实验五 微波下变频器的测试实验一、实验目的1．了解射频前端接收器的基本电路结构与主要设计参数的计算. 2．用实验模块的实际测量得以了解射频前端接收器的基本特性.二、预习内容1． 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。
2． 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知识。
三、实验设备四、理论分析如图6-1所示，射频前端接收器可分为天线(Antenna)、射频低噪声放大器(RF Low NoiseBPUANTENNA图6-1单变频结构射频前端接收器基本电路结构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输出到 基带处理单元(Baseband Processing Unit 、BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(Message Signals).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)，使用的场合视系统指标而定。
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。
射频前端接收器有如下设计参数. (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) (八) 中频放大器 (IF Amplifier) 主要设计参数:(一) 接收灵敏度(Receiver Sensitivity)sd w T Z SNR B T k F S ⋅⋅⋅⋅⋅=)( (式6-1)其中 S —— 接收灵敏度K —— 1.38*10-23(Joul/°K),波尔兹曼常数(B oltzmann’s Constant ) T —— 绝对温度(°K)= 273.15+T(°C) B W —— 系统的等效噪声频宽SNR d —— 在检波器输入端,系统要求的信噪比 (Signal-to-noise Ratio) Zs —— 系统阻抗(System Impedance)F T —— 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) F in1,由接收器各单级的增益与噪声指数(Noise Figure)造成., (2) F in2,由镜频噪声(Image Noise)造成.(3) F in3,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6-2) (式6-3) (式6-4)及(式6-5)所列.321in in in T F F F F ++= (式6-2)()∑∏=-=+-+-+=-+=ni i j ji in G G F G F FGF F 121312111 (1)111 (式6-3) ()⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-+=∑∏∏∏=-===Ni i j j i Ni j Ni jin G F G GF 110''11'211 (式6-4)()∑∏==--+⋅⋅⋅=M sb N j jo MNB L WN P in Tsb sb sb LO G T k F 11103100010(式6-5)上列公式中变量说明如下：Fi —— 第i 单级的噪声因子(Noise Factor) Gj —— 第i 单级的增益(Gain)(G 0 = 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 ' = 1N —— 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)P LO —— 本地振荡器的输出功率(dBm) WNsb —— 带通频率上的相位噪声(dBc/Hz)Lsb —— 带通滤波器在旁带频率上的衰减值(dB)MHBsb —— 在旁带频率上的混频噪声均衡比( Mixer Noise Balance) T 0 —— 室温, 290O KM —— 旁带频率的总个数N T —— 包含混频器在内，从接收端计算至混频器的总单级数五、设计实例而其它指标特性如下：RF- BPF2镜象衰减量= 10dB等效噪声频宽B W = 12KHzLO 输出功率P LO = 23.5 dBmLO 单边带相位噪声WNsb = - 165 dBc/Hz带通滤波器响应参数0.0 dB @ f LO±f IF10.0dB @ 2f LO ±f IF20.0 dB @ 3f LO ±f IF混频噪声均衡比( Mixer Noise Balance )30.0 dB @ f LO±f IF25.0 @ 2f LO ±f IF20.0dB @ 3f LO ±f IF系统要求经过实测后的信噪比SNR d= 6 dB (3.981)(一)求F in1由上述公式可计算出下列结果.(1) F in1 = 1+ 0.778 + 2.204 + 0.066 + 1.025 + 0.464 + 2.396 + 0.485 = 8.418(二)求F in2(2) ()63.00.0204.2778.011010)10/2()10/10(2=+++⋅=--in F (三) 求F in3其中,计算到混频器的总增益,891.01010/)82125.2(1==--+-∏TN jG, 及WNsb = -165 dBc/Hz, To = 290o K ，k = 1.38 x 10-23（Joul / o K ）. 可得F in3 = 1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62 ( 四 ) 求F T = F in1 +F in2 +F in3=8.418+0.63+5.62=14.668( 五 ) 求接收灵敏度 , Sensitivity.V S μ37.050981.3120002901038.1668.1423=⋅⋅⋅⋅⋅⋅=-( 二 ) 接收选择度(Receiver Sensitivity )接收选择度亦可称为邻信道选择度(Adjacent Channel Selectivity ，ACS)，是用来量化接收器对相邻近信道的接收趋势，目前国际间在电波段规范上趋向窄波道的要求，更显示了接收选择性在射频接收器设计中的重要性，而且这个参数经常限制系统的接收性能。
接收选择度是由下列五大部分组合而成.其定义如(式6-6)所示. (1) 单边带相位噪声(SSB Phase Noise )(2) 本地振荡源的噪声 ( LO Spurious Signal) (3) 中频选择性 ( IF Selectivity) (4) 中频频宽 ( IF Bandwidth)(5) 同波道抑止率 ( Cochannel Rejection)或截获率 ( Capture Ratio)()()()[]101010101010log 10SSB PN W SpIFS B CR ACS ⋅++⋅--=-- (式6-6)其中ACS (dB) —— 对应于接收灵敏度(Nominal Receiver Sensitivity ) 的邻信道选择度(Adjacent Channel Selectivity )CR(dB) —— 同信道抑止率(Cochannel Rejection)IFS(dB) —— 中频滤波器在邻信道频带上的抑制衰减量 B W (Hz) —— 中频噪声频宽(IF Noise Bandwidth) Δ —— 与邻信道频率差值(Channel Spacing)Sp(dBc) —— 本地振荡信号(本信道)与出现在频率为(fLO+Δ)的邻信道噪声的功率比，如图示6-3所示。
B W (Hz) Power (dBm)图6-2本地振荡信号的频谱(三) 接收噪声响应(Receiver Spurious Response)从中频端观察，所有非设计所需的信号皆为噪声信号(Spurious Signal)，而大部分的接收噪声信号来源于RF 与LO 的谐波混频(Harmonic Mixing)。
在实际应用中，不可能没有噪声，主要看其功率是否在系统允许范围之内，由混频器的特性，可以式(12-7)来表示RF 、LO 与IF 三端频率的相互关系：mf f n f IFLO RF ⋅=(式6-7)较常出现的接收噪声响应有下列三项，可以图6-4表示。
(1) 镜频(Image), f RF ±2f IF (2) 半中频(Half-IF), f RF ±(f IF /2) (4) 中频( IF), f IF图6-3常见的接收杂波响应然而在全双工发收机(Full-Duplxer Radio ,即是发射与接收同时作用)，则还会再多出现两项杂波，如图示6-5所示。
图6-4常见于全双工接收的噪声f f RF + f IF /2 f + 2f中频杂波 [半中频]杂波 [镜象频率]杂波双工镜频杂波[半双工]杂波(四) 接收互调截止点(Receiver Intercept Point )互调截止点(Intercept Point )是电路或系统线性度(Linearity)的评价指标，可由此推算出输入信号是否会造成的失真度(Distortion)或互调产物(Intermodulation(IM) Products)，其定义如图6-6所示。