無線接收機系統(tǒng)

1、無線接收機系統(tǒng)        無線接收機系統(tǒng)無線通信是近年射頻與微波電路發(fā)展的最大推動力典型的GSM移動通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)發(fā)射機、接收機離不開射頻與微波電路 任何無線通信系統(tǒng)都包括發(fā)射機和接收機兩個基本部分。發(fā)射機的功能是將信號調(diào)制到載波上，并由天線輻射出去。 接收機的功能則相反，將天線接收到的加載在載波上的信號恢復(fù)出來。  發(fā)射機和接收機由調(diào)制器、功率放大器、頻率合成器、低噪聲放大器、解調(diào)器、天線以及相關(guān)的濾波器、耦合器等有源、無源基本射頻與微波電路單元構(gòu)成。  正確理解接收機、發(fā)射機電氣特

2、性的有關(guān)參數(shù)，對射頻與微波電路設(shè)計十分重要。它是我們對各類有源、無源射頻與微波電路提出要求的依據(jù)。 外差接收機（二次混頻接收系統(tǒng)）濾波器1限制輸入信號的通帶以減少互調(diào)干擾以及本振通過天線的輻射。低噪聲放大器放大的信號與第一本振輸出的信號同時加到混頻器1，其輸出的高中頻信號經(jīng)高中頻濾波器1濾波后被高中頻放大器1放大。被放大的高中頻信號與第二本振輸出的信號經(jīng)混頻器2再次混頻后，得到的低中頻信號通過低中頻濾波器2濾波后，最后送到檢波器恢復(fù)出基帶信號。 對接收系統(tǒng)的要求1靈敏度（Sensitivity）：接收機靈敏度衡量接收機檢測微弱信號的能力，對于模擬接收機用信噪比（SNR）量度，對數(shù)字接收機則用誤

3、碼率（BER）表示。 2選擇性（Selectivity）：接收機的選擇性衡量接收機抗拒接收相鄰信道信號的能力。要實現(xiàn)70-90dB選擇性是很困難的。 3雜散響應(yīng)抑制比：抑制非有用信號的通道響應(yīng)能力對于降低干擾是很重要的。通過選擇合適的中頻和使用多種濾波器可以實現(xiàn)。抑制比在70-80 dB 。 4交調(diào)抑制比: 接收到的一個或多個射頻信號可能在接收機內(nèi)產(chǎn)生同信道干擾。這些干擾信號被稱為交調(diào)乘積項。通常大于70 dB 抑制比可滿足要求。 5頻率穩(wěn)定性（frequency stability）：本振的頻率穩(wěn)定性對于降低頻率調(diào)制，相位噪聲十分重要。常用的頻率穩(wěn)定技術(shù)有介質(zhì)諧振器、鎖相環(huán)、頻率綜合器等。

4、6輻射（radiation emission）：本振信號經(jīng)過混頻器泄漏到天線并經(jīng)天線輻射到自由空間引起的干擾務(wù)必低于FCC規(guī)定的電平。 接收機動態(tài)范圍（DR）接收機動態(tài)范圍是指接收機可檢測的最小信號與在失真允許情況下能接收的最大信號的范圍。 最小可檢測信號受限于接收機噪聲。在失真允許情況下最大接收信號取決于接收機的飽和輸出特性。如果輸入功率低于動態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。 如果輸入功率超過動態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和。接收機動態(tài)范圍是設(shè)計射頻與微波電路的重要依據(jù)之一。 實際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點 接收機噪聲源接收機噪聲來自兩個方面，一是天線接收到的噪聲，二是接收機自身產(chǎn)生的噪

5、聲。 天線接收到的噪聲包括天空噪聲（sky noise），大氣噪聲（atmospheric noise），地球噪聲（earth noise）、銀河噪聲（galactic noise）和人工噪聲（man-made noise）。 天空噪聲的噪聲功率可表示為 式中B是帶寬，k = 1.38x1023 J/K，是波爾茲曼常數(shù)。TA是天線噪聲溫度。 大氣噪聲源于閃電等因素，在10KHz附近最強，頻率超過20MHz一般可忽略。銀河噪聲來自遙遠的天體，其最大值在20MHz附近，到500MHz可忽略。 人工噪聲源多種多樣。任何電路斷開與合上時，在電路上產(chǎn)生的瞬時脈沖都是人工噪聲源，從通信、廣播、電

6、視、雷達、系統(tǒng)以至輸電線的電磁輻射被天線接收后都可看作對有用信號的干擾。 接收機自身產(chǎn)生的噪聲包括放大器、濾波器、混頻器、檢波器各級產(chǎn)生的噪聲。接收機內(nèi)部噪聲限制了接收機檢測的最小信號。信號強度必須大于噪聲一定強度才能被檢測到。 接收機內(nèi)部噪聲分類1熱噪聲（Thermal, Johnson, or Nyquist noise）：電阻熱噪聲源于束縛電荷的隨機起伏。在通帶B范圍內(nèi)熱電阻噪聲電壓的均方值為 式中k為波爾茲曼常數(shù)；T是電阻器的絕對溫度，單位K；B是帶寬，單位為Hz；R是電阻，單位為W。熱噪聲分布與頻率無關(guān)，也叫做白噪聲。 2閃粒噪聲（shot noise）：閃粒噪聲源于真空電子管、固態(tài)

7、器件發(fā)射電子的起伏。 31/f噪聲（Flicker or 1/f噪聲）：顧名思義，1/f噪聲與頻率成反比，從1Hz到100MHz范圍內(nèi)1/f噪聲才是重要的。超過100MHz熱噪聲起主要作用。 接收機的主要參數(shù) 信噪比 接收機輸出信號的質(zhì)量可用信噪比（Signal-to-noise ratio, SNR）表示          （1.1） 信號可檢測，要求信噪比大于3dB。對于移動電話，S/N要求大于15dB。對于固定電話要30dB，電視要40dB，而對于高保真音樂則要60dB。對于雷達系統(tǒng)，高的信噪比就相當(dāng)于高的檢

8、測概率低的虛警概率。如果信噪比達到16dB，檢測概率可達到99.99%而虛警概率低于106。 噪聲系數(shù)接收機可用一個二端口網(wǎng)絡(luò)表示。對于任何一個二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)F的定義是 噪聲系數(shù)常用分貝表示，記為NF。對于增益為G的二端口網(wǎng)絡(luò)    輸出噪聲No應(yīng)為N0 = GNi +網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn。  網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn為             （W）  故  所以   （W）  故以分貝

9、表示的輸出噪聲等于輸入噪聲No(dB)加上噪聲系數(shù)F(dB)和增益G(dB)。 噪聲系數(shù)要只反映器件本身噪聲性能，而與輸入噪聲無關(guān)，故噪聲系數(shù)的定義應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)噪聲源Ni。 對于N個二端口網(wǎng)絡(luò)級連組成的系統(tǒng)，其總的噪聲系數(shù)為 N個網(wǎng)絡(luò)的級連 由此可見，第一級的增益、噪聲系數(shù)對總鏈路的噪聲系數(shù)起決定作用。注意式中G、F是功率比。對損耗為L（以功率比表示）的無源器件，G = 1/L，F(xiàn) = L。 噪聲溫度 等效噪聲溫度定義為 式中To = 290°K，F(xiàn)以功率比表示，所以 因此級連放大器的等效噪聲溫度可表示成 Ten是n級以K表示的等效噪聲溫度。 動態(tài)范圍 混頻器、放大器以至整個

10、接收機通常工作于線性區(qū)域，即輸出功率與輸入功率呈線性關(guān)系，其比例系數(shù)就是轉(zhuǎn)換損耗或轉(zhuǎn)換增益。線性工作時，輸入功率的變化范圍，稱為動態(tài)范圍（dynamic range, DR）。如果輸入功率超過動態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和；如果輸入功率低于動態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。 動態(tài)范圍定義為1dB壓縮點（1dB compression point）和最小可檢測信號（minimum Detectable Signal, MDS）之間的區(qū)域。既可用輸入功率表示，也可用輸出功率表示。 匹配電阻負載的噪聲電平為 如果假定T為室溫（290K）， 帶寬為1MHz，則 最小可檢測信號（MDS）定義為比噪聲功率高

11、3dB的電平，故 MDS = 114dBm + 3dB = 111dBm 所以在室溫及1MHz帶寬條件下最小可檢測信號（MDS）為111dBm (9.74x1012mw) 當(dāng)中頻輸出功率與線性時相比減小1dB，或轉(zhuǎn)換損耗增加1dB的點就叫做1dB壓縮點。此1dB壓縮點就定義為動態(tài)范圍的上限。 對于增益為G的放大器或接收機在1dB壓縮點，以dBm計的輸入信號功率或驅(qū)動功率（PD）由圖可見為： 對于轉(zhuǎn)換損耗為Lc的混頻器 注意式中PD、Pout都以dBm表示，而G、Lc以dB表示。Pout是1dB壓縮點輸出功率，PD則是1dB壓縮點對應(yīng)的輸入功率。 根據(jù)前面定義的1dB壓縮點以及增益、帶寬、噪聲系

12、數(shù)，動態(tài)范圍DR就是1dB壓縮點輸入信號功率電平與最小可檢測輸入信號電平之差，即 注意，PD和MDS用dBm表示，DR則是dB。 當(dāng)不止一個信號加到輸入端時，動態(tài)范圍定義為“spurious-free region”，如果輸入信號電平相等，“spurious-free”動態(tài)范圍DRsf 式中IP3為二個信號輸入時三階交截點（Third-order two-tone intercept）。 三階交截點和交調(diào)分量 當(dāng)兩個頻率為f1、f2的信號源或更多頻率的信號源加到一個非線性器件時，原則上將會產(chǎn)生 多個交調(diào)分量（Intermodulation (IM) products），并可分為二階交調(diào)分量 ，

13、三階交調(diào)分量 ，以及更高階交調(diào)分量。    兩信號輸入時產(chǎn)生的新的頻率分量 fIF1和fIF2是需要的中頻輸出信號，fIM1和fIM2是三階交調(diào)信號。 兩信號輸入時三階交調(diào)分量特別受到關(guān)注，因為它有可能落在中頻帶通范圍內(nèi)。 產(chǎn)生三階交調(diào)的過程是，輸入信號f1和f2混頻，再跟本振差拍，得到           （1.4） 注意頻率間隔D為 這些三階交調(diào)信號幅度相對較大，且又很難用濾波器從中頻輸出信號（fIF1, fIF1）中濾除，要特別予以重視。 混頻器或接收機對三階交調(diào)信號的抑制程度可用三階交截點度量。三階交截點反映了所研究系統(tǒng)線性特性。 在線性工作區(qū)，如果輸入信號功率增