5.8GHz微波接收機(jī)電路設(shè)計(jì)

1、5.8GHz微波接收機(jī)電路設(shè)計(jì)藍(lán)慶華姜福廣鄧洪波1時(shí)間：2008年09月04日字體:大中關(guān)鍵詞:動(dòng)態(tài)范圍噪聲系數(shù)帶通濾波器混頻器本振摘要：提出了一種5.8GHz微波接收機(jī)電路設(shè)計(jì)方案，針對(duì)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)給定的要求，提出了接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和方法,介紹了具體電路設(shè)計(jì)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析。關(guān)鍵詞：DSRC噪聲系數(shù)靈敏度動(dòng)態(tài)范圍混頻器DSRC作為一種專用的無線短距通信協(xié)議，主要針對(duì)固定于車道或路側(cè)的路側(cè)單元(RSU)與轉(zhuǎn)載于移動(dòng)車輛上的車載單元(0BU)之間的通信接口規(guī)范。本文采用廣泛使用的被動(dòng)式歐洲D(zhuǎn)SRC標(biāo)準(zhǔn),其主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻率為5.8GHz,下行數(shù)據(jù)為FM0編碼,速率為500kbps,

2、調(diào)制方式為幅度(AM)調(diào)制；上行數(shù)據(jù)為NRZI編碼,速率為250kbps,調(diào)制方式為2MHz或1.5MHz副載波的二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制,數(shù)據(jù)誤碼率為10-6圖1為DSRC通信系統(tǒng)工作模式。它采用半雙工的通信模式，主要有兩種工作方式：下行和上行方式。當(dāng)在下行方式時(shí)，RSU為發(fā)射模式，而OBU為接收模式,RSU發(fā)射以AM調(diào)制方式把調(diào)制信號(hào)F_AM加到5.8GHz的載波頻率F0上。當(dāng)在上行方式時(shí),RSU為接收模式,而OBU為發(fā)射模式,RSU發(fā)射連續(xù)的5.8GHz載波F0給OBU,并與OBU中的2MHz或1.5MHz的副載波BPSK調(diào)制信號(hào)Fm混頻后，再通過天線反射回RSU上的接收機(jī)進(jìn)行同步

3、解調(diào)。下疔方址:b)I-.1t方:圏】1滄1比通信索統(tǒng).更式圏本文針對(duì)DSRC通信系統(tǒng)給定的要求，提出了一套含OBU和RSU的頻率為5.8GHz的微波接收電路，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，并在最后介紹了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)情況。1設(shè)計(jì)原理1.1接收系統(tǒng)的作用距離和靈敏度估算OBU的下行喚醒作用距離為:式中，入=載波的波長(zhǎng)=5cm;P=RSU發(fā)射機(jī)的功率輸出=18dBm;G為RSU的天線增益TOC o 1-5 h z0t=13dB;G=OBU的天線增益=6dB;L=車輛擋風(fēng)玻璃造成的損耗=-5dB;S=OBU的喚醒靈敏度rsmin=-40dBm。因此可求得OBU的下行喚醒作用距離在15m左右。OBU接

4、收到的功率，經(jīng)OBU的BPSK副載波調(diào)制后，再發(fā)射回RSU接收機(jī)，故接收功率為：卩尸時(shí)機(jī)九召-盧心)4式中，L為OBU的副載波調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)損耗，約為-6dB;R為上行鏈路時(shí)OBU與RSU接收b機(jī)的距離。所以當(dāng)R為5m11m的正常通信范圍時(shí),RSU接收機(jī)射頻端的動(dòng)態(tài)起伏為-84dBm-97dBm,RSU接收機(jī)靈敏度必須-97dBm。RSU接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)為微波反射式系統(tǒng),OBU反射RSU發(fā)射機(jī)的載波作為上行發(fā)射載波？熏故RSU接收機(jī)的RF信號(hào)與本振L0信號(hào)相同。所以本接收機(jī)采用零中頻接收方案設(shè)計(jì)，因?yàn)樯闲懈陛d波BPSK調(diào)制信號(hào)是雙邊帶調(diào)制，它的頻譜位于載頻的兩邊，故不需要鏡頻抑制。如圖2所示

5、,RSU接收機(jī)主要由射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器、中頻帶通濾波器和中頻放大及BPSK解調(diào)電路組成。陥口接業(yè)忸俎咸方據(jù)陽(yáng)及各級(jí)増益、嗪肖杲並分配團(tuán)針對(duì)系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)的要求，在接收機(jī)設(shè)計(jì)中，主要注重以下幾個(gè)方面:接收機(jī)的噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)、接收機(jī)的大動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)、接收機(jī)微波無源部件的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)?？紤]其全面的性能，在具體電路設(shè)計(jì)中，必須均衡設(shè)計(jì)各級(jí)的噪聲系數(shù)、功率增益，保證各個(gè)無源部件的準(zhǔn)確性，合理分配部分電路的指標(biāo)，以達(dá)到系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)的要求。RSU接收機(jī)的靈敏度對(duì)于相干解調(diào)的bpsk信號(hào)的比特誤碼率BER為:式中,S/N為輸入信號(hào)的信噪比。因此，為了獲得10-6或更少的數(shù)據(jù)誤碼率，中頻放大器端的信噪

6、比必須大于10.5dB。而RSU接收機(jī)所需的信號(hào)功率可表示為：/%二壻仕門+口郵+A?r+Sr/A(4)式中，甘波爾茲曼常數(shù),T=室溫(290K),B=中頻帶寬=1MHz?熏NF=RSU中頻放大器前端的噪聲系數(shù),S/N為中頻放大器輸入端信噪比10.5dB。RSU中頻放大器前端的噪聲系數(shù)為：gA1+鼻丄+竺丄+空丄=4.2，L,5I式中，NF=1/G二射頻帶通濾波器插入損耗=2dB,NF二低噪聲放大器噪聲系數(shù)112=2.1dB,NF3=混頻器單邊噪聲系數(shù)=5dB,G2=低噪聲放大器增益=24dB(見圖2)。混頻器的增益=-8dB,NF二中頻帶通濾波器噪聲系數(shù)=3dB。4當(dāng)S/N為最小所需信噪比(

7、10.5dB)時(shí),可求得RSU接收機(jī)的靈敏度為：114+4.2+1.5故可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。RSU接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是指以某種方式降低接收機(jī)性能的較強(qiáng)帶外信號(hào)電平與極微弱信號(hào)之比。通?？紤]的弱信號(hào)就是接收靈敏度。動(dòng)態(tài)范圍通常有兩種表現(xiàn)方式，即用ldB增益壓縮表示的單音動(dòng)態(tài)范圍和三階互調(diào)表示的雙音動(dòng)態(tài)范圍。本接收系統(tǒng)中，主要考慮單音動(dòng)態(tài)范圍。RSU接收機(jī)總的三階互調(diào)輸入截?cái)帱c(diǎn)(IP)為：3-二-“山式中，(IP)二射頻帶通濾波器的IP=,(IP)=第一級(jí)LNA的IP3=15dBm,(IP)二第二TOC o 1-5 h z3133233級(jí)LNA的IP3=23dBm;(IP)=混頻器的IP

8、=14dBm;G為以上各級(jí)的增益，其中G=15dB,G=9dB,兩級(jí)343i23共24dB，其他增益值如圖2所示。故可求得：l7/)n-亍十兀&T十顧芮2?.12得(IP)=-8dBm。30一般而言，1dB輸入壓縮點(diǎn)P要比三階互調(diào)截?cái)帱c(diǎn)約低10dB，所以RSU接收機(jī)總的P1dB-in1dB-in約為-18dBm,故接收端動(dòng)態(tài)范圍為-99dBm-18dBm。本系統(tǒng)正常通信時(shí)接收端工作信號(hào)范圍為-97dBm-84dBm,但因?yàn)榘l(fā)射機(jī)的輸出功率為18dBm,而收發(fā)天線之間的隔離度38dB,考慮發(fā)射的強(qiáng)信號(hào)耦合，則接收機(jī)收到的最大信號(hào)P=(18-38)dBm=-20dBmo故實(shí)際接收射頻信號(hào)端動(dòng)態(tài)范m

9、ax圍為-97dBm-20dBm。顯然,RSU接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍滿足系統(tǒng)的要求。RSU接收機(jī)的微波部件設(shè)計(jì)、仿真和制作射頻帶通濾波器采用耦合微帶線三級(jí)級(jí)聯(lián)方式，結(jié)構(gòu)緊湊，寄生通帶的中心頻率較高，適用頻帶范圍大。圖3為帶通濾波器仿真的S和S參數(shù)圖，帶通濾波器3dB帶寬為5.65GHz21115.95GHz,在5.3GHz和6.3GHz帶外頻率點(diǎn)處衰減20dB。實(shí)際測(cè)試的帶內(nèi)插損S比仿真設(shè)計(jì)的要21大12dB,這是因?yàn)闉V波器相對(duì)頻帶僅為4%左右，此時(shí)耦合線的輻射損耗對(duì)Q值影響大，導(dǎo)致帶內(nèi)衰減加大。-14ifQ沖取BPfAfterL十*罔和申P(guān)Mirter&30&硒6MSETD5MK5HKOLOtfe

10、BlIOSS20Gft.JOfiFificy附il)陰？帝筑濾養(yǎng)髀的L和Z夠救仿宜陽(yáng)扇形線應(yīng)用于微波有源器件的直流偏置電路中，它與隔直電容一起確保直流偏置與射頻信號(hào)的隔離。扇形的長(zhǎng)度和連線長(zhǎng)度都為中心頻率1/4波長(zhǎng)左右，連線一般作成彎曲的形式，便于對(duì)其長(zhǎng)度進(jìn)行微調(diào)，夾角為45。如圖4扇形線的S和S參數(shù)仿真圖所示，扇形偏線在5.7GHz11225.9GHz頻段內(nèi)，插損小于0.5dB,其回波損耗約大于40dB，故能較好地對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行隔離。-JlUJU1flanum4陽(yáng)；M拙CKmicXMlJOFELECTRONIC斗-*-1-12vwwxninra11pj-rr)LnutRLFff冊(cè)眄于牌呵圖斗

11、扇形繪的弘和屁歩轟冊(cè)翼陽(yáng)2接收機(jī)電路設(shè)計(jì)技術(shù)OBU電路設(shè)計(jì)OBU電路框圖如圖5所示,SB_out為喚醒直流輸出信號(hào),DATA_out為解調(diào)后的下行FMO碼輸出,MOD為下行的2MHz載波的BPSK調(diào)制信號(hào)輸入端,OBU有閑置、下行和上行方式三種工作模式，由WK_in和T/R來選擇控制。OBU的喚醒靈敏度約為-40dBm,轉(zhuǎn)發(fā)損耗約為-6dB。在PCB制作時(shí)，要注意周邊器件盡量靠近IC,布線盡量短,減少分布參數(shù)的影響。在RF端口接一1/4波長(zhǎng)的短接線到地，保護(hù)OBU不受靜電或其它瞬態(tài)干擾損壞。RSU接收機(jī)低噪聲放大電路為了更好地達(dá)到噪聲與增益的平衡，本系統(tǒng)采用了兩級(jí)低噪聲放大。要把ldB壓縮點(diǎn)小

12、、噪聲系數(shù)小和增益大的作為前級(jí)放大。要注意低噪管的防靜電保護(hù)和電磁屏蔽，防止其振蕩影響性能。RSU接收機(jī)混頻器電路設(shè)計(jì)一般說來,無源平衡混頻器的性能最好，它具有較高的二階、三階截獲點(diǎn)，有更好的噪聲平衡性能，但缺點(diǎn)是需要大的本振功率并具有較大的變頻損耗。這里采用無源雙平衡混頻器MMIC,在RF信號(hào)頻率為5.8GHz、本振LO輸入功率為lOdBm的情況下，變頻損耗為8dB,雙邊噪聲系數(shù)為5dB（雙邊帶為8dB），輸入1dB壓縮點(diǎn)為9dBm,三階互調(diào)截?cái)噍斎朦c(diǎn)為14dBm,本振-射頻信號(hào)的隔離度為30dB,本振-中頻的隔離度為25dB。RSU接收機(jī)中頻濾波/放大電路中頻系統(tǒng)的頻率特性如中心頻率、通頻

13、帶、帶內(nèi)起伏、帶外衰減等主要取決于中頻濾波器,通常為L(zhǎng)C型濾波器,這里采用低通-高通構(gòu)成的帶通濾波器。BPSK信號(hào)的頻譜類似載波抑制的雙邊帶，其帶寬為基帶信號(hào)帶寬的2倍，即500kHz。但考慮到2MHz或1.5MHz作為載波中心頻率，所以濾波器中心頻率為1.75MHz,3dB帶寬為1MHz,帶外抑制在0.3MHz處大于30dB,濾除因反射強(qiáng)耦合混頻后產(chǎn)生的直流低頻信號(hào)，在10MHz處大于35dB,防止帶外信號(hào)的干擾。中頻放大器由四級(jí)組成,前三級(jí)為低噪聲系數(shù)和寬頻帶工作范圍的雙極型放大器MMIC,末級(jí)為視頻寬帶運(yùn)放。四級(jí)增益共為76dB左右。因?yàn)樵鲆娓?，很容易?dǎo)致正反饋產(chǎn)生自激，可在級(jí)間并接穩(wěn)定

14、電阻到地,一般為100Q左右。RSU接收機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試RSU接收機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)量方案如下：接收機(jī)本振端輸入頻率為5797.5MHz,功率為lOdBm的頻率源，網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8753ET輸出端經(jīng)衰減器衰減后與接收機(jī)信號(hào)端相連,HP8753ET輸出頻率為5799.5MHz的單頻連續(xù)波，功率可調(diào)整，用頻譜儀測(cè)試中放2MHz頻率處的輸出功率值，測(cè)試結(jié)果如表1。B號(hào)輸入端功率1齢)呦-SS-%相應(yīng)的功寧值(巫皿)-2113-*9-42-由表1可見，實(shí)際的本體噪聲要比設(shè)計(jì)的大2dB左右。在輸入為-97dBm處,輸出信號(hào)信噪比S/N為11dB。當(dāng)接收機(jī)信號(hào)端輸入功率為-82dBm時(shí)，出現(xiàn)削頂失真。但在接收機(jī)信號(hào)端輸入功率為-97dBm-84dBm時(shí),增益為+87dB,基本都呈線性放大，滿足系統(tǒng)要求。本文提出了一套5.8GHz的微波接收機(jī)電路，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它可應(yīng)用于基于DSRC的高速公路無線不停車收費(fèi)系統(tǒng)或