5.8GHz微波接收机电路设计

5.8GHz微波接收机电路设计

蓝庆华姜福广邓洪波1 时间:2008年09月04日

字体: 大中小关键词:动态范围噪声系数带通滤波器混频器本振

摘要:提出了一种5.8GHz微波接收机电路设计方案,针对系统标准给定的要求,提出了接收机系统设计的原理和方法,介绍了具体电路设计,给出了实验结果和分析。

关键词: DSRC 噪声系数灵敏度动态范围混频器

DSRC作为一种专用的无线短距通信协议,主要针对固定于车道或路侧的路侧单元(RSU)与转载于移动车辆上的车载单元(OBU)之间的通信接口规范。本文采用广泛使用的被动式欧洲DSRC标准,其主要技术指标如下:工作频率为5.8GHz,下行数据为FM0编码,速率为500kbps,调制方式为幅度(AM)调制;上行数据为NRZI编码,速率为250kbps,调制方式为2MHz或1.5MHz副载波的二进制相移键控(BPSK)调制,数据误码率为10-6。图1为DSRC通信系统工作模式。它采用半双工的通信模式,主要有两种工作方式:下行和上行方式。当在下行方式时,RSU为发射模式,而OBU 为接收模式,RSU发射以AM调制方式把调制信号F_AM加到5.8GHz的载波频率F0上。当在上行方式时,RSU为接收模式,而OBU为发射模式,RSU发射连续的5.8GHz载波F0给OBU,并与OBU中的2MHz或1.5MHz的副载波BPSK调制信号Fm混频后,再通过天线反射回RSU上的接收机进行同步解调。

本文针对DSRC通信系统给定的要求,提出了一套含OBU和RSU的频率为5.8GHz的微波接收电路,具有灵敏度高、动态范围大等特点,并在最后介绍了系统的实验情况。

1 设计原理

1.1 接收系统的作用距离和灵敏度估算

OBU的下行唤醒作用距离为:

(1)式中,λ=载波的波长=5cm;P0=RSU发射机的功率输出=18dBm;G t为RSU的天线增益

=13dB;G r=OBU的天线增益=6dB;L s=车辆挡风玻璃造成的损耗=-5dB;S min=OBU的唤醒灵敏度

=-40dBm。因此可求得OBU的下行唤醒作用距离在15m左右。

OBU接收到的功率,经OBU的BPSK副载波调制后,再发射回RSU接收机,故接收功率为:

(2)式中,L b为OBU的副载波调制和转发损耗,约为-6dB;R为上行链路时OBU与RSU接收机的距离。所以当R为5m～11m的正常通信范围时,RSU接收机射频端的动态起伏为-84dBm～

-97dBm,RSU接收机灵敏度必须<-97dBm。

1.2 RSU接收机的总体设计

本系统为微波反射式系统,OBU反射RSU发射机的载波作为上行发射载波?熏故RSU接收机的RF信号与本振LO信号相同。所以本接收机采用零中频接收方案设计,因为上行副载波BPSK 调制信号是双边带调制,它的频谱位于载频的两边,故不需要镜频抑制。如图2所示,RSU接收机主要由射频带通滤波器、低噪声放大器、混频器、中频带通滤波器和中频放大及BPSK解调电路组成。

针对系统对接收机的要求,在接收机设计中,主要注重以下几个方面:接收机的噪声系数设计、接收机的大动态范围设计、接收机微波无源部件的准确设计。考虑其全面的性能,在具体电路设计中,必须均衡设计各级的噪声系数、功率增益,保证各个无源部件的准确性,合理分配部分电路的指标,以达到系统对接收机的要求。

1.3 RSU接收机的灵敏度

对于相干解调的BPSK信号的比特误码率BER为:

(3)式中,S/N为输入信号的信噪比。因此,为了获得10-6或更少的数据误码率,中频放大器端的信噪比必须大于10.5dB。而RSU接收机所需的信号功率可表示为:

(4)式中,k=波尔兹曼常数,T=室温(290K),B=中频带宽=1MHz?熏NF=RSU中频放大器前端的噪声系数,S/N为中频放大器输入端信噪比>10.5dB。

RSU中频放大器前端的噪声系数为:

(5)式中,NF1=1/G1=射频带通滤波器插入损耗=2dB,NF2=低噪声放大器噪声系数

=2.1dB,NF3=混频器单边噪声系数=5dB,G2=低噪声放大器增益=24dB(见图2)。G3=混频器的增益=-8dB,NF4=中频带通滤波器噪声系数=3dB。

当S/N为最小所需信噪比(10.5dB)时,可求得RSU接收机的灵敏度为:

故可以满足系统的设计要求。

1.4 RSU接收机的动态范围

动态范围是指以某种方式降低接收机性能的较强带外信号电平与极微弱信号之比。通常考虑的弱信号就是接收灵敏度。动态范围通常有两种表现方式,即用1dB增益压缩表示的单音动态范围和三阶互调表示的双音动态范围。本接收系统中,主要考虑单音动态范围。RSU接收机总的三阶互调输入截断点(IP3)3为:

(6)式中,(IP3)1=射频带通滤波器的IP3=∞,(IP3)2=第一级LNA的IP3=15dBm,(IP3)3=第二级LNA的IP3=23dBm;(IP3)4=混频器的IP3=14dBm;G i为以上各级的增益,其中G2=15dB,G3=9dB,两级共24dB,其他增益值如图2所示。故可求得:

得(IP3)0=-8dBm。

一般而言,1dB输入压缩点P1dB-in要比三阶互调截断点约低10dB,所以RSU接收机总的P1dB-in 约为-18dBm,故接收端动态范围为-99dBm～-18dBm。本系统正常通信时接收端工作信号范围为-97dBm～-84dBm,但因为发射机的输出功率为18dBm,而收发天线之间的隔离度>38dB,考虑发射的强信号耦合,则接收机收到的最大信号P max=(18-38)dBm=-20dBm。故实际接收射频信号端动态范

围为-97dBm～-20dBm。显然,RSU接收机的动态范围满足系统的要求。

1.5 RSU接收机的微波部件设计、仿真和制作

射频带通滤波器采用耦合微带线三级级联方式,结构紧凑,寄生通带的中心频率较高,适用频带范围大。图3为带通滤波器仿真的S21和S11参数图,带通滤波器3dB带宽为5.65GHz～5.95GHz,在5.3GHz和6.3GHz带外频率点处衰减>20dB。实际测试的带内插损S21比仿真设计的要大1～2dB,这是因为滤波器相对频带仅为4%左右,此时耦合线的辐射损耗对Q值影响大,导致带内衰减加大。

扇形线应用于微波有源器件的直流偏置电路中,它与隔直电容一起确保直流偏置与射频信号的隔离。扇形的长度和连线长度都为中心频率1/4波长左右,连线一般作成弯曲的形式,便于对其长度进行微调,夹角为45°。如图4扇形线的S11和S22参数仿真图所示,扇形偏线在5.7GHz～5.9GHz频段内,插损小于0.5dB,其回波损耗约大于40dB,故能较好地对射频信号进行隔离。

2 接收机电路设计技术

2.1 OBU电路设计