無線接收機(jī)系統(tǒng)

1、無線接收機(jī)系統(tǒng)        無線接收機(jī)系統(tǒng)無線通信是近年射頻與微波電路發(fā)展的最大推動(dòng)力典型的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)離不開射頻與微波電路 任何無線通信系統(tǒng)都包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個(gè)基本部分。發(fā)射機(jī)的功能是將信號(hào)調(diào)制到載波上，并由天線輻射出去。 接收機(jī)的功能則相反，將天線接收到的加載在載波上的信號(hào)恢復(fù)出來。  發(fā)射機(jī)和接收機(jī)由調(diào)制器、功率放大器、頻率合成器、低噪聲放大器、解調(diào)器、天線以及相關(guān)的濾波器、耦合器等有源、無源基本射頻與微波電路單元構(gòu)成。  正確理解接收機(jī)、發(fā)射機(jī)電氣特

2、性的有關(guān)參數(shù)，對(duì)射頻與微波電路設(shè)計(jì)十分重要。它是我們對(duì)各類有源、無源射頻與微波電路提出要求的依據(jù)。 外差接收機(jī)（二次混頻接收系統(tǒng)）濾波器1限制輸入信號(hào)的通帶以減少互調(diào)干擾以及本振通過天線的輻射。低噪聲放大器放大的信號(hào)與第一本振輸出的信號(hào)同時(shí)加到混頻器1，其輸出的高中頻信號(hào)經(jīng)高中頻濾波器1濾波后被高中頻放大器1放大。被放大的高中頻信號(hào)與第二本振輸出的信號(hào)經(jīng)混頻器2再次混頻后，得到的低中頻信號(hào)通過低中頻濾波器2濾波后，最后送到檢波器恢復(fù)出基帶信號(hào)。 對(duì)接收系統(tǒng)的要求1靈敏度（Sensitivity）：接收機(jī)靈敏度衡量接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力，對(duì)于模擬接收機(jī)用信噪比（SNR）量度，對(duì)數(shù)字接收機(jī)則用誤

3、碼率（BER）表示。 2選擇性（Selectivity）：接收機(jī)的選擇性衡量接收機(jī)抗拒接收相鄰信道信號(hào)的能力。要實(shí)現(xiàn)70-90dB選擇性是很困難的。 3雜散響應(yīng)抑制比：抑制非有用信號(hào)的通道響應(yīng)能力對(duì)于降低干擾是很重要的。通過選擇合適的中頻和使用多種濾波器可以實(shí)現(xiàn)。抑制比在70-80 dB 。 4交調(diào)抑制比: 接收到的一個(gè)或多個(gè)射頻信號(hào)可能在接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生同信道干擾。這些干擾信號(hào)被稱為交調(diào)乘積項(xiàng)。通常大于70 dB 抑制比可滿足要求。 5頻率穩(wěn)定性（frequency stability）：本振的頻率穩(wěn)定性對(duì)于降低頻率調(diào)制，相位噪聲十分重要。常用的頻率穩(wěn)定技術(shù)有介質(zhì)諧振器、鎖相環(huán)、頻率綜合器等。

4、6輻射（radiation emission）：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務(wù)必低于FCC規(guī)定的電平。 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍（DR）接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是指接收機(jī)可檢測(cè)的最小信號(hào)與在失真允許情況下能接收的最大信號(hào)的范圍。 最小可檢測(cè)信號(hào)受限于接收機(jī)噪聲。在失真允許情況下最大接收信號(hào)取決于接收機(jī)的飽和輸出特性。如果輸入功率低于動(dòng)態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。 如果輸入功率超過動(dòng)態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和。接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是設(shè)計(jì)射頻與微波電路的重要依據(jù)之一。 實(shí)際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點(diǎn) 接收機(jī)噪聲源接收機(jī)噪聲來自兩個(gè)方面，一是天線接收到的噪聲，二是接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪

5、聲。 天線接收到的噪聲包括天空噪聲（sky noise），大氣噪聲（atmospheric noise），地球噪聲（earth noise）、銀河噪聲（galactic noise）和人工噪聲（man-made noise）。 天空噪聲的噪聲功率可表示為 式中B是帶寬，k = 1.38x1023 J/K，是波爾茲曼常數(shù)。TA是天線噪聲溫度。 大氣噪聲源于閃電等因素，在10KHz附近最強(qiáng)，頻率超過20MHz一般可忽略。銀河噪聲來自遙遠(yuǎn)的天體，其最大值在20MHz附近，到500MHz可忽略。 人工噪聲源多種多樣。任何電路斷開與合上時(shí)，在電路上產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖都是人工噪聲源，從通信、廣播、電

6、視、雷達(dá)、系統(tǒng)以至輸電線的電磁輻射被天線接收后都可看作對(duì)有用信號(hào)的干擾。 接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲包括放大器、濾波器、混頻器、檢波器各級(jí)產(chǎn)生的噪聲。接收機(jī)內(nèi)部噪聲限制了接收機(jī)檢測(cè)的最小信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度必須大于噪聲一定強(qiáng)度才能被檢測(cè)到。 接收機(jī)內(nèi)部噪聲分類1熱噪聲（Thermal, Johnson, or Nyquist noise）：電阻熱噪聲源于束縛電荷的隨機(jī)起伏。在通帶B范圍內(nèi)熱電阻噪聲電壓的均方值為 式中k為波爾茲曼常數(shù)；T是電阻器的絕對(duì)溫度，單位K；B是帶寬，單位為Hz；R是電阻，單位為W。熱噪聲分布與頻率無關(guān)，也叫做白噪聲。 2閃粒噪聲（shot noise）：閃粒噪聲源于真空電子管、固態(tài)

7、器件發(fā)射電子的起伏。 31/f噪聲（Flicker or 1/f噪聲）：顧名思義，1/f噪聲與頻率成反比，從1Hz到100MHz范圍內(nèi)1/f噪聲才是重要的。超過100MHz熱噪聲起主要作用。 接收機(jī)的主要參數(shù) 信噪比 接收機(jī)輸出信號(hào)的質(zhì)量可用信噪比（Signal-to-noise ratio, SNR）表示          （1.1） 信號(hào)可檢測(cè)，要求信噪比大于3dB。對(duì)于移動(dòng)電話，S/N要求大于15dB。對(duì)于固定電話要30dB，電視要40dB，而對(duì)于高保真音樂則要60dB。對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)，高的信噪比就相當(dāng)于高的檢

8、測(cè)概率低的虛警概率。如果信噪比達(dá)到16dB，檢測(cè)概率可達(dá)到99.99%而虛警概率低于106。 噪聲系數(shù)接收機(jī)可用一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)表示。對(duì)于任何一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)F的定義是 噪聲系數(shù)常用分貝表示，記為NF。對(duì)于增益為G的二端口網(wǎng)絡(luò)    輸出噪聲No應(yīng)為N0 = GNi +網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn。  網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn為             （W）  故  所以   （W）  故以分貝

9、表示的輸出噪聲等于輸入噪聲No(dB)加上噪聲系數(shù)F(dB)和增益G(dB)。 噪聲系數(shù)要只反映器件本身噪聲性能，而與輸入噪聲無關(guān)，故噪聲系數(shù)的定義應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)噪聲源Ni。 對(duì)于N個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)連組成的系統(tǒng)，其總的噪聲系數(shù)為 N個(gè)網(wǎng)絡(luò)的級(jí)連 由此可見，第一級(jí)的增益、噪聲系數(shù)對(duì)總鏈路的噪聲系數(shù)起決定作用。注意式中G、F是功率比。對(duì)損耗為L（以功率比表示）的無源器件，G = 1/L，F(xiàn) = L。 噪聲溫度 等效噪聲溫度定義為 式中To = 290°K，F(xiàn)以功率比表示，所以 因此級(jí)連放大器的等效噪聲溫度可表示成 Ten是n級(jí)以K表示的等效噪聲溫度。 動(dòng)態(tài)范圍 混頻器、放大器以至整個(gè)

10、接收機(jī)通常工作于線性區(qū)域，即輸出功率與輸入功率呈線性關(guān)系，其比例系數(shù)就是轉(zhuǎn)換損耗或轉(zhuǎn)換增益。線性工作時(shí)，輸入功率的變化范圍，稱為動(dòng)態(tài)范圍（dynamic range, DR）。如果輸入功率超過動(dòng)態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和；如果輸入功率低于動(dòng)態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。 動(dòng)態(tài)范圍定義為1dB壓縮點(diǎn)（1dB compression point）和最小可檢測(cè)信號(hào)（minimum Detectable Signal, MDS）之間的區(qū)域。既可用輸入功率表示，也可用輸出功率表示。 匹配電阻負(fù)載的噪聲電平為 如果假定T為室溫（290K）， 帶寬為1MHz，則 最小可檢測(cè)信號(hào)（MDS）定義為比噪聲功率高

11、3dB的電平，故 MDS = 114dBm + 3dB = 111dBm 所以在室溫及1MHz帶寬條件下最小可檢測(cè)信號(hào)（MDS）為111dBm (9.74x1012mw) 當(dāng)中頻輸出功率與線性時(shí)相比減小1dB，或轉(zhuǎn)換損耗增加1dB的點(diǎn)就叫做1dB壓縮點(diǎn)。此1dB壓縮點(diǎn)就定義為動(dòng)態(tài)范圍的上限。 對(duì)于增益為G的放大器或接收機(jī)在1dB壓縮點(diǎn)，以dBm計(jì)的輸入信號(hào)功率或驅(qū)動(dòng)功率（PD）由圖可見為： 對(duì)于轉(zhuǎn)換損耗為Lc的混頻器 注意式中PD、Pout都以dBm表示，而G、Lc以dB表示。Pout是1dB壓縮點(diǎn)輸出功率，PD則是1dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入功率。 根據(jù)前面定義的1dB壓縮點(diǎn)以及增益、帶寬、噪聲系

12、數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍DR就是1dB壓縮點(diǎn)輸入信號(hào)功率電平與最小可檢測(cè)輸入信號(hào)電平之差，即 注意，PD和MDS用dBm表示，DR則是dB。 當(dāng)不止一個(gè)信號(hào)加到輸入端時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍定義為“spurious-free region”，如果輸入信號(hào)電平相等，“spurious-free”動(dòng)態(tài)范圍DRsf 式中IP3為二個(gè)信號(hào)輸入時(shí)三階交截點(diǎn)（Third-order two-tone intercept）。 三階交截點(diǎn)和交調(diào)分量 當(dāng)兩個(gè)頻率為f1、f2的信號(hào)源或更多頻率的信號(hào)源加到一個(gè)非線性器件時(shí)，原則上將會(huì)產(chǎn)生 多個(gè)交調(diào)分量（Intermodulation (IM) products），并可分為二階交調(diào)分量 ，

13、三階交調(diào)分量 ，以及更高階交調(diào)分量。    兩信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生的新的頻率分量 fIF1和fIF2是需要的中頻輸出信號(hào)，fIM1和fIM2是三階交調(diào)信號(hào)。 兩信號(hào)輸入時(shí)三階交調(diào)分量特別受到關(guān)注，因?yàn)樗锌赡苈湓谥蓄l帶通范圍內(nèi)。 產(chǎn)生三階交調(diào)的過程是，輸入信號(hào)f1和f2混頻，再跟本振差拍，得到           （1.4） 注意頻率間隔D為 這些三階交調(diào)信號(hào)幅度相對(duì)較大，且又很難用濾波器從中頻輸出信號(hào)（fIF1, fIF1）中濾除，要特別予以重視。 混頻器或接收機(jī)對(duì)三階交調(diào)信號(hào)的抑制程度可用三階交截點(diǎn)度量。三階交截點(diǎn)反映了所研究系統(tǒng)線性特性。 在線性工作區(qū)，如果輸入信號(hào)功率增