第13章 射频微波系统--魏峰

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2. 其他形式的接收机 为了提高接收机的接收灵敏度，现代接收机采用二次
混频方案，如图13 - 7所示。
天线 第一混频 滤波1 RF 放大 滤波2 第一中频 第一中放 滤波器 第二混频 第二中频 检波器
第一本振
～
～
第二本振
图 13-7 二次混频接收机
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LO 滤波
～
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♦
天线接收空间信号，射频滤波器通过预定波道频率阻 止邻近波道信号。高频放大器是小信号低噪声放大器， 其性能影响整机噪声系数和接收灵敏度。本振信号有足
够的功率以驱动混频器，一般地，本振功率在7dBm以上。
中频放大器的灵敏度一般在－ 60dBm 以下，这是一个节 点。接收机的调试要分段进行，每一大段都是对的，才 能保证接收机工作正常。
算成mW：
IPn (mW)=10IPn (dBm)/10
♦
(4) 假设各级的输入互调截止点皆独立不相关，则系统
输入三阶互调截止点为各级的输入互调截止点的并联值，
即
IP3INPUT 1 1 i 1 IP i
N

1 1 1 1 ... IP IP IPN 1 2
mW
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♦
图 13 - 14 给出了两个常用双工系统，图（ a ）适用 于数据传输系统，开关控制发射与接收的切换，发射与 接收频率相同；图 (b) 是异频双工，发射与接收频率
不同，两个滤波器的中心频率不同，同时工作，互不影
响，这个电路就是移动通信手机的工作方式。
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数据
调制
上变频
功放
T/R 开关
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13.1.1 发射机基本参数
发射机的基本参数介绍如下：
♦
(1) 频率或频率范围: 用来考查微波振荡器的频率及其 相关指标、温度频率稳定度、时间频率稳定性、频率负 载牵引变化、压控调谐范围等，相关单位为MHz、GHz、
ppm、MHz/V等。
♦
(2) 功率: 与功率有关的指标有最大输出功率、频带功 率波动范围、功率可调范围、功率的时间和温度稳定性，
♦
静态参考灵敏度是指接收机在静态理想传播环境（相当于有 用信号直接输入接收机，没有任何外界干扰）下，错误比特
率小于某一规定值时接收机可以接收最小有用信号的能力。
通常所讲的基站灵敏度一般是指它的静态参考灵敏度。
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Eb/Nt=Pmin-Pnoise-Nf
式中， K ＝ 1.38×10-23J/°K ， 是波尔兹曼常数； T0 为标准噪声温 度， T0=290K ； Nf 为接收机总的噪声系数 ;
面所学知识的组合。
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13.2 射频接收机的基本知识 13.2.1 射频接收机基本参数
(1) 接收灵敏度:
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描述接收机对小信号的反应能力。对于模拟接收机，满足 一定信噪比时的输入信号功率 ; 对于数字接收机，满足一定 误码率时的输入功率。一般情况下接收灵敏度在 -85dBm 以下。
♦
从中频端观察，所有非设计所需的杂波信号皆为噪声
信号，而大部分的接收噪声信号来源于RF与LO的谐波混 频。在实际应用中，不可能没有杂波，要看杂波功率是 否在系统允许范围之内。由混频器的特性可知，RF、LO 与IF三端频率的相互关系为
f BF
♦
nf LO f IF m
(13-12)
较常出现的接收杂波响应有下列三项: 镜频 fRF±2fIF、 半中频fRF±(fIF/2)、中频fIF，如图13 - 9 所示。
(13-11)
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♦
它由下列五大部分组合而成: 单边带相位噪声、本地振
荡源的噪声、中频选择性、中频带宽、同波道抑止率或截 获率。式中， ACS 对应于接收灵敏度的邻信道选择性，单 位为dB; CR为同信道抑止率，单位为dB; IFS为中频滤波器 在邻信道频带上的抑制衰减量，单位为dB;Bw为中频噪声频
(5) 将系统输入三阶互调截止点 (IP3INPUT) 的单位从 mW
换算成dBm:
IP3INPUT（dBm）=10 lg(IP3INPUT（mW）)
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计算实例： 以图13-13为例，计算系统输入三阶互调截止点 IP3INPUT。已知条件见表 13-7。
天线 混频 RF LNA RF LFA
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13.2.5 接收机的选择性
接收选择性亦称为邻信道选择度ACS，是用来量化接收机对相 邻近信道的接收能力。当今，频谱拥挤，波段趋向窄波道，更显示 了接收选择性在射频接收器设计中的重要性。这个参数经常限制系 统的接收性能。
♦
接收选择度的定义为
ACS CR 10lg[10( IFS /10) 10( SP /10) Bw 10( PNSSB /10) ]
♦
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输入二阶互调截 止点IP2INPUT的计算方式为
(13-13)
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3. 三阶互调截止点IP3
♦
IP3 是用来决定接收系统抵御内调制失真的能力，计算
步骤如下：
♦
(1) 绘出系统的电路方块图， 并标明各级的增益 ( 单位为 dB) 、三阶互调截止点 ( 单位为 dBm) 。对于滤波器和衰减器， IP3=∞。
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fIF fRF
fRF＋fIF/2 fL O
fRF＋2fIF
中频杂波
半中频杂波
镜像频率杂波
图 13-9 常见的接收杂波响应
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13.2.7 接收互调截止点
♦
互调截止点是射频 / 微波电路或系统线性度的评价指
标，由此可推算出输入信号是否会造成失真度或互调产
相关单位为mW、dBm、W、dBW等。
♦
(3) 效率: 供电电源到输出功率的转换效率。这一参数 对于电池供电系统尤为重要。
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♦
(4) 噪声: 包括调幅、调频和调相噪声，不必要的调制
噪声将会影响系统的通信质量。
♦
(5) 谐波抑制: 工作频率的高次谐波输出功率大小。通 常对二次、三次谐波抑制提出要求。基波与谐波的功率 比为谐波抑制指标。工程实际中，基波与谐波两个功率 dBm的差为dBc。
～
频率合成器
数据
解码
下变频
低噪放
(a )
R F 检波 O/P 功放控制 /2 数据 T6C 双工器 ～ 117 MHz LNA UHF RX 耦合器 TX
～ AGC 4 ～ LO %4
声表滤波
混频
增益控制
(b )
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图 13-14 两个双工系统
13.4 雷达基本原理
LPF
A/D
LNA
镜像抑制 滤波器
IF 滤波器
cos 1t
cos 0t
LPF
A/D
sin 1t
超外差结构
LPF A/D
LNA
cos 1t
LPF
A/D
sin 1t
14
零中频结构
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13.2.3 接收机灵敏度
♦
接收机灵敏度是衡量接收机在一定条件下能够接收小信号的 能力，它和诸多因素有关。例如，在不同的误码率、信噪比 等条件及不同的接收环境（静态、多径信道模型）情况下灵 敏度概念和数值可能各不相同。
♦
(2) 换算出各级的等效输入互调截止点，公式如下:
IP n IP3n Gi
I 1
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n 1
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式中，IPn是第n级的等效输入三阶互调截止点，单位
为dBm；IP3n是第n级的三阶互调截止点，单位为dBm；Gi
是各级的增益，单位为dB。
♦
(3) 将各级的等效输入互调截止点 (IPi) 的单位从 dBm 换
射频/微波电路导论
主讲人：魏 峰
第13章 射频/微波系统
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♦
♦ ♦ ♦ ♦
13.1 射频发射机的基本知识
13.2 射频接收机的基本知识 13.3 全双工系统 13.4 雷达基本原理 13.5 通信基本原理
2
13.1 射频发射机的基本知识
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图 13-13 接收系统的IP3计算实例
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表 13-7 已知条件
依据式(13- 16)，计算得 IP3INPUT=8.02mW=9.04 dBm
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13.3 全双工系统
♦
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在现代发射机和接收机系统中，通常使用一个天线工 作。发射信号和接收信号靠双工器分开，可以用作双工 器的射频/微波元件有高速开关、滤波器、环行器等。
射频驱动放大器、射频功率放大器、载波振荡器、载波
滤波器、发射天线。
天线 上变频 待发射 基带 信号 IF 滤波 放大 LO 滤波 RF 滤波 放大 功放
～
本振
图 13-1 基本射频前端发射机电路
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♦
这些电路单元在前面均有介绍。放大器的基本原理与
设计方法可参考第 8 章，滤波器的基本原理与设计方法 可参考第7章，振荡器可参考第9章和第10章，天线在第 12 章有详细描述。在电路单元中还会用到耦合器、 隔 离器、 匹配电路或衰减器等。一个发射机系统就是前
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♦
(3) 将待发射的低频信号调制到发射中频（如70 MHz） 上，经过多次倍频得到发射机频率，然后再经功放、滤
波输出到天线。近代通信中常用此方案。
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♦
发射机典型电路如图13 - 1所示，可分成九个部分: 中频放大器、中频滤波器、上变频混频器、射频滤波器、
Pmin 接收机灵敏度 ;
Eb/Nt为接收机的解调门限，取决于该系统的调制方式和解调算法；
Pnoise为本地噪声。
♦
Pnoise=10Log(K T0)+10Log(BW)=-174dBm+10Log(BW)
BW为信号带宽，单位Hz。
F2 1 F3 1 Nf F1 ... G1 G1G2
(2) 选择性:
描述接收机对邻近信道频率的抑制能力。不允许同时有两
个信号进入接收机。一般地，隔离指标在60dB以上。
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(3) 交调抑制:
接收机会有双频交调失真。在发射机和功率放大器中， 大信号时会出现三阶互调失真。一般要求交调抑制在 60dB 以上。 (4) 频率稳定度: 描述接收机的本振信号的频率稳定度，影响接收机的中 频信号的质量。
宽 Δ 与邻信道频率的差值，单位为 Hz ； Sp 为本地振荡信号
与出现在频率为 fLO+Δ 处的邻信道噪声的功率比，单位为 dBc; PNSSB(dBc/Hz) 是本地振荡信号在差频 Δ 处的相位噪 声，单位为dBc/Hz，如图13-8所示。
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13.2.6 接收杂波响应
(5) 本振辐射:
由于混频器的隔离不好，本振信号进入接收信号通路， 通过天线辐射，引起系统的三阶交调失真加重。
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13.2.2 接收机基本结构
接收机几乎都是超外差形式，即本振信号与接收信号 进行混频，得到中频信号，经放大处理后解调信号。 1. 基本电路
天线 混频器 RF LNA RF IF IFA 解调
♦
(1) 直接产生发射机输出的微波信号频率，再调制待发射信 号。在雷达系统中常用脉冲调制微波信号的幅度，即幅度键 控。调制电路就是 PIN 开关。调制后信号经功放、滤波输出 到天线。
♦
(2) 将待发射的低频信号调制到发射中频（如 70MHz ）上，
与发射本振（微波 / 射频）混频得到发射机输出频率，再经 功放、滤波输出到天线。在通信系统中常用此方案。
物。接收机的互调定义与功放或发射机的互调定义类似， 如图 13-11 所示。
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输入功率/dB m IP n n阶交叉点
设计信号增益 1 n 1 O
非设计信号增益
1
输入功率/dB m
图 13-11 n阶互调截止点
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1. 二阶互调截止点IP2
♦
(6) 杂波抑制: 除基波和谐波外的任何信号与基波信号
的大小比较。直接振荡源的杂波就是本底噪声，频率合
成器的杂波除本底噪声外，还有可能是参考频率及其谐 波。
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13.1.2 发射机基本结构
要发射的低频信号（模拟、数字、图像等）与射频 / 微波信
号的调制方式有三种可能形式：