《單片無(wú)線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)》課件第1章

第1章無(wú)線通信系統(tǒng)基礎(chǔ) 1.1通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)和頻段

1.1.1通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)是衡量、比較和評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)綜合提出的。通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)也稱為質(zhì)量指標(biāo)。一般通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面：

(1)有效性：指通信系統(tǒng)傳輸消息的“速率”問(wèn)題，即快慢問(wèn)題。

(2)可靠性：指通信系統(tǒng)傳輸消息的“質(zhì)量”問(wèn)題，即好壞問(wèn)題。

(3)適應(yīng)性：指通信系統(tǒng)使用時(shí)的環(huán)境條件。

(4)經(jīng)濟(jì)性：指系統(tǒng)的成本問(wèn)題。

(5)保密性：指系統(tǒng)對(duì)所傳信號(hào)的加密措施，這點(diǎn)對(duì)軍用系統(tǒng)顯得尤為重要。

(6)標(biāo)準(zhǔn)性：指系統(tǒng)的接口、各種結(jié)構(gòu)及協(xié)議是否合乎國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

(7)維修性：指系統(tǒng)維修是否方便。

(8)工藝性：指通信系統(tǒng)的各種工藝要求。對(duì)于一個(gè)通信系統(tǒng)，從消息的傳輸方面來(lái)說(shuō)，有效性和可靠性是兩個(gè)主要指標(biāo)。這也是通信技術(shù)討論的重點(diǎn)，至于其他指標(biāo)，如工藝性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性等不屬于本書(shū)的研究范圍。

通信系統(tǒng)的有效性和可靠性是一對(duì)矛盾，這一點(diǎn)通過(guò)以后的學(xué)習(xí)將會(huì)有更深的體會(huì)。一般情況下，要增加系統(tǒng)的有效性就得降低可靠性，反之亦然。在實(shí)際中，常常依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求采取相對(duì)統(tǒng)一的辦法，即在滿足一定可靠性指標(biāo)下，盡量提高消息的傳輸速率，即有效性，或者，在維持一定有效性條件下，盡可能提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于模擬通信來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的有效性和可靠性具體可用系統(tǒng)的有效帶寬和輸出信噪比(或均方誤差)來(lái)衡量。模擬系統(tǒng)的有效傳輸帶寬BW越大，系統(tǒng)同時(shí)傳輸?shù)脑捖窋?shù)也就越多，有效性就越好。

對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的可靠性和有效性具體可用誤碼率和傳輸速率來(lái)衡量。數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如圖1.1.1所示。圖1.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.1.2通信的頻段

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信息是依靠高頻無(wú)線電波來(lái)傳遞的。頻率從幾十千赫茲至幾萬(wàn)兆赫茲的電磁波都屬于無(wú)線電波。為了便于分析和應(yīng)用，習(xí)慣上將無(wú)線電的頻率范圍劃分為若干個(gè)區(qū)域，即對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段，稱為頻段或波段。

由電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)建立的頻譜分段如表1.1.1所示。頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系為(1.1.1)式中，c=3×108m/s，為無(wú)線電波在空間傳播的速度；f的單位為Hz；

的單位為m。

1.2無(wú)線接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.1接收機(jī)的技術(shù)要求

1．接收機(jī)的靈敏度

接收機(jī)的靈敏度定義為：當(dāng)接收機(jī)輸出端為解調(diào)提供了充分的信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)時(shí)，接收機(jī)可檢測(cè)到的最低可用信號(hào)功率。對(duì)于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，由最小誤碼率(BitErrorRate，BER)確定信號(hào)的滿意再生所需要的最小信噪比(Eb/No)。在信道有損失的情況下，利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)可以估算最小的Eb/No。接收機(jī)增加的最大噪聲可以用仿真Eb/No、最小靈敏度(Smin)和信道帶寬(B)計(jì)算出來(lái)。最小允許接收機(jī)噪聲方程式可從噪聲系數(shù)的定義推導(dǎo)出來(lái)。噪聲系數(shù)的定義如下：(1.2.1)式中，F(xiàn)為噪聲系數(shù)；(S/N)input和(S/N)output分別是接收機(jī)輸入端和輸出端的信噪比。對(duì)于成功的信號(hào)檢測(cè)，(S/N)output=Eb/No，Sinput=Smin(靈敏度單位為dBm)，并且Ninput=kTB(可用的熱噪聲功率基值)。若以分貝表示，方程式(1.2.1)變?yōu)?1.2.2)式中，k是玻爾茲曼常數(shù)；T是熱力學(xué)溫度；B是信道帶寬。

靈敏度的另一個(gè)測(cè)量參數(shù)是最小可檢測(cè)信號(hào)(MDS)。在某些文獻(xiàn)中，MDS依據(jù)噪聲基值計(jì)算。噪聲基值Pnf的關(guān)系式如下：(1.2.3)

2．接收機(jī)的選擇性

接收機(jī)的選擇性定義為：在鄰近頻率強(qiáng)干擾和信道阻塞的情況下，接收機(jī)滿意提取所需信號(hào)的能力。在多數(shù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中頻信道選擇濾波器的設(shè)計(jì)決定了接收機(jī)的選擇性。接收機(jī)應(yīng)該有足夠的線性性能去處理可接收的失真信號(hào)。如果接收機(jī)在頻率選擇和線性度上是不充分的，那么就會(huì)產(chǎn)生互調(diào)分量而降低所需信號(hào)的質(zhì)量。一般地，失真度確定了接收機(jī)可處理的輸入信號(hào)的最大功率。三階失真在很多接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中顯得特別重要，這是因?yàn)榛フ{(diào)分量處于所要的信號(hào)中。三階失真通常用輸入三階截點(diǎn)IIP3來(lái)描述，它由雙音頻測(cè)試和規(guī)定的共信道抑制比(Co-ChannelRejectionRatio，CCRR)計(jì)算得出。在測(cè)量互調(diào)失真的過(guò)程中，所需信號(hào)的功率電平Psig(dBm)和不需要的各個(gè)信號(hào)Pud(dBm)(其中一個(gè)常常被調(diào)制)從技術(shù)規(guī)范中可查到。位于所需信道的不需要的互調(diào)分量Pim3由式(1.2.4)計(jì)算：(1.2.4)接收機(jī)的三階截點(diǎn)由式(1.2.5)給出：(1.2.5)對(duì)于壓縮和失真的另一個(gè)有用的定義是1dB壓縮點(diǎn)P1dB。1dB壓縮點(diǎn)的定義為：功率增益從理想點(diǎn)下降1dB的點(diǎn)，其值大約為(1.2.6)

3．接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍定義了接收機(jī)在檢測(cè)噪聲基值上的弱信號(hào)和處理無(wú)失真的最大信號(hào)的能力。通常用接收機(jī)輸入端的最大信號(hào)和最小信號(hào)的比定義接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。同一個(gè)接收機(jī)有不同的動(dòng)態(tài)范圍是正常的。當(dāng)Smin設(shè)為較低的限制時(shí)，較高的限制取決于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SpuriousFreeDynamicRange，SFDR)和阻塞動(dòng)態(tài)范圍(BlockingDynamicRange，BDR)是特別重要的。SFDR是以最大輸入電平(三階互調(diào)分量低于噪聲基值)和最小可辨別信號(hào)Smin之間的比為基礎(chǔ)的。利用式(1.2.3)和式(1.2.5)求出的SFDR如下：(1.2.7)

BDR定義為上限信號(hào)P1dB與下限信號(hào)Smin之差。BDR的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(1.2.8)計(jì)算前端接收鏈的最大增益時(shí)，需要考慮最大可能的帶內(nèi)阻塞Pbl。這意味著最大增益是放大級(jí)之前的濾波器的函數(shù)。如果解調(diào)器輸入端需要的信號(hào)是Preq，那么最大增益由式(1.2.9)給出：(1.2.9)最大可應(yīng)用信號(hào)Psig(max)決定最小增益。計(jì)算最小增益的等式為(1.2.10)

4．混頻器

限制接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的另一個(gè)重要部分是混頻器。本機(jī)振蕩器(LocalOscillator，LO)相位噪聲把不需要的干擾傳輸?shù)剿枰男盘?hào)上，這將導(dǎo)致接收機(jī)輸出端SNR下降。因此，振蕩器必須設(shè)計(jì)為低相位噪聲，這樣才能達(dá)到在最差的阻塞狀況下，仍能產(chǎn)生低于接收機(jī)噪聲基值的噪聲邊帶。振蕩器要求的相位噪聲如下：(1.2.11)1.2.2超外差接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

超外差接收機(jī)雙變頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.1所示，位于低噪聲放大器(LowNoiseAmplifier，LNA)前面的片外RF(射頻)濾波器用于衰減帶外信號(hào)和鏡像干擾。使用可調(diào)的本機(jī)振蕩器(LO)，全部頻譜可被下變頻到一個(gè)固定的中頻(IntermediateFrequency，IF)。在下變頻電路模塊之前使用一個(gè)片外鏡像干擾抑制濾波器(IRFilter)，可以使鏡像干擾被大大削弱。在下變頻之后使用片外中頻濾波器可以正常進(jìn)行信道選擇，也可以降低對(duì)后面各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)范圍要求。在確定接收機(jī)的選擇性和靈敏度方面，中頻的選擇是很重要的。第二下變頻通常是正交的，以使同相和正交(I和Q)信號(hào)的數(shù)字處理變得容易。圖1.2.1超外差接收機(jī)雙變頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.3零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為消除片外元件，應(yīng)促使零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.2所示。圖1.2.2零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這是一個(gè)用于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的直接變頻(零中頻，Zero-IFarchitecture)接收機(jī)，該系統(tǒng)包括鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop，PLL)、接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI)和片上濾波器。該系統(tǒng)完成頻域內(nèi)相應(yīng)的下變頻處理過(guò)程。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，全部射頻頻譜下變頻到DC(直流)。高滾降低通濾波器(highroll-offLow-PassFilter，LPF)用來(lái)實(shí)現(xiàn)信道選擇。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除了鏡像干擾問(wèn)題，因此無(wú)需使用外部高Q鏡像干擾抑制濾波器，正交下變頻產(chǎn)生I和Q信號(hào)以便進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。零中頻結(jié)構(gòu)消除了片外元件，使得該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更具集成性。因?yàn)殓R像干擾信號(hào)的功率電平等于或小于所需信號(hào)，所以該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求較低的鏡像干擾抑制，并且鏡像干擾抑制濾波要在片內(nèi)完成。由于只有一個(gè)本振用于下變頻信號(hào)，因此減少了混頻處理?？傊?，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在節(jié)約成本、減小芯片面積和功耗方面是極佳的。然而，隨時(shí)間而改變的DC補(bǔ)償、本振泄漏和閃爍噪聲引起的問(wèn)題會(huì)妨礙信號(hào)的檢測(cè)。通過(guò)使用適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)處理器(DSP)或自動(dòng)歸零功能，DC補(bǔ)償問(wèn)題可以得到糾正，采用高線性混頻器可避免失真。

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也易于導(dǎo)致二階互調(diào)失真分量(IM2)。類(lèi)似于超外差電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求可變的高頻本振以實(shí)現(xiàn)信道選擇。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)成功地應(yīng)用于需要很少DC能量的調(diào)制方案中，例如過(guò)調(diào)制的頻移鍵控(FSK)尋呼系統(tǒng)。

1.2.4低中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

集成的片上帶通濾波的概念引出了低中頻接收機(jī)(Low-IFreceivers)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中頻處于較低頻率(典型為幾百千赫茲)，因此需要低Q信道選擇濾波器。圖1.2.3給出了2.4GHz藍(lán)牙接收機(jī)所采用的低中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以完成相應(yīng)的頻域下變頻處理。射頻頻譜首先被多相濾波器放大并濾波，在濾波器輸出端產(chǎn)生綜合信號(hào)。該濾波器對(duì)于正頻率為全通濾波器，對(duì)于負(fù)頻率為帶阻濾波器。該信號(hào)隨后下變頻到正交低中頻IF，典型的IF頻率是1/2個(gè)信道帶寬。該正交下變頻處理并利用了綜合混頻器。綜合混頻器只混合正射頻頻率和一個(gè)負(fù)本振頻率，因此實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)的鏡像干擾抑制。圖1.2.3低中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適于射頻集成電路，因?yàn)樵诨祛l器之后使用低Q帶通濾波器就可以實(shí)現(xiàn)鏡像干擾抑制和信道選擇。不像零中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，低中頻對(duì)于寄生的DC補(bǔ)償、本振泄漏和IM2是不敏感的。低中頻也能靈活地以多種方式處理信號(hào)。由于在片上進(jìn)行

I和Q發(fā)生器之間的匹配，因此該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鏡像干擾抑制(40dB)功能是有限的。在信號(hào)路徑中采用非對(duì)稱多相濾波器以加強(qiáng)鏡像干擾抑制，這會(huì)產(chǎn)生插入損耗并引起噪聲。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)念A(yù)濾波，模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器上的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率要求會(huì)大大增加。此外，當(dāng)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于寬信道帶寬應(yīng)用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流消耗的增加。另外，還需要具有良好相位噪聲的、可變頻率的本振，這增加了頻率合成器的設(shè)計(jì)難度。1.2.5寬帶雙中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

寬帶雙中頻接收機(jī)將零中頻和外差電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)以優(yōu)化功耗和性能，其功能框圖如圖1.2.4所示，它可完成相應(yīng)的下變頻過(guò)程。該方法類(lèi)似于超外差電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用多個(gè)中頻級(jí)，第一中頻處于高頻(幾百兆赫茲)。使用固定的本機(jī)振蕩器LO1將全部射頻頻譜首先下變頻到一個(gè)高中頻。通常，LO1頻率在應(yīng)用頻段之外，所以在天線之后的片外射頻濾波器也作為鏡像干擾抑制濾波器使用。下變頻信號(hào)通過(guò)低通濾波器之后，采用一個(gè)可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的鏡像干擾抑制的綜合混頻器將所需信號(hào)下變頻到DC，使用可變的本機(jī)振蕩器LO2選擇所需信道。圖1.2.4寬帶雙中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該方法有利于集成，可降低成本，而且固定的LO1使低相位噪聲高頻合成器的設(shè)計(jì)變得容易，并降低了功耗。因?yàn)榈谝恢蓄l固定為高頻，所以反饋分頻器要求較低的分頻比。因此，該結(jié)構(gòu)能改進(jìn)LO1的整體相位噪聲性能。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)盡管不存在本振泄漏問(wèn)題，但仍然沒(méi)有解決DC補(bǔ)償和IM2失真問(wèn)題。在中頻和射頻之間，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象，因此使用低通濾波器進(jìn)行信道選擇，而不使用電流消耗大的帶通濾波器，可得到55dB的鏡像干擾抑制。1.2.6亞采樣接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于帶通采樣原理的中頻亞采樣接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.5所示。在中頻的亞采樣接收機(jī)系統(tǒng)中，采樣電路代替零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的混頻器，射頻信號(hào)以基帶信號(hào)的奈奎斯特速率進(jìn)行采樣。下面的等式給出了帶通采樣產(chǎn)生的頻譜鏡像：(1.2.12)式中，k是整數(shù)常數(shù)；

i是頻譜鏡像點(diǎn)，在亞采樣零中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，

i?=?0；

samp和

c分別是采樣頻率和載波頻率。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適于射頻集成電路，特別是在CMOS技術(shù)中，可將一個(gè)復(fù)雜的下變頻簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的采樣操作。因?yàn)椴蓸铀桀l率低于載波頻率，所以振蕩器設(shè)計(jì)變得很簡(jiǎn)單并且功耗也較低。該結(jié)構(gòu)需要關(guān)注的問(wèn)題之一是噪聲混淆。由于噪聲功率提高了2k倍，這需要使用片外帶通噪聲濾波器，而采樣時(shí)鐘上的抖動(dòng)放大了k2倍，因此導(dǎo)致了所需信道的干擾。該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)未解決的問(wèn)題是時(shí)鐘饋通和運(yùn)算放大器的設(shè)置時(shí)間不足。這些因素不能使干擾充分衰減，因此要求A/D轉(zhuǎn)換器有一個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍。由于

c和

samp成比例，因此更高頻的低功率亞采樣電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難設(shè)計(jì)。圖1.2.5基于帶通采樣原理的中頻亞采樣接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.7數(shù)字中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在數(shù)字中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，混頻和濾波可以在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，超外差、低中頻和零中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的中頻級(jí)可以數(shù)字化。數(shù)字中頻的使用避免了I和Q之間的不均衡，實(shí)現(xiàn)了完美的鏡像干擾抑制。然而，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要高性能的A/D轉(zhuǎn)換器，因此提高了整個(gè)接收機(jī)的電流消耗。圖1.2.6所示的低中頻數(shù)字接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使用帶通濾波器

-

以降低A/D轉(zhuǎn)換器的性能要求。

-

的帶通屬性同時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣和濾波功能。在高頻A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方面，數(shù)字中頻仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。圖1.2.6低中頻數(shù)字接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.8RAKE接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RAKE接收技術(shù)是CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。一個(gè)簡(jiǎn)化的RAKE接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.7所示。在無(wú)線通信中，發(fā)射信號(hào)要經(jīng)直射、反射、散射等多條傳播路徑到達(dá)接收端，RAKE接收機(jī)對(duì)每條路徑使用一個(gè)相關(guān)接收機(jī)，收集所有接收路徑上的信號(hào)，各相關(guān)接收機(jī)與被接收信號(hào)的一個(gè)延遲形式相關(guān)，然后對(duì)每個(gè)相關(guān)器的輸出進(jìn)行加權(quán)，并把加權(quán)后的輸出相加合成一個(gè)輸出，以提供優(yōu)于單路相關(guān)器的信號(hào)檢測(cè)，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行解調(diào)和判決。圖1.2.7一個(gè)簡(jiǎn)化的RAKE接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在多徑時(shí)延未知時(shí)，最簡(jiǎn)單的多徑分集方式是采用檢測(cè)后積分(PostDetectionIntegration，PDI)的方法，即在接收機(jī)檢測(cè)器后面設(shè)置一個(gè)積分時(shí)間等于多徑擴(kuò)展τM秒的積分器。一個(gè)檢測(cè)后積分多徑接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.8所示。圖1.2.8PDI多徑接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PDI接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但存在一個(gè)約束條件，即τM不能大于碼元寬度Tb，否則多徑分量會(huì)落到相鄰碼元中而造成碼間干擾。

PDI接收機(jī)的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有利用多徑的參量信息，而簡(jiǎn)單的積分不可避免地要把τM秒范圍中的干擾與噪聲包含進(jìn)去，因而影響多徑分集效果。為了克服這一不足，可對(duì)多個(gè)峰值進(jìn)行篩選，把那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分集除去，再對(duì)它們進(jìn)行延時(shí)和相位校正，使之在某一時(shí)刻對(duì)齊，并按一定規(guī)則合并。

為了獲得信道參數(shù)，可采用探測(cè)信號(hào)。探測(cè)信號(hào)可以是專門(mén)的信號(hào)(訓(xùn)練序列)，也可以是數(shù)據(jù)信號(hào)本身。接收機(jī)通過(guò)接收探測(cè)信號(hào)來(lái)估計(jì)信道參數(shù)和。具有信道參量估計(jì)的DPSK-RAKE接收機(jī)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.9所示。圖1.2.9具有信道參量估計(jì)的DPSK-RAKE接收機(jī)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1.2.10具有信道參數(shù)測(cè)量的DPSK-DRAKE接收機(jī)對(duì)于IS-95CDMA系統(tǒng)，基站中的RAKE接收機(jī)由4個(gè)并行相關(guān)器和2個(gè)搜索相關(guān)器組成，基站接收機(jī)無(wú)法得到多徑信號(hào)的相位信息，一般采用非相關(guān)最大比值合并準(zhǔn)則；移動(dòng)臺(tái)中的RAKE接收機(jī)由3個(gè)并行相關(guān)器和一個(gè)搜索相關(guān)器組成，它可利用基站發(fā)送的導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)出多徑信號(hào)的相位、到達(dá)時(shí)刻和強(qiáng)度參數(shù)。

一個(gè)并行相關(guān)RAKE接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.11所示，圖中搜索器的作用是搜索所有多徑，估計(jì)出多徑的相位、到達(dá)時(shí)刻和強(qiáng)度參數(shù)，并從中選出三路最強(qiáng)的多徑信號(hào)供相關(guān)器進(jìn)行處理，然后再合并。圖1.2.11一個(gè)并行相關(guān)RAKE接收機(jī)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.9接收機(jī)測(cè)試

1．射頻靈敏度

在接收機(jī)的天線端接入具有接收機(jī)標(biāo)稱頻率和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試調(diào)制的最小射頻信號(hào)電平，并使音頻輸出電路端獲得最小50%的額定功率和12dB信納比，則信號(hào)源輸出的最小射頻信號(hào)電平的電動(dòng)勢(shì)為接收機(jī)的射頻靈敏度。

在接收機(jī)音頻輸出端：

1)指標(biāo)

射頻靈敏度為0.7～1μV(電動(dòng)勢(shì))(接收機(jī)音頻輸出端的信納比=12dB)。

2)測(cè)試方法

(1)在接收機(jī)天線輸入端接入具有50Ω(不平衡)輸出阻抗的射頻信號(hào)源，接收機(jī)音頻輸出端接入非線性測(cè)試儀(如圖1.2.12所示)。

(2)調(diào)整信號(hào)頻率為接收機(jī)標(biāo)稱頻率，調(diào)制頻率為1kHz，頻偏為3kHz。

(3)調(diào)整接收機(jī)的音頻輸出功率，使它不小于50%的額定功率。

(4)調(diào)整信號(hào)源輸出射頻電平，使非線性失真儀指示的信納比為12dB。

(5)讀出信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)即為接收機(jī)的射頻靈敏度。

2．同頻道抑制

在存在不希望已調(diào)同頻信號(hào)的情況下，測(cè)量接收機(jī)接收希望已調(diào)信號(hào)不超過(guò)給出惡化量的能力，稱為同頻道抑制。

1)指標(biāo)

同頻道抑制應(yīng)該低于8dB。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.13所示，兩個(gè)信號(hào)源通過(guò)組合器加到接收機(jī)的天線輸入端，接收機(jī)的音頻輸出端接非線性失真儀。圖1.2.13接收機(jī)的同頻道抑制測(cè)試

(2)信號(hào)源B關(guān)上，信號(hào)源A打開(kāi)。調(diào)整希望信號(hào)A的頻率為接收機(jī)的標(biāo)稱頻率，調(diào)制頻率為lkHz，頻偏為3kHz，接收機(jī)輸入端的電平比靈敏度高3dB。

(3)信號(hào)源B打開(kāi)，調(diào)整不希望信號(hào)B的頻率為接收機(jī)的標(biāo)稱頻率，調(diào)制頻率為400Hz，頻偏為3kHz。調(diào)整不希望信號(hào)B的射頻電平，使接收機(jī)音頻輸出信納比下降到12dB，記錄接收機(jī)輸入端不希望信號(hào)的射頻電平。

(4)計(jì)算接收機(jī)輸入端不希望信號(hào)和射頻靈敏度電平之差，此值應(yīng)低于8dB。

3．接收機(jī)的鄰頻道選擇性

鄰頻道選擇性表示存在與希望信號(hào)的頻率差等于頻道間隔的不希望信號(hào)的情況下，當(dāng)接收機(jī)接收所希望的調(diào)制信號(hào)時(shí)，測(cè)量接收機(jī)不超過(guò)給定惡化量的能力。

1)指標(biāo)

鄰頻道選擇性應(yīng)不低于70dB(對(duì)于基臺(tái)和車(chē)載臺(tái))、60dB(對(duì)于手持臺(tái))。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.14所示，兩個(gè)信號(hào)源通過(guò)組合器加到接收機(jī)的天線輸入端，接收機(jī)的音頻輸出端接非線性失真儀。

(2)關(guān)閉信號(hào)源B，打開(kāi)信號(hào)源A。希望信號(hào)A調(diào)整到接收機(jī)標(biāo)稱頻率上和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試調(diào)制模式，調(diào)整信號(hào)源A的電平，使接收機(jī)輸入端電平比靈敏度高3dB。圖1.2.14接收機(jī)的鄰頻道選擇性測(cè)試

(3)打開(kāi)信號(hào)源B，不希望信號(hào)B調(diào)到接收機(jī)標(biāo)稱頻率上邊的鄰頻道上，并經(jīng)400Hz單音調(diào)制，頻偏為3kHz。再調(diào)不希望信號(hào)B電平，使接收機(jī)音頻輸出信納比下降到12dB，并記錄接收機(jī)輸入端不希望信號(hào)的電平。

(4)把不希望信號(hào)B調(diào)到接收機(jī)標(biāo)稱頻率下邊的鄰頻道上，重復(fù)上述測(cè)試。

(5)鄰頻道選擇特性用接收機(jī)輸入端不希望信號(hào)對(duì)靈敏度的射頻電平差來(lái)表示，并選兩個(gè)測(cè)試值中較低的一個(gè)作為測(cè)試結(jié)果。

4．雜散響應(yīng)抑制

雜散響應(yīng)抑制是測(cè)量接收機(jī)鑒別標(biāo)稱頻率調(diào)制信號(hào)與任何其他頻率信號(hào)(希望信號(hào)頻道和鄰頻道頻率除外)之間的能力。

1)指標(biāo)

雜散響應(yīng)抑制應(yīng)該不低于70dB(對(duì)于基臺(tái)和車(chē)載臺(tái))、60dB(對(duì)于手持臺(tái))。

2)測(cè)量方法

(1)如圖1.2.15所示，兩個(gè)信號(hào)源通過(guò)組合器加到接收機(jī)的天線輸入端，接收機(jī)的音頻輸出端接非線性失真儀。

(2)關(guān)閉信號(hào)源B，打開(kāi)信號(hào)源A。圖1.2.15接收機(jī)的雜散響應(yīng)抑制測(cè)試

(3)打開(kāi)信號(hào)源B，以400Hz單音調(diào)制，頻偏為3kHz。再調(diào)整不希望信號(hào)B的電平，使接收機(jī)輸入端的電平比靈敏度高70dB。

(4)改變不希望信號(hào)B的射頻頻率，從100kHz到2000MHz變化(希望信號(hào)頻道和鄰頻道頻率除外)，接收機(jī)的音頻輸出信納比應(yīng)不低于12dB。

5．接收機(jī)的互調(diào)抑制

互調(diào)抑制是存在兩個(gè)具有一定關(guān)系的不希望高電平信號(hào)時(shí)，測(cè)量接收機(jī)接收希望信號(hào)不超過(guò)給出惡化量的能力。

1)指標(biāo)

互調(diào)抑制應(yīng)不低于70dB(對(duì)于基臺(tái)和車(chē)載臺(tái))、60dB(對(duì)于手持臺(tái))。

2)測(cè)量方法

(1)如圖1.2.16所示，三個(gè)信號(hào)源通過(guò)組合器加到接收機(jī)的天線輸入端。希望信號(hào)A調(diào)到接收機(jī)標(biāo)稱頻率上，并用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試音調(diào)制。不希望信號(hào)B調(diào)到比接收機(jī)標(biāo)稱頻率高50kHz的頻率上，而且不調(diào)制。不希望信號(hào)C調(diào)到比接收機(jī)標(biāo)稱頻率高l00kHz的頻率上，以400Hz調(diào)制，頻偏為3kHz。圖1.2.16接收機(jī)的互調(diào)抑制測(cè)試

(2)調(diào)整希望信號(hào)A的電平，使接收機(jī)輸入端的電平比靈敏度高3dB，兩個(gè)不希望信號(hào)B和C保持相同的增加電平，直到接收機(jī)音頻輸出信納比下降12dB。

(3)微調(diào)一下不希望信號(hào)B和C的頻率，調(diào)到接收機(jī)音頻輸出信納比最大惡化，再一次到12dB，并記錄接收機(jī)輸入端不希望信號(hào)的電平。

(4)不希望信號(hào)B和C分別調(diào)到比希望信號(hào)頻率低50kHz、100kHz，重復(fù)上述測(cè)試。

(5)互調(diào)抑制用信號(hào)源B或C輸入到接收機(jī)輸入端的不希望信號(hào)對(duì)靈敏度的射頻電平差來(lái)表示，并選兩個(gè)測(cè)試值中較低的一個(gè)作為測(cè)試結(jié)果。

6．阻塞

阻塞是由于另外頻率的不希望信號(hào)引起的希望的音頻輸出功率變化(一般為減少)或信納比降低。

1)指標(biāo)

在標(biāo)稱頻率兩旁(+1～+10MHz，-10～-1MHz)頻率范圍內(nèi)，任何頻率的阻塞電平應(yīng)不低于90dB(對(duì)于基臺(tái)和車(chē)載臺(tái))、70dB(對(duì)于手持臺(tái))。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.17所示，兩個(gè)信號(hào)源通過(guò)組合器加到接收機(jī)的天線輸入端。接收機(jī)的音頻輸出端接非線性失真儀。圖1.2.17接收機(jī)阻塞測(cè)試

(2)關(guān)閉信號(hào)源B，打開(kāi)信號(hào)源A。希望信號(hào)A調(diào)整到接收機(jī)的標(biāo)稱頻率上和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試調(diào)制模式，調(diào)整希望信號(hào)A的電平，使接收機(jī)輸入端的電平比靈敏度高3dB，希望信號(hào)的音頻輸出功率調(diào)到50%的額定輸出功率。

(3)打開(kāi)信號(hào)源B，不希望信號(hào)B不調(diào)制，頻率在標(biāo)稱頻率旁(+1～+10MHz，-10～-1MHz)頻率范圍內(nèi)變化。不希望信號(hào)的電平調(diào)整到以下情況：希望信號(hào)的音頻輸出功率下降3dB，信納比下降12dB。

(4)計(jì)算接收機(jī)輸入端不希望信號(hào)對(duì)靈敏度射頻的電平之差應(yīng)大于70dB或90dB。

7．傳導(dǎo)雜散發(fā)射

傳導(dǎo)雜散發(fā)射是發(fā)射機(jī)在關(guān)閉狀態(tài)下，從接收機(jī)天線端出來(lái)的任何發(fā)射。

1)指標(biāo)

在匹配的天線端上測(cè)量任何離散頻率的雜散發(fā)射功率應(yīng)該不超過(guò)2.0nW。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.18所示，雜散發(fā)射是指在收發(fā)信機(jī)天線端上測(cè)量任何離散信號(hào)的功率，在天線端連接頻譜分析儀或具有50Ω輸入阻抗的選頻電壓表。接收機(jī)打開(kāi)，發(fā)射機(jī)關(guān)閉。

(2)在100kHz～2000MHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量雜散發(fā)射功率。

(3)如果測(cè)量選頻電壓表沒(méi)有絕對(duì)的功率校正，則任何檢測(cè)分量可用信號(hào)發(fā)生器替代方法來(lái)確定。圖1.2.18接收機(jī)傳導(dǎo)雜散發(fā)射測(cè)試

8.諧波失真

諧波失真是指接收機(jī)音頻輸出端全部諧波分量的有效值與總信號(hào)電壓的有效值之比。

1)指標(biāo)

諧波失真系數(shù)應(yīng)不超過(guò)7%。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.19所示，射頻信號(hào)源接到接收機(jī)的天線輸入端，接收機(jī)的音頻輸出端接入非線性失真儀。圖1.2.19接收機(jī)諧波失真測(cè)試

(2)調(diào)整信號(hào)源輸出電平比靈敏度高60dB，并將頻率調(diào)整到接收機(jī)的標(biāo)稱頻率上。音頻輸出功率等于接收機(jī)的額定功率。

(3)將測(cè)量信號(hào)頻率依次調(diào)到300Hz、500Hz或1kHz，相應(yīng)的頻偏為0.9kHz、1.5kHz和3kHz。

(4)分別記錄非線性失真儀的指示值。

(5)調(diào)整信號(hào)源輸出電平比靈敏度高60dB改為100dB，重復(fù)上述測(cè)試。

(6)極限測(cè)試，測(cè)試頻率調(diào)到接收機(jī)標(biāo)稱頻率±1.0kHz的頻率上，調(diào)制信號(hào)僅為1kHz單音，頻偏為3kHz，測(cè)試接收機(jī)的諧波失真系數(shù)，此值應(yīng)不超過(guò)7%。

9.相對(duì)音頻互調(diào)產(chǎn)物電平衰耗

相對(duì)音頻互調(diào)產(chǎn)物電平衰耗是一個(gè)比率，用dB表示，為音頻輸出端兩個(gè)希望信號(hào)之一的電平與由于接收機(jī)中的非線性引起兩個(gè)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的不希望信號(hào)成分電平之差。

1)指標(biāo)

相對(duì)音頻互調(diào)產(chǎn)物電平衰耗最少為20dB。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.20所示，兩個(gè)音頻振蕩器A和B通過(guò)組合器連接到射頻信號(hào)源的調(diào)制輸入端。射頻信號(hào)源接到接收機(jī)的天線輸入端，接收機(jī)的音頻輸入端接選頻電壓表。圖1.2.20接收機(jī)相對(duì)音頻互調(diào)產(chǎn)物電平衰耗測(cè)試

(2)調(diào)整射頻信號(hào)源的頻率到接收機(jī)的標(biāo)稱頻率上，并將電平依次調(diào)整到比靈敏度高20dB、60dB、l00dB。

(3)音頻振蕩器B沒(méi)有輸出，調(diào)整音頻振蕩器A的頻率為1kHz，產(chǎn)生頻偏為2.3kHz。調(diào)整接收機(jī)音頻輸出功率為50%的額定輸出功率。記錄音頻振蕩器A的輸出電平。

(4)減少音頻振蕩器A的輸出，使之到零。調(diào)整音頻振蕩器B的頻率為1.6kHz，輸出電平產(chǎn)生2.3kHz的頻偏。

(5)恢復(fù)音頻振蕩器A記錄的輸出電平。測(cè)量1kHz成分的電平和音頻端的互調(diào)產(chǎn)物電平。

10．接收機(jī)限幅器的振幅特性

接收機(jī)限幅器的幅度特性規(guī)定了已調(diào)制射頻輸入信號(hào)電平和接收機(jī)輸出的音頻信號(hào)電平之間的相對(duì)關(guān)系。

1)指標(biāo)

射頻輸入功率在規(guī)定的變化范圍內(nèi)，其音頻輸出功率的變化應(yīng)不超過(guò)3dB。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.21所示，在接收機(jī)天線端接射頻信號(hào)源，接收機(jī)音頻輸出端接音頻電壓表。圖1.2.21接收機(jī)限幅器的振幅特性測(cè)試

(2)調(diào)整信號(hào)源的頻率為接收機(jī)的標(biāo)稱頻率，調(diào)制為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試調(diào)制，電平比靈敏度高3dB。調(diào)整接收機(jī)音頻輸出功率為25%的額定輸出功率。

(3)增加射頻信號(hào)源的輸出電平比靈敏度高100dB，再一次測(cè)量音頻輸出功率。

(4)?(2)、(3)兩次測(cè)試的音頻功率的變化應(yīng)不超過(guò)3dB。

11．調(diào)幅抑制

調(diào)幅抑制是接收機(jī)抑制幅度調(diào)制信號(hào)的能力，是音頻輸出端具有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試調(diào)制的音頻功率與規(guī)定幅度調(diào)制的音頻功率之比，用dB表示。

1)指標(biāo)

調(diào)幅抑制應(yīng)不低于30dB。

2)測(cè)試方法。

(1)如圖1.2.22所示，在接收機(jī)天線端接射頻信號(hào)源，接收機(jī)音頻輸出端接音頻電壓表。圖1.2.22接收機(jī)調(diào)幅抑制測(cè)試

(2)調(diào)整信號(hào)源的頻率為接收機(jī)的標(biāo)稱頻率，調(diào)制為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試調(diào)制，電平依次比靈敏度高20dB、60dB。調(diào)整接收機(jī)音頻輸出功率為額定的音頻輸出電平。

(3)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試調(diào)制改為lkHz單音、30%的幅度調(diào)制信號(hào)，再一次測(cè)量音頻輸出電平。

(4)?(2)、(3)兩次測(cè)試的音頻電平之差應(yīng)不低于30dB。

12．噪聲和交流聲

接收機(jī)的噪聲和交流聲是一個(gè)比率，用dB表示。這個(gè)比率是標(biāo)稱測(cè)試調(diào)制的強(qiáng)射頻信號(hào)加入到接收機(jī)天線端產(chǎn)生的單頻電平與由于電源系統(tǒng)的雜散影響產(chǎn)生的噪聲和交流聲電平之差。

1)指標(biāo)

調(diào)制頻率為lkHz，頻偏為3kHz的強(qiáng)射頻信號(hào)產(chǎn)生的音頻輸出電平與噪聲和交流聲電平之差應(yīng)超過(guò)40dB。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.2.23所示，射頻信號(hào)源接到接收機(jī)的天線端，接收機(jī)的音頻輸出端接噪聲濾波器和有效值電壓表。圖1.2.23接收機(jī)噪聲和交流聲測(cè)試

(2)調(diào)整信號(hào)源的頻率為接收機(jī)的標(biāo)稱頻率，調(diào)制為標(biāo)稱測(cè)試調(diào)制，電平比靈敏度高30dB。音頻功率調(diào)到額定輸出功率。

(3)除去調(diào)制，反復(fù)測(cè)量音頻輸出電平。

(4)?(2)、(3)兩次測(cè)試的音頻電平之差應(yīng)超過(guò)40dB。 1.3無(wú)線發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3.1發(fā)射機(jī)的技術(shù)要求

發(fā)射機(jī)的基本功能是以足夠的功率、合適的載波頻率、適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式及較高的功率效率將所需要傳輸?shù)幕鶐盘?hào)通過(guò)天線發(fā)射出去。

發(fā)射機(jī)調(diào)制基帶信號(hào)，然后上變頻到載波頻率

c(2

fc，射頻)，這需要充分的功率放大，同時(shí)不能產(chǎn)生信號(hào)失真和鄰近信道干擾。為實(shí)現(xiàn)最好的設(shè)計(jì)，通常需要在各種不同的調(diào)制方案之間進(jìn)行權(quán)衡。調(diào)制方案主要分成兩大類(lèi)：恒定包絡(luò)和可變包絡(luò)。恒定包絡(luò)具有恒定的已調(diào)信號(hào)振幅，可由非線性功率放大器放大，如高斯濾波頻移鍵控(GaussianfilteredFrequencyShiftKeying，GFSK)調(diào)制?？勺儼j(luò)信號(hào)、振幅和相位都有變化，需要線性功率放大，如正交相移鍵控(QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK)。

一個(gè)收發(fā)系統(tǒng)通常工作在時(shí)分雙工(TimeDivisionDuplex，TDD)或者是頻分雙工(FrequencyDivisionDuplex，F(xiàn)DD)方式下。傳遞到天線的總平均功率應(yīng)該考慮到雙工器或射頻開(kāi)關(guān)所造成的損耗。發(fā)射功率提高了輸出頻譜的噪聲基值，發(fā)射機(jī)噪聲的升高會(huì)引起接收機(jī)靈敏度的降低。選擇發(fā)射機(jī)體系結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1．發(fā)射(載波)頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性

發(fā)射(載波)頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性基本上是由載波基準(zhǔn)頻率振蕩器決定的。不同應(yīng)用的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)有不同的要求。發(fā)射頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性可以用赫茲或者頻率的百分比來(lái)表示。

2．發(fā)射(載波)頻率捷變

發(fā)射(載波)頻率捷變是指載波頻率快速改變的能力。對(duì)于多頻道發(fā)射，這是一個(gè)重要的技術(shù)性能指標(biāo)。通常利用頻率合成器來(lái)設(shè)置和改變發(fā)射頻率，在整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)之中還需要利用寬帶技術(shù)來(lái)保證頻率的改變和調(diào)諧之間的同步。

3．頻譜純度

發(fā)射機(jī)除了產(chǎn)生載波信號(hào)及所需要的邊帶信號(hào)外，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些寄生信號(hào)。寄生信號(hào)通常是載波頻率的諧波成分。所有的放大器都可能產(chǎn)生諧波失真，如C類(lèi)功率放大器就會(huì)產(chǎn)生大量的諧波成分。在發(fā)射輸出中除指定的發(fā)射載波頻率外，其他諧波頻率成分都需要通過(guò)濾波消除，以避免干擾。

4．輸出功率

發(fā)射機(jī)采用不同的調(diào)制方式，發(fā)射輸出功率的測(cè)量方法是不同的。例如全載波AM(調(diào)幅)系統(tǒng)的發(fā)射功率是根據(jù)載波功率來(lái)確定的，調(diào)制后輸出信號(hào)功率大于未調(diào)載波功率；在抑制載波AM系統(tǒng)中，采用峰值包絡(luò)功率(PEP)；FM(調(diào)頻)系統(tǒng)是一個(gè)恒定功率系統(tǒng)，F(xiàn)M發(fā)射通道的額定功率為輸出信號(hào)的總功率。

對(duì)輸出功率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，一定要注意發(fā)射通道的占空系數(shù)(導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間)，如許多雙向式語(yǔ)音通信系統(tǒng)的發(fā)射通道并不是在最大功率下連續(xù)工作的，但廣播發(fā)射機(jī)就是連續(xù)工作的，而且是在最大功率下一天24小時(shí)不停地運(yùn)行。

5．功率效率

功率效率是發(fā)射機(jī)的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。系統(tǒng)總功效(功率效率)等于輸出功率與主電源的輸入功率的比值。造成系統(tǒng)功率效率降低的主要因素是器件上的熱能消耗及電源中的功率損耗。器件上產(chǎn)生的熱能通常需要利用散熱片、風(fēng)扇，甚至在一個(gè)大功率發(fā)射系統(tǒng)中還需要利用水冷式方法對(duì)器件進(jìn)行散熱。所有這些措施都會(huì)增加系統(tǒng)的成本。

6．調(diào)制系統(tǒng)的保真度

對(duì)一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的基本要求是能夠?qū)υ蓟鶐盘?hào)實(shí)現(xiàn)正確還原。在發(fā)射機(jī)中，要求能夠以任何調(diào)制方式將任何基帶信號(hào)調(diào)制到載波上，而同時(shí)盡可能多地保留原始基帶信號(hào)不發(fā)生變化。由發(fā)射機(jī)所引起的任何失真(如調(diào)制失真、諧波失真和交調(diào)失真等)都有可能始終對(duì)信號(hào)的還原造成不良影響，因?yàn)橄到y(tǒng)的接收機(jī)是不可能完全消除這些失真的。

此外，還有一些其他的技術(shù)指標(biāo)，如信號(hào)的性質(zhì)(是語(yǔ)音信號(hào)還是圖像信號(hào)，是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，基帶信號(hào)所占的頻帶寬度)、發(fā)射機(jī)頻帶寬度、帶內(nèi)功率波動(dòng)、是否需要ALC(自動(dòng)電平控制)、發(fā)射機(jī)線性度要求、雙音輸入三階互調(diào)指標(biāo)和信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍等。在選擇發(fā)射機(jī)時(shí)也需要進(jìn)行綜合考慮。圖1.3.1間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于恒定包絡(luò)調(diào)制和可變包絡(luò)調(diào)制。由于在中頻(幾百兆赫茲)實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制，因此可以獲得I和Q信號(hào)之間的完美匹配，同時(shí)只消耗很少的電流。為滿足頻譜純度要求，可以通過(guò)兩次濾波對(duì)毛刺和發(fā)射噪聲進(jìn)行抑制。間接調(diào)制避免了注入或本振牽引。

間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題是：目前在射頻集成電路芯片上還不能集成外部帶通濾波器；該結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)低相位噪聲鎖相環(huán)；片內(nèi)濾波不能提供充分的毛刺抑制，并且對(duì)功率放大器的線性有高的要求；在中頻和射頻之間，實(shí)現(xiàn)高階低通濾波器是困難的，這樣可導(dǎo)致寄生信號(hào)(中頻的幾倍)不能完全被抑制。1.3.3直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.3.2所示，該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)射頻混頻器(Mixer)、一個(gè)帶有高頻本振的鎖相環(huán)和一個(gè)功率放大器(PA)?；鶐盘?hào)在同一級(jí)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和上變頻。由于可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鏡像干擾抑制，因此該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以達(dá)到一個(gè)很高的集成度。因?yàn)闆](méi)有中頻，所以在輸出端不存在與中頻相關(guān)的寄生信號(hào)。圖1.3.2直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1.3.3偏移壓控振蕩器的直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一個(gè)基于鎖相環(huán)的直接調(diào)制壓控振蕩器發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.3.4所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，基帶數(shù)據(jù)直接調(diào)制壓控振蕩器(VCO)。首先，壓控振蕩器(VCO)由鎖相環(huán)控制以準(zhǔn)確地設(shè)置載波頻率，然后斷開(kāi)鎖相環(huán)回路，基帶數(shù)據(jù)作為控制電壓直接加到壓控振蕩器(VCO)上。圖1.3.4基于鎖相環(huán)的直接調(diào)制壓控振蕩器發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.3.6基于鎖相環(huán)的輸入基準(zhǔn)調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

典型的基于鎖相環(huán)的輸入基準(zhǔn)調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.3.5所示。圖1.3.5基于鎖相環(huán)的輸入基準(zhǔn)調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如同直接調(diào)制發(fā)射機(jī)一樣，使用正交調(diào)制器，基帶信號(hào)首先變換為中頻。鎖相環(huán)用來(lái)把中頻信號(hào)上變頻到射頻，同時(shí)通過(guò)固有的鎖相環(huán)環(huán)路作用降低了輸出信號(hào)的濾波要求。為了降低本機(jī)振蕩器(

01)的高分辨率要求，反饋分頻器采用下變頻混頻器和低通濾波器形式。

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率低且適于集成。該結(jié)構(gòu)中，由鎖相環(huán)提供的固有的窄帶濾波器取代了外部帶通濾波器。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只適于恒定包絡(luò)調(diào)制方案，由于需要兩個(gè)本機(jī)振蕩器(

01和

02)，因此增加了額外的硬件。本振的注入牽引仍然是一個(gè)問(wèn)題，這需要在本機(jī)振蕩器和PA之間進(jìn)行高度隔離。有很多方法可以產(chǎn)生調(diào)制基準(zhǔn)。其中一個(gè)例子就是環(huán)路自身使用正交調(diào)制，這樣做可以使信號(hào)的相位變化最小，這是因?yàn)殍b相器/鑒頻器輸入端施加有恒定的fref。由于CMOS技術(shù)的發(fā)展，在幾百兆赫茲進(jìn)行直接數(shù)字合成(DDS)是可以實(shí)現(xiàn)的。由DDS產(chǎn)生輸入基準(zhǔn)頻率fref的基于鎖相環(huán)的發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.3.6所示。高分辨率要求及轉(zhuǎn)換時(shí)間與寄生噪聲之間的權(quán)衡妨礙了該系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用。圖1.3.6由DDS產(chǎn)生輸入基準(zhǔn)頻率fref的基于鎖相環(huán)的發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.3.7基于N分頻的上變頻環(huán)路發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于N分頻的上變頻環(huán)路發(fā)射機(jī)可以達(dá)到高輸出頻率分辨率，而不會(huì)降低基準(zhǔn)頻率。如果利用發(fā)射數(shù)據(jù)改變分頻比，則按照鎖相環(huán)方程式(1.3.1)即可以獲得調(diào)頻。在不降低鎖相環(huán)環(huán)路帶寬的情況下，可以通過(guò)使用相位注入、抖動(dòng)注入或噪聲整形技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)寄生噪聲的性能。噪聲整形功能是通過(guò)使用

-

調(diào)制器獲得的。

基于N分頻的上變頻環(huán)路發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.3.7所示。基帶數(shù)據(jù)首先經(jīng)高斯有限脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器濾波，然后，信號(hào)與信道選擇分頻值相加，后者用于設(shè)置載波頻偏。之后的信號(hào)作為

-

調(diào)制器的輸入，

-

調(diào)制器的輸出改變鎖相環(huán)的分頻比，從而通過(guò)改變分頻比可獲得無(wú)寄生輸出信號(hào)。信號(hào)進(jìn)一步被放大，使輸出達(dá)到所需的功率電平。圖1.3.7基于N分頻的上變頻環(huán)路發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在基帶中，

-

調(diào)制器和分頻器用于實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。高頻量化噪聲進(jìn)一步被低通鎖相環(huán)環(huán)路帶寬衰減。如果輸入到

-

調(diào)制器的k比特?cái)?shù)據(jù)流是時(shí)間調(diào)制的，則可以控制瞬時(shí)輸出頻率。

除了具有輸入基準(zhǔn)調(diào)制發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之外，該方法還可以發(fā)射更高的數(shù)據(jù)速率而不降低基準(zhǔn)頻率。由于不需要使用任何混頻器或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，因此這是一個(gè)低功率、高集成的發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只適于恒定包絡(luò)信號(hào)，而且要求鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬大于調(diào)制帶寬。1.3.8發(fā)射機(jī)測(cè)試

1．發(fā)射機(jī)的頻率誤差

發(fā)射機(jī)的頻率誤差是測(cè)量載波頻率和它的標(biāo)稱頻率數(shù)值之間的差值。

1)指標(biāo)

根據(jù)ITU-R(國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部門(mén))的相關(guān)建議，在規(guī)定的電源條件(電壓、頻率)和移動(dòng)環(huán)境的溫度范圍之內(nèi)，甚高頻/超高頻(VHF/UHF)頻段無(wú)線電發(fā)射設(shè)備的頻率容限和頻率誤差不得超過(guò)表1.3.1給出的值。2)測(cè)試方法

(1)發(fā)射機(jī)天線端口按圖1.3.8接上耦合器/衰減器和頻率計(jì)數(shù)器。

(2)發(fā)射機(jī)不調(diào)制。

(3)開(kāi)啟發(fā)射機(jī)，頻率計(jì)數(shù)器上顯示出在沒(méi)有調(diào)制情況下測(cè)量的載波頻率。

(4)記錄頻率計(jì)數(shù)器上顯示的數(shù)值與標(biāo)稱頻率之差值。此值不得超過(guò)表1.3.1中頻率誤差規(guī)定的數(shù)值。

(5)先在常溫條件下測(cè)量，然后在極限條件下重復(fù)測(cè)量。

注：常溫條件指大氣壓為64～106kPa，溫度為15～30℃，相對(duì)濕度為20%～85%。極限條件指廠家說(shuō)明的最高和最低溫度。圖1.3.8發(fā)射機(jī)的頻率誤差測(cè)試

2.發(fā)射機(jī)的載頻輸出功率

發(fā)射機(jī)的載頻輸出功率是指發(fā)射機(jī)未調(diào)制射頻供給標(biāo)準(zhǔn)輸出負(fù)載的平均功率。

1)指標(biāo)

按產(chǎn)品指標(biāo)數(shù)值±1dB。

2)測(cè)試方法

(1)發(fā)射機(jī)天線端口按圖1.3.9連接到輸入阻抗為50Ω的射頻功率計(jì)上。

(2)發(fā)射機(jī)不調(diào)制。

(3)開(kāi)啟發(fā)射機(jī)，記錄射頻功率計(jì)上顯示的功率數(shù)值。

(4)先在常溫條件下測(cè)量，然后在極限條件下測(cè)量。圖1.3.9發(fā)射機(jī)載頻輸出功率測(cè)試

3．雜散發(fā)射

雜散發(fā)射是指除載頻和伴隨標(biāo)稱測(cè)試音調(diào)制邊帶以外的頻率發(fā)射，用來(lái)測(cè)量任何離散頻率傳送到50Ω阻抗負(fù)載上的功率電平。

1)指標(biāo)

在標(biāo)稱輸出的負(fù)載上測(cè)量，當(dāng)發(fā)射機(jī)載頻功率小于或等于25W時(shí)，任何一個(gè)離散頻率的雜散發(fā)射功率不得超過(guò)2.5μW。當(dāng)發(fā)射機(jī)載頻功率大于25W時(shí)，任何一個(gè)離散頻率的雜散發(fā)射功率應(yīng)低于發(fā)射載頻功率70dB。

2)測(cè)試方法

(1)發(fā)射機(jī)雜散發(fā)射測(cè)試電路如圖1.3.10所示，發(fā)射機(jī)的音頻輸入端接入音頻振蕩器，發(fā)射機(jī)天線端接入耦合器/衰減器后再接頻譜分析儀。

(2)發(fā)射機(jī)不調(diào)制，打開(kāi)發(fā)射機(jī)，記錄載頻電平，同時(shí)在30～2000MHz頻段上選頻測(cè)量(發(fā)射機(jī)工作頻道和鄰頻道的功率除外)，并記錄其雜散發(fā)射的電平。

(3)調(diào)整音頻振蕩器頻率為1kHz，電平為發(fā)射機(jī)音頻輸入的標(biāo)稱值，重復(fù)步驟(2)中的測(cè)試。圖1.3.10發(fā)射機(jī)雜散發(fā)射測(cè)試電路

4．最大允許頻偏

頻偏是指已調(diào)射頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率和未調(diào)制載波頻率之間的最大差值。最大允許頻偏表示的是設(shè)備中規(guī)定的最大頻偏數(shù)值。

1)指標(biāo)

對(duì)于160MHz、450MHz、800MHz頻段，通道間隔為25kHz的設(shè)備，最大允許頻偏為5kHz。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.3.11所示，發(fā)射機(jī)的音頻輸入端接入音頻振蕩器，發(fā)射機(jī)天線端接入耦合器/衰減器和頻偏儀。圖1.3.11發(fā)射機(jī)最大允許頻偏測(cè)試

(2)調(diào)整音頻振蕩器輸出頻率為1kHz，電平為發(fā)射機(jī)音頻輸入端的標(biāo)稱值，則頻偏儀的指示值為3kHz。

(3)增加音頻振蕩器的輸出電平，比標(biāo)稱測(cè)試調(diào)制信號(hào)電平高20dB，記錄頻偏儀的指示值，此值應(yīng)不超過(guò)最大允許頻偏值。

(4)音頻振蕩器的輸出電平保持不變，調(diào)整調(diào)制頻率，使其從300Hz到3kHz，記錄頻偏儀的指示值，此值應(yīng)不超過(guò)最大允許頻偏值。

5.調(diào)制器的限幅特性

調(diào)制器的限幅特性表示發(fā)射機(jī)調(diào)制接近最大允許頻偏的能力。

1)指標(biāo)

信號(hào)頻率為1kHz，電平比產(chǎn)生20%最大允許頻偏高20dB，頻偏應(yīng)該在最大允許頻偏的70%～100%之間。

(2)調(diào)整音頻振蕩器的輸出頻率為1kHz，調(diào)整音頻振蕩器的輸出電平使頻偏儀指示為lkHz。

(3)音頻增加20dB，再一次測(cè)量頻偏值。頻偏值應(yīng)該在3.5～5kHz之間。

(4)先在常溫下測(cè)量，然后在極限條件下測(cè)量。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.3.12所示，發(fā)射機(jī)的音頻輸入端接入音頻振蕩器，發(fā)射機(jī)天線端接入耦合器/衰減器和頻偏儀。圖1.3.12發(fā)射機(jī)調(diào)制器的限幅特性測(cè)試

6．發(fā)射機(jī)的鄰頻道功率

鄰頻道功率是規(guī)定音頻調(diào)制的發(fā)射輸出總功率的一部分，它落入工作在兩個(gè)鄰頻道接收機(jī)的帶內(nèi)，它是調(diào)制、交流音、發(fā)射機(jī)雜音產(chǎn)生的平均功率的總和。

1)指標(biāo)

對(duì)于160MHz、450MHz、800MHz頻段，落在鄰頻道16kHz帶內(nèi)的功率應(yīng)比載頻功率低70dB(對(duì)于基臺(tái)和車(chē)載臺(tái))、60dB(對(duì)于手持臺(tái))。

2)測(cè)試方法

(1)如圖1.3.13所示，發(fā)射機(jī)的音頻輸入端接入音頻振蕩器，發(fā)射機(jī)天線端接上50Ω阻抗的可變衰減器和接收機(jī)，接收機(jī)中頻輸出再接電平指示器。圖1.3.13發(fā)射機(jī)鄰頻道功率測(cè)試

(2)可變衰減器放在較大的衰減位置，使接收機(jī)的輸出電平適中。

(3)調(diào)整音頻振蕩器輸出頻率為1250Hz，電平比發(fā)射機(jī)音頻輸入端的標(biāo)稱值(相當(dāng)于頻偏為3kHz)高20dB。

(4)接收機(jī)調(diào)到發(fā)射機(jī)的標(biāo)稱頻率上，改變衰減器的衰減值，使電平指示器的指示值比接收機(jī)的雜音電平大5dB，記錄此時(shí)衰減器位置值為pdB。

(5)接收機(jī)調(diào)到發(fā)射機(jī)的鄰頻道頻率上，改變衰減器的衰減值，使電平指示器的指針不變，記錄此衰減值為qdB。

(6)鄰頻道功率與載頻功率之比是衰減器位置值p和q之差，因此鄰頻道功率采用與載頻功率之比來(lái)確定。

(7)對(duì)另一鄰頻道功率重復(fù)測(cè)量。

7．發(fā)射機(jī)的音頻響應(yīng)

音頻響應(yīng)是指在調(diào)制信號(hào)電平不變，發(fā)射機(jī)頻偏按照調(diào)制頻率起變化時(shí)的特性。

1)指標(biāo)

當(dāng)調(diào)制頻率在300Hz～3kHz之間變化時(shí)，調(diào)制信號(hào)電平不變，幅度變化限制在+l～-3dB范圍之內(nèi)。

2)測(cè)試方法

(1)發(fā)射機(jī)的音頻輸入端接入音頻振蕩器，發(fā)射機(jī)天線端接上耦合器/衰減器和頻偏儀，如圖1.3.14所示。

(2)調(diào)整音頻振蕩器輸出頻率為lkHz，調(diào)整音頻振蕩器的輸出電平，使頻偏儀指示為1kHz。圖1.3.14發(fā)射機(jī)音頻響應(yīng)測(cè)試

8.發(fā)射機(jī)的諧波失真系數(shù)

已調(diào)制發(fā)射機(jī)的諧波失真系數(shù)用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，表示線性解調(diào)后音頻基帶內(nèi)全部諧波成分的有效值電壓對(duì)信號(hào)的有效值電壓之比。

當(dāng)使用非線性失真儀測(cè)量時(shí)，失真儀測(cè)量值中包含交流聲和雜音成分。

1)指標(biāo)

諧波失真系數(shù)應(yīng)不超過(guò)7%。

2)測(cè)試方法

(1)發(fā)射機(jī)的音頻輸入端接入音頻振蕩器，發(fā)射機(jī)天線端接上耦合器/衰減器，并帶有300Hz以上的去加重特性的頻偏儀和非線性失真儀(如圖1.3.15所示)。圖1.3.15發(fā)射機(jī)諧波失真系數(shù)測(cè)試

(2)在常溫下測(cè)試，調(diào)制音頻信號(hào)的頻率分別為300Hz、500Hz、1kHz，使調(diào)制指數(shù)恒定不變(調(diào)制指數(shù)是指頻偏對(duì)調(diào)制頻率之比)，即調(diào)制頻率為1kHz，產(chǎn)生的頻偏為3kHz。分別記錄非線性失真儀的指示數(shù)值，此值應(yīng)小于7%。

(3)在極限實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量，調(diào)制音頻信號(hào)頻率為1kHz，頻偏為3kHz，記錄非線性失真儀的指示數(shù)值，此值應(yīng)小于7%。

9．發(fā)射機(jī)相對(duì)音頻互調(diào)產(chǎn)物的衰減

發(fā)射機(jī)相對(duì)音頻互調(diào)產(chǎn)物的衰減是一個(gè)比值，是指測(cè)量頻偏儀輸出端希望輸出信號(hào)之一的電平與發(fā)射機(jī)的非線性引起兩個(gè)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的不希望輸出信號(hào)成分電平之差。

1)指標(biāo)

音頻互調(diào)產(chǎn)物一般由發(fā)射機(jī)輸出級(jí)的非線性產(chǎn)生，互調(diào)衰減最少20dB。

2)測(cè)試方法

(1)測(cè)試設(shè)備連接如圖1.3.16所示。圖1.3.16發(fā)射機(jī)相對(duì)音頻互調(diào)產(chǎn)物的衰減測(cè)試圖1.3.17發(fā)射機(jī)殘余調(diào)制測(cè)試

(2)調(diào)整音頻振蕩器的頻率為1kHz，電平使發(fā)射機(jī)頻偏為3kHz，記錄電壓表指示的音頻信號(hào)電平。

(3)關(guān)掉音頻振蕩器，記錄電壓表指示殘余音頻輸出信號(hào)的電平。

(4)計(jì)算步驟(2)與(3)的電平差，電平差為殘余調(diào)制，此值應(yīng)大于40dB。 1.4GPS接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4.1GPS的組成

GPS(全球定位系統(tǒng))由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接收設(shè)備三大部分組成。

1．空間衛(wèi)星星座

空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星(共24顆衛(wèi)星)構(gòu)成，如圖1.4.1所示。圖1.4.1GPS空間衛(wèi)星星座

24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)地心軌道平面內(nèi)，每個(gè)軌道4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星運(yùn)行的軌道周期是半個(gè)恒星日，或者說(shuō)11小時(shí)58分鐘。各個(gè)軌道接近于圓形，而且沿赤道以60°間隔均勻分布，相對(duì)于赤道面的傾斜角為55°。軌道半徑(即從地球質(zhì)心到衛(wèi)星的額定距離)大約為26600km。因此，同一觀測(cè)站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4min。地面觀測(cè)者見(jiàn)到地平面上的衛(wèi)星顆數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而異，最少為4顆，最多可達(dá)11顆。如果把衛(wèi)星的運(yùn)行軌道想象成一個(gè)“環(huán)”，把每條軌道打開(kāi)，在一個(gè)平面上拉直，同樣也將地球赤道想象成一個(gè)“環(huán)”，把它打開(kāi)，在一個(gè)平面上拉直。每條衛(wèi)星運(yùn)行軌道的斜率表示相對(duì)于地球赤道平面的傾斜角，其額定值為55°。衛(wèi)星運(yùn)行軌道平面相對(duì)于地球的位置由升交點(diǎn)的經(jīng)度來(lái)確定，而衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的位置由平均近點(diǎn)角來(lái)規(guī)定。升交點(diǎn)經(jīng)度是每個(gè)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道平面與赤道的交點(diǎn)。格林威治子午線是基準(zhǔn)點(diǎn)，或者說(shuō)此處升交點(diǎn)經(jīng)度為0。平均近點(diǎn)角是在軌道內(nèi)的每顆衛(wèi)星以地球赤道為基準(zhǔn)的角位置，在赤道上的點(diǎn)平均近點(diǎn)角為0?？梢钥闯?，在相鄰軌道上的大部分衛(wèi)星之間的相對(duì)相位大約為40°。以UTC(USNO)1993年7月1日00：00時(shí)的歷元時(shí)間為基準(zhǔn)用平面投影表示的衛(wèi)星軌道如圖1.4.2所示。圖1.4.2GPS空間衛(wèi)星星座的平面投影標(biāo)記在軌道中的衛(wèi)星有如下幾種不同的方法：一種標(biāo)記方法是給每個(gè)軌道平面分配一個(gè)字母(即A、B、C、D、E和F)，在一個(gè)平面內(nèi)給每顆衛(wèi)星分配一個(gè)由1到4的號(hào)碼，如一顆稱做“B3”的衛(wèi)星指在軌道平面B內(nèi)的第3號(hào)衛(wèi)星；第二種標(biāo)記方法是由美國(guó)空軍分配的NAVSTAR衛(wèi)星號(hào)碼，標(biāo)記采用空間載體的號(hào)碼(SVN)，如SVN11指的是NAVSTAR11號(hào)衛(wèi)星；第三種標(biāo)記方法采用偽隨機(jī)碼(PRN)，每顆衛(wèi)星的PRN碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)是不同的，可產(chǎn)生不同版本的C/A碼和P(Y)碼，每一個(gè)衛(wèi)星可用其產(chǎn)生的PRN碼來(lái)識(shí)別。

2．地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是維護(hù)衛(wèi)星和維持其正常功能。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：將衛(wèi)星保持在正確的軌道位置上；監(jiān)視星載分系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；監(jiān)視衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池、電池的功率電平；更新每顆衛(wèi)星的時(shí)鐘、星歷和歷書(shū)，以及在導(dǎo)航電文中的其他指示量；判定衛(wèi)星的異常；控制選擇可用性(SA)和反欺騙(AS)，并在遠(yuǎn)端監(jiān)視站作偽距和Δ偽距測(cè)量，以確定衛(wèi)星時(shí)鐘的校正量、歷書(shū)和星歷等。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站和地面上行鏈天線，其分布如圖1.4.3所示。主控站是地面控制/監(jiān)視部分的中心，它位于美國(guó)科羅拉多州的科羅拉多噴泉城的Falcon空軍基地。主控站除負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)整個(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務(wù)是根據(jù)本站和其他監(jiān)測(cè)站的所有跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)以及大氣層的修正參數(shù)，編制成導(dǎo)航電文并傳送至各注入站。主控站還負(fù)責(zé)調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。必要時(shí)啟用備用衛(wèi)星來(lái)代替失效的工作衛(wèi)星。圖1.4.3GPS衛(wèi)星的地面監(jiān)控站分布全球共有5個(gè)監(jiān)測(cè)站，分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上，主要任務(wù)是為主控站提供衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站是一個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心，監(jiān)測(cè)站包含雙頻(L1/L2)GPS接收機(jī)，接收機(jī)天線的相位中心位置是精確已知的。每個(gè)監(jiān)測(cè)站均用GPS接收機(jī)對(duì)視界內(nèi)的每顆衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，將所有觀測(cè)數(shù)據(jù)連同氣象數(shù)據(jù)傳送到主控站，用以更新主控站的精密卡爾曼濾波器對(duì)每顆衛(wèi)星位置、速度和時(shí)間(PVT)的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值。

3個(gè)注入站分別設(shè)在南大西洋的阿松森群島、印度洋的狄哥伽西亞島和南太平洋的卡瓦加蘭島。注入站的主要任務(wù)是將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中，每天注入3～4次。此外，注入站能自動(dòng)向主控站發(fā)射信號(hào)，每分鐘報(bào)告一次自己的工作狀態(tài)。全球共有3個(gè)地面天線站，分別與3個(gè)監(jiān)測(cè)站重合。主控站通過(guò)地面上行鏈天線設(shè)施對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行指揮和控制，并向衛(wèi)星上行加載導(dǎo)航電文和其他數(shù)據(jù)。地面上行天線設(shè)施存儲(chǔ)和上行加載TI＆C(電報(bào)、跟蹤和指揮)數(shù)據(jù)。主控站為每一顆衛(wèi)星準(zhǔn)備好一組獨(dú)特的TI＆C數(shù)據(jù)(包含導(dǎo)航電文)。這些數(shù)據(jù)從主控站送到地面天線，并在那里存儲(chǔ)起來(lái)，直到特定的衛(wèi)星進(jìn)入視界為止。一旦衛(wèi)星進(jìn)入視界，使用S波段數(shù)據(jù)通信上行鏈就將數(shù)據(jù)發(fā)送至衛(wèi)星。在阿松森群島、卡瓦加蘭島、狄哥伽西亞島和卡納維拉爾角，地面天線與監(jiān)測(cè)站設(shè)在同一場(chǎng)地，選擇這些場(chǎng)地是因?yàn)橐剐l(wèi)星覆蓋范圍最大。

3．用戶接收設(shè)備(GPS接收機(jī))

用戶接收設(shè)備通常稱做GPS接收機(jī)，它處理由衛(wèi)星發(fā)射來(lái)的L波段信號(hào)，以確定用戶的PVT(位置、速度和時(shí)間)。GPS接收機(jī)要求能迅速捕獲按一定衛(wèi)星截止高度角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)定出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出監(jiān)測(cè)站的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間等所需數(shù)據(jù)。

GPS接收機(jī)可分為天線單元和接收單元兩大部分。一般將兩個(gè)單元分別裝備成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元置于觀測(cè)站上，將接收單元置于觀測(cè)站附近適當(dāng)?shù)牡胤?，兩者之間用電纜線連成一個(gè)整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制成一個(gè)整體，觀測(cè)時(shí)將其安置在觀測(cè)站點(diǎn)上。天線單元由接收天線和前置放大器兩個(gè)部分組成。接收天線大多采用全向天線，可接收來(lái)自任何方向的GPS信號(hào)，并將電磁波能量轉(zhuǎn)化為變化規(guī)律相同的電流信號(hào)。前置放大器可將極微弱的GPS電流信號(hào)予以放大。

接收單元的核心部件是信號(hào)通道和微處理器。信號(hào)通道主要有平方型和相關(guān)型兩種形式，所具有的信號(hào)通道數(shù)目從1至24個(gè)不等。利用多個(gè)通道同時(shí)對(duì)多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)快速定位。接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，以供后處理之用。微處理器具有各種數(shù)據(jù)處理軟件，能選擇合適的衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量，以獲得最佳的幾何圖形，能根據(jù)觀測(cè)值及衛(wèi)星星歷進(jìn)行平差計(jì)算，求得所需的定位信息。軟件也是GPS接收機(jī)的重要組成部分，軟件包括內(nèi)置軟件和應(yīng)用軟件兩部分。內(nèi)置軟件控制接收機(jī)的信號(hào)通道，按時(shí)序?qū)Ω餍l(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和處理；控制微處理器自動(dòng)操作，并與外設(shè)進(jìn)行接口。這類(lèi)軟件已和接收機(jī)融為一體，內(nèi)存或固化在GPS接收機(jī)的存儲(chǔ)器中。應(yīng)用軟件主要指對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的一些軟件系統(tǒng)，要求功能齊全，能夠改善PVT精度，提高作業(yè)效率，方便用戶使用，滿足用戶的多方面要求，開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。軟件的質(zhì)量與功能已經(jīng)成為反映GPS接收機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。1.4.2GPS接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)

1．GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成

GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成如圖1.4.4所示，它由天線單元(有源或者無(wú)源)和接收單元兩部分組成。

衛(wèi)星信號(hào)是通過(guò)天線接收到的，天線單元由接收天線和前置放大器組成。天線為右圓極化(RHCP)形式，典型的覆蓋范圍是160°，其增益變化在天頂約為2.5dBic，在仰角10°時(shí)近于1dBic(RHCP天線的單位增益也可以相對(duì)于全向圓極化天線表示為0dBic?=?0dB)，在10°以下增益一般為負(fù)。由于衛(wèi)星信號(hào)是RHCP，因此適合于用圓錐螺旋天線或其變形(如定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線等)。圖1.4.4GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成在L1和L2上跟蹤P(Y)碼的GPS接收機(jī)需要同時(shí)在兩個(gè)頻率上具有20.46MHz的帶寬。如果GPS接收機(jī)只跟蹤L1上的C/A碼，則天線(和接收機(jī))必須有至少2.046MHz的帶寬。天線的形式有多種，如螺旋線、薄的微帶(即片狀)等。在寬動(dòng)態(tài)下的飛機(jī)傾向使用薄剖面的、低空氣阻力的片狀天線，而陸上的運(yùn)載體(如汽車(chē))可允許較大外形的天線。選擇天線時(shí)需要考慮的參數(shù)有天線增益場(chǎng)形、可用的安裝面積、空氣動(dòng)力性能、多徑性能、無(wú)線電相位中心的穩(wěn)定度和抗干擾性等。某些軍用飛機(jī)使用波束控制或自適應(yīng)調(diào)零天線來(lái)抵制干擾。波束控制技術(shù)用電子的方法將天線增益集中在衛(wèi)星的方向上以使鏈路的容量最大。自適應(yīng)調(diào)零天線是電子可調(diào)的，在天線方向圖中，在干擾源(任何電子輻射，不管是來(lái)自“朋友”或敵對(duì)方的，只要干擾了GPS信號(hào)的接收和處理，均視為干擾源)方向上建立零點(diǎn)。接收單元包括信號(hào)通道單元、存儲(chǔ)單元、計(jì)算和顯示單元、電源四部分，其中主要部分是信號(hào)通道單元，通常由硬件和軟件組成，每一通道在某一時(shí)刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星，當(dāng)此衛(wèi)星被鎖定后便占據(jù)該通道，直到失鎖為止。目前GPS接收機(jī)廣泛應(yīng)用并行多通道技術(shù)，即一個(gè)GPS接收機(jī)可同時(shí)跟蹤多顆衛(wèi)星，同時(shí)鎖定多顆衛(wèi)星，這大大縮短了確定衛(wèi)星PVT的時(shí)間。

在接收單元，GPS射頻信號(hào)被下變頻到中頻(IF)，利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)對(duì)IF信號(hào)采樣和數(shù)字化。基帶處理器對(duì)接收機(jī)進(jìn)行控制，包括信號(hào)的截獲、信號(hào)跟蹤和數(shù)據(jù)采集。此外，基帶處理器也可以由接收機(jī)測(cè)量值形成PVT解。在一些應(yīng)用中，也可用專門(mén)的微處理器同時(shí)完成PVT計(jì)算和相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)航功能。大多數(shù)處理器在1Hz的基礎(chǔ)上提供獨(dú)立的PVT解。然而，用做飛機(jī)自動(dòng)著陸和其他寬動(dòng)態(tài)應(yīng)用的接收機(jī)至少需要以5Hz的速率計(jì)算獨(dú)立的PVT解。格式化的PVT解和其他與導(dǎo)航有關(guān)的數(shù)據(jù)送至I/O端口。

I/O端口是GPS接收機(jī)和用戶之間的接口。I/O端口有兩種基本類(lèi)型：整裝的和外置的。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，I/O端口是一個(gè)控制顯示單元(CDU)。CDU允許操作員進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，顯示狀況和導(dǎo)航解參數(shù)，一般還有許多導(dǎo)航功能比如輸入航路點(diǎn)、待航時(shí)間等。大多數(shù)手持式設(shè)備都有整裝的CDU，其他設(shè)備(比如那些機(jī)載或船載設(shè)備)的I/O有可能是集成在已有的儀器或控制面板上的。除了到用戶和操作員的接口之外，在與其他傳感器(例如慣導(dǎo))組合使用時(shí)要求有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口以輸入和輸出數(shù)據(jù)。通用接口用ARINC429、MIL-STD-1553B、RS-232和RS-422。電源可能是整裝的、外接的或者是兩者結(jié)合的。在整裝或自備實(shí)現(xiàn)方式(比如手持式移動(dòng)設(shè)備)中，一般使用電池供電。在集成方式應(yīng)用中(比如裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)的接收機(jī)板上)，一般用已有的電源。機(jī)載、車(chē)載和船載GPS設(shè)備一般用平臺(tái)的電源，然而GPS接收機(jī)一般都具有內(nèi)置的電源變換器(交流變直流或直流變直流)和電壓調(diào)節(jié)器。接收機(jī)內(nèi)置電池用以在平臺(tái)電源斷電時(shí)維持存儲(chǔ)在RAM中的數(shù)據(jù)和運(yùn)行內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

常用的一些GPS接收機(jī)類(lèi)型如表1.4.1所示。

2．SPS接收機(jī)

GPS接收機(jī)可分為兩種基本類(lèi)型：同時(shí)跟蹤P(Y)碼和C/A碼的GPS接收機(jī)以及僅跟蹤C(jī)/A碼的GPS接收機(jī)。

PPS接收機(jī)同時(shí)在L1和L2上跟蹤P(Y)碼，PPS接收機(jī)初始工作時(shí)在L1上跟蹤C(jī)/A碼，然后轉(zhuǎn)換到在L1和L2上跟蹤P(Y)碼。Y碼跟蹤僅僅在加密單元的輔助下才能產(chǎn)生。SPS接收機(jī)只跟蹤L1上的C/A碼。在這兩種基本接收機(jī)類(lèi)型中，還有其他一些變形，比如無(wú)碼L2跟蹤接收機(jī)，這種接收機(jī)跟蹤L1上的C/A碼，并能同時(shí)跟蹤L1和L2頻率上的載波相位。利用載波相位作為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量精度能夠達(dá)到厘米級(jí)(甚至毫米級(jí))。大多數(shù)接收機(jī)有多個(gè)通道，每一個(gè)通道跟蹤來(lái)自一顆衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)。一個(gè)多通道SPS接收機(jī)的組成如圖1.4.5所示。通常采用一個(gè)無(wú)源的帶通濾波器對(duì)所接收到的射頻衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行濾波，以減小帶外射頻干擾。通過(guò)LNA(低噪聲放大器)放大后，射頻信號(hào)下變頻到中頻(IF)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)IF信號(hào)進(jìn)行采樣，A/D采樣速率在典型情況下為PRN基碼速率的8～12倍(對(duì)于L1C/A碼PRN速率為1.023MHz，對(duì)于L1和L2P(Y)碼為10.23MHz)。最小采樣速率是碼的截止帶寬的2倍，以滿足奈奎斯特判定要求。對(duì)于只接收L1C/A碼的接收機(jī)，截止帶寬大于2MHz，而對(duì)于接收P(Y)碼的接收機(jī)，截止帶寬大于20MHz。過(guò)采樣會(huì)降低接收機(jī)對(duì)于A/D量化噪聲的敏感度，因而減少了在A/D變換器中所需的位數(shù)。采樣送到數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中，DSP包含N個(gè)并行通道，以同時(shí)跟蹤來(lái)自最多達(dá)N顆衛(wèi)星的載頻和碼(N一般在5～12之間)。每個(gè)通道中包含碼和載波跟蹤環(huán)，以完成碼和載波相位測(cè)量，以及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)。通道可以計(jì)算3種不同類(lèi)型的測(cè)量值：偽距、Δ距離(有時(shí)稱做Δ偽距)和積分多普勒。所希望的測(cè)量值和解調(diào)后的導(dǎo)航消息數(shù)據(jù)送至基帶處理器?；鶐幚砥鲗?duì)接收機(jī)信號(hào)的截獲、跟蹤和數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制，并處理接收機(jī)測(cè)量值形成PVT解。在一些應(yīng)用中，也可用專門(mén)的微處理器同時(shí)完成PVT計(jì)算和相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)航功能。圖1.4.5一個(gè)多通道SPS接收機(jī)的組成

3．?dāng)?shù)字GPS接收機(jī)

一個(gè)數(shù)字GPS接收機(jī)的構(gòu)成如圖1.4.6所示。世界上所有衛(wèi)星的GPS射頻(RF)信號(hào)被右圓極化(RHCP)天線接收，經(jīng)前置低噪聲放大器(LNA)放大，接收機(jī)的噪聲系數(shù)與LNA有關(guān)。通常在天線和LNA之間設(shè)置一個(gè)無(wú)源帶通濾波器，以降低帶外射頻干擾。這些被放大的射頻信號(hào)與來(lái)自本機(jī)振蕩器(LO)的信號(hào)混頻下變頻到中頻(IF)。本地振蕩器的頻率是根據(jù)接收機(jī)的頻率設(shè)計(jì)，由基準(zhǔn)振蕩器經(jīng)頻率合成器產(chǎn)生的。每一級(jí)下變頻器需要一個(gè)本地振蕩器信號(hào)。下變頻可采用兩級(jí)下變頻、一級(jí)下變頻形式，甚至可直接在L頻段進(jìn)行數(shù)字采樣。本地振蕩器信號(hào)在混頻過(guò)程中會(huì)同時(shí)產(chǎn)生上邊帶和下邊帶信號(hào)，因此在混頻器之后，采用帶通濾波器選擇下邊帶信號(hào)，而濾去上邊帶信號(hào)，獲得下變頻到中頻(IF)的信號(hào)。圖1.4.6一個(gè)數(shù)字GPS接收機(jī)的構(gòu)成通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)數(shù)字化了的中頻(IF)信號(hào)輸入到N個(gè)