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接收机结构_图

发布时间:2019-07-07 15:41 来源:未知 编辑:admin

  2.1 接收机结构 接收机基本上是由放大器、滤波器、混频器等部件将模拟 输入信号放大、滤波并进行若干次频率搬移或变换,再通过 ADC采样,送计算机或DSP作进一步处理。 根据ADC采样处的信号频率、接收机的变频次数等因素将 接收机结构划分为: 基带采样: 基带采样:包括超外差结构、直接下变频(零中频)结构、 镜像频率抑制结构、低中频结构等。 中频采样: 中频采样:窄带中频和宽带中频带通采样 射频直接采样: 射频直接采样:全宽开低通采样、射频直接带通采样。 此外根据ADC采样频率和信号带宽的关系又分为: 带通采样: 带通采样:采样频率取 fs = 2( f L + f H ) /(2n + 1) 低通采样: 低通采样:大于Nyquist采样率进行采样 2.2 超外差结构接收机 原理框图 RF Stage RF RF to IF IF to Baseband I Baseband LPF Baseband ADC I RF BPF LNA IMG REJ IF BPF AGC 90Ο Q Baseband LPF Baseband ADC Q RF LO IF LO 1、RF信号经带通滤波器滤除带外干扰 2、低噪声放大器LNA放大,以减少后级电路噪声的影响。 3、LNA的输出经镜频抑制滤波器滤除镜频信号(镜频抑制) 4、送入混频器输入端与频率可调谐的本振信号混频,变频到固定中频 5、中频信号经过高Q值的选择滤波器、放大器处理后送入第二级变频器,与 固定频率的两路正交本振信号混频,产生同相和正交两路信号输出,再经低 通滤波后得到两路基带 6、在基带内完成低通滤波、相位补偿、均衡、数字化等处理工作。 其中变频级多采用一次变频或二次变频方案。(混频器与变频器得区别?) 2.2 超外差结构接收机 系统中各信号的频谱关系如下图 RF&IMG REJ Filter S( f ) Down conversion, 1st mixer IMG Band IF Filter LO1 RF Band f Channel selection Down conversion, 2nd mixer IF f Baseband filter Baseband filtering and ADC LO2=IF f I&O Channel f 2.2 超外差结构接收机 超外差结构接收机特点 优点: 优点: 1、靠中频滤波器来选择信道,信道的选择性指标做得很高 2、系统总增益分配到高频、中频及基带三个频段上,高增益放大容易 3、在较低的固定中频上解调或A/D变换比较容易 4、灵敏度和选择性之间的矛盾容易缓解 不足: 不足: 1、混频器的存在,组合干扰频率较多 2、由镜像频率信号所引起的镜像干扰很大 3、为了提高接收机的选择性,使用多个高Q值的带通滤波器,不便集成, 使用的模拟器件较多,电路结构复杂,系统稳定性差 4、较多的窄带滤波器,引入的幅度和相位畸变很大,影响后处理的质量 5、滤波器的中心频率和带宽通常是固定的,灵活性差 必须反复考虑系统的具体结构和电路形式,仔细选择中频频率。 2.3 零中频结构 原理框图 RF I Baseband LPF Baseband ADC I RF BPF LNA 90Ο Q Baseband LPF Baseband ADC Q LO 零中频结构又称直接变换接收机结构。 来自天线的RF信号,经RF带通滤波器选择出有用信号 后送入LNA放大,然后送入正交混频器,与可调频率的 两路本振信号混频,直接产生正交、同相两路信号输出, 并分别经低通滤波后送到ADC。 2.3 零中频结构 系统中各信号的频谱关系如图 RF Filter Down conversion, one step mixer RF Band Baseband filter IF Filter LO f Baseband filtering and ADC I&O Channel f 特点: 特点: 1、中频为零,就不存在镜频干扰。 2、射频链路中只包含高频低噪声放大器和混频器,增益不高,易于满足 线、接收通路中,混频之后可以用模拟低通滤波器或数字滤波器来实现, 易于集成。可利用可编程的低通滤波器来兼容多种通信标准,适应性好。 4、信号的放大、处理主要在基带进行,对ADC的要求不高,容易实现,降 低了设备的复杂度 2.3 零中频结构 问题: 问题 : 零中频结构存在着许多在超外差接收机结构中没 有的或不甚严重的问题,如直流偏移、偶次谐波失失真、 I/Q通道不平衡、闪烁噪声等问题 直流偏移: 1、直流偏移:是零中频特有的一种干扰,由自混频引起 Antenna Self-mixing of interferer LNA Mixer output with DC offset LO Self-mixing LO 1)泄漏的本振信号从天线回到射频放大器,在混频器的射 频中与本振信号差拍为直流。 2)部分从天线而来的强干扰信号泄漏到混频器的本振端口, 与混频器射频端的同样的强干扰信号混频为直流。 这些直流分量叠加在基带信号之上,而且其电平往往较 大,甚至大到使后级的低频放大器饱和,无法放大信号。 2.3 零中频结构 2、偶次谐波失真: 偶次谐波失真: 假设任意两个强信号f1,f2,若它们的频率非常接近, LNA的偶次畸变会产生一个低频分量f1-f2。若混频器的 RF和LO端的隔离度不理想,则该低频分量直接通过混频器, 落在信号频段或相邻的信道上,恶化信号失真比,加重了 后续滤波电路的负担。故在零中频接收机中必须研究用二 阶截点来表征的二阶非线性。 而一般RF接收机仅仅对奇次谐波互调比较敏感。因为在 放大器中,只有奇次互调才可能产生与输入信号频率相同 或相近的杂散分量。 。 2.3 零中频结构 3、I/Q通道不平衡 I/Q通道不平衡 I/Q通道的必要性 : I/Q 通道的必要性:实际中被调制信号用同相分量I和正交 通道的必要性 分量Q表述。 在零中频结构中,要实现正交下变频,就需要对RF信号 或本振信号移相90?。 实际对本振信号移相,产生两路正交本振信号。 问题是实际中的移相器和I、Q支路并不是理想的,总会 有幅度和相位误差,被称为I/Q不平衡,从而产生I、Q通道 间的交调(crosstalk),引起成对回波,恶化了信噪比和最 佳探测条件。 4、闪烁噪声:主要增益放在基带级,因此输入的相关噪 闪烁噪声: 声(如可变增益放大器VGA,滤波器,ADC等基带处理)是 主要的。特别是,下变频后的信号以零频为中心,有源器 件的闪烁噪声对信号有极大的影响 2.4 低中频结构 原理框图: 原理框图:IF比零中频稍高一些。 Mixer Poly Phase Filter AGC Band Pass ADC From Antenna RF Band Filter LNA 90Ο LO AGC Band Pass ADC Mixer 优点:除了零中频结构的优点外,还消除了直流漂移问 优点: 题和闪烁噪声的干扰。 不足: 不足 : 除了偶次谐波失真、I/Q通道不平衡之外,镜频 抑制非常困难。 镜像频率抑制结构: 2.5 镜像频率抑制结构:Hartley结构 结构 用抵消的方式解决超外差接收机中的镜频抑制问题。 设射频输入为信号加 干扰: vi (t ) = VRF cosωRFt sin(ωLOt ) LPF 射频输入 LPF cos(ωLOt ) B A 90o C 中频输出 + Vin cosωint 则A点、B点信号分别为 vA (t ) = VRF V sin(ωLO ? ωRF )t + im sin(ωLO ? ωim )t 2 2 vB (t ) = VRF V cos(ωLO ? ωRF )t + im cos(ωLO ? ωim )t 2 2 在理想条件下,C点信号为 v IF ( t ) = v B ( t ) + v C ( t ) = V RF cos( ω LO ? ω RF ) t 不需要镜频抑制滤波器。但要求两条支路的幅相特性必须 完全一致、两路本振必须正交。否则无法抵消镜频。 镜像频率抑制结构: 2.5 镜像频率抑制结构:Weaver 结构 用正交混频器代替Hartley中的90度移相器。 sin(ω1t ) LPF 射频输入 LPF cos(ω1t ) sin(ω2t ) A C 中频输出 B cos(ω2t ) D 由于第二个混频器输出的中频不是零,也就可能存在 镜频干扰的问题。为消除此问题,一混后的低通滤波 器可改为带通滤波器,以滤出镜频信号。 或者选用 ω1+ω 2=ω RF 解决了移相器问题,但依然存在两条支路幅相不平衡等问题 2.6 中频带通采样结构 设信号中心频率为 f 0 ,带宽为 Bs ,系统处理带宽为B f ( 2 n + 1) B 时,采样频率可以为 f s = 2 B ,Bs ≤ B ≤ s 当满足 f 0 = 2 2 fi BPF 放大 A/D DSP = ( fL + fH ) 2 本振 f L fs 若B略大于Bs,则称为窄带中频采样。 略大于Bs,则称为窄带中频采样。 Bs 缺点:模拟部分多;中频带宽较窄,对信号的适应性和可扩展性不足; 本振信号的频率步进(分辨率)一旦确定,对信道间隔的适应能力就变差; 存在噪声混叠的影响。 优点:变频次数少;数据处理灵活;ADC容易。 远大于Bs 则称为宽带中频采样。 Bs, 若B远大于Bs,则称为宽带中频采样。 优点:模拟电路带宽宽,滤波器简单;适应性和可扩展性增强;幅相畸 变小;延时小;可同时容纳多个信道的信号;大步进本振。 缺点:对射频前端及ADC要求高;存在噪声混叠的影响。 2.7 射频采样结构 射频全宽开低通采样结构 是理想的软件无线电结构。设r为前置超宽带滤波器的矩形系数。 双工器 超宽带 滤波器 超宽带 放大器 超高速 A/D 超高速 DSP f s 2rf max 优点:模拟射频部分最少,有最好的灵活性。 优点: 缺点: 缺点:射频前端困难;动态范围小;相对低中频而言,孔径 抖动的影响大。 射频宽带直接带通采样结构 窄带电调 滤波器 放大器 A/D DSP f o = (2n + 1) f s / 4 f s & f sm 优点 : ADC较为容易; 信噪比、动态范围易 满足要求。 缺点: 缺点:存在采样盲区, 多个采样频率外,采 样时钟的产生比较困 难。 2.8 小结 超外差结构、直接下变频(零中频)结构、镜像频率抑 制结构、低中频结构等一般属于基带采样结构。 其特点一般是接收机进行一次或一次以上的变频,ADC 前的信号为基带信号或信号频率较低,采用过采样,采 样频率也比较低。一般而言,这些结构所用的模拟器件 较多、体积功耗大、灵活性差、适应性差,生产调试非 常复杂。 随着半导体的发展,特别是ADC、DSP、FPGA等大规模 集成电路的发展,促使接收机的设计发生了根本的变化。 而SWR的提出正好顺应了技术发展的潮流。

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