微波电子线路第二章 接收机和发射机结构v3 75页PPT文档
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实现镜频抑制的设计要求 (1)两条变频支路特性完全一致(信号幅度、时延特性等); (2)两条变频支路输出信号精确正交。
实现两条变频支路输出信号的精确正交,要求两条支 路的电性能完全一致性,硬件实现较困难!
数字中频接收机
数字中频方案
特点:将第二次混频和滤波数字化 优点:可避免I / Q两路的不一致 难点:对A/D变换器要求很高
B. 注意DSP芯片性能 (1)运算速度; (2)运算字长; (3)稳定性等。
全数字接收机
改进方案__全数字接收机(软件无线电接收机)
BPF
ADC
本振
BPF
LNA
ADC
-п /2
BPF
ADC
DSP Chip
AGC与动态范围
AGC电路
接收机接收的信号电平起伏很大,为得到稳定的中频 输出,接收机前端中都有AGC ( Automatic Gain Control) 电路。
LNA
变频
中放
解调
控制电路
幅度检测
转换速度高、较高的分辨率和较小的噪声 、 线性度很高 、要求有较大的动态范围。
数字中频接收机
数字中频中频接收机设计要点
A. 注意ADC性能 (1)为抑制镜频干扰,则中频较高,要求ADC采样频率(速度) 也很高; (2)ADC应有较高的分辨率(bit数大)和低的转换噪声; (3)ADC线性度要求高; (4)ADC应有较大的动态范围; (5)ADC模拟带宽应满足第一中频的要求。
(3)混频器应有较高的线性度。
(4)端口间隔离度要求高。
镜频抑制接收机
镜频抑制接收方案
特点:利用电路结构形式改变 , 抑制镜像频率干扰
vRF (t) VRF cos RF t
vim (t) Vim cosimt
vA (t)
VRF 2
sin(LOwk.baidu.com
RF
)t
Vim 2
sin(LO
难点——已调信号载频高、信道窄 ③ 接收机的灵敏度和线性动态范围 ④ 发射机的高效率不失真的功率放大器 ⑤ 限制发射信号对相邻信道的干扰
⑥ 天线收发转换器的损耗小,隔离性好
超外差接收机
超外差式接收机
1. 单次变频超外差接收机方案 IF
工作过程:从天线接收的信号经过射频带通滤波器,滤 去带外干扰并压缩镜像信号后,经低噪声放大器线性放大后 与本地振荡信号进行混频,下变频为一固定中频信号,再通 滤波、中频放大后提取出有用信号进行解调。
② 可用低通滤波器选择信道 ③ 易解决匹配、线性动态范围等问题
零中频接收机
直接下变频方案存在的问题
1.本振泄露 关键原因: 本振频率与信号频率相同
2. LNA偶次谐波失真干扰
漏过、形成干扰
两个频率 相近的干扰
非线性的偶次项
引起的差频 0
零中频接收机
3. 直流偏差
① 由本振泄漏引起的直流偏差
② 强干扰的自混频引起的直流偏差
fRF 881MHz fIF1 45MHz
fIF 2 455KHz
fLO1 881 45 926MHz fLO2 45 0.455 44.545MHz
零中频接收机
直接下变频方案(零中频方案)
方案特点:中频为 IF 0
LO RF
IF 0 方案优点:① 不存在镜像频率,无镜频信号干扰
1
4.
噪声影响
f
零中频接收机
零中频(直接下变频)接收机缺点
(1)信道间隔离度差(频率窜透) ω RF= ω LO,大功率本振信号向天线端窜透,对附近邻信
道通信造成干扰; 混频器各端口信号间相互窜透-自混频,造成输出信号直流
漂移。
(2)要求ω LO与ω RF同频,且彼此之间的相位关系固定,从 而需要载波提取与锁相同步。
中频频率提高后,后续处理模 块(如模数变换器)的工作频 率就提高了,后续模块的设计 将变得比较困难
可以通过增加一级或者多级下 变频器将信号的频率进一步降 低(二次变频超外差式接收 机),但这会增加电路规模和 片外元件数目,提高系统成本
超外差接收机-镜频干扰
高中频和低中频的利弊 高中频——镜像频率远离有用信号,滤波容易 优点: 利于抗镜频干扰
接收机概述
射频接收机的基本组成及完成的功能
①从众多的电波中选出有用信号
选频、滤除干扰
②将微弱信号放大到解调器所要求的电平值
放大
③将通带信号变为基带信号
解调
接收机的主要指标: 灵敏度、选择性
射频微波通信系统基本模型
设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关键问题 ① 选用合适的调制和解调方式
抗干扰性能好、频带利用率高、功率有效性好 ② 接收机选出有用信道抑制干扰
带通滤波器,通带中心频率与有用信号频率相同, 而镜像频率位于阻带范围内,阻带衰减率就是对镜 像信号的抑制率
在恶劣接收环境中镜像信号的抑制率要达到6070dB
高的品质因子(50甚至更高)、很高的阶数(甚至 到6阶),难以集成
超外差接收机-镜频干扰
中频频率的选择
为了减轻对镜像抑制滤波器的 要求,可以将固定中频频率提 高,以加大镜像信号与有用信 号之间的频率间隔,减缓对滤 波器抑制率的要求
890 ~ 915MHz(移动台发、基站收) 935 ~ 960MHz(移动台收、基站发) 200KHz
特点: 信道带宽 远比 载频小
结果:射频段选择信道非常困难
要求滤波器Q值极高
措施:降低频率选信道
射频段选择频带
降为中频、选择信道
超外差接收机
(2)为使接收机达稳定的高增益
天线输入电平约为-100 ~ -120dBm ( V 级) 要求增益大于
镜像信号与本地振荡信号混频后所产生的 信号经中频滤波后,也位于中频频率fIF 处。 该信号叠加在有用中频信号上,直接对有 用中频信号造成干扰,并且不可被清除
镜像信号的能量大小是不可预知的,在比 较差的接收环境中,镜像信号的能量可能 比有用信号的能量高几十分贝
超外差接收机-镜频干扰
解决方法一:下变频前抑制镜像信号(滤波器)
非线性器件不是 理想平方律特性
LO RF
0 IF
LO RF
滤波器不理想
非线性 器件
滤波器
LO RF
0 IF
产生组合频率
PLO qRF
超外差接收机-交调干扰
变频器引起的寄生通 道干扰
①输入端没有其它干扰信号
非线性 器件
滤波器
0 IF
组合频率
pLO qRF IF F
发射部分 接收部分
天线公用器
通信机基本结构
射频级基本结构
本章主要内容:介绍发送、接收机的
结构方案 主要指标
发射机概述
收发机由发射机和接收机组成。设计一个收发机,首先不仅要 考虑频谱、灵敏度、选择性、功率、效率等性能指标,还要考虑 功耗、成本及电路复杂度等因素,再决定选用哪种结构。 (1)发射机
发射机射频部分的功能是完成基带信号对中频载波的调制,将 其上变频至特定的RF频段,对已调制的RF信号放大,以足够的 功率馈入天线,经天线有效的发射出去。其结构如下图:
射频微波系统结构
微波通信系统基本模型
干扰噪声
信道机
信源 发射端
发信机
信道媒介
无线通信系统基本模型
收信机
信宿 接收端
待发基带
调制
中放/变频
功放
信号(BB)
模拟电路(RF )
无线发信系统基本结构
输出基带 信号(BB)
解调
中放/变频
放大/选频
模拟电路(RF)
无线收信系统基本结构
发射天线 接收天线
射频微波通信系统基本模型
解调器输入一般要求约500mV
100dB以上
总增益=射频增益 + 混频增益+ 中频增益(主要增益级)
结果: ① 增益分散在各频段,易稳定 ② 中频频率低且固定,增益易大而稳定
(3)在较低的固定中频上解调或A/D变换也相对容易
超外差接收机
超外差接收机各级功能
低噪声放大器——射频放大 变频器——频谱搬移 中频模块——选信道、主增益级
fRF位于频段低端,fim位于频段内高端, fLO位于频段内。
低本振情况
fLO fRF fIF 925 ~ 950MHz fim fRF 2 fIF 915 ~ 940MHz
fRF位于频段高端,fim位于频段内低端, fLO位于频段内。
超外差接收机-镜频干扰
从上可见,若选择fIF=10MHz,无论选择高本振或低本 振时, fim都位于有用信道之内,无法用BPF1滤掉,成为干 扰信号。
超外差接收机
发射和接收过程中的频率搬移都用混频来实现 混频的时域分析
输入信号与本地振荡信号(Local Oscillator)在时域相乘:
例如:
混频器(Mixer)
输入信号x(t)=ARFcos(RFt), x(t)
y(t)
载波c(t)=ALOcos(LOt)
混频:
c(t)
y(t)
发射机前端的框图
发射机概述
射频发射机的基本组成及完成功能:
①产生正弦载波 ②完成基带信号对载波的调制
通带信号(已调波)
③将通带信号搬移到所需的频段
上变频
④放大到足够的功率并发射
⑤不干扰相邻信道
限制频带
主要指标:频谱、功率、效率
接收机概述
接收机 接收机从空间中接收到微弱信号,通过射频滤波器从众 多的电波中选出有用信号,并经过低噪声放大到解调器所 要求的电平值后,再由解调器解调,将频带信号变为基带 信号,其结构如下图所示:
抑制邻道干扰 三个滤波器的功能、中心频率与带宽
总增益= 低噪放增益+ I中频 增益+ II中频 增益 (主要增益级)
超外差接收机-二次变频频谱变化
频段选择滤波BPF1
输入
LNA+镜像滤波 (BPF2)
信道滤波1 BPF3
信道滤波2 BPF4
降频第1次 降频第2次
中频放大
超外差接收机-二次变频
二次变频超外差接收机实例
im )t
vB (t)
VRF 2
cos(LO
RF
)t
Vim 2
cos(LO
im )t
vIF (t) vC (t) vB (t) VRF cos( LO RF ) 输出抑制了镜像频率
镜频抑制接收机
利用带通信号移相π /2 (Hilbert变换的正交滤波) 特性,实现镜频抑制。
当 F 小于中频带宽时,通过滤波器输出
LO RF
②当输入端伴有干扰信号时 V1m cos1t V2m cos2t
组合频率 LO (21 2 ) IF
通过滤波器输出 三阶交调干扰
超外差接收机-镜频干扰
RF+Image
IF+Interference
cos(LOt)
|LO — IM |=IF |RF — LO|=IF
超外差接收机
超外差式接收机
1. 单次变频超外差接收机方案
关键部件:下变频器 IF
变频器功能:将接收到的射频不失真的降低为一个固定的中频 变频特点:① 频率降低 ② 频谱结构不变
IF
超外差接收机
为什么要将接收到的射频频率降低?
(1) 为了解决选择性
两个概念
GSM通信系统
频带 信道
上行频带: 下行频带: 每个信道:
x(t) c(t)
ARF ALO 2
cos[(RF
LO )t)]
ARF ALO 2
cos[(RF
LO )t)]
和频(时现上变频) 差频(实现下变频)
超外差接收机—交调干扰
超外差接收机的主要缺点——变频 器引入众多的组合频率干扰
基本实现方法
变频功能——频谱搬移 产生众多组合频率的原因?
接收机射频前端框图
接收机概述
接收机的性能指标 接收机完成的主要功能是选出从天线接收的有用信号,下
变频放大到基带后由解调器解调,实现频带信号到基带信号的 转换。接收机的结构有三类:超外差结构;直接下变频结构, 也称为零中频结构;低中频结构。
接收机的主要性能指标有:(1)增益;(2)频率选择性; (3)隔离度;(4)灵敏度;(5)阻塞和杂散响应抑制;(6) 互调分量抑制;(7)邻道干扰抑制;(8)杂散辐射抑制。
若增大fIF至70MHz,则采用高本振或低本振,镜频都 不会进入通信频段,故可用BPF1滤除掉,从而消除镜频 干扰。
超外差接收机-二次变频
3.二次变频超外差接收机方案 射频滤波器 I 中频 滤波器
II 中频 滤波器
I 中频采用高中频值,以提高镜象频率抗拒比 中频选择原则 II中频采用低中频值,利于提取有用信道
低中频—— 相同Q值条件下,中频滤波器窄带 优点:利于选择信道、稳定的高增益
选择 中频 兼顾 两者
两者兼顾最佳方案——超外差式二次混频方案
超外差接收机-镜频干扰
例1:GSM下行频段935-960MHz,若选fIF= 10MHz,试确定 本振频率及干扰镜频范围。 解:高本振情况
fLO fRF fIF 945 ~ 970MHz fim fRF 2 fIF 955 ~ 980MHz
实现两条变频支路输出信号的精确正交,要求两条支 路的电性能完全一致性,硬件实现较困难!
数字中频接收机
数字中频方案
特点:将第二次混频和滤波数字化 优点:可避免I / Q两路的不一致 难点:对A/D变换器要求很高
B. 注意DSP芯片性能 (1)运算速度; (2)运算字长; (3)稳定性等。
全数字接收机
改进方案__全数字接收机(软件无线电接收机)
BPF
ADC
本振
BPF
LNA
ADC
-п /2
BPF
ADC
DSP Chip
AGC与动态范围
AGC电路
接收机接收的信号电平起伏很大,为得到稳定的中频 输出,接收机前端中都有AGC ( Automatic Gain Control) 电路。
LNA
变频
中放
解调
控制电路
幅度检测
转换速度高、较高的分辨率和较小的噪声 、 线性度很高 、要求有较大的动态范围。
数字中频接收机
数字中频中频接收机设计要点
A. 注意ADC性能 (1)为抑制镜频干扰,则中频较高,要求ADC采样频率(速度) 也很高; (2)ADC应有较高的分辨率(bit数大)和低的转换噪声; (3)ADC线性度要求高; (4)ADC应有较大的动态范围; (5)ADC模拟带宽应满足第一中频的要求。
(3)混频器应有较高的线性度。
(4)端口间隔离度要求高。
镜频抑制接收机
镜频抑制接收方案
特点:利用电路结构形式改变 , 抑制镜像频率干扰
vRF (t) VRF cos RF t
vim (t) Vim cosimt
vA (t)
VRF 2
sin(LOwk.baidu.com
RF
)t
Vim 2
sin(LO
难点——已调信号载频高、信道窄 ③ 接收机的灵敏度和线性动态范围 ④ 发射机的高效率不失真的功率放大器 ⑤ 限制发射信号对相邻信道的干扰
⑥ 天线收发转换器的损耗小,隔离性好
超外差接收机
超外差式接收机
1. 单次变频超外差接收机方案 IF
工作过程:从天线接收的信号经过射频带通滤波器,滤 去带外干扰并压缩镜像信号后,经低噪声放大器线性放大后 与本地振荡信号进行混频,下变频为一固定中频信号,再通 滤波、中频放大后提取出有用信号进行解调。
② 可用低通滤波器选择信道 ③ 易解决匹配、线性动态范围等问题
零中频接收机
直接下变频方案存在的问题
1.本振泄露 关键原因: 本振频率与信号频率相同
2. LNA偶次谐波失真干扰
漏过、形成干扰
两个频率 相近的干扰
非线性的偶次项
引起的差频 0
零中频接收机
3. 直流偏差
① 由本振泄漏引起的直流偏差
② 强干扰的自混频引起的直流偏差
fRF 881MHz fIF1 45MHz
fIF 2 455KHz
fLO1 881 45 926MHz fLO2 45 0.455 44.545MHz
零中频接收机
直接下变频方案(零中频方案)
方案特点:中频为 IF 0
LO RF
IF 0 方案优点:① 不存在镜像频率,无镜频信号干扰
1
4.
噪声影响
f
零中频接收机
零中频(直接下变频)接收机缺点
(1)信道间隔离度差(频率窜透) ω RF= ω LO,大功率本振信号向天线端窜透,对附近邻信
道通信造成干扰; 混频器各端口信号间相互窜透-自混频,造成输出信号直流
漂移。
(2)要求ω LO与ω RF同频,且彼此之间的相位关系固定,从 而需要载波提取与锁相同步。
中频频率提高后,后续处理模 块(如模数变换器)的工作频 率就提高了,后续模块的设计 将变得比较困难
可以通过增加一级或者多级下 变频器将信号的频率进一步降 低(二次变频超外差式接收 机),但这会增加电路规模和 片外元件数目,提高系统成本
超外差接收机-镜频干扰
高中频和低中频的利弊 高中频——镜像频率远离有用信号,滤波容易 优点: 利于抗镜频干扰
接收机概述
射频接收机的基本组成及完成的功能
①从众多的电波中选出有用信号
选频、滤除干扰
②将微弱信号放大到解调器所要求的电平值
放大
③将通带信号变为基带信号
解调
接收机的主要指标: 灵敏度、选择性
射频微波通信系统基本模型
设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关键问题 ① 选用合适的调制和解调方式
抗干扰性能好、频带利用率高、功率有效性好 ② 接收机选出有用信道抑制干扰
带通滤波器,通带中心频率与有用信号频率相同, 而镜像频率位于阻带范围内,阻带衰减率就是对镜 像信号的抑制率
在恶劣接收环境中镜像信号的抑制率要达到6070dB
高的品质因子(50甚至更高)、很高的阶数(甚至 到6阶),难以集成
超外差接收机-镜频干扰
中频频率的选择
为了减轻对镜像抑制滤波器的 要求,可以将固定中频频率提 高,以加大镜像信号与有用信 号之间的频率间隔,减缓对滤 波器抑制率的要求
890 ~ 915MHz(移动台发、基站收) 935 ~ 960MHz(移动台收、基站发) 200KHz
特点: 信道带宽 远比 载频小
结果:射频段选择信道非常困难
要求滤波器Q值极高
措施:降低频率选信道
射频段选择频带
降为中频、选择信道
超外差接收机
(2)为使接收机达稳定的高增益
天线输入电平约为-100 ~ -120dBm ( V 级) 要求增益大于
镜像信号与本地振荡信号混频后所产生的 信号经中频滤波后,也位于中频频率fIF 处。 该信号叠加在有用中频信号上,直接对有 用中频信号造成干扰,并且不可被清除
镜像信号的能量大小是不可预知的,在比 较差的接收环境中,镜像信号的能量可能 比有用信号的能量高几十分贝
超外差接收机-镜频干扰
解决方法一:下变频前抑制镜像信号(滤波器)
非线性器件不是 理想平方律特性
LO RF
0 IF
LO RF
滤波器不理想
非线性 器件
滤波器
LO RF
0 IF
产生组合频率
PLO qRF
超外差接收机-交调干扰
变频器引起的寄生通 道干扰
①输入端没有其它干扰信号
非线性 器件
滤波器
0 IF
组合频率
pLO qRF IF F
发射部分 接收部分
天线公用器
通信机基本结构
射频级基本结构
本章主要内容:介绍发送、接收机的
结构方案 主要指标
发射机概述
收发机由发射机和接收机组成。设计一个收发机,首先不仅要 考虑频谱、灵敏度、选择性、功率、效率等性能指标,还要考虑 功耗、成本及电路复杂度等因素,再决定选用哪种结构。 (1)发射机
发射机射频部分的功能是完成基带信号对中频载波的调制,将 其上变频至特定的RF频段,对已调制的RF信号放大,以足够的 功率馈入天线,经天线有效的发射出去。其结构如下图:
射频微波系统结构
微波通信系统基本模型
干扰噪声
信道机
信源 发射端
发信机
信道媒介
无线通信系统基本模型
收信机
信宿 接收端
待发基带
调制
中放/变频
功放
信号(BB)
模拟电路(RF )
无线发信系统基本结构
输出基带 信号(BB)
解调
中放/变频
放大/选频
模拟电路(RF)
无线收信系统基本结构
发射天线 接收天线
射频微波通信系统基本模型
解调器输入一般要求约500mV
100dB以上
总增益=射频增益 + 混频增益+ 中频增益(主要增益级)
结果: ① 增益分散在各频段,易稳定 ② 中频频率低且固定,增益易大而稳定
(3)在较低的固定中频上解调或A/D变换也相对容易
超外差接收机
超外差接收机各级功能
低噪声放大器——射频放大 变频器——频谱搬移 中频模块——选信道、主增益级
fRF位于频段低端,fim位于频段内高端, fLO位于频段内。
低本振情况
fLO fRF fIF 925 ~ 950MHz fim fRF 2 fIF 915 ~ 940MHz
fRF位于频段高端,fim位于频段内低端, fLO位于频段内。
超外差接收机-镜频干扰
从上可见,若选择fIF=10MHz,无论选择高本振或低本 振时, fim都位于有用信道之内,无法用BPF1滤掉,成为干 扰信号。
超外差接收机
发射和接收过程中的频率搬移都用混频来实现 混频的时域分析
输入信号与本地振荡信号(Local Oscillator)在时域相乘:
例如:
混频器(Mixer)
输入信号x(t)=ARFcos(RFt), x(t)
y(t)
载波c(t)=ALOcos(LOt)
混频:
c(t)
y(t)
发射机前端的框图
发射机概述
射频发射机的基本组成及完成功能:
①产生正弦载波 ②完成基带信号对载波的调制
通带信号(已调波)
③将通带信号搬移到所需的频段
上变频
④放大到足够的功率并发射
⑤不干扰相邻信道
限制频带
主要指标:频谱、功率、效率
接收机概述
接收机 接收机从空间中接收到微弱信号,通过射频滤波器从众 多的电波中选出有用信号,并经过低噪声放大到解调器所 要求的电平值后,再由解调器解调,将频带信号变为基带 信号,其结构如下图所示:
抑制邻道干扰 三个滤波器的功能、中心频率与带宽
总增益= 低噪放增益+ I中频 增益+ II中频 增益 (主要增益级)
超外差接收机-二次变频频谱变化
频段选择滤波BPF1
输入
LNA+镜像滤波 (BPF2)
信道滤波1 BPF3
信道滤波2 BPF4
降频第1次 降频第2次
中频放大
超外差接收机-二次变频
二次变频超外差接收机实例
im )t
vB (t)
VRF 2
cos(LO
RF
)t
Vim 2
cos(LO
im )t
vIF (t) vC (t) vB (t) VRF cos( LO RF ) 输出抑制了镜像频率
镜频抑制接收机
利用带通信号移相π /2 (Hilbert变换的正交滤波) 特性,实现镜频抑制。
当 F 小于中频带宽时,通过滤波器输出
LO RF
②当输入端伴有干扰信号时 V1m cos1t V2m cos2t
组合频率 LO (21 2 ) IF
通过滤波器输出 三阶交调干扰
超外差接收机-镜频干扰
RF+Image
IF+Interference
cos(LOt)
|LO — IM |=IF |RF — LO|=IF
超外差接收机
超外差式接收机
1. 单次变频超外差接收机方案
关键部件:下变频器 IF
变频器功能:将接收到的射频不失真的降低为一个固定的中频 变频特点:① 频率降低 ② 频谱结构不变
IF
超外差接收机
为什么要将接收到的射频频率降低?
(1) 为了解决选择性
两个概念
GSM通信系统
频带 信道
上行频带: 下行频带: 每个信道:
x(t) c(t)
ARF ALO 2
cos[(RF
LO )t)]
ARF ALO 2
cos[(RF
LO )t)]
和频(时现上变频) 差频(实现下变频)
超外差接收机—交调干扰
超外差接收机的主要缺点——变频 器引入众多的组合频率干扰
基本实现方法
变频功能——频谱搬移 产生众多组合频率的原因?
接收机射频前端框图
接收机概述
接收机的性能指标 接收机完成的主要功能是选出从天线接收的有用信号,下
变频放大到基带后由解调器解调,实现频带信号到基带信号的 转换。接收机的结构有三类:超外差结构;直接下变频结构, 也称为零中频结构;低中频结构。
接收机的主要性能指标有:(1)增益;(2)频率选择性; (3)隔离度;(4)灵敏度;(5)阻塞和杂散响应抑制;(6) 互调分量抑制;(7)邻道干扰抑制;(8)杂散辐射抑制。
若增大fIF至70MHz,则采用高本振或低本振,镜频都 不会进入通信频段,故可用BPF1滤除掉,从而消除镜频 干扰。
超外差接收机-二次变频
3.二次变频超外差接收机方案 射频滤波器 I 中频 滤波器
II 中频 滤波器
I 中频采用高中频值,以提高镜象频率抗拒比 中频选择原则 II中频采用低中频值,利于提取有用信道
低中频—— 相同Q值条件下,中频滤波器窄带 优点:利于选择信道、稳定的高增益
选择 中频 兼顾 两者
两者兼顾最佳方案——超外差式二次混频方案
超外差接收机-镜频干扰
例1:GSM下行频段935-960MHz,若选fIF= 10MHz,试确定 本振频率及干扰镜频范围。 解:高本振情况
fLO fRF fIF 945 ~ 970MHz fim fRF 2 fIF 955 ~ 980MHz