《高頻電路原理與分析》課件-第9章

第9章高頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.1高頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法9.2WLAN射頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

9.1高頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法9.1.1系統(tǒng)總傳輸損耗

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)鏈路損耗如圖9-1所示。其中,發(fā)送鏈路從發(fā)射機(jī)經(jīng)饋線(損耗為L(zhǎng)t)至發(fā)射天線,接收鏈路從接收天線經(jīng)饋線(損耗為L(zhǎng)r)至接收機(jī)。發(fā)送設(shè)備以一定頻率、帶寬和功率發(fā)射無線電信號(hào)(天線輻射功率為Ptt),接收設(shè)備以一定頻率、帶寬和接收靈敏度(MDS)接收無線電信號(hào)(天線接收到的功率為Pr,接收機(jī)接收到的功率為Prr),無線電信號(hào)經(jīng)過信道會(huì)產(chǎn)生衰減和衰落,并會(huì)引入噪聲與干擾。

如果天線是無方向性(全向)天線,通常認(rèn)為天線增益為0dBi,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮;如果天線是方向性天線,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮天線的增益,一般假設(shè)發(fā)射和接收天線的增益分別為Gt和Gr。綜合考慮發(fā)送功率和天線增益聯(lián)合效果的參數(shù)是有效全向輻射功率EIRP。

圖9-1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)鏈路損耗

無線通信系統(tǒng)的主要要求是可靠性和有效性,對(duì)模擬通信來講,分別用信噪比(SNR)和帶寬來描述;對(duì)數(shù)字通信來講,分別用誤碼率和數(shù)據(jù)速率來描述。對(duì)于確定的無線通信系統(tǒng)和鏈路,模擬通信與數(shù)字通信的可靠性和有效性指標(biāo)存在確定的關(guān)系。以模擬通信為例,在對(duì)無線通信鏈路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),最重要的技術(shù)指標(biāo)有工作頻率f(載波頻率或頻帶的幾何中心頻率)、帶寬(注意區(qū)分信號(hào)帶寬、信道帶寬和噪聲帶寬3種不同的帶寬概念,通常信道帶寬不小于信號(hào)帶寬,在多級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中,為了估算方便,一般認(rèn)為三者相等)、傳輸距離d、發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率Pt、接收設(shè)備的輸出信噪比SNRo(解調(diào)器的輸入信噪比)和信號(hào)電平(常用功率Po表示)。

1.系統(tǒng)損耗

無線信道產(chǎn)生的損耗為系統(tǒng)損耗Ls,包括傳輸損耗和衰落。傳輸損耗也稱路徑損耗(Lp),包括傳播損耗(衰減)和媒質(zhì)傳輸損耗A。路徑損耗代表大尺度傳播特性,總體上表現(xiàn)為冪定律的傳播特征。

1)傳輸損耗

傳播損耗主要指自由空間傳播損耗Lbf。自由空間是一個(gè)理想的空間,在自由空間中,電波按直線傳播而不被吸收,也沒有反射、折射、繞射和散射等現(xiàn)象,電波的能量只因距離的增加而自然擴(kuò)散,這樣引起的衰減稱為自由空間的傳播損耗。設(shè)輻射源的輻射功率為Pt,當(dāng)天線發(fā)射信號(hào)后,信號(hào)會(huì)向各個(gè)方向傳播。在距離發(fā)射天線半徑為d的球面上,信號(hào)強(qiáng)度密度等于發(fā)射的總信號(hào)強(qiáng)度除以球的面積,則接收功率Pr為

對(duì)于理想的各向同性天線(Gt=Gr=1),自由空間的衰耗稱為自由空間的基本傳輸損耗Lbf,用公式表示為

或

考慮實(shí)際媒質(zhì)(如大氣)各向同性天線的傳輸損耗稱為基本傳輸損耗Lb。

媒質(zhì)傳輸損耗指的是傳輸媒質(zhì)及障礙物等對(duì)電磁波的吸收、反射、散射或繞射等作用而引起的衰減。由于傳輸情況不同,媒質(zhì)傳輸損耗可能包括以下幾部分:

(1)吸收損耗:由地面、大氣氣體分子或水汽凝結(jié)物吸收引起,與工作頻段、傳輸距離等因素有關(guān)。

(2)反射影響或散射吸收:如由電離層內(nèi)反射曲面的聚焦或散焦作用引起反射面的有效面積的邊緣效應(yīng)而引起,或由不均勻媒質(zhì)對(duì)電波的散射作用引起等。

(3)極化耦合損耗:由傳播過程中的極化面旋轉(zhuǎn)引起。

(4)孔徑介質(zhì)耦合損耗:由于電波傳播的散射效應(yīng),因接收天線口面上非平面波而引起的附加損耗。

(5)波的干涉效應(yīng):由地面或障礙物產(chǎn)生的反射波與直射波的干涉作用而引起。

2)衰落

衰落是由陰影、多徑或移動(dòng)等引起的信號(hào)幅度的隨機(jī)變化,這種信號(hào)幅度的隨機(jī)變化可能在時(shí)間上、頻率上和空間上表現(xiàn)出來,分別稱為時(shí)間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落。

衰落是一種不確定的損耗或衰減,影響傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。對(duì)抗衰落的方法要根據(jù)衰落產(chǎn)生的原因和特性來確定,主要從改善線路的傳播情況和提高系統(tǒng)的抗衰落能力著眼。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),一方面要盡可能地減少衰落,如選擇合適的工作頻率、部署適當(dāng)?shù)脑O(shè)備位置等;另一方面要采取系列的技術(shù)措施以提高抗衰落能力,如針對(duì)快衰落可采用合適的調(diào)制解調(diào)方式、分集接收和自適應(yīng)均衡等一種或多種措施,針對(duì)慢衰落和媒質(zhì)傳輸損耗以及設(shè)備老化與損傷通常采用適當(dāng)增加功率儲(chǔ)備或衰落裕量Fσ(FadeMargin)

2.系統(tǒng)總傳輸損耗

從發(fā)送鏈路到接收鏈路的所有損耗稱為系統(tǒng)總傳輸損耗Lst,主要包括傳播損耗Lp和兩端收發(fā)信機(jī)至天線的饋線損耗(發(fā)射饋線損耗為L(zhǎng)t,接收饋線損耗為L(zhǎng)r)。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),通常將衰落裕量Fσ也計(jì)入系統(tǒng)總傳輸損耗,即

由以上分析可以看出,系統(tǒng)總傳輸損耗與工作頻率、傳輸距離、傳播方式、媒質(zhì)特性和收發(fā)天線增益等因素有關(guān),一般為幾十至200dB左右。

9.1.2鏈路預(yù)算與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求,在確定了工作頻率、帶寬、傳輸距離和調(diào)制解調(diào)方式等系統(tǒng)指標(biāo)后,在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)之前,還必須進(jìn)行鏈路預(yù)算分析。通過分析,可以預(yù)知或計(jì)算出在特定的誤碼率或信噪比下,為了達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,接收機(jī)所需要的噪聲系數(shù)、增益和發(fā)射機(jī)的輸出功率等參數(shù)以及接收機(jī)輸出的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比等技術(shù)指標(biāo)。鏈路預(yù)算的過程實(shí)際上是反復(fù)計(jì)算和參數(shù)調(diào)整的過程。

實(shí)際中,工作頻率、帶寬、傳輸距離和調(diào)制解調(diào)方式等系統(tǒng)指標(biāo)的確定也與鏈路預(yù)算有關(guān),可能需要通過鏈路預(yù)算來修正這些系統(tǒng)指標(biāo)。

需要注意的是,并不是所有的雙工鏈路都在頻率、帶寬、功率、調(diào)制解調(diào)方式等方面對(duì)稱,因此,在對(duì)雙工(尤其是頻分雙工)系統(tǒng)進(jìn)行鏈路預(yù)算時(shí),要考慮兩個(gè)方向的差異。

1.鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算就是估算系統(tǒng)總增益能否補(bǔ)償系統(tǒng)總損耗,或者接收機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度能否超過接收機(jī)靈敏度,以達(dá)到解調(diào)器輸入端所需的信號(hào)電平Po和信噪比SNRo要求。如圖9-2所示,鏈路預(yù)算的基本過程如下。圖9-2系統(tǒng)鏈路預(yù)算基本流程

(1)計(jì)算鏈路總損耗Lst。根據(jù)系統(tǒng)要求給定的通信距離d、工作頻率f和工作環(huán)境,選擇相應(yīng)的路徑損耗模型,計(jì)算相應(yīng)的傳輸損耗(簡(jiǎn)單估算時(shí)常用自由空間傳播損耗Lbf代替),在考慮收發(fā)兩端饋線損耗和衰落裕量后,按照式(9-6)計(jì)算鏈路總損耗。

(2)計(jì)算系統(tǒng)總增益Gs。

設(shè)接收機(jī)的總增益為GRX(dB),則系統(tǒng)總增益Gs為

(3)計(jì)算接收機(jī)的靈敏度MDS和Simin。

按照第2章中噪聲系數(shù)與靈敏度的關(guān)系計(jì)算接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)MDS和接收機(jī)靈敏度Simin。實(shí)際上,在不考慮解調(diào)器要求的信噪比(或要求的信噪比為0dB)時(shí),最小可檢測(cè)信號(hào)MDS和接收機(jī)靈敏度Simin是相同的。為了使用方便,將第2章的公式重寫于此:

(4)計(jì)算接收機(jī)接收到的信號(hào)功率Prr和接收機(jī)輸出功率Pout及信噪比SNR。

在確保發(fā)射機(jī)輸出功率能克服系統(tǒng)總損耗,并提供足夠的衰落裕量,同時(shí)保證接收機(jī)具有低的噪聲系數(shù)以滿足所需的信噪比時(shí),接收機(jī)輸出功率為

如果已知接收天線上的信號(hào)電平為Ps,也可以按照式(9-12)計(jì)算接收機(jī)輸出功率

根據(jù)Pout和噪聲功率可以計(jì)算出接收機(jī)輸出端的信噪比SNR為

接收機(jī)設(shè)計(jì)的輸出信噪比SNR與要求的信噪比SNRo之差稱為鏈路裕量M。鏈路裕量M為正值是所希望的結(jié)果,但這并不一定說明該鏈路就不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò),而是表明其出錯(cuò)的概率較低。M的正值越大,鏈路出錯(cuò)的概率越低,但付出的代價(jià)也越大。反之,M為負(fù)值并不表示該通信鏈路就一定無法通信,只是其通信出錯(cuò)的概率較高而已。綜合各種因素去推算鏈路裕量的過程就是鏈路預(yù)算。

(5)判斷與調(diào)整。

判斷接收機(jī)輸出功率Pout是否不低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的輸出功率Po,或者鏈路裕量M是否為正值。若滿足,則鏈路預(yù)算合理,否則需要調(diào)整發(fā)射機(jī)輸出功率Pt、Gs中的收發(fā)天線增益與接收機(jī)總增益3個(gè)參數(shù),以及降低Lst中可降低的損耗。

判斷接收機(jī)接收到的信號(hào)功率Prr是否不低于接收機(jī)最小可檢測(cè)信號(hào)MDS和接收靈敏度Simin。如果接收機(jī)接收到的信號(hào)功率Prr低于接收機(jī)最小可檢測(cè)信號(hào)MDS,則系統(tǒng)很難正常工作,需要對(duì)技術(shù)體制和系統(tǒng)參數(shù)作較大調(diào)整;如果接收機(jī)接收到的信號(hào)功率Prr大于接收機(jī)最小可檢測(cè)信號(hào)MDS而低于接收靈敏度Simin,則除了調(diào)整Pt、Gs、Lst和接收機(jī)噪聲系數(shù)NF等參數(shù)之外,也可以考慮改變對(duì)解調(diào)性能的要求或者改變調(diào)制解調(diào)方式;若如果接收機(jī)接收到的信號(hào)功率Prr大于接收機(jī)的接收靈敏度Simin,則系統(tǒng)可以正常工作,不需調(diào)整。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)系統(tǒng)要求(主要是工作頻率、帶寬、通信距離,可能還有調(diào)制解調(diào)方式)和鏈路預(yù)算情況,確定通信鏈路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和其中各單元的系統(tǒng)指標(biāo)。

首先是確定發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率Pt、收發(fā)天線的增益、收發(fā)兩端饋線的損耗和接收機(jī)的總增益等功率和增益(損耗)指標(biāo);其次,根據(jù)最小可檢測(cè)信號(hào)MDS和接收靈敏度Simin計(jì)算接收機(jī)的噪聲系數(shù);最后,根據(jù)通信距離和環(huán)境的變化以及衰落儲(chǔ)備的情況確定接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。

在一個(gè)實(shí)際工程中,要求工作頻率為2.4GHz,帶寬為1MHz,通信距離為20km,接收端解調(diào)器輸入信號(hào)電平不低于0dBm,信噪比不低于12dB,已確定發(fā)射機(jī)輸出功率為500mW?，F(xiàn)在來進(jìn)行鏈路預(yù)算和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考圖9-1,工作于2.4GHz微波頻率上,傳輸距離比較遠(yuǎn),路徑損耗可按照自由空間估算,則

假設(shè)收發(fā)兩端饋線損耗相同,都為2dB,再考慮20dB的衰落裕量,則系統(tǒng)總傳輸損耗

為了遠(yuǎn)距離傳輸,在發(fā)射功率一定的情況下,要盡量提高天線的增益,降低饋線的損耗,考慮到發(fā)射端EIRP的限制,我們假設(shè)發(fā)射和接收天線增益分別為12dBi和24dBi,則

為了使解調(diào)器正常工作,其輸入信號(hào)電平不能低于0dBm,由此可得接收機(jī)的總增益GRX≥87dB?？紤]到實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還要對(duì)系統(tǒng)中因不理想等因素引起的附加損耗進(jìn)行補(bǔ)償,因此可將接收機(jī)總增益GRX設(shè)計(jì)為95dB。這樣,接收機(jī)輸出端的信號(hào)電平Pout為8dBm,大于0dBm,滿足要求。假設(shè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF為4dB,則MDS為-107dBm,接收機(jī)靈敏度

9.1.3接收機(jī)設(shè)計(jì)與指標(biāo)分配

1.接收機(jī)指標(biāo)分析

1)輸入特性

接收機(jī)的輸入特性主要是指輸入阻抗,輸入電路與天線的阻抗匹配和與噪聲的匹配問題是應(yīng)優(yōu)先考慮的問題,它影響接收機(jī)的接收信號(hào)強(qiáng)度和接收靈敏度。關(guān)于天線的匹配設(shè)計(jì),通常是預(yù)先指定一種或幾種天線阻抗,如50Ω、300Ω等進(jìn)行天線設(shè)計(jì),然后利用匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗或噪聲匹配。．

2)增益

接收機(jī)增益是接收機(jī)中各單元電路增益的乘積,是系統(tǒng)增益的重要組成部分,用于克服各種損耗(衰減)和衰落。

需要說明,再高的增益也無法克服接收機(jī)內(nèi)部的噪聲,但前端高增益可以減小整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)。

3)通頻帶與選擇性

通頻帶是保證有用信號(hào)主要能量不失真且少衰減通過的頻率范圍,與調(diào)制體制、系統(tǒng)的性能要求甚至接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法有關(guān),在電路中由多級(jí)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性共同決定。對(duì)于多級(jí)選頻網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián),級(jí)聯(lián)后的通頻帶小于單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通頻帶。在設(shè)計(jì)時(shí)要使單級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通頻帶大于接收機(jī)的通頻帶,在確?？偼l帶滿足要求的條件下,盡量使各級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通頻帶相同(此時(shí)所需級(jí)數(shù)最少)。

4)噪聲系數(shù)

有關(guān)噪聲系數(shù)的概念和計(jì)算在第2章中已有論述,這里主要討論接收機(jī)的噪聲系數(shù)及其指標(biāo)分配方法。

接收機(jī)的噪聲系數(shù)可認(rèn)為是系統(tǒng)的噪聲系數(shù),可由天線、饋線和接收機(jī)等部分級(jí)聯(lián)而成。在第2章中提出,級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算可以認(rèn)為是從后往前,即知道各個(gè)單元電路的噪聲系數(shù)和增益,就可以計(jì)算出整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)。因此,為了降低接收機(jī)的噪聲系數(shù),可以采用減少接收天線饋線長(zhǎng)度、提高天線增益等方法。

對(duì)于已經(jīng)確定的接收機(jī)的噪聲系數(shù),將其分配到各個(gè)單元中,可采用從前往后的方法。如圖9-3所示,設(shè)某級(jí)電路的噪聲系數(shù)為NFi,功率增益為KPmi,其前端和后端(可簡(jiǎn)單認(rèn)為是輸入和輸出)噪聲系數(shù)分別為NFin和NFout,則按照級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算公式可得

由式(9-14)可推導(dǎo)出噪聲系數(shù)分配公式如下:圖9-3噪聲系數(shù)分配方法

5)靈敏度

由第2章可知,接收機(jī)靈敏度的定義有很多種,通常用兩種方法表示,一種是最小可檢測(cè)信號(hào)MDS,表示解調(diào)器輸入信噪比SNRo=1或So=No時(shí)接收機(jī)可以檢測(cè)到的信號(hào)功率;另一種就是接收機(jī)靈敏度Simin,它表示可以提供解調(diào)器正常解調(diào)所需信噪比SNRo時(shí)接收機(jī)輸入端的最小信號(hào)功率。

6)動(dòng)態(tài)范圍DR(DynamicRange)

接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍DR是設(shè)計(jì)射頻與接收機(jī)電路的重要依據(jù)之一。動(dòng)態(tài)范圍的定義也有多種,我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程時(shí)要具體情況具體分析。線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)沒有提供任何由接收機(jī)產(chǎn)生的失真信息,一般只是在對(duì)比不同系統(tǒng)的性能時(shí)才會(huì)使用。在固定增益系統(tǒng)中,一般指的是無雜散(Spurious-Free)響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍SFDR。而在接收系統(tǒng)中,動(dòng)態(tài)范圍通常就是指增益受控動(dòng)態(tài)范圍。

通常用三階互調(diào)截點(diǎn)和1dB壓縮點(diǎn)表征系統(tǒng)的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。把射頻前端(不含AGC)1dB壓縮點(diǎn)的輸入信號(hào)電平與靈敏度(或MDS)之比定義為線性動(dòng)態(tài)范圍,用dB表示為

線性動(dòng)態(tài)范圍常用于功率放大器中。

無雜散響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍定義為在系統(tǒng)輸入端外加等幅雙音信號(hào)的情況下,接收機(jī)輸入信號(hào)從超過基底噪聲3dB處到?jīng)]有產(chǎn)生三階互調(diào)雜散響應(yīng)點(diǎn)處之間的功率動(dòng)態(tài)范圍。其下限是MDS,而上限是指當(dāng)接收機(jī)輸入端所加的等幅雙音信號(hào)在輸出端產(chǎn)生的三階互調(diào)分量折合到輸入端恰好等于最小可檢測(cè)信號(hào)功率值時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入端的等幅雙音信號(hào)的功率值,用dB表示為

多級(jí)非線性級(jí)聯(lián)后三階互調(diào)失真可用下式描述:

式中,(IIP3)i和KPi分別是各級(jí)的三階互調(diào)截點(diǎn)輸入功率和功率增益。

三階互調(diào)截點(diǎn)越高(值越大),則帶內(nèi)強(qiáng)信號(hào)互調(diào)產(chǎn)生的雜散響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響就越小。然而,高三階互調(diào)截點(diǎn)與低噪聲系數(shù)是一對(duì)矛盾,因此,在對(duì)接收機(jī)線性度和噪聲系數(shù)均有要求時(shí),接收機(jī)設(shè)計(jì)必須在這兩個(gè)指標(biāo)間作折中考慮。

需要指出,關(guān)于三階互調(diào)失真的問題,射頻預(yù)選器(高頻調(diào)諧器)無法解決,中頻濾波器也不能很好解決。因此,要在整個(gè)接收機(jī)中進(jìn)行RF－IF鏈的設(shè)計(jì),對(duì)電路結(jié)構(gòu)的選擇、器件的選用、中頻的選取、濾波器的設(shè)計(jì)以及本振電平的選用等方面要進(jìn)行綜合考慮,合理優(yōu)化。

2.接收機(jī)頻率規(guī)劃

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和鏈路預(yù)算結(jié)果選定接收機(jī)的結(jié)構(gòu)以后,最重要且首先應(yīng)該著手的工作就是接收機(jī)內(nèi)部的頻率安排,即頻率規(guī)劃。

頻率規(guī)劃的目的是減小接收機(jī)的非線性,避免或抑制假響應(yīng)和干擾,使其達(dá)到要求的頻譜特性。對(duì)于常用的超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu),頻率規(guī)劃主要是確定頻率變換的次數(shù)和位置,合理選擇射頻RF、中頻IF和本振LO的頻率及帶寬。

中頻的選擇取決于對(duì)三個(gè)參數(shù)的折中:鏡像干擾的數(shù)量、有用頻帶和鏡像頻帶之間的間隔以及鏡像抑制濾波器的損耗。低中頻接收機(jī)由于本振頻率非常接近載波頻率,因此如果鏡像頻率上有強(qiáng)干擾信號(hào)的話是很難抑制的。高中頻可以使鏡頻信號(hào)遠(yuǎn)離有用信號(hào),有利于提高中頻的輸出信噪比和接收機(jī)靈敏度。但同時(shí),高中頻可使具有相同Q值的中頻濾波器的帶寬變寬,降低了對(duì)鄰道干擾的抑制能力,也就降低了接收機(jī)的選擇性。因此,中頻的選擇需要在靈敏度和選擇性之間進(jìn)行折中考慮,可從以下三方面選擇:

(1)根據(jù)對(duì)鏡頻干擾的抑制要求選擇。

設(shè)接收機(jī)要求鏡頻抑制比(雜散響應(yīng)抑制度)為60dB,高頻濾波器帶寬為B3dB,高頻濾波器幅頻特性相對(duì)衰減60dB時(shí)的帶寬為B60dB,對(duì)應(yīng)的矩形系數(shù)為Kr60dB,則中頻按下式選擇:

(2)根據(jù)對(duì)中頻干擾的抑制要求選擇。

設(shè)接收機(jī)要求中頻抑制比(雜散響應(yīng)抑制度)為80dB,高頻濾波器帶寬為B3dB,高頻濾波器幅頻特性相對(duì)衰減80dB時(shí)的帶寬為B80dB,對(duì)應(yīng)的矩形系數(shù)為Kr80dB,則中頻按下式選擇:

(3)根據(jù)中頻濾波器的可實(shí)現(xiàn)性選擇。

中頻濾波器的Q值為fIF/B3dB,根據(jù)Q值的可實(shí)現(xiàn)范圍,檢驗(yàn)并調(diào)整中頻的數(shù)值。

在二次變頻接收機(jī)中,第一中頻要大于RF帶寬,第二中頻一般可選用70MHz等這些通用中頻值。

本振頻率一般可根據(jù)組合(衍生)頻率公式計(jì)算確定,或者根據(jù)混頻器互調(diào)衍生信號(hào)圖并結(jié)合混頻器的技術(shù)資料分析而定,也可以利用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件仿真確定。

3.關(guān)鍵指標(biāo)分配

接收機(jī)最重要的性能指標(biāo)是增益、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍,后兩者通常用噪聲系數(shù)NF和互調(diào)三階截點(diǎn)IIP3兩個(gè)參數(shù)衡量。理想的接收機(jī)應(yīng)該具有足夠高的增益、0dB的噪聲系數(shù)和較高的IIP3。實(shí)現(xiàn)理想接收機(jī)代價(jià)太大,實(shí)際中通常利用電平圖(LevelDiagram)的方法來對(duì)這些關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分配,以達(dá)到實(shí)現(xiàn)代價(jià)與所需指標(biāo)的平衡。

應(yīng)當(dāng)說明,實(shí)際的指標(biāo)分配過程像鏈路預(yù)算過程一樣,也是一個(gè)不斷修改的過程,每完成一次指標(biāo)分配,都要將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較,以判斷是否達(dá)到最佳狀態(tài)。下面只是舉例討論這三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的分配方法,并不包含反復(fù)修改過程。

電平圖表示接收機(jī)從天線輸入(或解調(diào)器輸入)到基帶輸出的每一級(jí)電平狀態(tài),在每一級(jí)標(biāo)出相應(yīng)的功率增益KP(或損耗L)、有源單元電路的噪聲系數(shù)NF和三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3以及功率電平。這些數(shù)據(jù)可根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或以往經(jīng)驗(yàn),也可以取自元器件或電路模塊制造商的技術(shù)資料。

噪聲系數(shù)的分配是從前往后,將接收機(jī)的總噪聲系數(shù)按照?qǐng)D9-3和式(9-15)的方法,在考慮饋線、濾波器和混頻器等插入損耗(相當(dāng)于噪聲系數(shù))和各級(jí)電路增益的基礎(chǔ)上逐級(jí)進(jìn)行分配。將分配后的指標(biāo)按照級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算方法計(jì)算出累計(jì)噪聲系數(shù),并與設(shè)計(jì)總指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。如果計(jì)算出的累計(jì)噪聲系數(shù)大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的噪聲系數(shù),則需要重新分配各級(jí)噪聲系數(shù),并適當(dāng)調(diào)整前幾級(jí)電路的增益,直到滿足要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,高頻濾波器的帶寬不能太窄,以降低其插入損耗對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響。

9.1.4發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)與指標(biāo)分配

無論采用何種發(fā)射機(jī)方案,發(fā)射機(jī)的主要功能均是將基帶信號(hào)調(diào)制搬移到所需頻段,按照要求的頻譜模板以足夠的功率發(fā)射。因此,其結(jié)構(gòu)總是呈從調(diào)制器、上變頻到功率放大和濾波的鏈狀形式,主要技術(shù)指標(biāo)有輸出功率和載波頻率穩(wěn)定度、工作頻率、帶寬、雜散輻射等頻譜指標(biāo)。

發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,主要考慮以下幾方面的問題。

1.發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)選擇

選擇發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的問題。雖然發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,但不同的結(jié)構(gòu)具有不同的特點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)要求,結(jié)合實(shí)現(xiàn)所需的成本等條件來選擇。

2.頻率選擇、收發(fā)隔離與濾波器等設(shè)計(jì)

如果采用二次變頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu),那么選擇載波和本振信號(hào)頻率非常重要。考慮到發(fā)射機(jī)具有多級(jí)功率放大器、倍頻器等強(qiáng)非線性電路,容易產(chǎn)生許多寄生信號(hào)和雜散信號(hào),合理選擇載波和本振信號(hào)頻率并配以合適的濾波器,可以較好地抑制這些不需要的信號(hào)。本振信號(hào)的頻率穩(wěn)定性對(duì)于降低頻率調(diào)制和相位噪聲十分重要。本振信號(hào)經(jīng)過混頻器泄漏到天線并經(jīng)天線輻射到自由空間引起的干擾須低于無線電管理部門的規(guī)定。通常發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率會(huì)遠(yuǎn)大于接收機(jī)的飽和信號(hào)電平,提高收發(fā)隔離度可以提高雙工接收機(jī)的性能。針對(duì)非線性、噪聲、雜散輻射等問題,濾波器的設(shè)計(jì)十分重要。

3.功率放大器形式的選擇

根據(jù)輸出功率和線性度的指標(biāo)要求,合理選擇功率放大器的形式是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。功率放大器有A、B、C、D、E、F等多種類型,其主要差別在于功率和線性度。不同功率放大器的輸入和輸出功率不同。為了得到更高的輸出功率,可能需要在放大鏈中配置緩沖放大器(BufferAmplifier)、驅(qū)動(dòng)放大器(DriverAmplifier)和末級(jí)放大器(FinalAm-plifier)等多級(jí)放大器,甚至配置倍頻器或混頻器等變頻電路。緩沖放大器雖有功率增益,但主要用于隔離;驅(qū)動(dòng)放大器主要為了提升末級(jí)功率放大器的輸入功率。

混頻器或調(diào)制器的輸出功率一般在1mW以下。發(fā)射機(jī)輸出功率在100mW以下時(shí),各級(jí)放大器多以A類形式設(shè)計(jì),而發(fā)射機(jī)輸出功率在1W以上時(shí),各級(jí)放大器應(yīng)以B類以上形式設(shè)計(jì)。如果是寬帶信號(hào)或特殊調(diào)制信號(hào)(如OFDM,高階QAM等),功放通常也采用線性形式。

4.增益分配和輸出功率設(shè)計(jì)

與接收機(jī)設(shè)計(jì)類似,在設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)時(shí),需將整個(gè)放大鏈的總增益合理地分配至各級(jí)放大電路中,然后根據(jù)功放管子或模塊的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)各級(jí)放大電路的增益與輸出功率,注意要留出一定的增益和功率裕量,最后對(duì)增益和功率指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

9.2WLAN射頻電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WLAN是一種應(yīng)用廣泛的寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò),俗稱WiFi。其應(yīng)用方式主要有局部覆蓋模式(點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或有基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu),其中心設(shè)備稱為無線接入點(diǎn),即AP)和對(duì)等模式(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或AdHoc方式)

9.2.1WLAN系統(tǒng)鏈路預(yù)算與指標(biāo)分配

1.WLAN系統(tǒng)鏈路預(yù)算

不論是覆蓋模式還是對(duì)等模式,WLAN系統(tǒng)的鏈路預(yù)算都與覆蓋半徑或傳輸距離密切相關(guān),而在WLAN系統(tǒng)中,即使都采用最大發(fā)射功率,其傳輸距離也隨傳輸速率(實(shí)際上是信道情況,如室內(nèi)與室外、衰落和干擾等,不同的信道情況導(dǎo)致不同的傳輸速率)而變化,非常復(fù)雜。這里僅就一種較為簡(jiǎn)單的情況進(jìn)行鏈路預(yù)算。

對(duì)于2.4GHz和5GHz的WLAN,決定通信距離的有關(guān)參數(shù)分別見表9-1和表9-2。在確定靈敏度時(shí)認(rèn)為IEEE802.11a中的誤包率(PER)與IEEE802.11b中的誤幀率(FEP)大約相當(dāng)(由IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)。

下面以計(jì)算室內(nèi)覆蓋范圍為例分析WLAN的傳輸距離。

假設(shè)發(fā)射功率為15dBm,收發(fā)兩端均采用0dBi的全向天線。在各種文獻(xiàn)中有7種模型描述分析室內(nèi)信號(hào)路徑損耗的不同方面和途徑,以及對(duì)室內(nèi)覆蓋范圍的影響。線性路徑衰減模型(LPAM)指Keenan-Motley或Devasirvatham模型,它是描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于同一層情況下的信號(hào)路徑損耗模型。室內(nèi)信號(hào)路徑損耗為

由無線鏈路方程

可以計(jì)算出室內(nèi)傳輸距離,見表9-3。式中,Pr為滿足PER或FER的最小接收功率(靈敏度)。由式(9-22)可知,增大發(fā)射功率或提高天線增益,均可擴(kuò)大傳輸距離;如果室內(nèi)有遮擋或穿墻,則會(huì)縮短傳輸距離。當(dāng)然,調(diào)整傳輸速率和工作頻率也會(huì)改變傳輸距離。

2.WLAN鏈路指標(biāo)分配

對(duì)于發(fā)射機(jī),不論基帶或中頻的指標(biāo)如何分配,由于其總的發(fā)射功率不大,分配與單元電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,所以更重要的是考慮輸出頻譜模板要符合WLAN標(biāo)準(zhǔn)的要求,以免干擾其他信道或設(shè)備。

圖9-4所示為一個(gè)由多芯片組實(shí)現(xiàn)的2.4GHzWLAN接收前端電路及其電平圖,其中圖9-4(a)為WLAN接收前端電路,圖9-4(b)為帶噪聲的電平圖,圖9-4(c)為帶干擾的電平圖。圖中的接收機(jī)采用兩次變頻結(jié)構(gòu),其中一次中頻為374MHz,中頻增益達(dá)46dB,二次變頻變到零中頻,基帶處理還有幾十dB的增益。圖9-4WLAN接收前端電路及其電平圖圖9-4WLAN接收前端電路及其電平圖圖9-4WLAN接收前端電路及其電平圖

9.2.2WLAN射頻電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

一個(gè)基本的WLAN芯片解決方案必須包含射頻前端、基帶處理器(BBP)、媒體訪問控制器(MAC),以及內(nèi)存、天線等其它外部零件。傳統(tǒng)的WLAN設(shè)計(jì)是在射頻收發(fā)器、中頻與基帶處理之間進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換,但因?yàn)橹苯愚D(zhuǎn)換的零中頻架構(gòu)和超低中頻(VLIF)架構(gòu)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),所以在WLAN芯片組的設(shè)計(jì)中已被廣泛采用。

1.基于Prism芯片組的WLAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

最早由Harris(后來成為Intersil)公司推出的工作于2.4GHz頻段的WLAN芯片組(對(duì)應(yīng)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)草案,速率最高為4Mb/s)由HFA3424(低噪放)、HFA3925(功放與收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān))、HFA3524(雙頻合)、HFA3624(上下變頻器)、HFA3727(中頻與正交調(diào)制解調(diào))和HFA3824(基帶處理)六顆芯片組成,并在外部配有若干濾波器。天線采用單天線發(fā)射,分集接收,一定程度上改善了接收性能。

由Prism芯片組所組成的WLAN系統(tǒng)如圖9-5所示,收發(fā)系統(tǒng)都采用超外差結(jié)構(gòu)。其中,低噪放HFA3424芯片的噪聲系統(tǒng)為1.9dB,增益最高為14dB,IP3的典型值為1dBm;功放芯片HFA3925的最大輸出功率(1dB壓縮電平)達(dá)24dBm,從1dB壓縮電平處功率回退(back-off)約4dB,線性增益達(dá)30dB左右;HFA3524包含2.5GHz和600MHz兩個(gè)頻率合成器,分別供一次變頻和二次變頻使用;HFA3624完成一次變頻的上下變頻,射頻范圍為2.4~2.5GHz,中頻范圍為10~400MHz;HFA3727內(nèi)含兩級(jí)限幅放大器,具有增益最高達(dá)84dB的限幅中頻放大能力,在接收時(shí)可提供接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)信號(hào),并完成正交調(diào)制/解調(diào)功能。

在這種超外差結(jié)構(gòu)中,為了得到所需的優(yōu)點(diǎn)和性能,一般都要采用價(jià)格昂貴且體積和插入損耗都較大的表面聲波(Surfaceacousticwave,SAW)濾波器。在中頻之前的射頻前端電路,為了降低復(fù)雜度,通常采用單端方式;在中頻級(jí),包括限幅放大器,通常采用差分方式,以便于改善噪聲抑制且提高穩(wěn)定性。

這是一款最基本也是最能說明WLAN射頻系統(tǒng)的芯片組。這套芯片組的基本收發(fā)性能指標(biāo)如下:

(1)在誤比特率BER為10-5或誤幀率FER為8×10-2時(shí)的接收靈敏度為-93dBm(1Mb/s)或-90dBm(2Mb/s);

(2)IIP3典型值為-17dBm;

(3)鏡頻、中頻和鄰道抑制分別為65dB、80dB和63dB;(4)輸出功率為18dBm;

(5)在第一旁瓣處的發(fā)射頻譜模板為-32dBc;

(6)(6)AGC建立時(shí)間和收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過2μs。

接收鏈路增益分配電平圖如圖9-6所示,整個(gè)μs接。收機(jī)的電平圖如圖9-7所示,圖9-6中BWN為噪聲帶寬,IL為插入損耗。NF和IIP3按照式(9-15)和式(9-18)計(jì)算。由圖可知,接收鏈路的總增益超過90dB,如果按照輸入信號(hào)為-90dBm計(jì)算,經(jīng)中頻處理后,信號(hào)功率在0dBm以上;而噪聲帶寬(由RF濾波器和IF濾波器確定)若為20MHz,射頻前端輸入的基底噪聲(熱噪聲)為-101dBm,經(jīng)鏈路后噪聲功率為-10dBm左右。根據(jù)IEEE802.11協(xié)議,在解調(diào)時(shí)信噪比為0dB以上即可正常解調(diào)。圖9-6接收鏈路增益分配電平圖圖9-7接收機(jī)的電平圖

發(fā)射機(jī)電平圖如圖9-8所示。其中,OP1dB按照公式(9-23)計(jì)算。為了便于分析,假設(shè)可變衰減器(匹配器)插入損耗IL為0dB,調(diào)制器輸出功率為-10.4dBm,而實(shí)際上調(diào)制器輸出為200mVp-p,遠(yuǎn)大于-10dBm,因此,衰減器的IL可以較大。圖9-8發(fā)射機(jī)的電平圖

2.基于Prism2芯片組的WLAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

Prism2芯片組主要針對(duì)的是IEEE802.11b協(xié)議,仍然工作于2.4GHz頻段,射頻參數(shù)沒有變化,主要增加了CCK(補(bǔ)碼鍵控)調(diào)制方式,傳輸速率最高提高到11Mb/s。芯片組中的芯片型號(hào)有了變化(其功放、RF/IF、IF與調(diào)制解調(diào)、基帶分別為HR983、HFA3683、HFA3783、HFA3861),但其中收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)和射頻電路的主要實(shí)現(xiàn)方法沒有大的變化,用Prism2芯片組構(gòu)成的WLAN系統(tǒng)如圖9-9所示。圖9-9-基于Prism2芯片組的WLAN系統(tǒng)框圖

3.用于WLAN射頻系統(tǒng)的MAX2830芯片

IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)融合了IEEE802.11a和IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)中的物理層(PHY)要求,調(diào)制方式在IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,又增加了正交頻分復(fù)用(OFDM)方式,但工作頻率仍然在2.4GHz頻段。這一標(biāo)準(zhǔn)目前仍被廣泛采用。

MAX2830兼容IEEE802.11b和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn),是一款集射頻收發(fā)信機(jī)、功放、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)與天線分集開關(guān)于一體的單片集成電路,其中收發(fā)信機(jī)采用零中頻結(jié)構(gòu),如圖9-10所示。該芯片功能強(qiáng)大,各種指標(biāo)都比較高,性能優(yōu)越。

需要說明,針對(duì)具有OFDM調(diào)制的高速WLAN系統(tǒng)(如IEEE802.11g的54Mb/s),采用超低中頻架構(gòu)更為有利,有以下幾個(gè)方面原因:

(1)一個(gè)54Mb/s的信號(hào)能通過帶寬為20MHz的信道發(fā)送出去,頻譜利用率高;

(2)超低中頻架構(gòu)使得OFDM高速子信道濾波工作在數(shù)百個(gè)KHz級(jí)的窄頻段執(zhí)行,沒有零中頻架構(gòu)的直流偏移問題;

(3)由正交下變頻可抑制射頻鏡像信號(hào);

(4)可降低對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍要求;

(5)功耗普遍要低于零中頻產(chǎn)生的功耗。

4.單頻多模多天線WLAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在一個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)多種WLAN物理層協(xié)議(多模)是經(jīng)常被應(yīng)用的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式,特別是在2.4GHz頻段,可以實(shí)現(xiàn)IEEE802.11b/g/n等多種模式,而其在MAC甚至BBP單