两次频率变换。常

20、用的是二次变频方案。图12-2 二次变频超外差接收机35二次变频的方案中有两个中频。第一中频为较高的中频( fif1)，这样镜像频率与接收信号频率间隔较远，对镜像抑制滤波器的要求也降低。第二次下变频得到较低的第二中频( fif2) 的信号。两个中频滤波器的中心频率分别是第一中频和第二中频，它们是信道选择滤波器，完成提取有用信道抑制邻道干扰的任务。整个系统对临近信道的抑制能力取决于各级滤波器中相对较窄的那个。所以第二中频选择较低，对第二中频滤波器的Q值要求就会降低。此方案兼容了高低中频的优点，缺点就是需要两个本振，实现起来相对复杂。363. 双变换超外差接收机图12-3 双变换超外差接收机为便于

21、数字化处理，在超外差接收机中，第一个混频器将接收信号变换至中频，进行中频滤波放大，第二个混频器是一个正交混频器，将中频信号变换至I 路和Q 路基带信号，两路信号经过模数转换后在数字信号处理器中进行数字解码和解调。3712.2.2 镜频抑制接收机图12-4 Hartley 接收机Hartley 接收机：镜频抑制接收机，射频接收信号与相互正交的两个本振信号分别混频，将其中一路移相90度再叠加，就可以得到抑制镜频的中频信号。38设接收信号为cosst，中频为if，本振角频率lo=s+if，镜频信号为cos(s+2if)t，图12-4中，接收信号与两路正交本振信号混频后在A点和B点输出分别为(12-1

22、3)(12-14)经低通滤波后，在C点和D点的输出分别为0.5cosift和0.5sinift，正交路移相90度后在E点输出0.5sin(ift +90) = 0.5cosift，C、E两点信号相加后输出cosift，得到中频信号。39镜频信号与两路正交本振信号混频后在A点和B点的输出分别为(12-15)(12-16)在C点和D点的输出分别为0.5cosift和0.5sinift，正交路移相90度后在E点输出0.5sin(ift+90) =0.5cosift，C、E两点信号相加后输出为0，从而抵消镜像干扰信号。40要真正做到抑制镜频干扰，两条支路必须完全一致，包括本振信号的幅度、混频器的增益、

23、低通滤波器的特性都必须一致，正交要精确，即两路本振信号要精确地相差90 度，另外其中一路信号混频后通过的90度移相器必须是宽带移相器。41Weaver 接收机：用正交混频器代替Hartley结构中的90度宽带移相器设im为镜像角频率， im 1 2时，能够抑制镜像频率干扰。图12-5 Weaver 接收机42当输入为有用信号cosst时，第一次混频并滤波后在A点和B点输出分别和第二次混频滤波后在C点和D点输出分别为和C、D两点信号相减后得输出中频信号43和和C、D两点信号相减后得0。当输入为镜频信号cosimt时，A点和B点输出分别为在C点和D点输出分别为这两种方案的缺点是结构复杂，实现也相对

24、不易，在较高的频率时候要做到完整的镜像抑制需要精确的90度相位差比较难。4412.2.3 直接变换接收机直接变换接收机(direct-conversion receiver，DCR)也称为零中频(zero-IF)接收机，本振信号频率与接收信号载波频率相等，即中频为零。图12-6 直接变换接收机45与超外差接收机相比，直接变换接收机具有以下一些优势：(1) 射频信号被直接转换为基带信号，不需要考虑镜频抑制和近端干扰；(2) 只需要一个本地振荡器，不需要大体积的片外滤波器，利于芯片集成化和数字化处理。(3) 在低频上完成对信号的选频和处理；46与超外差接收机相比，直接变换方案存在一些很难解决的问题

25、：(1) 高性能的接收机必须具有高动态范围和低噪声系数，很难通过一级电路实现。(2) 本振泄漏。在一个实际的无线接收机中，本振信号可以漏到混频器的射频信号输入端，进而通过隔离度有限的低噪声放大器到达接收天线。一部分泄漏的信号会被反射回来而与接收的有用信号混杂在一起，并重新回到混频器的输入端；一部分泄漏的信号经由天线发射，可能干扰临近信道，如经天线发射的本振信号再返回接收机，也会与接收的有用信号混杂在一起，进入混频器的输入端。由于多径衰落，本振泄漏由多个幅度和相位的本振信号合成，对接收信号会产生自干扰。47(3) 直流漂移。本振泄漏进入混频器输入端，经频谱搬移后出现在直流频段，这是一种自混频现象

26、。由于零中频接收机的输入信号频率与本振信号频率相同，在混频器的输出端除了所需要的零中频信号之外，还混杂了一个不需要的直流分量或直流漂移。为了使混频电路具有一定的增益，本振信号的幅度或功率通常都会选得比较大，即使经过了泄漏和反射路径上的大幅衰减，最后所造成的直流漂移仍然可以轻易地淹没有用信号。48(4) 二阶非线性失真。电路输出特性存在平方项时会引起二阶非线性失真，主要产生直流漂移和二阶谐波失真。谐波失真可以通过滤波方法抑制。因基带信号的频谱接近直流，直流漂移很难通过滤波消除。为避免二阶非线性引起的失真，需选择具有较大二阶交截点IIP2的混频器。(5) 1/f噪声。对于所有的有源器件来说，都存在

27、1/f噪声，这种噪声跟频率成反比，在低频处噪声影响更大，所以直接变换接收机对1/f噪声敏感。49减小直流漂移的办法串联交流耦合电容采用差分电路采用模拟电路或数字方法都可以估计并抵消直流漂移。采用数字方法时需要模数转换电路具有足够大的动态范围。50直接变换接收机大大简化射频接收电路，有利于单片集成，但在实际应用中需要解决几个关键问题。它要求低噪声放大器和混频器具有良好的线性，本地振荡器应与接收信号载波频率相同，且具有高隔离度。由于在混频之前不能进行信号选择，临道干扰可能会使互调失真很大，从而减小接收机的动态范围。早期直接变换接收机一般应用于一些低端系统中，随着通信和集成电路技术的发展，具有高性能的直接变换接收机越来越多地应用于各种通信系统中。5112.2.4 低中频接收机图12-7 低中频接收机仍采用类似直接变换接收机结构，通过正交混频器将接收信号变换到一个较低的非零中频，这种结构的接收机称为低中频接收机。52同时具有超外差接收机和直接变换接收机结构的优点，且