無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)概要

1、無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)無(wú)線通信是近年射頻與微波電路發(fā)展的最大推動(dòng)力典型的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)離不開射頻與微波電路任何無(wú)線通信系統(tǒng)都包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個(gè)基本部分。發(fā)射機(jī)的功能是將信號(hào)調(diào)制到載波 上，并由天線輻射出去。 接收機(jī)的功能則相反，將天線接收到的加載在載波上的信號(hào)恢復(fù)出 來(lái)。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(wú)源基本射頻與微波電路單元構(gòu)成。正確理解接收機(jī)、發(fā)射機(jī)電氣特性的有關(guān)參數(shù)，對(duì)射頻與微波電路設(shè)計(jì)十分重要。它是我們對(duì) 各類有源、無(wú)源射頻與微波電路提出要求的依據(jù)。外差接收機(jī)(二次混頻

2、接收系統(tǒng))濾波器 1 限制輸入信號(hào)的通帶以減少互調(diào)干擾以及本振通過(guò)天線的輻射。低噪聲放大器放大的 信號(hào)與第一本振輸出的信號(hào)同時(shí)加到混頻器 1，其輸出的高中頻信號(hào)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(hào)與第二本振輸出的信號(hào)經(jīng)混頻器 2再次混頻后， 得到的低中頻信號(hào)通過(guò)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(hào)。對(duì)接收系統(tǒng)的要求1靈敏度( Sensitivity )：接收機(jī)靈敏度衡量接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力，對(duì)于模擬接收機(jī) 用信噪比(SNR量度，對(duì)數(shù)字接收機(jī)則用誤碼率( BER表示。2選擇性( Selectivity )：接收機(jī)的選擇性衡量接收機(jī)抗拒接收

3、相鄰信道信號(hào)的能力。要實(shí) 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(hào)的通道響應(yīng)能力對(duì)于降低干擾是很重要的。通過(guò)選擇合適 的中頻和使用多種濾波器可以實(shí)現(xiàn)。抑制比在 70-80 dB 。4交調(diào)抑制比 : 接收到的一個(gè)或多個(gè)射頻信號(hào)可能在接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生同信道干擾。這些干擾信號(hào) 被稱為交調(diào)乘積項(xiàng)。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(duì)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。6輻射( radiation emission)：本振信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器泄漏到天線并

4、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(jī)動(dòng)態(tài)范圍( DR)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是指接收機(jī)可檢測(cè)的最小信號(hào)與在失真允許情況下能接收的最大信號(hào)的范圍 最小可檢測(cè)信號(hào)受限于接收機(jī)噪聲。在失真允許情況下最大接收信號(hào)取決于接收機(jī)的飽和輸出 特性。如果輸入功率低于動(dòng)態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。如果輸入功率超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和。接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是設(shè)計(jì)射頻與微波電路的 重要依據(jù)之一。實(shí)際系統(tǒng)(混頻器、放大器) 1dB 壓縮點(diǎn)接收機(jī)噪聲源接收機(jī)噪聲來(lái)自兩個(gè)方面，一是天線接收到的噪聲，二是接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲。 天線接收到的噪聲包括天空噪聲( sky noise )，大氣噪聲( a

5、tmospheric 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 = 1.38x10 - 23 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(qiáng)，頻率超過(guò) 20MHz般可忽略。銀河噪聲來(lái)自遙遠(yuǎn)的天體，其最大值在 20MHz附近，至U 500MHz可忽略。人工噪聲源多種多樣。任何電路斷開與合上時(shí)，在電路上產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖都是人工噪聲源，從通信、廣播、電視、雷達(dá)、系統(tǒng)以至輸電線的電磁輻射被天線接收后都可看作對(duì)有用

6、信號(hào)的干 擾。接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲包括放大器、濾波器、混頻器、檢波器各級(jí)產(chǎn)生的噪聲。接收機(jī)內(nèi)部噪 聲限制了接收機(jī)檢測(cè)的最小信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度必須大于噪聲一定強(qiáng)度才能被檢測(cè)到。接收機(jī)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(jī)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(duì)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(wú)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)器件發(fā)射電子的起伏。3. 1/f噪聲(Flicke

7、r 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(guò)100MHz熱噪聲起主要作用。接收機(jī)的主要參數(shù)信噪比接收機(jī)輸出信號(hào)的質(zhì)量可用信噪比( Signal-to-noise ratio, SNR)表示( 1.1 )信號(hào)可檢測(cè)，要求信噪比大于3dB。對(duì)于移動(dòng)電話，S/N要求大于15dB。對(duì)于固定電話要30dB,電視要40dB，而對(duì)于高保真音樂(lè)則要 60dB。對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)，高的信噪比就相當(dāng)于高的檢 測(cè)概率低的虛警概率。如果信噪比達(dá)到16dB，檢測(cè)概率可達(dá)到 99.99%而虛警概率低于 10-噪聲系數(shù)F 的定義是接收機(jī)可用一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)表示

8、。對(duì)于任何一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)常用分貝表示，記為NF。對(duì)于增益為 G的二端口網(wǎng)絡(luò)輸岀噪聲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)故以分貝表示的輸岀噪聲等于輸入噪聲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(wú)關(guān)，故噪聲系數(shù)的定義應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)噪聲 源 Ni 。對(duì)于 N 個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)連組成的系統(tǒng)，其總的噪聲系數(shù)為N 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的級(jí)連 由此可見(jiàn)，第一級(jí)的增益、噪聲系數(shù)對(duì)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(duì)損耗為L(zhǎng) (以功率比表示)的無(wú)源器件，G = 1/L , F =

9、 L。噪聲溫度等效噪聲溫度定義為式中 To = 290°K， F 以功率比表示，所以因此級(jí)連放大器的等效噪聲溫度可表示成Ten是n級(jí)以K表示的等效噪聲溫度。動(dòng)態(tài)范圍混頻器、放大器以至整個(gè)接收機(jī)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(shí)，輸入功率的變化范圍，稱為動(dòng)態(tài)范圍( dynamic range, DR )。如果輸入功率超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和；如果輸入功率低于動(dòng)態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。動(dòng)態(tài)范圍定義為 1dB 壓縮點(diǎn)( 1dB compression point )和最小可檢測(cè)信號(hào)( minimum Detect

10、able 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(fù)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(cè)信號(hào)(MDS定義為比噪聲功率高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(cè)信號(hào)( MD$為-111dBm (9.74x10 - 12mw)1dBPD由當(dāng)中頻輸岀功率與線性時(shí)相比減小1dB，或轉(zhuǎn)換損耗增加 1dB的點(diǎn)就叫做1dB壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn)就定義為動(dòng)態(tài)范圍的上限。對(duì)于增益為G的放大器或接收機(jī)在 1dB壓縮點(diǎn)，以dBm計(jì)的輸入信號(hào)功率或驅(qū)動(dòng)功率(圖可見(jiàn)為：

11、對(duì)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(diǎn)輸岀功率，PD則是1dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入功率。DR就是1dB壓縮點(diǎn)輸入信號(hào)根據(jù)前面定義的 1dB 壓縮點(diǎn)以及增益、帶寬、噪聲系數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍 功率電平與最小可檢測(cè)輸入信號(hào)電平之差，即注意，PD禾口 MDS用 dBm表示，DR則是dB。當(dāng)不止一個(gè)信號(hào)加到輸入端時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍定義為“ spurious -free region ”，如果輸入信號(hào)電 平相等，“ spurious -free ”動(dòng)態(tài)范圍 DRsf式中 IP3 為二個(gè)信號(hào)輸入時(shí)三階交截點(diǎn)( Third-order two-ton

12、e intercept)。三階交截點(diǎn)和交調(diào)分量當(dāng)兩個(gè)頻率為 f1 、 f2 的信號(hào)源或更多頻率的信號(hào)源加到一個(gè)非線性器件時(shí)，原則上將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)交調(diào)分量( Intermodulation (IM) products)，并可分為二階交調(diào)分量 ，三階交調(diào)分量 ，以及更高階交調(diào)分量。兩信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生的新的頻率分量fiFi和f if2是需要的中頻輸岀信號(hào)，f imi和f側(cè)2是三階交調(diào)信號(hào)。兩信號(hào)輸入時(shí)三階交調(diào)分量特別受到關(guān)注，因?yàn)樗锌赡苈湓谥蓄l帶通范圍內(nèi) 產(chǎn)生三階交調(diào)的過(guò)程是，輸入信號(hào) 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(hào)幅度相對(duì)較大，且又很難用濾波器從中頻輸出信號(hào)( fIF1, fIF1 )中濾除， 要特別予以重視?；祛l器或接收機(jī)對(duì)三階交調(diào)信號(hào)的抑制程度可用三階交截點(diǎn)度量。三階交截點(diǎn)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(hào)功率增加1dB，中頻輸岀