实验一 射频前端发射和接收器
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3．上变频频混频器(Up-Mixer; Up Converter)
4．射频滤波器(RFBandpass Filter)
5．射频驱动放大器(RF Driver Amplifier)
6．射频功率放大器(RF Power Amplifier)
7．载波振荡器(Carrier Oscillator; Local Oscillator)
3、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。
4、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备注
1
网络分析仪
1套
2
频谱仪
1套
3
发射器模块
1套
4
微带天线
1组
HFRF-ANT
5
50Ω SMA连接线
2条
CA-1、CA-2
发射器的载波频率需要符合系统指标，以避免在通道与其他信道的干扰，尤其在窄频带系统中更形重要。可利用锁相回路技术(Phase Locked Loop)及增加载波频率的稳定性。
(5) 邻近信道功率(Adjacent Channel Power)：
此参数是因于系统的调制方法或是由于发射器快速的开关所造成。在窄频带系统中，一般指标设定在低于载波信号功率50dB。而在宽频带系统中，则会要求到80dB。
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)，使用的时机视系统指标而定。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 Oscillator)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。
(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11-2) (式11-3) (式11-4)及(式11-5)所列.
(式12-2)
(式11-3)
(式11-4)
(式11-5)
上列公式中变量说明如下：
Fi——第i单级的噪声因子(Noise Factor)
1.镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY )：
2.载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS )： ，n=正整数
3.边带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS )：
上述噪声皆是在混频器及滤波器设计中，需要特别加以抑制处理的。
(二)混频器的主要技术参数
(1)变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN，LC)
其中m，n可为任意正负整数
在绝大多数情况下，RF频率应是载波与IF频率的和或差，即是 。至于取和频或差频则根据发射器射频指标及系统参数，利用射频输出端的滤波器可以阻隔三端间的互相干扰( ISOLATION)，以避免其他不必要的混频信号漏(LEAKAGE)到输出端造成的噪声(SPURIOUS)。 主要的噪声信号，有下列几种： (假设 )
(5)镜象抑制度( IMAGE REJECTION)
对于下变频混频器而言，IF 输出信号频率可由LO与RF两输入端信号频率相减而得。以fIF=fRF-fLO为例，镜象为fim= 2fLO-fRF。即若RF端输入镜象信号也可得到同频的IF信号， fim-fRF= fIF。 镜象所造成的问题有二：第一是提供干扰信号通路，即是镜象信号会从RF端进入，可能从IF端输出。如此势必干扰到真正系统设计的RF信号的变频输出；第二是增加混频器的噪声指数(NIOSE FIGURE) 3dB。解决的方法是在RF输入端加一个镜象滤波器来抑制镜象信号的输入。而对于上变频频混频器而言，大致与下变频频混频器相似，只是RF输入端改成IF输入端。
主要设计参数：
(一)接收灵敏度(Receiver Sensitivity)
(式11-1)
其中S——接收灵敏度
K——1.38*10-23(Joul/°K)，波尔兹曼常数(Boltzmann’s 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)
实验一射频前端发射和接收器
一、实验目的：
1、了解射频前端发射器和接收器的基本结构与主要设计参数。
2、利用实验模组的实际测量了解射频前端发射器和接收器的基本特性。
二、预习内容：
1、预习放大器、滤波器、混频器、功率放大器的原理的理论知识。
2、预习放大器、滤波器、混频器、功率放大器的设计的原理的理论知识。
(2)输入端回波损耗或电压驻波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)
如同其他射频电路，输入端的回波损耗或电压驻波比是评价匹配与否的重要参数。对混频器而言，其输入端电压驻波比规格一般定在2 ： 1 (IRL=-10 )， 最差为2.5 ： 1 (-7.3)。 而各端口的回波损耗，受LO端输入功率的增加，各端口的阻抗会随之降低，致使各端口的回波损耗变大。
其中，IP2——混频器的输入二阶互调截止点。（dBm）
PRF——混波器RF输入端的输入信号功率。（dBm）
LC——混波器输入信号频率fRF=fLO+fIF时的转频损耗（Conversion Loss）。（dB）
B——混波器输入信号频率fRF=fLO+0。5fIF时的输出端频率为2f的信号的功率。（dBm）
(6) 发射启动时间(Transmitter Turn-on Time)：
数字通讯系统发射器另一个很重要的参数是发射启动时间，它必须够短以免限制系统的信息流通量(System Throughput)。一般定义为发射器输出功率达到额定功率(rated output power)的90%所需的时间。
(四)接收器的重要设计参数：
(6)噪声抑制度(SPURIOUS REJECTION)
对混频器而言，噪声的定义是指在输出端的非设计所需频率(fIF)的其他信号。尤其是输入信号的谐波。一般是利用输出端的滤波器来抑制噪声。
(7)二阶互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT，IP2) (以下变频器为例)
IP2 = PRF+（PRF–B - LC）
(2) 内调制失真 ( Intermodulation Distortion)：
发射器的内调制失真是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后，经功率放大器内调制混频所产生的再发射信号所造成。解决的方法是在发射天线与功率放大器的间加接一个或多个环行器(CIRCULATOR ) 来降低发射器的内调制失真。
(八)中频放大器(IF Amplifier)
(一)升频混频器的基本原理
升频混频器的基本电路结构图如图1-2所示。在二极管上的电流如式(1-1)所示。
（1-1）
其中
IS——二极管的饱和电流
VIF——中频信号的振幅大小
fIF——中频信号的频率大小
VLO——载波信号的振幅大小
FLO——载波信号的频率大小
混频后的输出射频频率为
下变频器的IP2测量电路应与频谱示意图，如图1-3(a)所示。上变频器的也类似。
(8)三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT，IP3)
其中IP3——混频器的输入三阶互调截止点。
PIN——混频器输入端的输入信号的功率。
Δ——混频器输出端中，设计输出信号与内调制(INTER-MODULATION，IM)信号的功率差(dB)
图1-1(a)基本射频前端发射器结构图
图1-1(b)单变频结构射频前端接收器
如图1-1(b)可见，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将设计所要的部分(Baseband Processing Unit、BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(Message Signals).
8．载波滤波器(LO BPF)
9．发射天线(Antenna)
其中放大器的基本原理与设计方法可参考主题六，而滤波器的基本原理与设计方法已可参考主题五的说明。至于振荡器的部分，可于主题八与与主题九获得一些参考。天线部分则可由主题十得到概念。 所以，在此单元中将就上变频器部分的基本原理做一说明。并介绍发射器的几个重要设计参数。
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，G0 ' = 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)
除非有特别注明，一般的变频损耗皆按上式定义，即单边带变频耗损( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS )， 即只考虑射频输出信号频率为fLO+fIF或fLO-fIF。若是定义为双边带变频损耗(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS)， 则比单边带转频损耗低3dB。
(3)信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION)
信号端与本振端的隔离比为评价LO端与RF端，和LO 端与IF端的噪声的干扰抑制程度。
(4)LO端最低输入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED)
对于混频器而言，LO端最低输入功率的大小直接影响到混频的效果好坏。所以，一般有此项指标。而功率越低应用越方便。
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)Fin1，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.
本单元以单变频结构来说明一个射频前端接收器的各设计参数.
(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)
以上变频器为例，混频器的IP3测量图及频谱示意图，如图示1-4(a)所示。
(三)发射器的重要设计参数：
(1) 1分贝压缩功率(1dBCompression，P1dB)
功率放大器的1分贝压缩功率是发射器最大发射功率的主要参数。一般而言，对于放大器， P1dB是线性放大的最大输出功率，而P1dB则为放大器的最大饱和输出功率(SATURATION POWER)。其定义如图示1-5(a)(b)所示。
(3) 杂波抑制比(Spurious Rejection)：
射频前端发射器的较大噪声信号是因为功率放大器的大信号放大所产生的谐波。 其它噪声则是由载波振荡器与混频器所混频出来的。一般指标定为低于主要载波信号功率70至90 。
(4) 载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability)：
6
直流电源连接线
1条
DC-1
7
ADS软件
1套
微波软件
四、理论分析：
基本结构与设计参数说明：
在无线通讯中，射频发射器担任着重要的角色。无论是话音还是数据信号要利用电磁波传送到远端，必须使用射频前端发射器。如图1－1(a)所示，它大抵可分成九个部分。
1．中频放大器(IF Amplifier)
2．中频滤波器(IF Bnadpass Filter)
4．射频滤波器(RFBandpass Filter)
5．射频驱动放大器(RF Driver Amplifier)
6．射频功率放大器(RF Power Amplifier)
7．载波振荡器(Carrier Oscillator; Local Oscillator)
3、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。
4、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备注
1
网络分析仪
1套
2
频谱仪
1套
3
发射器模块
1套
4
微带天线
1组
HFRF-ANT
5
50Ω SMA连接线
2条
CA-1、CA-2
发射器的载波频率需要符合系统指标，以避免在通道与其他信道的干扰，尤其在窄频带系统中更形重要。可利用锁相回路技术(Phase Locked Loop)及增加载波频率的稳定性。
(5) 邻近信道功率(Adjacent Channel Power)：
此参数是因于系统的调制方法或是由于发射器快速的开关所造成。在窄频带系统中，一般指标设定在低于载波信号功率50dB。而在宽频带系统中，则会要求到80dB。
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)，使用的时机视系统指标而定。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 Oscillator)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。
(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11-2) (式11-3) (式11-4)及(式11-5)所列.
(式12-2)
(式11-3)
(式11-4)
(式11-5)
上列公式中变量说明如下：
Fi——第i单级的噪声因子(Noise Factor)
1.镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY )：
2.载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS )： ，n=正整数
3.边带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS )：
上述噪声皆是在混频器及滤波器设计中，需要特别加以抑制处理的。
(二)混频器的主要技术参数
(1)变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN，LC)
其中m，n可为任意正负整数
在绝大多数情况下，RF频率应是载波与IF频率的和或差，即是 。至于取和频或差频则根据发射器射频指标及系统参数，利用射频输出端的滤波器可以阻隔三端间的互相干扰( ISOLATION)，以避免其他不必要的混频信号漏(LEAKAGE)到输出端造成的噪声(SPURIOUS)。 主要的噪声信号，有下列几种： (假设 )
(5)镜象抑制度( IMAGE REJECTION)
对于下变频混频器而言，IF 输出信号频率可由LO与RF两输入端信号频率相减而得。以fIF=fRF-fLO为例，镜象为fim= 2fLO-fRF。即若RF端输入镜象信号也可得到同频的IF信号， fim-fRF= fIF。 镜象所造成的问题有二：第一是提供干扰信号通路，即是镜象信号会从RF端进入，可能从IF端输出。如此势必干扰到真正系统设计的RF信号的变频输出；第二是增加混频器的噪声指数(NIOSE FIGURE) 3dB。解决的方法是在RF输入端加一个镜象滤波器来抑制镜象信号的输入。而对于上变频频混频器而言，大致与下变频频混频器相似，只是RF输入端改成IF输入端。
主要设计参数：
(一)接收灵敏度(Receiver Sensitivity)
(式11-1)
其中S——接收灵敏度
K——1.38*10-23(Joul/°K)，波尔兹曼常数(Boltzmann’s 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)
实验一射频前端发射和接收器
一、实验目的：
1、了解射频前端发射器和接收器的基本结构与主要设计参数。
2、利用实验模组的实际测量了解射频前端发射器和接收器的基本特性。
二、预习内容：
1、预习放大器、滤波器、混频器、功率放大器的原理的理论知识。
2、预习放大器、滤波器、混频器、功率放大器的设计的原理的理论知识。
(2)输入端回波损耗或电压驻波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)
如同其他射频电路，输入端的回波损耗或电压驻波比是评价匹配与否的重要参数。对混频器而言，其输入端电压驻波比规格一般定在2 ： 1 (IRL=-10 )， 最差为2.5 ： 1 (-7.3)。 而各端口的回波损耗，受LO端输入功率的增加，各端口的阻抗会随之降低，致使各端口的回波损耗变大。
其中，IP2——混频器的输入二阶互调截止点。（dBm）
PRF——混波器RF输入端的输入信号功率。（dBm）
LC——混波器输入信号频率fRF=fLO+fIF时的转频损耗（Conversion Loss）。（dB）
B——混波器输入信号频率fRF=fLO+0。5fIF时的输出端频率为2f的信号的功率。（dBm）
(6) 发射启动时间(Transmitter Turn-on Time)：
数字通讯系统发射器另一个很重要的参数是发射启动时间，它必须够短以免限制系统的信息流通量(System Throughput)。一般定义为发射器输出功率达到额定功率(rated output power)的90%所需的时间。
(四)接收器的重要设计参数：
(6)噪声抑制度(SPURIOUS REJECTION)
对混频器而言，噪声的定义是指在输出端的非设计所需频率(fIF)的其他信号。尤其是输入信号的谐波。一般是利用输出端的滤波器来抑制噪声。
(7)二阶互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT，IP2) (以下变频器为例)
IP2 = PRF+（PRF–B - LC）
(2) 内调制失真 ( Intermodulation Distortion)：
发射器的内调制失真是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后，经功率放大器内调制混频所产生的再发射信号所造成。解决的方法是在发射天线与功率放大器的间加接一个或多个环行器(CIRCULATOR ) 来降低发射器的内调制失真。
(八)中频放大器(IF Amplifier)
(一)升频混频器的基本原理
升频混频器的基本电路结构图如图1-2所示。在二极管上的电流如式(1-1)所示。
（1-1）
其中
IS——二极管的饱和电流
VIF——中频信号的振幅大小
fIF——中频信号的频率大小
VLO——载波信号的振幅大小
FLO——载波信号的频率大小
混频后的输出射频频率为
下变频器的IP2测量电路应与频谱示意图，如图1-3(a)所示。上变频器的也类似。
(8)三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT，IP3)
其中IP3——混频器的输入三阶互调截止点。
PIN——混频器输入端的输入信号的功率。
Δ——混频器输出端中，设计输出信号与内调制(INTER-MODULATION，IM)信号的功率差(dB)
图1-1(a)基本射频前端发射器结构图
图1-1(b)单变频结构射频前端接收器
如图1-1(b)可见，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将设计所要的部分(Baseband Processing Unit、BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(Message Signals).
8．载波滤波器(LO BPF)
9．发射天线(Antenna)
其中放大器的基本原理与设计方法可参考主题六，而滤波器的基本原理与设计方法已可参考主题五的说明。至于振荡器的部分，可于主题八与与主题九获得一些参考。天线部分则可由主题十得到概念。 所以，在此单元中将就上变频器部分的基本原理做一说明。并介绍发射器的几个重要设计参数。
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，G0 ' = 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)
除非有特别注明，一般的变频损耗皆按上式定义，即单边带变频耗损( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS )， 即只考虑射频输出信号频率为fLO+fIF或fLO-fIF。若是定义为双边带变频损耗(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS)， 则比单边带转频损耗低3dB。
(3)信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION)
信号端与本振端的隔离比为评价LO端与RF端，和LO 端与IF端的噪声的干扰抑制程度。
(4)LO端最低输入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED)
对于混频器而言，LO端最低输入功率的大小直接影响到混频的效果好坏。所以，一般有此项指标。而功率越低应用越方便。
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)Fin1，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.
本单元以单变频结构来说明一个射频前端接收器的各设计参数.
(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)
以上变频器为例，混频器的IP3测量图及频谱示意图，如图示1-4(a)所示。
(三)发射器的重要设计参数：
(1) 1分贝压缩功率(1dBCompression，P1dB)
功率放大器的1分贝压缩功率是发射器最大发射功率的主要参数。一般而言，对于放大器， P1dB是线性放大的最大输出功率，而P1dB则为放大器的最大饱和输出功率(SATURATION POWER)。其定义如图示1-5(a)(b)所示。
(3) 杂波抑制比(Spurious Rejection)：
射频前端发射器的较大噪声信号是因为功率放大器的大信号放大所产生的谐波。 其它噪声则是由载波振荡器与混频器所混频出来的。一般指标定为低于主要载波信号功率70至90 。
(4) 载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability)：
6
直流电源连接线
1条
DC-1
7
ADS软件
1套
微波软件
四、理论分析：
基本结构与设计参数说明：
在无线通讯中，射频发射器担任着重要的角色。无论是话音还是数据信号要利用电磁波传送到远端，必须使用射频前端发射器。如图1－1(a)所示，它大抵可分成九个部分。
1．中频放大器(IF Amplifier)
2．中频滤波器(IF Bnadpass Filter)