实验教案10.docx
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实验教案10
实验十
(1):
射频前端发射器
(RFFront-endTransmitter)
一、实验目的:
1.了解[射频前端发射器]之基本架构与主要设计参数。
2.利用实验模组的实际测量得以了解[射频前端发射器]之特性。
二、实验设备:
项次
设备名称
数量
备注
1
MOTECHRF2000测量仪
1套
2
[发射器]模组
1套
3
[微带天线]
1组
RF2KM10-1A
4
示波器
1台
5
50ΩBNC及1MΩBNC连接线
4条
CA-1、CA-2、CA-3、CA-4
6
直流电源连接线
1条
DC-1
三、基本结构与设计参数说明:
在无线通讯中,[射频发射器]担任着重要的角色。
无论是语间、数位资料等信号要利用电磁波经由空气传送到远端,皆须使用到[射频前端发射器]。
其主要中图11-1所示,大抵可分成九个部分。
1.中频放大器(IFAmplifier)
2.中频滤波器(IFBnadpassFilter)
3.知频混频器(Up-Mixer;UpConverter)
4.射频滤波器(RFBandpassFilter)
5.射频驱动放大器(RFDriverAmplifier)
6.射频功率放大器(RFPowerAmplifier)
7.载波振荡器(CarrierOscillator;LocalOscillator)
8.载波滤波器(LOBPF)
9.发射天线(Antenna)
其中[放大器]的基本原理与设计方法可参考[主题七],而[滤波器]的基本原理与设计方法已可参考[主题六]的说明。
至于[振荡器]的部分,可于[主题八]与与[主题九]获得一些参考.[天线]部分则可由[主题十]得到概念.所以,在此单元中将就[升频器]部分的基本原理做一说明.并介绍[发射器]的几个重要设计参数.
图10-1基本射频前端发射器结构图
(一)[升频混频器]的基本原理
[升频混频器]的基本电路结构图如图10-2所示.在二极管上的电流可以表示为:
.
其中
IS=二极管的饱和电流
VIF=中频信号的振幅大小
fIF=中频信号的频率大小
VLO=载波信号的振幅大小
FLO=载波信号的频率大小
[混频]后的输出射频频率为
其中m,n可为任一正负整数
在绝大多数的应用上,RF频率应是载波及IF频率的和或差,即是
.至于取[和频]或[差频]则根据发射器射频规格及系统参数,利用射频输出端的滤波器可以阻隔三端间的互相干扰(ISOLATION),以避免其他不必要的混频信号[漏](LEAKAGE)到输出端造成的噪声(SPURIOUS).主要的噪声信号,有下列几种:
(假设
)
1.镜频信号(IMAGEFREQUENCY):
2.载波信号的谐波(CARRIERHARMONICS):
,n=正整数
3.旁波带谐波信号(HARMONICSIDEBANDS):
上述噪声皆是在[混频器]及[滤波器]设计中,须特别加以抑制处理的.
(二)[混频器]的主要技术参数
(1)变频耗损或增益(CONVERSIONLOSS/GAIN,LC)
除非有特别注明,一般所称的[变频耗损]皆是以上式为定义,即是指[单边带变频耗损](SINGLE-SIDEBAND(SSB)CONVERSIONLOSS),也就是只考虑射频输出信号频率为fLO+fIF或fLO-fIF.若是定义为[双边带变频耗损](DOUBLE-SIDEBAND(DSB)CONVERSIONLOSS),则会较[单边带转频耗损]低3dB.
(2)输入端回波耗损或电压驻波比(PORTRETURNLOSSORVSWR)
如同其他射频电路,输入端的回波耗损或电压驻波比是评断匹配与否的重要参数.对[混频器]而言,其[输入端电压驻波比]规格一般是定在2:
1(IRL=-10),最差为2.5:
1(-7.3).而各端口的回波耗损,受[LO端输入功率]的增加,各端口的阻抗会随之降低,致使各端口的回波耗损变大.
(3)信号端与本振端的隔离比(PORTISOLATION)
[信号端与本振端的隔离比]为评量LO端与RF端之间,及LO端与IF端之间噪声的干扰抑制程度.
(4)LO端最低输入功率(MINIMUMLOPOWERREQUIRED)
对于[混频器]而言,LO端最低输入功率的大小直接影响到[混频]的效果好坏.所以,一般订定有此项规格.而功率越低者,在应用上越方便.
(5)镜象抑制度(IMAGEREJECTION)
对于[降频混频器]而言,IF输出信号频率可由LO与RF两输入端信号频率相减而得.以fIF=fRF-fLO為例为例,[镜象]为fim=2fLO-fRF.即是说若RF端输入[镜象]信号亦可得到同频的IF信号,fim-fRF=fIF.[镜象]所造成的问题有二.第一是提供干扰信号通路,即是[镜象]信号会从RF端进入后,也可以从IF端输出.如此势必干扰到真正系统设计的RF信号的[变频]输出.第二是使得[混频器]的[噪声指数](NIOSEFIGURE)增加3dB.解决之道是在RF输入端加一个[镜象滤波器]来抑制[镜象]信号的输入.而对于[升频混频器]而言,大致与[降频混频器]相似,只是RF输入端改成IF输入端.
(6)噪声抑制度(SPURIOUSREJECTION)
对[混频器]而言,[噪声]的定义是指在输出端非是设计所需频率(fIF)的其他信号.尤其是输入信号的谐波所[混频]出来的结果.一般是利用输出端的滤波器来抑制[噪声].
(7)二阶互调截止点(SECOND-ORDERINTERCEPTPOINT,IP2)(以[降频器]为例)
IP2=PRF+(PRF–B-LC)
其中。
IP2=[混频器]的输入二阶互调截止点.(dBm)
PRF=[混波器]RF输入端的输入信号功率。
(dBm)
LC=[混波器]输入信号频率fRF=fLO+fIF时,所没得的[转频耗损](ConversionLoss)。
(dB)
B=[混波器]输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF时,所没得输出端频
率为2fIF的信号之功率.(dBm)
[降频器]的IP2测量电路应与频谱示意图,如图10-3(a)(b)所示.[升频器]则亦类似.
图10-3(a)降频器的IP2测量
(8)三阶互调截止点(THIRD-ORDERINTERCEPTPOINT,IP3)
其中IP3=[混频器]的输入[三阶互调截止点].
PIN=[混频器]输入端的输入信号的功率.
Δ=[混频器]输出端中,设计输出信号与[内调制](INTER-MODULATION,IM)信号的功率差.(dB)
以[升频器]为例,[混频器]的IP3测量图及频谱示意图,如图示10-4(a)(b)所示.
f1
fLO
图12-4(b)升频器的IP3频谱图
图10-4(a)混频器的IP3测量图
f2
混频器
信号
产生器
信号
结合器
频谱
分析仪
带通
滤波器
带通
滤波器
图10-4(b)混频器频谱图
(三)[发射器]的重要设计参数
(1)[1分贝压缩功率](1dBCompression,P1dB)
[功率放大器]的[1分贝压缩功率]即是[发射器]最大发射功率的主要参数.一般而言,对于[放大器]其P1dB可说是线性放大的最大输出功率,而P1dB则为[放大器]的最大饱和输出功率(SATURATIONPOWER).其定义如图示10-5(a)(b)所示.
图10-5(a)[放大器]的「PSAT,P1dB和1dB功率压缩点
Thehigherthe1dBCompression
ThelargeristheLDRofamplifier.
图10-5(b)[放大器]的1dBCompression和LDR关系图
(2)内调制失真(IntermodulationDistortion)
对于[发射器]的[内调制失真]是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后,经[功率放大器]内调制混频所产生的再发射信号所造成.解决的方法是在[发射天线]与[功率放大器]之间加接一个或多个[环行器](CIRCULATOR)来降低[发射器]的[内调制失真].
(3)杂波抑制比(SpuriousRejection)
对于[射频前端发射器]而言,较大的噪声信号是因为[功率放大器]的大信号放大所产生的谐波.其它噪声则是由[载波振荡器]与[混频器]所混频出来的.一般规格定为低于主要载波信号功率70至90.以降低对其它通道的干扰.
(4)载波频率稳定度(CarrierFrequencyStability)
[发射器]的载波频率需要符合系统规格,以避免在通道与其他信道的干扰,尤其在窄频带系统中更形重要.可利用[锁相回路技术](PhaseLockedLoop)及增加载波频率的稳定性.
(5)邻近信道功率(AdjacentChannelPower)
此项参数是因于系统的调制方法或是由于[发射器]快速的开关所造成.在窄频带系统中,一般规格是设定在低于载波信号功率50dB.而在宽频带系统中,则会要求到80dB.
(6)发射启动时间(TransmitterTurn-onTime)
对于数字通讯系统而言,[发射器]的[发射启动时间]使很重要的参数,其必须够短以免限制到系统的信息流通量(SystemThroughput).一般定义为发射器输出功率达到额定功率(ratedoutputpower)的90%所需的时间.
三.参考资料
1.I.Bahl&P.Bhartia,MicrowaveSolidStateCircuitDesign,JohnWiley&Sons,1988,pp.569-586
2.KaiChang,MicrowaveSolid-StateCircuitsandApplications,JohnWiley&Sons,1994,pp.161-168,189-197
3.G.Gonzalez,MicrowaveTransistorAmplifiersAnalysisandDesign,
Prentice-Hall,1984,pp.174-180
4.S.A.Maas,TheRFandMicrowaveCircuitDesignCookbook,ArtechHouse,1998,pp.95-100
5.P.Vizmuller,RFDesignGuide,ArtechHouse,1995,pp.36-40,183-188
6.RF/IFDesigner’sGuide,DG-Y2K,Mini-Circuits,2000,pp.62-63
实验十
(2):
射频前端接收器
(RFFront-endReceiver)
一.实验目的:
1.了解[射频前端接收器]之基本电路结构与主要设计参数的计算.
2.利用实验模组的实际测量得以了解[射频前端接收器]的基本特性.
二.实验设备:
项次
设备名称
数量
备注
1
MOTECHRF2000测量仪
1套
2
[接收器]模组
1套
3
[微带天线]
1组
RF2KM10-2A
4
示波器
1台
5
50ΩBNC及1MΩBNC连接线
4条
CA-1,CA-2,CA-3,CA-4
6
直流电源连接线
1条
DC-1
三.基本结构说明:
图10-6显示出[射频前端接收器]的基本电路结构,可分为[天线](Antenna)[射频低噪声放大器](RFLowNoiseAmplifier,LNA),[降频器](Down-Mixer,DownConverter),[中频滤波器](IntermidateFrequencyBandpassFilter,IFBPF),[本地振荡器](LocalOscillator,LO)其工作原理大抵是将发射端所发射的射频信号由天线接收后,经LNA将功率放大,再送入[降频器]与LO混频后由[中频滤波器]将设计所要的部分(BasebandProcessingUnit,BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(MessageSignals).
这类只经一个[混频器]降频(或升频)的电路构造称为[单变频结构](SingleConversionconfiguration).而在实际应用中,亦有[双变频结构](DualConversionConfiguration),甚至[多变频结构](Multi-conversionConfiguration).使用的时机视系统规格而定.因为BPU的处理频率有所限制(一般在500MHz以下),所以须利用[变频器](Mixer)及[频道振荡器](ChannelOscillator)将射频信号由[射频前端接收器]降频为[中频段](IntermidateFrequencyBand,IF)信号后,再送入BPU.或是将BPU送出的IF信号用[射频前端发射器]升频至[射频段](RadioFrequencyBand,RF)信号经放大后,再幅射到空气中.
本单元以[单变频结构]来说明一个射频前端接收器的各设计参数.
(一)天线(Antenna)
(二)射频接收滤波器(RF_BPF1)
(三)射频低噪声放大器(LNA)
(四)射频混频滤波器(RF_BPF2)
(五)降频器(DownMixer)
(六)带通滤波器(Filter)
(七)本地振荡嚣(LocalOscillator)
(八)中频放大器(IFAmplifier)
图10-6[单变频结构]射频前端接收器
四.主要设计参数:
(一)接收灵敏度(ReceiverSensitivity)
(式10-1)
其中S=接收灵敏度
K=1.38*10-23(Joul/°K),波尔兹曼常数(Boltzmann’sConstant)
T=绝对温度(°K)=273.15+T(°C)
BW=系统的等效噪声频宽
SNRd=在检波器输入端,系统要求的信噪比(Signal-to-noiseRatio)
Zs=系统阻抗(SystemImpedance)
FT=总等效输入[噪声因子](NoiseFactor)
而上述中,总等效输入[噪声因子](NoiseFactor)则是由三大部分组成.
(1)Fin1,由接收器各单级的增益与噪声指数(NoiseFigure)造成.,
(2)Fin2,由镜频噪声(ImageNoise)造成.
(3)Fin3,由宽带的本地振荡幅调制噪声(WidebandLOAMNoise)造成.
其计算公式如(式10-2)(式10-3)(式10-4)及(式10-5)所列.
(式10-2)
(式10-3)
(式10-4)
(式10-5)
上列公式中变量说明如下:
Fi=第i单级的[噪声因子](NoiseFactor)
Gj=第i单级的[增益](Gain)(G0=1)
Fi'=在镜象频率下的单级[噪声因子]
(对于因反射所造成的镜频衰减的单级,其Fi'=1.)
Gj'=在镜象下的单级[增益],G0'=1
N=在接收器中,从接收端计算至[混频器]前的总单级数
(即不包含[混频器]
PLO=本地振荡器的输出功率(dBm)
WNsb=带频率上的[相位噪声](dBc/Hz)
Lsb=[带通滤波器]在旁带频率上的衰减值(dB)
MHBsb=在旁带频率上的[混频噪声均衡比](MixerNoiseBalance)
T0=室温,290OK.
M=旁带频率的总个数.
NT=包含[混频器]在内,从接收端计算至[混频器]的总单级数.
实例说明:
一接收系统如图示10-6所示,其各单级[增益]及[噪声指数]列于表中,
单级编号
单级名称
单级增益
Gn(dB)
单级杂讯指数
NFn(dB)
单级杂讯因子
Fn(linear)
1
RF-BPF1
G1
-2.5
NF1
2.5
F1
1.778
2
RFAMP
G2
12
NF2
3.5
F2
2.239
3
RF-BPF2
G3
-2
NF3
2.0
F3
1.585
4
MIXER
G4
-8
NF4
8.3
F4
6.761
5
IFBPF
G5
-1.5
NF5
1.5
F5
1.413
6
IFAMP
G6
20
NF6
4.0
F6
2.512
7
BPU
NF7
15
F7
31.623
而其它规格特性则列于下:
RF-BPF2镜象衰减量=10dB
等效噪声频宽,BW=12KHz
LO输出功率,PLO=23.5dBm
LO旁波段[相位噪声],WNsb=-165dBc/Hz
[带通滤波器]响应参数;0.0dB@fLO±fIF
10.0dB@2fLO±fIF
20.0dB@3fLO±fIF
[混频噪声均衡比](MixerNoiseBalance)
30.0dB@fLO±fIF
25.0@2fLO±fIF
20.0dB@3fLO±fIF
系统要求经过实测后的[信噪比],SNRd=6dB(3.981)
(一)求Fin1
由上述公式可计算出下列结果.
单级名称
前级总增益(dB)
GO=0
前级总增益(linear)
各级噪声贡献(linear)
RF-BPF1
0.0
1
0.778
RFAMP
-2.5
0.562
2.204
RF-BPF2
9.5
8.913
0.066
MIXER
7.5
5.623
1.025
IFBPF
-0.5
0.891
0.464
IFAMP
-2.0
0.631
2.396
BPU
18
63.096
0.485
故可得
(1)Fin1=1+0.778+2.204+0.066+1.025+0.464+2.396+0.485=8.418
(二)求Fin2
单级
编号
n
单级名称
单级镜频增益
Gn(dB)
单级镜频增益
Gn(linear)
单级镜频指数
NFn(dB)
单级杂讯因子
Fn(linear)
1
RF-BPF1
G1
-2.5
0.562
NF1
2.5
F1
1.778
2
RFAMP
G2
12
15.849
NF2
3.5
F2
2.239
3
RF-BPF2
G3
-10
0.1
NF3
0.0
F3
1.0
单级名称
前级镜频总增益(dB)
前级镜频总增益(linear)
各级镜频贡献(linear)
RF-BPF1
0.0
1
0.778
RFAMP
-2.5
0.562
2.204
RF-BPF2
9.5
8.913
0.0
(2)
(三)求Fin3
频率
fLO+fIF
fLO-fIF
2fLO+fIF
2fLO-fIF
3fLO+fIF
3fLO-fIF
LSb(dB)
0
0
10
10
20
20
MNBSb(dB)
30
30
25
25
20
20
贡献噪声
1.984
19.84
0.628
0.628
0.198
0.198
其中,计算到[混频器]的总增益,
及
WNsb=-165dBc/Hz,To=290oK,k=1.38x10-23(Joul/oK).
可得Fin3=1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62
(四)求FT=Fin1+Fin2+Fin3=8.418+0.63+5.62=14.668
(五)求[接收灵敏度],Sensitivity.
(二)接收选择度(ReceiverSensitivity)
[接收选择度]亦可称为[邻信道选择度](AdjacentChannelSelectivity,ACS)是用来量化一个接收器对相邻近信道的接收趋势.以目前国际间在电波段规范上越趋向[窄波道]的要求来看,更彰显了[接收选择性]在[射频接收器]设计中的重要性.而且这个参数经常会是系统接收性能的限制指标..
[接收选择度]是由下列五大部分组合而成.其定义如(式10-6)所示.
(1)旁波带相位噪声(SSBPhaseNoise)
(2)本地振荡源的噪声(LOSpuriousSignal)
(3)中频选择性(IFSelectivity)
(4)中频频宽(IFBandwidth)
(5)同波道抑止率(CochannelRejection)或接获率(CaptureRatio)
(式10-6
其中ACS(dB)=对应于接收灵敏度(NominalReceiverSensitivity)的邻信道选择度(AdjacentChannelSelectivity)
CR(dB)=同信道抑止率(CochannelRejection)
IFS(dB)=中频滤波器在邻信道频带上的抑制率减量.
BW(Hz)=中频噪声频宽(IFNoiseBandwidth).
Δ=与邻信道频率差值,或称为[波信频宽](ChannelSpacing)
Sp(dBc)=本地振荡信号(本信道)与出现在频率为(fLO+Δ)的邻信道噪声的功率比.如图示10-7所示.
PNSSB(dBc/Hz)=本地振荡信号(本信道)在差频(offset)Δ处的[相位噪声].
(三)接收噪声响应(ReceiverSpuriousResponse)
从中频端观察,所有非设计所需的信号的称为[噪声信号](SpuriousSignal),而大部分的[接收噪声]信号是起因于RF与LO的谐波混频(HarmonicMixing).
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