通信系统结构及性能指标

通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第1页混频无线通信系统结构通信系统主要性能指标本章小结第二章通信系统结构及性能指标通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第2页在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率从fs变换为固定fi的过程称为变频或混频。高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF（以调幅为例）在接收机中，fi称为中频。一般其值为其中fo是本地振荡频率。soifff超外差式接收机1.定义其中，fi大于fs的混频称为上混频，fi小于fs的混频称为下混频。混频通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第3页举例经过混频器变频后，输出频率为soifffMHz)67.1(MHz)465.6165.2(～～MHz465.0混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第4页图5.4.2变频前后的频谱图2.混频的实质线性频率变换频谱搬移通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第5页我们知道，在频谱搬移电路中，输出信号的频率成分与输入信号的频率成分不同，因此，要实现频谱搬移，要求电路必须能够产生新的频率成分。根据我们所学知识，线性电路是不能产生新的频率成分的（为什么？），因此要实现频谱搬移，必须使用非线性电路，在非线性电路中，其核心是非线性器件。线性电路的分析方法在非线性电路中是不适用的，它有其特有的分析方法，主要有级数展开发和时变参数分析法等。通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第6页图a线性电阻的伏安特性曲线图b半导体二极管的伏安特性曲线与线性电阻不同，非线性电阻的伏安特性曲线不是直线。Q1RQ1rEnd通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第7页图5.2.4线性电阻上的电压与电流波形图5.2.5正弦电压作用于二极管产生非正弦周期电流输出电流与输入电压相比，波形不同，周期相同。可知，电流中包含电压中没有的频率成分。通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第8页EndA.传输特性)()()(2i2i10otataatvvv设：tVtVti22m11mcoscos)(v则中有：)(otv直流分量；基波分量和谐波分量：21,212,2,组合频率分量：21“非线性”具有频率变换作用。通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第9页混频混频原理(频域分析）─实信号的Fourier变换：正负频率分量同时存在且互为共轭─复信号可能只存在单边频率分量()()()jtxtXxtedt()()XXcos()[()()]ccctsin()[()()]ccctj2()cjtce2()cjtcecos()sin()cjtccetjt通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第10页第二章混频F{cos(ct)}-ccF{sin(ct)}-jj-ccF{}cjtec2F{}cjtec2通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第11页混频─混频器是三端口器件x(t)c(t)y(t)=x(t)c(t)1()()[()()]2xtctXC1()cos()[()()]2cccxttXX()sin()[()()]2cccjxttXX()()cjtcxteX()()cjtcxteX结论：时域相乘=频域卷积=频谱搬移通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第12页实混频：本振信号为实信号的混频混频1）上变频通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第13页2）下变频（正弦载波幅度调制信号的解调）：射频中频/基带混频()RFyt()IFyt()RFY()IFY()C()RFY()IFY(a)(b)(c)(d)(e)通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第14页3）镜像频率混频()RFIMGyt()RFIMGY()IFIMGyt()IFIMGY()RFIMGY()C(a)(b)(c)(d)()IFIMGY(e)通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第15页第二章复混频：载波为复指数载波混频1)基带信号上变频复混频()Y通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第16页第二章混频()X()C()Y(a)(b)(c)()()()cos()()sin()()()RFjtRFRFIQytxtexttjxttytjyt2)实信号下变频（正交下变频）通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第17页第二章3)复信号下变频混频()X()C()Y(a)(b)(c)IILOQLOQQLOILO()()cos()()sin()()()cos()()sin()ytxttxttytxttxtt通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第18页第二章无线接收机组成–射频滤波器1»选择工作频段，限制输入带宽，减少互调(IM)失真»抑制杂散(Spurious)信号，避免杂散响应»减小本振泄漏，在FDD系统中作为频域双工器–低噪声放大器»低噪声，在不造成接收机线性度恶化的前提下提供一定的增益，抑制后续电路噪声无线通信系统结构射频滤波器1射频滤波器2注入滤波器中频滤波器低噪声放大器混频器中频放大器本振通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第19页第二章–射频滤波器2»抑制由LNA放大或产生的镜像干扰»进一步抑制其它杂散信号»减小本振泄漏–混频器»下变频器»接收机中输入射频信号最强的模块，线性度极为重要，同时要求较低的噪声–注入滤波器»滤除来自本振的杂散信号–中频滤波器»抑制相邻信道干扰，提供选择性»滤除混频器等产生的互调干扰»如果存在第二次变频，需要抑制第二镜频无线接收机结构通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第20页第二章Z.Q.LI–中频放大器»将信号放大到一定的幅度供后续电路(如模数转换或解调器)处理»通常需要较大的增益并实现增益控制–本振模块»提供稳定的本振信号»频率低的振荡器能够获得比较好的噪声性能无线接收机结构通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第21页第二章无线接收机结构——超外差超外差(Super-heterodyne)结构»超外差（SuperHeterodyne）体系结构于1917年由Armstrong发明»由天线接收的射频信号首先经过射频带通滤波器（RFBPF）、低噪声放大器（LNA）和镜像干扰抑制滤波器（IRFilter），进行第一次下变频，产生固定频率的中频（IF）信号。»固定频率的中频信号通过中频带通滤波器（IFBPF）进行信道选择»对中频信号进行第二次下变频得到所需的基带信号。RFBPFLNAIRFilterLO1IFBPFVGALO2900IQLPFLPF固定IF通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第22页第二章»各个模块的作用─RFBPF：衰减带外信号和镜像干扰。─IRFilter：抑制镜像干扰，将其衰减到可接受的水平。─第一次下变频：使用可调的本地振荡器（LO1），全部频谱被下变频到一个固定的中频。─IFBPF：用来选择信道，称为信道选择滤波器，在确定接收机的选择性方面起着非常重要的作用。─第二次下变频：产生同相（I）和正交（Q）两路基带信号。1）超外差结构特点»依靠周密的中频频率选择和高品质的射频(镜像抑制)和中频(信道选择)滤波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范围，因此长久以来成为了高性能接收机的首选。»超外差结构有多个变频级，直流偏差和本振泄漏问题不会影响接收机的性能。无线接收机结构——超外差通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第23页第二章»使用混频器将射频信号搬到一个较低的中频频率，然后再进行信道滤波、放大和解调，解决了高频信号处理所遇到的困难。»由于镜像干扰抑制滤波器和信道选择滤波器均为高Q值带通滤波器，它们只能在片外实现，因此，难以进行单片集成。»超外差接收机的成本高、尺寸大。»由于中频远小于信号载频，因此在中频段对有用信道进行选择比在载频段的选择对滤波器的Q值要求要低得多。两个概念：频带(band)和信道(channel)─美洲IS-95蜂窝移动通信系统»发射频带：824-849MHz，接收频带：869-894MHz，带宽：25MHz»信道数量：832/频带，信道带宽为30kHz。无线接收机结构——超外差通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第24页第二章─接收机从天线上接收到的信号很弱（－150dBm至－90dBm）»接收机需要放大100-180dB。»为了使放大器稳定工作，一个频带内的放大器的增益一般不超过50-60dB。»超外差接收机方案将接收机总增益分散到高频、中频和基带三个频段上。在较低的固定中频上实现窄带高增益放大器比在载波频段上更容易和更稳定。同时解调或A/D变换在较低的固定中频上进行也比较容易。─中国GSM系统»上行频带：890~915MHz(移动台发、基站收)»下行频带：935~960MHz(移动台收、基站发)»频带带宽：25MHz，信道带宽为200kHz。2）增益的分配无线接收机结构——超外差通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第25页第二章─低噪声放大器(LNA)»低噪声放大器(LNA)应具有一定增益以减弱混频器和中频放大器的噪声对整机的影响，提高接收机灵敏度。»LNA的增益不宜太高，因为混频器是非线性器件，进入它的信号太大，会产生非线性失真。LNA增益一般不超过25dB。3）本振频率的选择»本振频率可以高于(High-sideInjection)或低于(Low-sideInjection)信号频率，这取决于所引入镜像干扰的大小和振荡器设计的难易程度。»一般来说低频的振荡器相对于高频来说可以获得更低的噪声性能，但是较小的变频范围。无线接收机结构——超外差通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第26页第二章4）寄生通道干扰»超外差接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。»混频器不是一个理想乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的频率为RF的有用信号和频率为LO的本振信号，以及混入的干扰信号(如1、2)，通过混频器非线性特性中的某一高次方项组合产生组合频率，它们可以表示为»若它们落在中频频带内，就会形成对有用信号的干扰。通常把这些组合频率引起的干扰称为寄生通道干扰。»寄生通道干扰中最为严重的干扰是“镜像干扰”。消除镜像干扰的唯一办法是不让它进入混频器，这要靠RF-Filter滤除镜像干扰，滤除效果取决于Q值。LORFpq12()LOpmn无线接收机结构——超外差通信电子线路贺州学院机械与电子工程学院2020年2月28日第27页第二章─例题：设信号频率是900MHz，中频是10.7MHz，镜像频率是921.4MHz。若RF-Filter采用单调谐LC回路，中心频率调谐在900MHz，要求回路对镜像频率衰减60dB，计算调谐回路Q值。解：谐振回路的归一化选频特性：200()1()21VSVQ22imRFRF60(dB)20lg14ffQf42.110Q»LC回路很难实现这么高的Q值，需要使用其它类型射频滤波器。»由于滤波器位于接收机的