實(shí)驗(yàn)三 射頻前端下變頻器的測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)三射頻前端下變頻器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解射頻前端接收器的基本電路結(jié)構(gòu)與主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算.2用實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)際測(cè)量得以了解射頻前端接收器的基本特性.二、預(yù)習(xí)內(nèi)容：1熟悉帶通濾波器、變頻器、鎖相本振源、中頻濾波器的理論知識(shí)。2熟悉帶通濾波器、變頻器、鎖相本振源、中頻濾波器的設(shè)計(jì)的理論知識(shí)三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備:項(xiàng)次設(shè)備名稱數(shù)量備注1頻譜儀1套2混頻器、鎖相本振源、濾波器1套3HD1252-2.4G掃頻儀1套4SMB連接電纜線2條四、理論分析基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明:如圖可見(jiàn)，射頻前端接收器可分為天線(Antenna)、射頻低噪聲放大器(RFLowNoiseAmplifier,LNA)、下變頻器(Down-Mixe

2、r,DownConverter)、中頻濾波器(IntermidateFrequencyBandpassFilter,IFBPF)、本地振蕩器(LocalOscillator,LO)。其工作原理是將發(fā)射端所發(fā)射的射頻信號(hào)由天線接收后，經(jīng)LNA將功率放大，再送入下變頻器與LO混頻后由中頻濾波器將設(shè)計(jì)所要的部分(BasebandProcessingUnit、BPU)解調(diào)(Demodulation)出所需要的信號(hào)(MessageSignals).這類只經(jīng)一個(gè)混頻器上變頻(或下變頻)的電路構(gòu)造稱為單變頻結(jié)構(gòu)(SingleConversionconfiguration)。而在實(shí)際應(yīng)用中也有雙變頻結(jié)構(gòu)(Du

3、alConversionConfiguration)，甚至多變頻結(jié)構(gòu)(Multi-conversionConfiguration)，使用的時(shí)機(jī)視系統(tǒng)指標(biāo)而定。因?yàn)锽PU的處理頻率有所限制(一般在500MHz以下)，所以需要利用變頻器(Mixer)及頻道振蕩器(ChannelOscillator)將射頻信號(hào)由射頻前端接收器下變頻為中頻段(IntermidateFrequencyBand、IF)信號(hào)后再送入BPU，或是將BPU送出的IF信號(hào)用射頻前端發(fā)射器上變頻至射頻段(RadioFrequencyBand、RF)信號(hào)經(jīng)放大后再發(fā)射。微波通信綜合實(shí)驗(yàn) 本單元以單變頻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明一個(gè)射頻前端接收器的各

4、設(shè)計(jì)參數(shù).天線(Antenna)射頻接收濾波器(RF_BPF1)射頻低噪聲放大器(LNA)射頻混頻濾波器(RF_BPF2)下變頻器(DownMixer)帶通濾波器(Filter)本地振蕩囂(LocalOscillator)中頻放大器(IFAmplifier)主要設(shè)計(jì)參數(shù):(一)接收靈敏度(ReceiverSensitivity)S=IF-k-T-B-(SNR)-ZTwds其中S接收靈敏度K1.38*10-23(Joul/K),波爾茲曼常數(shù)(BoltzmannsConstantT絕對(duì)溫度(K)=273.15+T(C)BW系統(tǒng)的等效噪聲頻寬WSNRd在檢波器輸入端,系統(tǒng)要求的信噪比(Signal-

5、to-noiseRatio)Zs系統(tǒng)阻抗(SystemImpedance)Ft總等效輸入噪聲因子(NoiseFactor)而上述中，總等效輸入噪聲因子(NoiseFactor)則是由三大部分組成.(1)Fin1,由接收器各單級(jí)的增益與噪聲指數(shù)(NoiseFigure)造成.，F(xiàn)in2,由鏡頻噪聲(ImageNoise)造成.Fin3,由寬帶的本地振蕩調(diào)制噪聲(WidebandLOAMNoise)造成.其計(jì)算公式如(式8-2)(式8-3)(式8-4)及(式8-5)所列.F=F+F+FTin1in2in3廠.y(f-1)F二1+乙一iin1i-1i111Gjj=0二F+-1G1(式8-2)F-1F

6、-12+3+GG12(式8-3)Fin21NG4=1i=1(式8-4)1+牙i=1HGjj=0=y10(plo+wNsb-Lsb-MNB.by10Fin3=N(式8-5)sb=11000-k-tHgojj=1上列公式中變量說(shuō)明如下：Fi第i單級(jí)的噪聲因子(NoiseFactor)Gj第i單級(jí)的增益(Gain)(G0=1)Fi在鏡象頻率下的單級(jí)噪聲因子(對(duì)于因反射所造成的鏡頻衰減的單級(jí)，其Fi=1.)Gj在鏡象下的單級(jí)增益，GO=1N在接收器中,從接收端計(jì)算至混頻器前的總單級(jí)數(shù)(即不包含混頻器)PLO本地振蕩器的輸出功率(dBm)WNsb帶通頻率上的相位噪聲(dBc/Hz)Lsb帶通濾波器在旁帶

7、頻率上的衰減值(dB)MHBsb在旁帶頻率上的混頻噪聲均衡比(MixerNoiseBalance)TO室溫,29OOKM旁帶頻率的總個(gè)數(shù)NT包含混頻器在內(nèi)，從接收端計(jì)算至混頻器的總單級(jí)數(shù)RF-BPF2鏡象衰減量等效噪聲頻寬LO輸出功率LO單邊帶相位噪聲帶通濾波器響應(yīng)參數(shù)五、設(shè)計(jì)實(shí)例：某接收系統(tǒng)如圖示8-1所示,其各單級(jí)增益及噪聲指數(shù)列于表中,單級(jí)編號(hào)單級(jí)名稱單級(jí)增益單級(jí)雜訊指數(shù)單級(jí)雜訊因子Gn(dB)NFn(dB)Fn:linear)1RF-BPF1G1-2.5NF12.5F11.7782RFAMPG212NF23.5F22.2393RF-BPF2G3-2NF32.0F31.5854MIXER

8、G4-8NF48.3F46.7615IFBPFG5-1.5NF51.5F51.4136IFAMPG620NF64.0F62.5127BPUNF715F731.623而其它指標(biāo)特性如下：=1OdBB=12KHzWPLO=23.5dBmLOWNsb=-165dBc/HzO.OdBfLOfIF1O.OdB2fLOfIF2O.OdB3fLOfIF混頻噪聲均衡比(MixerNoiseBalance)3O.OdBfLOfIF25.O2fLOfIF2O.OdB3fLOfIF系統(tǒng)要求經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)后的信噪比SNRd=6dB(3.981)(一)求Fin1由上述公式可計(jì)算出下列結(jié)果.微波通信綜合實(shí)驗(yàn) 單級(jí)名稱前級(jí)總增益

9、(dB)G=r1GTnii=0Go=0前級(jí)總增益(linear)GG=10log(f)T&10丿各級(jí)噪聲貝獻(xiàn)(linear)F1nGTRF-BPF10.010.778RFAMP-2.50.5622.204RF-BPF29.58.9130.066MIXER7.55.6231.025IFBPF-0.50.8910.464IFAMP-2.00.6312.396BPU1863.0960.485故可得：F=1+0.778+2.204+0.066+1.025+0.464+2.396+0.485=8.418in1(二)求Fin2單級(jí)編號(hào)n單級(jí)名稱單級(jí)鏡頻增益單級(jí)鏡頻增益Gn(linear)單級(jí)鏡頻指數(shù)單級(jí)雜

10、訊因子Gn(dB)(dB)NFnFn(linear)1RF-BPF1G1-2.50.562NF12.5F11.7782RFAMPG21215.849NF23.5F22.2393RF-BPF2G3-100.1NF30.0F31.0單級(jí)名稱前級(jí)鏡頻總增益(dB)前級(jí)鏡頻總增益(linear)各級(jí)鏡頻貝獻(xiàn)(linear)RF-BPF10.010.778RFAMP-2.50.5622.204RF-BPF29.58.9130.0F二1(-10/10).G+0.778+2.204+0.0)=0.63in210(-2/10)(三)求臨頻率fLO+fIFf-fLOIF2fLO+fIF2f-fLOIF3fLO+

11、fIF3f-fLOIFLSb(dB)0010102020MNBSb(dB)Sb303025252020噪聲10(PLO+WNsb-Lsb-MNB丿101.98419.840.6280.6280.1980.1981000-k-T-FIgojj=1其中，計(jì)算到混頻器的總增益，HTG=10(-2.5+12一2一8)/10=0.891,及j1WNsb=-165dBc/Hz，To=290oK，k=1.38x10-23(Joul/oK).可得F=1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62in3(四)求F=+F+F=8.418+0.63+5.62=14.668Tin1i

12、n2in3(五)求接收靈敏度，Sensitivity.S14.668-1.38-10-23290-12000-3.981-50=0.37卩V接收選擇度(ReceiverSensitivity)接收選擇度亦可稱為鄰信道選擇度(AdjacentChannelSelectivity,ACS)，是用來(lái)量化接收器對(duì)相鄰近信道的接收趨勢(shì)，目前國(guó)際間在電波段規(guī)范上趨向窄波道的要求，更顯示了接收選擇性在射頻接收器設(shè)計(jì)中的重要性，而且這個(gè)參數(shù)經(jīng)常限制系統(tǒng)的接收性能。接收選擇度是由下列五大部分組合而成.其定義如(式8-6)所示.單邊帶相位噪聲(SSBPhaseNoise)本地振蕩源的噪聲(LOSpuriousSi

13、gnal)中頻選擇性(IFSelectivity)中頻頻寬(IFBandwidth)同波道抑止率(Co中annelRejection)或截獲率(CaptureRatio)(式8-6)ACS=-CR一10-log10(-ifs10)+10(-sP10)+B-10(pnssBl0)W其中ACS(dB)對(duì)應(yīng)于接收靈敏度(NominalReceiverSensitivity)的鄰信道選擇度(AdjacentChannelSelectivity)CR(dB)同信道抑止率(CochannelRejection)IFS(dB)中頻濾波器在鄰信道頻帶上的抑制衰減量Bw(Hz)中頻噪聲頻寬(IFNoiseBan

14、dwidth)與鄰信道頻率差值(ChannelSpacing)Sp(dBc)本地振蕩信號(hào)(本信道)與出現(xiàn)在頻率為(fLO+A)的鄰信道噪聲的功率比，如圖示6-3所示。PNSSB(dBc/Hz)本地振蕩信號(hào)(本信道)在差頻(offset)A處的相位噪聲SSB微波通信綜合實(shí)驗(yàn) 接收噪聲響應(yīng)(ReceiverSpuriousResponse)從中頻端觀察，所有非設(shè)計(jì)所需的信號(hào)皆為噪聲信號(hào)(SpuriousSignal)，而大部分的接收噪聲信號(hào)來(lái)源于RF與LO的諧波混頻(HarmonicMixing)。在實(shí)際應(yīng)用中，不可能沒(méi)有噪聲，主要看其功率是否在系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)，由混頻器的特性，可以式(8-7)來(lái)

15、表示RF、LO與IF三端頻率的相互關(guān)系：RFnf.IF（式6-7）較常出現(xiàn)的接收噪聲響應(yīng)有下列三項(xiàng)，可以圖8-4表示。鏡頻(Image),fRF2如半中頻(Half-IF),fRF土(fIF/2)中頻(IF),fIFIF然而在全雙工發(fā)收機(jī)(Full-DuplxerRadio，即是發(fā)射與接收同時(shí)作用)，則還會(huì)再多出現(xiàn)兩項(xiàng)雜波，如圖示8-5所示。雙工鏡頻雜波半雙工雜波圖8-5常見(jiàn)于全雙工接收的噪聲接收互調(diào)截止點(diǎn)(ReceiverInterceptPoint)互調(diào)截止點(diǎn)(InterceptPoint)是電路或系統(tǒng)線性度(Linearity)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可由此推算出輸入信號(hào)是否會(huì)造成的失真度(Dist

16、ortion)或互調(diào)產(chǎn)物(Intermodulation(IM)Products)，其定義如圖8-6所示。圖8-6n階互調(diào)截止點(diǎn)輸入功率在實(shí)際應(yīng)用上，常用的互調(diào)截止點(diǎn)有二階互調(diào)截止點(diǎn)(Second-OrderInterceptPoint,IP2)與三階互調(diào)截止點(diǎn)(Third-OrderInterceptPoint,IP3)。(1)二階互調(diào)截止點(diǎn)(Second-OrderInterceptPoint,IP2)IP2是用來(lái)判斷混頻器對(duì)半中頻噪聲的抑制能力的主要參數(shù)，對(duì)于一個(gè)接收系統(tǒng)中混頻器的等效系統(tǒng)輸入二階互調(diào)截止點(diǎn)(IP2iNput)的計(jì)算方式如式(8-8)所示，并以下圖為例來(lái)做說(shuō)明。IP2IN

17、PUT=IP2MIXER-(混頻器前各單級(jí)增益的總和+(混頻器前各單級(jí)半中頻選擇度的總和)(式8-8)ANTENNAVDOWNMIXER圖8-7射頻前端接收器基本電路結(jié)構(gòu)圖微波通信綜合實(shí)驗(yàn) 通帶增益(dB)-210-2-半中頻選擇度(dB)10015二階輸入互調(diào)截止點(diǎn)(dBm)-IP2=40dBmIP2NpuT=40(-2+10-3)+2(10+0+15)=85dBm半中頻噪聲抑制度(Half-IFSpuriorsRejection,1/2_IFR)1/2_IFR=(IP2SCR)/2(式8-8)假設(shè)一FM接收器中混頻器的&2哪中=50dBm，且系統(tǒng)的接收靈敏度，S=-115dBm，而接獲率C

18、R=5dB，由式(8-8)可計(jì)算出此接收器的半中頻噪聲抑制度。1/2_IFR=IP2nput-S-CR)/2=(50+115-5)/2=80射頻放大器的接收增益(TakeoverGainforRFAmplifier,Takeover)(F-G-1G=10-logl1HampampdBTAKEOVERFImixer丿其中GTAKEovER射頻放大器的接收增益TAKEovERF射頻放大器的噪聲因子(NoiseFactor)ampG射頻放大器的增益(Gain)ampF.混頻器的噪聲因子(NoiseFactor)mixer此參數(shù)會(huì)降低混頻器的噪聲抑制度，降低數(shù)量為：dBtakeover.其中n為噪聲響應(yīng)的階數(shù)(n1).對(duì)半中頻而言,n=2。三階互調(diào)截止點(diǎn)(Third-OrderInterceptPoint，IP3)IP3是用來(lái)決定接收系統(tǒng)抵御內(nèi)調(diào)制失真(IMDistortion)的能力，計(jì)算步驟如下：1、繪出系統(tǒng)的電路方塊圖,并標(biāo)明各單級(jí)的增益(dB)及三階互調(diào)截止點(diǎn)(dBm),對(duì)于濾波器衰減器，IP3=。2、換算出各單級(jí)的等效輸入互調(diào)截止點(diǎn)，公式如下:IP=IP3-1Ginni=1其中Ipn第n單級(jí)的等效輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)，dBmnIp3n第n單級(jí)的三階互調(diào)截止點(diǎn)，dBmnGi各單級(jí)的增益，dBii各單級(jí)標(biāo)號(hào)。將各單級(jí)的等效輸