05射频前端下变频器

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1、实验五 微波下变频器的测试实验实验五 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基本电路结构与主要设计参数的计算.2用实验模块的实际测量得以了解射频前端接收器的基本特性.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2LNA、本振、下变频器、滤波器1套置于实验箱内3L16-SMS或BNC-SMA转接头各24SMA连接线2根下变频RFBPF1RFBPF1滤波器IFBPFBPULNAIFAA

2、NTENNALO射频带通中频放大低噪声放大器四、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(RF Low Noise Amplifier , LNA)、下变频器(Down-Mixer , Down Converter)、中频滤波器(Intermidate Frequency Bandpass Filter , IF BPF)、本地振荡器 (Local Oscillator , 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 基带处理单

3、元(Baseband Processing Unit、BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(Message Signals). 这类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(Single Conversion configuration)。而在实际应用中也有双变频结构(Dual Conversion Configuration)，甚至多变频结构(Multi-conversion Configuration)，使用的场合视系统指标而定。因为BPU的处理频率有所限制(一般在500MHz以下)，所以需要利用变频器(Mixer)及频道振荡器(Channel Oscil

4、lator)将射频信号由射频前端接收器下变频为中频段(Intermidate Frequency Band、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(Radio Frequency Band、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 (Down Mixer)(六) 带通滤波器 (Filter)(七) 本地振荡嚣 (Local Oscillator)(八) 中频放大器

5、 (IF Amplifier)主要设计参数:(一) 接收灵敏度(Receiver Sensitivity) (式6-1) 其中 S 接收灵敏度 K 1.38*10-23(Joul/K),波尔兹曼常数(Boltzmanns Constant) T 绝对温度(K)= 273.15+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-noise Ratio) Zs 系统阻抗(System Impedance) FT 总等效输入噪声因子(Noise Factor)而上述中,总等效输入噪声因子(Noise Factor)则是由三大部分组成.(1) Fin

6、1,由接收器各单级的增益与噪声指数(Noise Figure)造成.,(2) Fin2,由镜频噪声(Image Noise)造成.(3) Fin3,由宽带的本地振荡调制噪声(Wideband LO AM Noise)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(Noise Factor) 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(对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，G

7、0 = 1 N 在接收器中,从接收端计算至混频器前的总单级数 (即不包含混频器) 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( Mixer Noise Balance) T0 室温, 290OK M 旁带频率的总个数 NT 包含混频器在内，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 )1RF-

8、BPF1G1-2.5NF12.5F11.7782RF AMPG212NF23.5F22.2393RF- BPF2G3-2NF32.0F31.5854MIXERG4-8NF48.3F46.7615IF BPFG5-1.5NF51.5F51.4136IF AMPG620NF64.0F62.5127BPUNF715F731.623而其它指标特性如下：RF- BPF2镜象衰减量 = 10dB等效噪声频宽 BW = 12KHzLO 输出功率 PLO = 23.5 dBmLO 单边带相位噪声 WNsb = - 165 dBc/Hz带通滤波器响应参数 0.0 dB fLO fIF10.0 dB 2fLO f

9、IF20.0 dB 3fLO fIF 混频噪声均衡比( Mixer Noise Balance ) 30.0 dB fLO fIF 25.0 2fLO fIF20.0 dB 3fLO fIF 系统要求经过实测后的信噪比SNR d= 6 dB (3.981)(一) 求Fin1由上述公式可计算出下列结果.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-BPF10.010.778RF AMP-2.50.5622.204RF-BPF29.58.9130.066MIXER7.55.6231.025IF BPF-0.50.8910.464IF AMP-2

10、.00.6312.396BPU1863.0960.485故可得： (1) Fin1 = 1+ 0.778 + 2.204 + 0.066 + 1.025 + 0.464 + 2.396 + 0.485 = 8.418(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 )1RF-BPF1G1-2.50.562NF12.5F11.7782RF AMPG21215.849NF23.5F22.2393RF-BPF2G3-100.1NF30.0F31.0单级名称前级镜频总

11、增益 ( dB )前级镜频总增益 ( linear)各级镜频贡献 ( linear)RF-BPF10.010.778RF AMP-2.50.5622.204RF-BPF29.58.9130.0 (2) (三) 求Fin3频率fLO+ fIFfLO- fIF2fLO+ fIF2fLO- fIF3fLO+ fIF3fLO- fIFLSb( dB )0010102020MNBSb( dB )303025252020噪声1.98419.840.6280.6280.1980.198其中,计算到混频器的总增益, , 及 WNsb = -165 dBc/Hz, To = 290oK，k = 1.38 x 1

12、0-23（Joul / oK）.可得Fin3 = 1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62 ( 四 ) 求FT = Fin1 +Fin2 +Fin3=8.418+0.63+5.62=14.668( 五 ) 求接收灵敏度 , Sensitivity.( 二 ) 接收选择度(Receiver Sensitivity )接收选择度亦可称为邻信道选择度(Adjacent Channel Selectivity ，ACS)，是用来量化接收器对相邻近信道的接收趋势，目前国际间在电波段规范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，而且这个参数经

13、常限制系统的接收性能。接收选择度是由下列五大部分组合而成.其定义如(式6-6)所示.(1) 单边带相位噪声(SSB Phase Noise )(2) 本地振荡源的噪声 ( LO Spurious Signal)(3) 中频选择性 ( IF Selectivity)(4) 中频频宽 ( IF Bandwidth)(5) 同波道抑止率 ( Cochannel Rejection)或截获率 ( Capture Ratio) (式6-6) 其中ACS (dB) 对应于接收灵敏度(Nominal Receiver Sensitivity ) 的邻信道选择度(Adjacent Channel Select

14、ivity )CR(dB) 同信道抑止率(Cochannel Rejection)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(IF Noise Bandwidth) 与邻信道频率差值(Channel Spacing)Sp(dBc) 本地振荡信号(本信道)与出现在频率为(fLO+)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)处的相位噪声PNSSB (dBc/Hz)SP (dBc)fLOfLO+BW (Hz)Frequency (Hz)Power (dBm)图6-2本地振荡信号的频谱 (三)

15、接收噪声响应(Receiver Spurious Response)从中频端观察，所有非设计所需的信号皆为噪声信号(Spurious Signal)，而大部分的接收噪声信号来源于RF与LO的谐波混频(Harmonic Mixing)。在实际应用中，不可能没有噪声，主要看其功率是否在系统允许范围之内，由混频器的特性，可以式(12-7)来表示RF、LO与IF三端频率的相互关系： (式6-7)较常出现的接收噪声响应有下列三项，可以图6-4表示。 (1) 镜频(Image), fRF 2fIF (2) 半中频(Half-IF), fRF(fIF/2)(4) 中频( IF), fIFfIFfRF + f

16、IF/2fRF + 2fIFfRFfLO中频杂波半中频杂波镜象频率杂波 图6-3常见的接收杂波响应然而在全双工发收机(Full-Duplxer Radio ,即是发射与接收同时作用)，则还会再多出现两项杂波，如图示6-5所示。fTXfRX 双工镜频杂波半双工杂波 图6-4常见于全双工接收的噪声(四) 接收互调截止点(Receiver Intercept Point ) 互调截止点(Intercept Point )是电路或系统线性度(Linearity)的评价指标，可由此推算出输入信号是否会造成的失真度(Distortion)或互调产物(Intermodulation(IM) Products

17、)，其定义如图6-6所示。11IPnn1n阶 交叉 点输入功率 (dBm)输入功率(dBm)设计信号增益非设计信号增益 图6-5 n阶互调截止点在实际应用上,常用的互调截止点有(1)二阶互调截止点(Second-Order Intercept Point , IP2)与(2)三阶互调截止点(Third-Order Intercept Point , IP3)。(1) 二阶互调截止点(Second-Order Intercept Point , IP2 )IP2 是用来判断混频器对半中频噪声的抑制能力的主要参数，对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

18、式( 6-8)所示，并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)RFBPF1RFBPF1LNADOWNMIXERANTENNA图6-6射频前端接收器基本电路结构图通带增益 (dB)-210-2-半中频选择度 (dB) 10015二阶输入互调截止点(dBm)-IP2 = 40 dBmIP2INPUT= 40 (-2+10-3) + 2(10+0+15) = 85 dBm(2) 半中频噪声抑制度(Half-IF Spuriors Rejection，1/2_IFR ) 1/2_IFR = ( IP2

19、 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 = -115 dBm ，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(Takeover Gain for RF Amplifier , 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(Noise Factor ) Gamp 射频放大器的增益(Gain

20、) Fmixer 混频器的噪声因子(Noise Factor )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( n1).对半中频而言, n = 2。(4) 三阶互调截止点(Third-Order Intercept Point，IP3 )IP3是用来决定接收系统抵御内调制失真(IM Distortion )的能力，计算步骤如下：1、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) ，对于滤波器衰减器，IP3 = 。2、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

21、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(IP i)的单位从dBm换算成mW。 Ipn(mW) = 10 Ipn(dBm) / 104. 假设各单级的输入互调截止点皆是独立不相关，则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。 IP3 INPUT（dBm）= 10.log(IP3 INPUT（mW）)六、模块测量测量步骤：1、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，

22、并校准仪器，为测试做准备。3、测量相关的各个模块的特性。4、相关的各模块连接在一起构成下变频器单元。并测量参数。用对其最终输出进行测试，看是否满足要求。 4、实验记录:记录各个模块的主要参数值。5、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：按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IF70MHzBPF2170 MHz微波锁相源LO 2100MHz信号发生器射频信号40dBmLO IF RF 频谱分析仪LNA2170M（30dB）A B C 图6-7 基本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2100MH

23、zdBm射频信21700MHzdBm中频信号70 MHzdBmLNA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 )。所以,可依式(12-9)计算得到：IP3INPUT = 8.02 mW = 9.04 dBm(5) 内调制抑制率(Intermodulation Rejection，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(Intermodulation Rejection)的计算公式如式(6-10)，此参数为评价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 = -115 dBm , CR = 5 dB , 则其内调制抑制率为： 23