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超外差接收机设计

发布时间:2019-07-04 12:39 来源:未知 编辑:admin

  超外差接收机设计_电子/电路_工程科技_专业资料。超外差接收机设计 flaming 第一章 技术指标(基本函概) 图表 1 传统的两级变频超外差接收机框图 1.1 接收信号频段 1.2 接收机噪声系数 1.3 接收机增益 1.4 接收机 RF

  超外差接收机设计 flaming 第一章 技术指标(基本函概) 图表 1 传统的两级变频超外差接收机框图 1.1 接收信号频段 1.2 接收机噪声系数 1.3 接收机增益 1.4 接收机 RF 和 IF 滤波器指标 包括通带插损、阻带抑制和带内波动等。RF 滤波器(预选器)主要功能是:· 限制 输入信号的带宽以使互调失真最小; · 削弱寄生响应,主要是镜象频率和 1/2 中频频率问题; · 抑制本振能量,以防止其到达天线。 IF 滤波器主要功能是相邻信道选择性 ACS 和接收机三阶互调系数改善。 1.5 灵敏度: 接收机正常工作条件:输出功率和输出信噪比达到要求。所以,接收机灵敏度为 在给定要求的输出信噪比(误码率)的条件下,接收机所能检测到的最低(最小)输 入信号电平。与信道类型和传播情况有关。 1.6 动态范围 接收机高性能工作所能承受的信号变化范围。 1.7 阻塞和杂散响应抑制 由于一些无用信号的存在,使接收机接收有用信号质量降低而不超过一定限度的 能力。 1.8 互调响应抑制 指接收机在与有用信号频率某一特定关系的两个或多个干扰信号存在时。收信机 接收有用信号的质量降低不超过一定限度的能力。 1.9 相邻信道选择性(ACS) 指当相邻信道上存在信号时,接收机有用信号质量降低不超过一定限度的能力。 该指标检验接收机邻道选择性。ACS 定义为指定信道的接收滤波器在该信道上的衰减 和对相邻信道信号的衰减的比率。 1.10 杂散辐射 指发射机不发射功率时,在天线口测得的由接收机引起的辐射功率,主要是天线 连接器和机箱的辐射引起。 第二章 设计关键器件选型 2.1 射频滤波器指标 接收链路上的 RF 滤波器主要用于对带外阻塞电平、 混频镜像和半中频点的抑制, 根据 分析的结果,可以确定接收链路上 RF 滤波器的技术指标。发射链路上 RF 滤波器主要 用于抑制发射机输出的杂散,如本振泄漏、谐波等。 RF 滤波器包括:AS 单元的天线滤波器、LNA 输出滤波器和收发信机的 RF 滤波器。 下表为大唐 TD-SCDMA 对 RF 滤波器的要求,主要来自于协议要求(其中灰色部分为 发射要求) , (对于有些频率评论不太清楚)但是 imger(IF/2)=LO-IF/2 本文其他地方没 有提及,主要是: LO-imger(IF/2)=IF/2 的二次谐波。 表格 1 大唐 TD 中 RF 滤波器指标 2.2 中频滤波器指标 1. 考虑接收机 IIP3,为了减小 IF 滤波器后面的链路对整机 IIP3 的影响,在 IF 滤波 器偏离中心频率(测试频率)处,提出滤波器选择性 S 的值,要求 S 大。 2. 对于收信机, 中频滤波器主要考虑选频和 ADC 之前的抗混叠滤波, 在发信通道上中 频滤波器主要用于抑制 DAC 输出的镜像。 下面参考大唐 TD-SCDMA 设计: 2.3 混频器的选择 对于发信机,混频器关键在于 LO 到 RF 端口的隔离。为了获得良好得线性度,混频器 输入口输入信号要小,通常负十几 dBm(具体要通过评估板测试看看) ,同时高的本振 电平也可以提高混频器线) 。 对于收信机,混频器主要指标是 IIP3(主要 3 阶互调成分)和 IIP2(主要半中频) ,采 用高的 LO 电平,可以提高混频器的 IIP3。 第三章 问题解答 3.1 双平衡无源混频器 PLO 和 RF 入口 P-1dB 关系 在 TD-SCDMA 系统 RXB 和 TXB 中,本振信号采用的是 17 dBm 的大信号,采 用如此大信号的原因如下。对于 RXB 和 TXB 中采用的无源混频器的基本电路结构如 下图所示。 图表 2 无源混频器基本电路结构 在该电路中输入输出两个变压器由于其对共模成分的抑制,从而实现了 LO、IF 和 RF 这三者之间的相互隔离,实现值在 30 dB 以上,符合所用混频器 SYM-22H 数据手 册上的指标。 对于上图所示的混频器的基本结构, 4 个二极管的作用是在本振信号的激 励下产生周期的开关功能,从而本振信号的幅度必须要大于二极管的开启电压。对于 Ge 二极管而言,开启电压的峰值是 0.35 V, (均值 1 于 2 )从而本振信号的强度必须大 ? ?0.35? 2?2 ? ? ? 6.9 dBm PLO ? 10 log? ? 1000 ? 50? 2 ? ? ? 此时为保证正常工作,输入的射频信号幅度必须满足 (1) ? VLO V ? VRF ? LO 2 2 (2) 从而输入射频信号的强度就必须小于 ? 0.352 ? PRF ? 10log? ? 50 ? 2 ? 1000? ? ? 1 dBm ? ? (3) 1 dBm 最大输入射频信号强度的指标并不是很好。根据 SYM-22H 数据手册,其最 大输入信号可到 10 dBm。对于这样的指标,混频器的基本电路结构必须改变,也既是 每个二极管都用 3 个二极管来替换,如下图所示。 则此时输入射频信号的强度就为 ? ?0.35 ? 3?2 ? ? PRF ? 10 log? ? 50 ? 2 ? 1000? ? 10 dBm ? ? 同样本振信号就必须满足 (4) PLO ? ?0.35 ? 3 ? 2 ?2 ? ? ? 16 dBm ? 10 log? ? 1000 ? ? 50 ? 2 ? ? (5) 这就是为什么在 SYM-22H 数据手册中,最大输入信号的指标要达到 10 dBm,本 振信号必须为 17 dBm 的原因。 3.2 半中频信号的抑制来自何处? SYM-22H 混频器对半中频信号自然就有 40 dB 以上的抑制,这种抑制来自何处? 通过对电路结构的分析可以得到解释。 由于本振信号的激励,使得二极管桥周期开关,形成开关电路。理想情况下,开关 电路的特性可表示为下图。 此时开关函数的傅立叶级数展开为 K (t ) ? ? 4 ? n? ? sin 2 ? ? sin ?n? LO t ? ? 2 ? n ?1 n? ? (6) 最终,输出中频信号为 IF ? ? 4 ? n? ? sin 2 ? ? sin ?n? LO t ? ? RF ? 2 ? n ?1 n? ? (7) 对于半中频而言, 是由本振的 2 次谐波和射频的 2 次谐波混叠产生。 根据公式 (6) , 本振的 2 次谐波(n = 2)不存在,也既是说理想情况下,双平衡无源混频器对任何偶 次谐波的抑制为无穷大。但是实际情况下,电路不能做到完全的平衡,例如下图所示。 上图的来历是对混频器的仿真结果。 从而根据上述讨论, 由于电路结构的不能完全 平衡和器件非理想特性,从而导致了混频器对半中频信号存在 40 dB 以上的有限抑制。 第四章 CDMA 手机射频前端设计中的几个关键问题 CDMA(码分多址)要求在低于 0dB 载-干比的接收信号中解读出有用的信号,要求 CDMA 手机或者基站有一个高性能的射频前端和 DSP 基带处理电路。 本章提供了一系 列根据协议 IS-98-A 估算 CDMA 移动台射频参数的方程。 I corr _ out :相关器输出端干扰信号; I corr _ in :相关器输入端干扰信号; BWRF :CDMA 系统传输带宽(射频信道带宽) ; RINFO :基带信号带宽; ?C I ?corr _ in :相关器输入载-干比; ?C I ?corr _ out :相关器输出载-干比; GP:相关器处理增益; Eb N t :相关器输出端,平均每个信息位的能量与等效噪声功率谱密度比; I or :基站天线接口处测得前向 CDMA 信道功率; ? I or :在移动台天线入口处测得接收信号; I oc :一个限制带宽的白噪声干扰源 TrafficEc I or :基站前向业务信道平均每个 PN 码片的发送功率占整个前向信道发送功率的比率; Ist :单音干扰引起的、落入接收频带内的等效输入干扰电平; I RMXG :单音干扰引起互易混频干扰信号电平; I XMOD :单音干扰引起的交调干扰信号电平; 4.1 IS-95 前向信道及基本 CDMA 方程 CDMA 系统基于直序扩频(DS-SS)通信技术。 基本原理: 利用一个伪随机(PN)序列对基带信号进行调制,由于 PN 序列的码片速率远远大于 基带信号速率,经过调制后,基本带信号频谱被展宽到 PN 序列带宽,并具有了伪随 机和类似噪声的特征。 接收机接到信号后,利用一个与发端 PN 码同步的副本做相关的运算进行调制。由于 PN 序列是一种自相关的二进制序列,不同 PN 序列之间具有很低的互相关。当相关器 中的 PN 序列和嵌入 CDMA 信号的 PN 序列相匹配时,目标信号被解扩到扩频前的原 始带宽;不匹配的输入信号(接收噪声、干扰信号或其他不同步的 CDMA 信号)则扩 频到 PN 序列的带宽。 紧跟解扩器之后的数字滤波器具有与基带信号相同的带宽,完全选通基带信号而只允 许干扰信号频谱中一部分通过。 在基站的发射机输出端,通信信道、引导信道、同步和寻呼信道都经多路复用且后在 一个无线信道上发送。因此,每个用户通信信道的功率表示这一前向 CDMA 信道总功 率的一小部分。 通过数字滤波器进行带宽限制后, 一个 CDMA 无线MHz。 由于 CDMA 系统的信息是双相位调制的,调制过的信号包络并不是固定的。前向 CDMA 信号的峰值与平均值比率(PTAR)是 10dB。因此,为了对接收信号进行相应 的检测和解调,接收机应该在接收信号功率所允许的范围内保持线性。 所以,相关器输出端的干扰信号 I corr _ out 相比与输入端的干扰信号 I corr _ in 被减小了一定 的比例。该比率就是 CDMA 的传输带宽 BWRF 与基带信号带宽 RINFO 之比,同时相关器输 出端载-干比 ?C I ?corr _ out 相对于输入载-干比 ?C I ?corr _ in 也相应增加了相同的比率, 这个比 率叫 CDMA 系统的处理增益 GP。 基站天线口 信道发射功 率Ior 移动台天线 口 信道接收功 率Ior 单一用户业务信道相关 器输出信噪比 TrafficEb Nt 白噪声干扰源Ioc 基 站 单一业务信号功率 Ec 移动 台 系统 传输 通道 带宽为BW RF 输入干扰信号 I corr-in 输入载 - 干比 ( C/I) corr-in 相关器 处理增益 Gp=( 系统传输带宽 ) / ( 基带带宽) 输出干扰信号 Icorr-out 输出载 - 干比 ( C/I ) corr-out 基带 带宽为R INFO 图表 3 CDMA 扩频系统参数示图 GP ? BWRF RINFO (1) I corr _ out ? I corr _ in GP (2) (3) ?C I ?corr _ out ? ?C I ?corr _ in ? GP 经过数字滤波器后,相关器输出端的信号和干扰具有相同的带宽( RINFO ) ,所以有: (C / I ) corr _ out ? Eb ? RINFO Eb ? N t ? RINFO N t (4) 即: Eb ? ?C / I ?corr _ in ? GP Nt (5) Nt 为相关器输出端等效噪声功率谱密度,它包括热噪声和来自其他干扰源的干扰。扩 频系统中,干扰信号在解扩器中被转换为噪声。 每个 CDMA 信道(从基站到移动台)由多个逻辑信道(包括一个导频信道,最多一个 同步信道,最多 7 个寻呼信道,和最多 63 个业务信道)组成,它们占有相同的频带, 共享一个 PN 码相位。 这些信道通过一个基于 Walsh 函数的 64 位正交 PN 码加以区分。 业务信道的数据被一个基于 Walsh 码 BPSK 调制,然后再由一对基站 PN 码 QPSK 调 制,最终单一用户的业务信道数据速率达到码片速率(1.2288Mcps) 。基站发送器的输 出,将所有业务信道和导频、同步及寻呼信道被相互叠加到一起,然后安排到同一射 频信道上发射出去。所以每个用户只站前向 CDMA 信道总功率的很小部分,经过数字 滤波后,前向 CDMA 信道 3dB 带宽(BWRF)为 1.23MHz。 假设在基站天线接口处测得前向 CDMA 信道功率为 I or , 经过单一路径被移动台接收, 在移动台天线入口处测得接收信号为 I or 。前向业务信道平均每个 PN 码片的发送功率 占整个前向信道发送功率的比率为 TrafficEc I or 。用一个限制带宽的白噪声干扰源 ? I oc 来模拟接收机热噪声、连续波干扰和来自其他蜂窝的 CDMA 信号等干扰源。根据 (5) ,得到 单一用户前向业务信道的基本 CDMA 方程 TrafficEc ? TrafficEc ? I or ? GP Eb I or I or Traffic ? ? GP ? I oc Nt I or ? I or 取 dB 值为: (6) Traffic Eb TrafficEc BWRF ? (dB) ? (dB) ? 10log ? I or (dBm) ? I oc (dBm) Nt I or RINFO (7) 4.2 灵敏度和动态范围 CDMA 系统,基站和移动台之间通信按帧为单位,每帧长 20ms。所以 CDMA 移动台 性能的评价建立在一定帧误率(FER)基础上。 IS-98-A 关于 CDMA 移动接收机最低灵敏度和动态范围规范见表 2,最低灵敏度定义 为:保证接收 FER<0.5%所需的最低 CDMA 信道功率。 表格 2 灵敏度,动态范围最低要求 在采用 BPSK 调制及 9600bps 全速率语音编码是,满足 0.5 % FER 要求的最低 Traffic Eb E 为 4.5dB,考虑 2dB 设计裕量,则要求 Traffic b ? 6.5dB ;同时处理增益 Nt Nt BWRF 1.2288 Mcps ? 10log ? 21.1dB 。 RINFO 9600 bps GP ? 10log 连同表 2 数据考核 1 一起代入 CDMA 方程(7)可得:要满足最低灵敏度要求及 2dB 设计裕量要求接收机的干扰电平 I oc ? ?105dBm/1.23MHz 。 对于接收机灵敏度,其高斯白噪声 I oc 包括:1,接收单元等效输入热噪声功率谱密度 (N0)和 2,发送单元热噪声落入接收频带的功率谱密度(NTX) 。 所以: I oc ? ( N0 ? NTX ) ? BWRF 。 NTX: 由于典型发射机功放输出热噪声功率谱密度为-135dBm/Hz。 双功器隔离为-43dB, 所以 NTX 为-178dBm/Hz。推出:N0≤-166.2dBm/Hz 根据接收机基底噪声功率公式: Ft (dBm) ? NF (dB) ? KTBRF (dBm) 得:-166.2=NFRX(dB)-174 所以,接收机噪声系数为:NRX≤7.8dB 表 2 考核条件 2,确定了 CDMA 接收机在满足 FER≤0.5%条件下最小动态范围上限,主 要由 P-1dB 决定,典型 CDMA 系统峰—均比可达到 10dB,同时为了留有裕量,接收机按 90dB 的动态范围设计,所以设计是特别要求注意回退,确保接收机线 抗单音干扰最低要求 按照表 3 考核标准,接收机底帧误率 FER≤1%,采用 BPSK 调制,所以所需最低的 Traffic Eb E ? 4.3dB ,同样,考虑 1.5dB 裕量,即要求 Traffic b ? 5.8dB ,利用方程 Nt Nt (7)得所允许的干扰电平 I oc ? ?101.3dBm。 对于单音干扰: I oc ? 接收单元热噪声 N0 ? 发送单元热噪声 NTX ? 单音干扰等效带内干扰 I st N0 和 NTX 在 5.2 中已经计算,代入求得:Ist≤-103.7dBm/1.23MHz 通常单音干扰会在带内产生两种带内的干扰成分:互易混频和交叉调制 所以: 单音干扰 I st ? 互易干扰I R M X G ? 交调干扰 IX M O D (8) 4.3.1 互易混频 互易混频 (如图表 12) : 主要由接收机本振信号的相位噪声信号和单音干扰信号相混后 产生的带内干扰,表示为 I RMXG 。 互易混频 I RMXG=单音功率 Pst ? ??N 按表格 3,单音干扰距 CDMA 信道中心频率 900kHz, ?? N 为以 900kHz 频偏为中心, 在 1.23MHz 带宽对相位噪声积分得到。假设 VCO 的相位噪声在 285kHz 到 1515kHz (PLL 通带宽度) 频率范围内具有 1/f2 分布特性, 积分可得 ?? N =-75.6dBc, 所以 I RMXG =-105.6dBm/1.23MHz。 (9) 图表 4 互易混频 4.3.2 交叉调制 如图表 13,由于接收前端的三阶非线性,通过双工器泄漏过来的一部分发射信号和单 音干扰信号交叉调制后产生的落入接收机带内的交调信号,表示为 I XMOD 。根据(8) (9)可得: I XMOD ≤-108.2dBm/1.23MHz。 假设交调主要产生于 LNA(通常应该指一混前的 RF 链路,可得: I XMOD _ LN A (dBm) ? 2PTX (发射机泄漏到LNA的功率) ? Pst _ LNA ( LNA输入口单音干扰信号功 率) ? 2 IIP ) ? 3dB(因为交调信号只有一 半落入接收机带内) 3 _ LNA ( LNA三阶交调 CDMA 系统中,接收机信号接近于灵敏电平时,功放输出功率为+28dBm。双工器隔离 为-58dB,减去 3dB 插损,到达 LNA 输入端的 PTX=-33dBm。根据(10) ,可求得 (10) IIP3LNA ? ?7.6dBm。 图表 5 交叉调制 4.4 半中频干扰 半中频干扰也可看成一种单音干扰, 当单音干扰信号位于半中频处, 按 4.3 单音干扰计 算: I oc ? N0 ? NTX ? 半中频干扰 I st (11) 根据表格 3,按照表 3 考核标准,接收机底帧误率 FER≤1%,采用 BPSK 调制,所以 所需最低的 Traffic Eb E ? 4.3dB ,同样,考虑 1dB 裕量,即要求 Traffic b ? 5.3dB 。 Nt Nt 可以求得 Ist≤-102.9dBm/1.23MHz。 由于天线口到 mixer 入口增益为 7dB,所以到 mxer 入口,单音干扰电平 Pst _ MXR 为 -23dBm, I st 变为-95.9dBm/1.23MHz,所以 mixer 要求对(2×2)杂散的抑制为 ?1/ 2 IF ≥73dBc。可得: IIP 2 _ MXR ? P st _ MAR ? ?1/ 2 IF (12) 求得:混频器 IIP2≥+50dBm 从以上分析可见,如果在 mixer 前加上 RF 滤波器对半中频单音信号进行抑制,降低 到 mixer 入口处的 Pst _ MXR , 同时降低了 ?1/ 2 IF , 则对 mixer 的 IIP2 要求自然降低了两 倍。 图表 6 半中频干扰 4.5 双音干扰 表格 4 双音干扰考核标准 表格 4 两种情况, 双音频率间隔为 800kHz, 距离较近的干扰信号或者高于、 低于 CDMA 中心频率 900kHz。 所产生的 3 阶互调位于 CDMA 信号带内, 高于、 低于中心频率 100kHz (图表 15) 。 在弱双音情况, I oc ? N0 ? NTX ? 三阶交调干扰 I IM3 (13) 根据表格 4,按照表 4 考核标准,接收机底帧误率 FER≤1%,采用 BPSK 调制,所以 所需最低的 Traffic Eb E 同样, 考虑 1.5dB 裕量, 即要求 Traffic b ? 5.8dB 。 ? 4.3dB , Nt Nt 可以求得 IIm3≤-103.7dBm/1.23MHz。 已知 Pst 1 ? Pst 2 ? ?43dBm, 所以对三阶互调的衰减量为 ? IM 3 ? 60.7dBc。 接收机 IIP3 可按公式 IIP3(dBm) ? Pst ? ? IM 3 2 (14) 算得 IIP3≥-12.7dBm 对于强双音信号,由于 CDMA 信号高出灵敏度 25dB,可以忽略噪声的影响,等效白 噪声干扰源主要由三阶互调产生。类似的,留有 1.5dB 裕量。算的 IIP3≥+8.15dBm。 图表 7 双音干扰 第五章 TD-SCDMA 前端设计 5.1 CDMA 方程 前向信道的 CDMA 方程可表示为: Eb E ? c ? GP N 0 I or I oc I or ^ (3) ^ Eb E (dB) ? c ? 10logGP ? I or ? I oc N0 I or (4) 其中 GP 为处理增益(Processing Gain) ,对 TD-SCDMA 而言等于 GP ? 10 log 1.28Mcps ? 20.2 dB 12.2kbps (5) 同时根据 3GPP TS25.142, 最小接收信号和单个 PN 码片与整个发送功率比分别规定为 I or ? ?110 dBm ^ (6) (7) DPCH _ Ec ? ?7 dB I or 把公式(5) 、 (6) 、 (7)代入公式(4) ,并考虑到 Eb / N0 ≥ 9 dB,可得到对干扰信号的 要求为: I oc ? ?105.8 dBm (8) 对射频前端接收机而言,由于 TD-SCDMA 的 TDD 工作方式,干扰信号仅包括信 道的高斯白噪声。也既是: I oc ? N 0 ? BWRF N 0 ? ?166.9 dBm/Hz NF ? ?10log?kT ? ? N 0 ? 7.1 dB (9) 其中 BWRF =1.28 Mcps,为 TD-SCDMA 的信道带宽,可得到 (10) 从而接收机在包括前端分路器后的整体噪声系数要求就为 (11) 由于低噪放前端分路器的插入损耗一般为 3 dB,所以接收机的噪声系数的要求就为: (12) 根据 4.1 dB 噪声系数的要求,采用三星 TRXA 接收机的拓扑结构,进行级连系统 仿真,如下图所示: NF ? 7.1 ? 3 ? 4.1 dB 图表 8 NF 的 APPCAD 仿真 当第一级低噪放的噪声系数变化时,与整体的噪声系数的变化关系如下图所示: 由上图可看出,在考虑到 0.5 dB 裕量后,第一级低噪放的噪声系数在 2 dB 以内时 均可满足要求。 5.2 邻信道选择性(ACS) 根据 3GPP TS25.142 在邻信道选择性下,最小接收信号和干扰信号功率分别为: I or ? ?104 dBm ^ (13) (14) PACI ? ?55 dBm 和上述噪声系数的计算过程一样,由最小接收信号功率,可得到要求的干扰信号必须 满足: I oc ? ?99.8 dBm 从而邻信道选择滤波器的选择性必须满足 (15) Selectivit y ? PACI ? I oc ? 44.8 dB (16) 5.3 二阶交调 二阶交调的指标由阻塞 (Blocking) 决定。 根据 3GPP TS25.142 的规定, 在阻塞条件下, 最小接收信号和阻塞信号功率为 I or ? ?104 dBm ^ (17) (18) PBLOCK ? ?40 dBm I oc ? ?99.8 dBm 所以输入二阶交调的要求为: 从而由最小接收信号功率,可得到要求的干扰信号必须满足: (19) IIP2 ? 2PBLOCK ? I oc ? 2 ? ?? 40? ? 99.8 ? 19.8 dBm (20) 5.4 三阶交调 三阶交调的指标由交调要求(Intermodulation)决定。同样,根据 3GPP TS25.142 的规定,此时最小接收信号和交调信号分别为 I or ? ?104 dBm ^ (21) (22) PINT ? ?48 dBm I oc ? ?99.8 dBm 所以输入三阶交调的要求为: 从而由最小接收信号功率,可得到要求的干扰信号必须满足: (23) IIP 3 ? PINT ? 1 ( PINT ? I oc ) ? ?22.1 dBm 2 (24) 5.5 镜像频率抑制 镜像频率抑制滤波器的抑制特性同样由阻塞 (Blocking) 决定。 根据 3GPP TS25.142 的规定,有 ImageRejection? PBLOCK ? I oc ? 99.8 ? 15 ? 84.8 dB (25)

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