實(shí)驗(yàn)二射頻前端上變頻器的測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)二 射頻前端上變頻器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解射頻前端上變頻器基本結(jié)構(gòu)與主要設(shè)計(jì)參數(shù)。2、利用實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)際測(cè)量了解射頻前端上變頻器的特性。二、預(yù)習(xí)內(nèi)容1、預(yù)習(xí)帶通濾波器、混頻器、鎖相本振源的原理的理論知識(shí)。2、預(yù)習(xí)帶通中頻放大器、濾波器、混頻器、鎖相本振源的設(shè)計(jì)的原理的理論知識(shí)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)次設(shè)備名稱(chēng)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(xiàn)2條四、理論分析基本結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)說(shuō)明：在無(wú)線(xiàn)通訊中，射頻發(fā)射器擔(dān)任著重要的角色。無(wú)論是話(huà)音還是數(shù)據(jù)信號(hào)要利用電磁波傳送到遠(yuǎn)端，必須使用射頻前端發(fā)射器。如圖71所示，它大抵可分成九個(gè)部分

2、。1 中頻放大器(IF Amplifier)2 中頻濾波器(IF Bnadpass Filter)3 上變頻混頻器(Up-Mixer; Up Converter)4 射頻濾波器(RFBandpass Filter)5 載波振蕩器(Carrier Oscillator; Local Oscillator)所以,在此單元中將就上變頻器部分的基本原理做一說(shuō)明。并介紹發(fā)射器的幾個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。IF70MHzBPF2300 MHzLO 2230MHzINPUTLO RF IF 頻譜分析儀混頻器圖7-1 基本射頻前端發(fā)射器結(jié)構(gòu)圖 (一) 升頻混頻器的基本原理升頻混頻器的基本電路結(jié)構(gòu)圖如圖7-2所示。在二極

3、管上的電流如式(7-1)所示。匹配電路匹配電路匹配電路濾波器IFPIFRFPRFLO圖7-2 基本混頻器電路結(jié)構(gòu)圖混頻二極管其中 IS二極管的飽和電流 VIF中頻信號(hào)的振幅大小 fIF 中頻信號(hào)的頻率大小 VLO 載波信號(hào)的振幅大小 fLO 載波信號(hào)的頻率大小混頻后的輸出射頻頻率為 其中 m，n可為任意正負(fù)整數(shù)在絕大多數(shù)情況下,RF頻率應(yīng)是載波與IF頻率的和或差,即是。至于取和頻或差頻則根據(jù)發(fā)射器射頻指標(biāo)及系統(tǒng)參數(shù),利用射頻輸出端的濾波器可以阻隔三端間的互相干擾( ISOLATION),以避免其他不必要的混頻信號(hào)漏(LEAKAGE)到輸出端造成的噪聲(SPURIOUS)。 主要的噪聲信號(hào),有下

4、列幾種: (假設(shè))1. 鏡頻信號(hào) ( IMAGE FREQUENCY ): 2. 載波信號(hào)的諧波( CARRIER HARMONICS ): ，n=正整數(shù)3. 邊帶諧波信號(hào)( HARMONIC SIDEBANDS ): 上述噪聲皆是在混頻器及濾波器設(shè)計(jì)中,需要特別加以抑制處理的。(二) 混頻器的主要技術(shù)參數(shù)(1) 變頻耗損或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C) 除非有特別注明,一般的變頻損耗皆按上式定義,即單邊帶變頻耗損( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS ), 即只考慮射頻輸出信號(hào)頻率為fLO+fIF或fLO-fIF。若是定義為雙

5、邊帶變頻損耗(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS), 則比單邊帶轉(zhuǎn)頻損耗低3dB。(2) 輸入端回波損耗或電壓駐波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)如同其他射頻電路,輸入端的回波損耗或電壓駐波比是評(píng)價(jià)匹配與否的重要參數(shù)。對(duì)混頻器而言,其輸入端電壓駐波比規(guī)格一般定在2 : 1 (IRL=-10 ), 最差為2.5 : 1 (-7.3)。 而各端口的回波損耗,受LO端輸入功率的增加,各端口的阻抗會(huì)隨之降低,致使各端口的回波損耗變大。(3) 信號(hào)端與本振端的隔離比(PORT ISOLATION)信號(hào)端與本振端的隔離比為評(píng)價(jià)LO端與RF端,和

6、LO 端與IF端的噪聲的干擾抑制程度。(4) LO端最低輸入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED)對(duì)于混頻器而言,LO端最低輸入功率的大小直接影響到混頻的效果好壞。所以,一般有此項(xiàng)指標(biāo)。而功率越低應(yīng)用越方便。(5) 鏡象抑制度( IMAGE REJECTION)對(duì)于下變頻混頻器而言,IF 輸出信號(hào)頻率可由LO與RF兩輸入端信號(hào)頻率相減而得。以fIF=fRF-fLO為例,鏡象為fim = 2fLO-fRF。即若RF端輸入鏡象信號(hào)也可得到同頻的IF信號(hào), fim -fRF = fIF。 鏡象所造成的問(wèn)題有二：第一是提供干擾信號(hào)通路,即是鏡象信號(hào)會(huì)從RF端進(jìn)入,可能從IF端輸出。

7、如此勢(shì)必干擾到真正系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RF信號(hào)的變頻輸出；第二是增加混頻器的噪聲指數(shù)(NIOSE FIGURE) 3 dB 。解決的方法是在RF輸入端加一個(gè)鏡象濾波器來(lái)抑制鏡象信號(hào)的輸入。而對(duì)于上變頻頻混頻器而言,大致與下變頻頻混頻器相似,只是RF輸入端改成IF輸入端。(6) 噪聲抑制度(SPURIOUS REJECTION)對(duì)混頻器而言,噪聲的定義是指在輸出端的非設(shè)計(jì)所需頻率(fIF)的其他信號(hào)。尤其是輸入信號(hào)的諧波。一般是利用輸出端的濾波器來(lái)抑制噪聲。(7) 二階互調(diào)截止點(diǎn)(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2) (以下變頻器為例)IP2 = PRF +（PRF B -

8、LC）其中，IP2混頻器的輸入二階互調(diào)截止點(diǎn)。（dBm）PRF 混波器RF輸入端的輸入信號(hào)功率。（dBm）LC 混波器輸入信號(hào)頻率fRF=fLO+fIF時(shí)的轉(zhuǎn)頻損耗（Conversion Loss）。（dB） B 混波器輸入信號(hào)頻率fRF=fLO+0。5fIF時(shí)的輸出端頻率為2fIF的信號(hào)的功率。（dBm）下變頻器的IP2測(cè)量電路應(yīng)與頻譜示意圖,如圖7-3(a)(b)所示。上變頻器的也類(lèi)似。帶通濾波器帶通濾波器頻譜分析儀信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器混波器fLOfRF PRFfOUT圖7-3(a)下變頻器的IP2測(cè)量fLOfRFfIF2fIF(dBm)B(dBm)PRF(dBm)Lc(dB)POUT(d

9、Bm)圖7-3(b) 下變頻器的頻譜圖(8) 三階互調(diào)截止點(diǎn)( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT,IP3)其中IP3 混頻器的輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)。 PIN 混頻器輸入端的輸入信號(hào)的功率。 混頻器輸出端中,設(shè)計(jì)輸出信號(hào)與內(nèi)調(diào)制(INTER-MODULATION,IM)信號(hào)的功率差(dB)以上變頻器為例,混頻器的IP3測(cè)量圖及頻譜示意圖,如圖示7-4(a)(b)所示。帶通濾波器帶通濾波器頻譜分析儀信號(hào)結(jié)合器信號(hào)產(chǎn)生器混頻器fLOf1 f2 圖7-4(a) 混頻器的IP3測(cè)量圖fRF1fRF2f2f1fLOfLO +2f1 f2 fLO +2f2 f1 fLO+f1 fLO+f

10、2 (dB) PIN (dBm) Intermodulation Signals Desired Signals 圖7-4(b) 上變頻器的IP3頻譜圖(三) 發(fā)射器的重要設(shè)計(jì)參數(shù) (1) 1分貝壓縮功率(1dBCompression, P1dB )功率放大器的1分貝壓縮功率是發(fā)射器最大發(fā)射功率的主要參數(shù)。一般而言,對(duì)于放大器， P1dB是線(xiàn)性放大的最大輸出功率,而P1dB則為放大器的最大飽和輸出功率(SATURATION POWER)。其定義如圖示7-5(a)(b)所示。PIN (dBm)POUT (dBm)PSAT P1dB 1dB PD1dB Compression Point 圖7-5

11、(a) 放大器的PSAT，P1dB和1dB 功率壓縮點(diǎn)The higher the 1dB CompressionThe larger is the LDR of amplifier。 Linear Dynamic Range (LDR) of amplifier1 dB CompressionPowerGain(dB)Pin 圖7-5(b) 放大器的1dB Compression和 LDR關(guān)系圖 (2) 內(nèi)調(diào)制失真 ( Intermodulation Distortion)發(fā)射器的內(nèi)調(diào)制失真是由于發(fā)射天線(xiàn)接收到同通道其它較大功率信號(hào)后,經(jīng)功率放大器內(nèi)調(diào)制混頻所產(chǎn)生的再發(fā)射信號(hào)所造成。解決的方

12、法是在發(fā)射天線(xiàn)與功率放大器的間加接一個(gè)或多個(gè)環(huán)行器(CIRCULATOR ) 來(lái)降低發(fā)射器的內(nèi)調(diào)制失真。 (3) 雜波抑制比(Spurious Rejection)射頻前端發(fā)射器的較大噪聲信號(hào)是因?yàn)楣β史糯笃鞯拇笮盘?hào)放大所產(chǎn)生的諧波。 其它噪聲則是由載波振蕩器與混頻器所混頻出來(lái)的。一般指標(biāo)定為低于主要載波信號(hào)功率70至90 。 (4) 載波頻率穩(wěn)定度(Carrier Frequency Stability)發(fā)射器的載波頻率需要符合系統(tǒng)指標(biāo),以避免在通道與其他信道的干擾,尤其在窄頻帶系統(tǒng)中更形重要。可利用鎖相回路技術(shù)(Phase Locked Loop)及增加載波頻率的穩(wěn)定性。 (5) 鄰近信道

13、功率(Adjacent Channel Power)此參數(shù)是因于系統(tǒng)的調(diào)制方法或是由于發(fā)射器快速的開(kāi)關(guān)所造成。在窄頻帶系統(tǒng)中,一般指標(biāo)設(shè)定在低于載波信號(hào)功率50dB 。而在寬頻帶系統(tǒng)中,則會(huì)要求到80dB 。 (6) 發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間(Transmitter Turn-on Time)數(shù)字通訊系統(tǒng)發(fā)射器另一個(gè)很重要的參數(shù)是發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間,它必須夠短以免限制系統(tǒng)的信息流通量(System Throughput)。一般定義為發(fā)射器輸出功率達(dá)到額定功率(rated output power)的90%所需的時(shí)間。IF70MHzBPF2300 MHzLO 2230MHz8dBmLO RF-10dBm IF 0

14、dBm頻譜分析儀圖7-6 基本射頻前端發(fā)射器結(jié)構(gòu)圖A B RF-13dBm 五、硬件測(cè)量：掃頻儀中頻信號(hào)70MHz±12MHz 0dBm1 測(cè)量相關(guān)的各個(gè)模塊的特性。2 準(zhǔn)備相關(guān)的模塊，若干連接電纜等。3 測(cè)量步驟： 在實(shí)驗(yàn)箱上按圖連接好相關(guān)模塊。 將其集成在一起，掃頻儀中頻信號(hào)輸出70MHz±12MHz 0dBm接上變頻器的中頻輸入端。 用頻譜儀對(duì)A、B、各點(diǎn)電平大小和輸出頻率進(jìn)行進(jìn)行測(cè)試，看是否滿(mǎn)足要求。 4、實(shí)驗(yàn)記錄:各個(gè)模塊的主要參數(shù)值記錄下來(lái)。中頻信號(hào)70 MHz輸出電平 dBm本振信號(hào)輸出電平dBm混頻器輸出A點(diǎn)電平dBm上變頻器輸出B點(diǎn)電平dBm 各點(diǎn)射頻信號(hào)電平大小 注：本振信號(hào)2230MHz為典型值。5、測(cè)量?jī)?nèi)容變頻耗損或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C)信號(hào)端與本振端的隔離