超短波电台零中频接收机设计实现

超短波电台零中频接收机设计实现 电子科技大学 硕士学位论文超短波电台零中频接收机设计与实现 姓名:王立 学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:张扬彭守富 20071115 摘要 摘要 近年来随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统产品越来越普及，成为当今人类信息社会发展的重要组成部分。射频接收机位于无线通信系统的最前端，其结构和性能直接影响着整个通信系统。优化设计结构和选择合适的制造工艺，以提高系统的性能价格比，是射频工程师追求的方向。由于零中频接收机具有体积小、成本低和易于单片集成的特点，已成为射频接收机中极具竞争力的一种结构，在无线通信领域中受到广泛的关注。本文在介绍超外差结构和零中频结构性能和特点的基础上，分析零中频结构可能存在的问题，并给出零中频接收机的设计方法和相关技术。(，首先，对超外差接收机与零中频接收机作一个简单的对比，提出零中频接收机对系统设计带来的好处。 第二，对零中频接收机存在的主要问题规类，对每种类型产生的问题具体分析，分析其形成的原因。 第三，对零中频接收机存在的问题，根据当前技术情况提出一些合理的解决措施，分析零中频接收机的关键技术。 最后，结合芯片提出零中频接收机设计与实现方式，测试方法以及数据分析。在仿真设计的基础上，研制成功了超短波电台零中频接收机，指标满足设计要求。关键词:超外差、零中频、直接变频、直流漂移、低频噪声、本振泄漏、偶次失真、，,,失配 ,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,, ;,,,,,,;,,,,, ,,;,,,,,,,，,,,,,,,,;,,,,,,;,,,,, ,,,,,;,, ,,, ,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,;,,,,,,，,,,;, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ;,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,,;,,,,(,, ,,;,,,,??,, ,,;,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,, ,,, ,, ,,,,,,,, ;,,,,,,;,,,,, ,,,,,,，,,, ,,,,;,,,, ,,, ,,,,,,,,,;, ,, ,,,;,,,,, ,,,,;,,, ,,,,;, ,,, ,,,,, ;,,,,,,;,,,,, 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,,,,,,,,,,)体系结构自,,,,年由,,,,,,,,,发明以来，已被广泛采用。图,,,为超外差接收机结构框图。在此结构中，由天线接收的射频信号先经过射频带通滤波器(,,,,,)、低噪声放大器(,,,)和镜像干扰抑制滤波器(，, ,,,,,,)后， 进行第一次下变频，产生固定频率的中频(，,)信号。然后，中频信号经过中频带通滤波器(，,,,,)将邻近的频道信号去除，再进行第二次下变频得到所需的基带信号。低噪声放大器(,,,)前的射频带通滤波器衰减了带外信号和镜像干扰。第一次下变频之前的镜像干扰抑制滤波器用来抑制镜像干扰，将其衰减到可接受的水平。使用可调的本地振荡器(,,,)，全部频谱被下变频到一个固定的中频。下变频后的中频带通滤波器用来选择信道，称为信道选择滤波器。此滤波器在确定接收机的选择性和灵敏度方面起着非常重要的作用。第二下变频是正交的，以产生同相(，)和正交(,)两路基带信号【, ,。 超外差体系结构被认为是最可靠的接收机拓扑结构，因为通过适当地选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度。由于有多个变频级，直流偏差和本振泄漏问题不会影响接收机的性能。但镜像干扰抑制滤波器和信道选择滤波器均为高,值带通滤波器，它们只能在片外实现，从而增大了接收机的成本和尺寸。 电子科技大学工程硕，学位论文目前，要利用集成电路制造工艺将这两个滤波器与其它射频电路一起集成在一块芯片上存在很大的困难。因此，超外差接收机的单片集成因受到工艺技术方面的限制而难以实现„?。 中频 篓粪 选择 爰羹喜 放大器 柔磊 本振 中放 ?“ 嘉曩 滤波 柔主 本振 滤波 图,,, 二次变频超外差式接收机原理图 这种结构被普遍采用是有原因的。我们知道，天线接收到的信号频率很高而信道带宽又很小，如果要直接滤出所需信道，滤波器的,值将是一个天文数字，再加上高频电路在增益、精度和稳定性等方面的问题，在高频直接对信号进行解调是不现实的，至少目前的技术水平还无法满足这一要求。使用混频器将高频信号搬到一个低得多的中频频率后再进行信道滤波、放大和解调解决了高频信号处理所遇到的困难，但是又引入了另一个严重的问题，这就是所谓的镜像频率干扰:当两个信号的频率与本振(,,)信号频率差的绝对值相等但是符号相反，或者说它们在频率轴上对称地位于本振信号的两边，那么经过混频后这两个信号都将被搬移到同一个中频频率。如果其中一个是有用信号，另一个是干扰信号，那么干扰信号所在的频率就称为镜像频率，这种经过混频后的干扰现象通常被称为镜频干扰。为了抑制镜频干扰，普遍采用的方法是利用天线后面的滤波器滤除镜像频率成份。但是同样地，由于该滤波器工作在高频，其滤波效果取决于镜频频率与信号频率之间的距离，或者说取决于中频频率的高低。如果中频频率高，信号与镜频相距较远，那么镜频成份就受到较大的抑制;反之，如果中频频率较低，信号与镜频相隔不远，滤波的效果就较差。但另一方面，由于信道选择在中频进行，基于同样的理由，较高的中频频率对信道选择滤波器的要求也较高。于是镜频抑制与信道选择形成了一对矛盾，而中频频率的选择成为平衡这对矛盾的关键。在一些要求较高的应用中，常常使用两次或三次变频来取得更好的折裂引。 依靠考虑周到的中频频率选择和高品质的射频(镜像抑制)和中频(信道选择)滤波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范围，因此长久以来成为了事实上的唯一选择，, ,。 , 第一章概述,(,零中频接收机 并不是所有人都对这种小心翼翼地选择中频频率和滤波器的设计方式感到满意。大约在超外差结构出现,年之后，有人提出了一种把本振频率设成与信号频率相同，将高频信号通过变频直接搬移到零频率的接收机结构。与超外差接收机相比，这种被称为直接变频(,,,,;,(,,,,,,,,,,)或零中频(,,,,(，,)的结构至少有两个优点:(,)中频频率为零，不存在镜像干扰问题;(,) 信道选择在低频进行，只需要使用低通滤波器。然而，可能是遇到了多次的失败，我们的先驱们并没有实现零中频的理想，在很长的一段时期内，这种结构都无人问津【,】。 由于零中频接收机不需要片外高,值带通滤波器，可以实现单片集成，而受到广泛的重视。图,(,为零中频接收机结构框图。其结构较超外差接收机简单许多。接收到的射频信号经滤波器和低噪声放大器放大后，与互为正交的两路本振信号混频，分别产生同相和正交两路基带信号。由于本振信号频率与射频信号频率相同，因此混频后直接产生基带信号，而信道选择和增益调整在基带上进行，由芯片上的低通滤波器和可变增益放大器完成【,】。 零中频接收机最吸引人之处在于下变频过程中不需经过中频，且镜像频率即是射频信号本身，不存在镜像频率干扰，原超外差结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器均可省略。这样一方面取消了外部元件，有利于系统的单片集成，降低成本。另一方面系统所需的电路模块及外部节点数减少，降低?私邮栈 璧墓 牟?跎偕淦敌藕攀芡獠扛扇诺幕 帷荆薄俊?不过零中频结构存在着直流偏差、本振泄漏和闪烁噪声等问题。因此有效地解决这些问题是保证零中频结构正确实现的前提【,】。 二十世纪七、八十年代，微电子和通信技术出现了革命性的发展，集成电路和个人数字通信系统开始改变人们的生活方式。,,,,年,,,,,,,,推出了第一个现代意义上的寻呼机(,,,,,)，此后寻呼系统的发展一度风靡全球。寻呼机、手机这类个人通信装置由于随身携带，所以必须做到体积小、重量轻，并且非常省电。为了达到这些目的，设计者们绞尽了脑汁。大家的共识是尽量利用集成电路技术，将电路元件做在芯片内部，也就是提高电路的集成度【,】。 ,,,,年，第一个实用的零中频寻呼机终于诞生，这也是第一个小型化的个人数字通信接收机。其工作原理如图,(,所示。接收到的高频信号经过一对正交混频器(,,,,,,,,,,,,,,,)变频后产生两个正交的零中频信号，和,，这两个信号随后被低通滤波和限幅放大。由于使用简单的二进制,,,调制，最后的解调过程 电子科技大学工程硕士学位论文甚至可以用一个,触发器来完成。在大量改进的基础上，,,,,,,,在其,,,,,,,系列寻呼机中成功地应用了零中频结构。,,引脚的芯片中包含了低噪声放大器、正交混频器、信道选择滤波器、限幅放大器、,,,解调器以及本振及带隙参考源等电路模块，接收机灵敏度等指标与超外差式相比并不逊色，而片外元件总数不到,,个，其中绝大多数是电容电阻。要知道，即便是数字电路芯片也需要一定数量的外围元件【,】。 图,,,第一个零中频寻呼机原理图 , 第二章零中频接收机的结构分析 第二章零中频接收机的结构分析 不知不觉，寻呼业的热潮开始消退，但零中频结构却魅力凸显，面对个人移动通信的汹涌浪潮，人们开始尝试将它用到手机中，但是这次奇迹并没有再现。大量的研究和实践为我们揭示了症结所在。,(,直流漂移(,, ,,,,,,) 零中频结构最根本的问题在于信号一开始就被搬移到直流频段，这虽然是设计者所希望的，因为可以节省很多价格不菲的元件，但不幸的是这一频段很不“干净”，因此信号还没来得及获得足够的增益就被很强的低频干扰和噪声“污染??了。一个最广为人知的问题是本振信号的泄漏所引起的直流漂移。由于在电路中总是存在一些寄生的元件，信号与信号之间不可能做到完全隔离，总有一部分信号会发生泄漏。在一个实际的无线接收机中，本振信号可以漏到混频器的射频信号输入端，进而通过隔离度有限的低噪声放大器到达接收天线。在这条通路上，一部分泄漏的信号会被反射回来而与接收的有用信号混 杂在一起，并重新回到混频器的输入端，再经过频谱搬移出现在直流频段。这种泄漏后的本振信号与本振信号自身相混频的现象被称为“自混频”。我们看到，由于零中频接收机的输入信号频率与本振信号频率相同，在混频器的中频输出端除了所需要的零中频信号之外，还混杂了一个不需要的直流分量或直流漂移。为了使混频电路具有一定的增益，本振信号的幅度或功率通常都会选得比较大，即使经过了泄漏和反射路径上的大幅衰减，最后所造成的直流漂移仍然可以轻易地淹没有用信号【,】。 自混频所引起的漂移并不是恒定不变的，接收机周围环境的变化会导致被反射回来的泄漏信号的大小发生起伏，表现为直流漂移的时变性。引起直流漂移的原因还有电路元件的不匹配性及其偶次非线性,,】。 直流偏差是零中频特有的一种干扰，它是由自混频(,,,,,,,,,,,)引起的。泄漏的本振信号可以分别从低噪放的输出端、滤波器的输出端及天线端反射回来，或泄漏的信号由天线接收下来，进入混频器的射频口。它和本振口进入的本振信号相混频，差拍频率为零，即为直流，如图,(,所示。同样，进入低噪放的强干扰信号也会由于混频器的各端口隔离性能不好而漏入本振口，反过来和射频口来的强干扰相混频，差频为直流，如图,(,所剩,,。 电子科技大学工程硕士学位论文 图,,,本振泄漏自混频 图,,,干扰自混频 这些直流信号将叠加在基带信号上，并对基带信号构成干扰，被称为直流偏差。直流偏差往往比射频前端的噪声还要大，使信噪比变差，同时大的直流偏差可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号【，】,。 经过上述分析，我们可以来估算自混频引起的直流偏差。假设在图,—中，由天线至,点的总增益约为,,,,,，本振信号的峰峰值为,(,,,(在,,,中为,,,,)，在耦合到,点时信号被衰减了,,,,。如果低噪放和混频器的总增益为,,,,，则混频器输出端将产生大约,,,的直流偏差。而在这一点上的有用信号电平可以小到,, ,(, ,,,,。因此，如果直流偏差被剩余的,,,,增益直接放大，放大器将进入饱和状态，失去对有用信号的放大功能。 当自混频随时间发生变化时，直流偏差问题将变得十分复杂。这种情况可在下面的条件下发生:当泄漏到天线的本振信号经天线发射出去后又从运动的物体反射回来被天线接收，通过低噪放进入混频器，经混频产生的直流偏差将是时变 , 第二章零中频接收机的结构分析的。 由上述讨论可知，如何消除直流偏差是设计零中频接收机时要重点考虑的内容。,(,低频噪声(闪烁噪声, , , ;,,, ,, , ,,) 直流频段另一个令人头痛的问题是低频噪声。最常见的低频噪声为闪烁噪声 (,,,;,,, ,,,,,)，也常被称为,,,噪声，因其功率谱密度近似正比于频率的倒数而得名。闪烁噪声存在于所有的有源器件和一些电阻中，主要是由半导体的一些缺陷引起的【,(。 有源器件内的闪烁噪声又称为噪声，其大小随着频率的降低而增加，主要集中在低频段。与双极性晶体管相比，场效应晶体管的噪声要大得多。闪烁噪声对搬移到零中频的基带信号产生干扰，降低信噪比。通常零中频接收机的大部分增益放在基带级，射频前端部分的低噪放与混频器的典型增益大约为,,,,。因此有用信号经下变频后的幅度仅为几十微伏，噪声的影响十分严重。因此，零中频结构中的混频器不仅设计成有一定的增益，而且设计时应尽量减小混频器的噪声【, ,。 图,(,所示的谐波混频器中晶体管,,和,,由射频差分信号,，,，和,水驱动，,,和,,是噪声的主要来源，注入电流,,的作用是减少晶体管,,和,,中的电流，从而减小噪声。 电子科技大学,程硕士学 位论文 图,(, ,,,,谐波混频器,(,本振泄漏(,, ,,,,,,,) 零中频结构的本振频率与信号频率相同，如果混频器的本振口与射频口之间的隔离性能不好，本振信号就很容易从混频器的射频口输出，再通过低噪声放大器泄漏到天线，辐射到空间，形成对邻道的干扰，图,(,给出了本振泄漏示意图。本振泄漏在超外差式接收机中不容易发生，因为本振频率和信号频率相差很大，一般本振频率都落在前级滤波器的频带以外【,,。 ,, ,,,,,,, ,, 图,,零中频本振泄漏示意图 第二章零中频接收机的结构分析,(,偶次失真(,,,,,,,,,, , , ,,,,, , ,,) 典型的射频接收机仅对奇次互调的影响较为敏感。在零中频结构中，偶次互调失真同样会给接收机带来问题。如图,—,所示，假设在所需信道的附近存在两个很强的干扰信号，,,,存在偶次失真，其特性为 ,(,),,,,(,)，,,,,(,) (,—,) 若 ,(,),,;,,;,,,，,;,,;,,, (,—,) 则,(,)中包含口:,,;,,(;,,一嘎),项，这表明两个高频干扰经过含有偶次失真的,,,将产生一个低频干扰信号。若混频器是理想的，此信号与本振信号;,,;,,,,混频后，将被搬移到高频，对接收机没有影响。然而实际的混频器并非理想，,,口与?口的隔离有限，干扰信号将由混频器的,,口直通进入巧口，对基带信号造成干扰【,,。 , 图,(,强干扰信号在偶次失真下产生的干扰 偶次失真的另一种表现形式是，射频信号的二次谐波与本振输出的二次谐波混频后，被下变频到基带上，与基带信号重叠，造成干扰，变换过程如图,,,所不, , 电子科技大学工程硕十学位论文 图,,,射频信号在偶次失真下产生的干扰 这里我们仅考虑了,,,的偶次失真。在实际中，混频器,,端口会遇到同样问题，应引起足够的重视。因为加在混频器,,端口上的信号是经,,,放大后的射频信号，该端口是射频通路中信号幅度最强的地方，所以混频器的偶次非线性会在输出端产生严重的失真【,,。 偶次失真的解决方法是在低噪放和混频器中使用全差分结构以抵消偶次失真。,(, ,,,失配(，,, ,, ,,,,;,) 采用零中频方案进行数字通信时，如果同相和正交两支路不一致，例如混频器的增益不同，两个本振信号相位差不是严格的,,,，会引起基带，,,信号的变化，即产生，,,失配问题。以前，,,失配问题是数字设计时的主要障碍，随着集成度的提高，?失配虽已得到相应改善，但设计时仍应引起足够的重视〔,,。,(,对策和无奈 直流漂移和低频噪声是零中频接收机的致命伤，但是在寻呼机中却没有造成大的伤害，原因在于传统寻呼系统使用了简单的二进制,,,调制方式。从频谱上看，仅有少量的信号能量存在于中心频率附近，如图,。,所示，经过混频之后，可以牺牲这部分能量而使用电容隔直流的办法将大部分的直流漂移和低频噪声滤除，这也就是零中频寻呼机所采取的对策，事实它非常有效。然而在象,,, ,, 第二章零中频接收机的结构分析这样的系统中，情况就完全不同了，为了提高频谱的利用效率，,,,采用了,,,,调制。如图,(,所示，,,,,信号中心频率附近能量十分集中，使用简单隔直流的方式将对信号造成严重破坏„,,。 看起来，直接变频到零中频的设想并不是一条畅通无阻的捷径。 一 ? : : ，闫输入迹线号(,一,?，( …蚓?,(,,口,,,,,,卜……(( 暑 .