05射频前端下变频器.docx
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05射频前端下变频器
实验五微波下变频器的测试实验
一、实验目的
1.了解射频前端接收器的大体电路结构与要紧设计参数的计算.
2.用实验模块的实际测量得以了解射频前端接收器的大体特性.
二、预习内容
1.熟悉带通滤波器、变频器、信号发生器、低噪声放大器、中频放大器的理论知识。
2.熟悉带通滤波器、变频器、信号发生器、低噪声放大器、中频放大器的设计的理论知识。
三、实验设备
项次
设备名称
数量
备注
1
微波扫频仪、频谱仪
1套
亦可用网络分析仪
2
LNA、本振、下变频器、滤波器
1套
置于实验箱内
3
L16-SMS或BNC-SMA转接头
各2
4
SMA连接线
2根
四、理论分析
图6-1单变频结构射频前端接收器基本电路结构
如图6-1所示,射频前端接收器可分为天线(Antenna)、射频低噪声放大器(RFLowNoiseAmplifier,LNA)、下变频器(Down-Mixer,DownConverter)、中频滤波器(IntermidateFrequencyBandpassFilter,IFBPF)、本地振荡器(LocalOscillator,LO)。
其工作原理是将发射端所发射的射频信号由天线接收后,经LNA将功率放大,再送入下变频器与LO混频后由中频滤波器输出到基带处置单元(BasebandProcessingUnit、BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(MessageSignals).
这种只经一个混频器上变频(或下变频)的电路构造称为单变频结构(SingleConversionconfiguration)。
而在实际应用中也有双变频结构(DualConversionConfiguration),乃最多变频结构(Multi-conversionConfiguration),利用的场合视系统指标而定。
因为BPU的处置频率有所限制(一样在500MHz以下),因此需要利用变频器(Mixer)及频道振荡器(ChannelOscillator)将射频信号由射频前端接收器下变频为中频段(IntermidateFrequencyBand、IF)信号后再送入BPU,或是将BPU送出的IF信号用射频前端发射器上变频至射频段(RadioFrequencyBand、RF)信号经放大后再发射。
射频前端接收器有如下设计参数.
(一)天线(Antenna)
(二)射频接收滤波器(RF_BPF1)
(三)射频低噪声放大器(LNA)
(四)射频混频滤波器(RF_BPF2)
(五)下变频器(DownMixer)
(六)带通滤波器(Filter)
(七)本地振荡嚣(LocalOscillator)
(八)中频放大器(IFAmplifier)
要紧设计参数:
(一)接收灵敏度(ReceiverSensitivity)
(式6-1)
其中S——接收灵敏度
K——*10-23(Joul/°K),波尔兹曼常数(Boltzmann’sConstant)
T——绝对温度(°K)=+T(°C)
BW——系统的等效噪声频宽
SNRd——在检波器输入端,系统要求的信噪比(Signal-to-noiseRatio)
Zs——系统阻抗(SystemImpedance)
FT——总等效输入噪声因子(NoiseFactor)
而上述中,总等效输入噪声因子(NoiseFactor)那么是由三大部份组成.
(1)Fin1,由接收器各单级的增益与噪声指数(NoiseFigure)造成.,
(2)Fin2,由镜频噪声(ImageNoise)造成.
(3)Fin3,由宽带的本地振荡调制噪声(WidebandLOAMNoise)造成.
其计算公式如(式6-2)(式6-3)(式6-4)及(式6-5)所列.
(式6-2)
(式6-3)
(式6-4)
(式6-5)
上列公式中变量说明如下:
Fi——第i单级的噪声因子(NoiseFactor)
Gj——第i单级的增益(Gain)(G0=1)
Fi'——在镜象频率下的单级噪声因子(关于因反射所造成的镜频衰减的单级,其Fi'=1.)
Gj'——在镜象下的单级增益,G0'=1
N——在接收器中,从接收端计算至混频器前的总单级数
(即不包括混频器)
PLO——本地振荡器的输出功率(dBm)
WNsb——带通频率上的相位噪声(dBc/Hz)
Lsb——带通滤波器在旁带频率上的衰减值(dB)
MHBsb——在旁带频率上的混频噪声均衡比(MixerNoiseBalance)
T0——室温,290OK
M——旁带频率的总个数
NT——包括混频器在内,从接收端计算至混频器的总单级数
五、设计实例
某接收系统如图示6-1所示,其各单级增益及噪声指数列于表中,
单级编号
单级名称
单级增益
Gn(dB)
单级杂讯指数
NFn(dB)
单级杂讯因子
Fn(linear)
1
RF-BPF1
G1
NF1
F1
2
RFAMP
G2
12
NF2
F2
3
RF-BPF2
G3
-2
NF3
F3
4
MIXER
G4
-8
NF4
F4
5
IFBPF
G5
NF5
F5
6
IFAMP
G6
20
NF6
F6
7
BPU
NF7
15
F7
而其它指标特性如下:
RF-BPF2镜象衰减量=10dB
等效噪声频宽BW=12KHz
LO输出功率PLO=dBm
LO单边带相位噪声WNsb=-165dBc/Hz
带通滤波器响应参数dB@fLO±fIF
10.0dB@2fLO±fIF
dB@3fLO±fIF
混频噪声均衡比(MixerNoiseBalance)
dB@fLO±fIF
@2fLO±fIF
20.0dB@3fLO±fIF
系统要求通过实测后的信噪比SNRd=6dB
(一)求Fin1
由上述公式可计算出以下结果.
单级名称
前级总增益(dB)
GO=0
前级总增益(linear)
各级噪声贡献(linear)
RF-BPF1
1
RFAMP
RF-BPF2
MIXER
IFBPF
IFAMP
BPU
18
故可得:
(1)Fin1=1+++++++=
(二)求Fin2
单级
编号
n
单级名称
单级镜频增益
Gn(dB)
单级镜频增益
Gn(linear)
单级镜频指数
NFn(dB)
单级杂讯因子
Fn(linear)
1
RF-BPF1
G1
NF1
F1
2
RFAMP
G2
12
NF2
F2
3
RF-BPF2
G3
-10
NF3
F3
单级名称
前级镜频总增益(dB)
前级镜频总增益(linear)
各级镜频贡献(linear)
RF-BPF1
1
RFAMP
RF-BPF2
(2)
(三)求Fin3
频率
fLO+fIF
fLO-fIF
2fLO+fIF
2fLO-fIF
3fLO+fIF
3fLO-fIF
LSb(dB)
0
0
10
10
20
20
MNBSb(dB)
30
30
25
25
20
20
噪声
其中,计算到混频器的总增益,
及
WNsb=-165dBc/Hz,To=290oK,k=x10-23(Joul/oK).
可得Fin3=+++++=
(四)求FT=Fin1+Fin2+Fin3=++=
(五)求接收灵敏度,Sensitivity.
(二)接收选择度(ReceiverSensitivity)
接收选择度亦可称为邻信道选择度(AdjacentChannelSelectivity,ACS),是用来量化接收器对相临近信道的接收趋势,目前国际间在电波段标准上趋向窄波道的要求,更显示了接收选择性在射频接收器设计中的重要性,而且那个参数常常限制系统的接收性能。
接收选择度是由以下五大部份组合而成.其概念如(式6-6)所示.
(1)单边带相位噪声(SSBPhaseNoise)
(2)本地振荡源的噪声(LOSpuriousSignal)
(3)中频选择性(IFSelectivity)
(4)中几回宽(IFBandwidth)
(5)同波道抑止率(CochannelRejection)或截获率(CaptureRatio)
(式6-6)
其中ACS(dB)——对应于接收灵敏度(NominalReceiverSensitivity)的邻信道选择度(AdjacentChannelSelectivity)
CR(dB)——同信道抑止率(CochannelRejection)
IFS(dB)——中频滤波器在邻信道频带上的抑制衰减量
BW(Hz)——中频噪声频宽(IFNoiseBandwidth)
Δ——与邻信道频率差值(ChannelSpacing)
Sp(dBc)——本地振荡信号(本信道)与出此刻频率为(fLO+Δ)的邻信道噪声的功率比,如图示6-3所示。
PNSSB(dBc/Hz)——本地振荡信号(本信道)在差频(offset)Δ处的相位噪声
(三)接收噪声响应(ReceiverSpuriousResponse)
从中频端观看,所有非设计所需的信号皆为噪声信号(SpuriousSignal),而大部份的接收噪声信号来源于RF与LO的谐波混频(HarmonicMixing)。
在实际应用中,不可能没有噪声,要紧看其功率是不是在系统许诺范围之内,由混频器的特性,能够式(12-7)来表示RF、LO与IF三端频率的彼此关系:
(式6-7)
较常显现的接收噪声响应有以下三项,能够图6-4表示。
(1)镜频(Image),fRF±2fIF
(2)半中频(Half-IF),fRF±(fIF/2)
(4)中频(IF),fIF
图6-3常见的接收杂波响应
但是在全双工发收机(Full-DuplxerRadio,即是发射与接收同时作用),那么还会再多显现两项杂波,如图示6-5所示。
图6-4常见于全双工接收的噪声
(四)接收互调截止点(ReceiverInterceptPoint)
互调截止点(InterceptPoint)是电路或系统线性度(Linearity)的评判指标,可由此推算出输入信号是不是会造成的失真度(Distortion)或互调产物(Intermodulation(IM)Products),其概念如图6-6所示。
图6-5n阶互调截止点
在实际应用上,经常使用的互调截止点有
(1)二阶互调截止点(Second-OrderInterceptPoint,IP2)与
(2)三阶互调截止点(Third-OrderInterceptPoint,IP3)。
(1)二阶互调截止点(Second-OrderInterceptPoint,IP2)
IP2是用来判定混频器对半中频噪声的抑制能力的要紧参数,关于一个接收系统中混频器的等效系统输入二阶互调截止点(IP2INPUT)的计算方式如式(6-8)所示,并以以下图为例来做说明。
IP2INPUT=IP2MIXER-(混频器前各单级增益的总和+(混频器前各单级半中频选择度的总和)(式6-8)
通带增益(dB)
-2
10
-2
-
半中频选择度(dB)
10
0
15
二阶输入互调截止点(dBm)
-
-
-
IP2=40dBm
IP2INPUT=40–(-2+10-3)+2(10+0+15)=85dBm
(2)半中频噪声抑制度(Half-IFSpuriorsRejection,1/2_IFR)
1/2_IFR=(IP2–S–CR)/2(式6-8)
假设一FM接收器中混频器的IP2INPUT=50dBm,且系统的接收灵敏度,S=-115dBm,而接获率CR=5dB,由式(6-8)可计算出此接收器的半中频噪声抑制度。
1/2_IFR=IP2INPUT-S–CR)/2=(50+115-5)/2=80
(3)[射频放大器]的[接收增益](TakeoverGainforRFAmplifier,GTAKEOVER)
[dB]
其中GTAKEOVER——射频放大器的接收增益
Famp——射频放大器的噪声因子(NoiseFactor)
Gamp——射频放大器的增益(Gain)
Fmixer——混频器的噪声因子(NoiseFactor)
此参数会降低混频器的噪声抑制度,降低数量为:
其中n为噪声响应的阶数(n>1).对半中频而言,n=2。
(4)三阶互调截止点(Third-OrderInterceptPoint,IP3)
IP3是用来决定接收系统抵御内调制失真(IMDistortion)的能力,计算步骤如下:
一、绘出系统的电路方块图,并标明各单级的增益(dB)及三阶互调截止点(dBm),关于滤波器衰减器,IP3=∞。
二、换算出各单级的等效输入互调截止点,公式如下:
其中Ipn——第n单级的等效输入三阶互调截止点,dBm
Ip3n——第n单级的三阶互调截止点,dBm
Gi——各单级的增益,dB
i——各单级标号。
3.将各单级的等效输入互调截止点(IPi)的单位从dBm换算成mW。
Ipn(mW)=10Ipn(dBm)/10
4.假设各单级的输入互调截止点皆是独立不相关,那么系统输入三阶互调截止点为各单级的输入互调截止点的并联值,如式(6-9)所示:
式(6-9)
5.系统输入三阶互调截止点(IP3INPUT)的单位从mW换算成dBm。
IP3INPUT(dBm)=(IP3INPUT(mW))
六、模块测量
测量步骤:
一、打开微波接收实验系统的电源开关,为有源部件提供电源。
2、打开扫频仪和频谱仪的电源开关,并校准仪器,为测试做预备。
3、测量相关的各个模块的特性。
4、相关的各模块连接在一路构成下变频器单元。
并测量参数。
用对其最终输出进行测试,看是不是知足要求。
4、实验记录:
记录各个模块的要紧参数值。
五、模块测量的结果建议如下为合格:
以达到具体要求为准。
测量内容:
依照图示正确连接下变频器
测量接收各点电平值
接收选择度、同波道抑止率、接收互调截止点、接收噪声响应
图6-7大体射频下变频前端发射器结构图
记录各点射频信号电平大小
本振信号2100MHz
dBm
射频信21700MHz
dBm
中频信号70MHz
dBm
LNA后A点
滤波器后B点
混频器后C点
七、实例分析
以图(6-5)为例,计算出系统输入三阶互调截止点(IP3INPUT)。
因此,可依式(12-9)计算取得:
IP3INPUT=mW=dBm
(5)内调制抑制率(IntermodulationRejection,IMR)
而内调制失真是显示系统的非线性特性,而三阶内交调失真是最常发生的,内调制抑制率(IntermodulationRejection)的计算公式如式(6-10),此参数为评判接收系统的对抗三阶内交调失真能力的重要参数。
其中IMR——内调制抑制度(dB)
IP3——等效输入三阶能叉点(dBm)
S——接收灵敏度(dBm)
CR——同信道抑制度(dB)
假设前例接收系统的S=-115dBm,CR=5dB,那么其内调制抑制率为:
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