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 Noise
BPU
ANTENNA
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)
s
d 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)
()∑
∏=-=+-+-+
=-+=n
i i j j
i in G G F G F F
G
F F 1
2
131211
1 (1)
111 (式6-3) ()?????
?
??????-+=∑∏∏∏=-===N
i i j j i N
i j N
i j
in G F G G
F 110''11'211 (式6-4)
()∑∏==--+???=M sb N j j
o MNB L WN P in T
sb sb sb LO G T k F 1
1
10
3
100010
(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 ' = 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)
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 K
M —— 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 = 12KHz
LO 输出功率P LO = 23.5 dBm
LO 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 IF
10.0dB @ 2f LO ±f IF
20.0 dB @ 3f LO ±f IF
混频噪声均衡比( Mixer Noise Balance )
30.0 dB @ f LO±f IF
25.0 @ 2f LO ±f IF
20.0dB @ 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) ()63.00.0204.2778.0110
10)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
==--+-∏T
N j
G
, 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 Sp
IFS 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：
m
f f n f IF
LO 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。
图6-5 n 阶互调截止点
在实际应用上,常用的互调截止点有(1)二阶互调截止点(Second-Order Intercept Point , IP2)与(2)三阶互调截止点(Third-Order Intercept Point , IP3)。
(1) 二阶互调截止点(Second-Order Intercept Point , IP2 )
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等效系统输入二阶互调截止点(IP2INPUT )的计算方式如式( 6-8)所示，并以下图为例来做说明。
IP2INPUT =IP2MIXER - (混频器前各单级增益的总和 + (混频器前各单级半中频选择度的总和) (式6-8)
IPn 输入
功率(dBm)
ANTENNA 图6-6射频前端接收器基本电路结构图
IP2INPUT = 40 – (-2+10-3) + 2(10+0+15) = 85 dBm
(2) 半中频噪声抑制度(Half-IF Spuriors Rejection ，1/2_IFR )
1/2_IFR = ( IP2 – S – CR ) / 2 (式6-8) 假设一FM 接收器中混频器的IP2INPUT = 50dBm ，且系统的接收灵敏度，S = -115 dBm ，而接获率CR = 5dB ，由式(6-8)可计算出此接收器的半中频噪声抑制度。
1/2_IFR = IP2INPUT - S – CR ) / 2 = (50+115-5) / 2 = 80
(3) [射频放大器]的[接收增益](Takeover Gain for RF Amplifier , G TAKEOVER )
???
?
??-?+?=mixer amp amp TAKEOVER F G F G 11log 10 [ dB ] 其中 G TAKEOVER ——射频放大器的接收增益
F amp —— 射频放大器的噪声因子(Noise Factor )
G amp —— 射频放大器的增益(Gain )
F mixer —— 混频器的噪声因子(Noise Factor ) 此参数会降低混频器的噪声抑制度，降低数量为：
n
dB G TAKEOVER ]
[
其中n 为噪声响应的阶数( n>1).对半中频而言, n = 2。
(4) 三阶互调截止点(Third-Order Intercept Point ，IP3 )
IP3是用来决定接收系统抵御内调制失真(IM Distortion )的能力，计算步骤如下： 1、绘出系统的电路方块图,并标明各单级的增益 (dB) 及三阶互调截止点(dBm) ，对于滤波器衰减器，IP3 = ∞。
2、换算出各单级的等效输入互调截止点，公式如下:
∑-=-=1
1
3n i n n Gi IP IP
其中Ip n —— 第n 单级的等效输入三阶互调截止点，dBm Ip3n —— 第n 单级的三阶互调截止点，dBm G i —— 各单级的增益，dB i —— 各单级标号。
3. 将各单级的等效输入互调截止点(IP i )的单位从dBm 换算成mW 。
Ip n (mW) = 10 Ipn(dBm) / 10
4. 假设各单级的输入互调截止点皆是独立不相关，则系统输入三阶互调截止点为
各单级的输入互调截止点的并联值，如式(6-9)所示： []mW IP IP IP IP IP N N
i i
INPUT 1
(111)
11321
1+++=
=
∑= 式(6-9)
5. 系统输入三阶互调截止点(IP3INPUT ) 的单位从mW 换算成dBm 。
IP3 INPUT （dBm ）= 10.log(IP3 INPUT （mW ）)
六、模块测量
测量步骤：
1、打开微波接收实验系统的电源开关，为有源部件提供电源。
2、打开扫频仪和频谱仪的电源开关，并校准仪器，为测试做准备。
3、测量相关的各个模块的特性。
4、相关的各模块连接在一起构成下变频器单元。并测量参数。 用对其最终输出进行测试，看是否满足要求。
4、实验记录:
记录各个模块的主要参数值。
5、模块测量的结果建议如下为合格：以达到具体要求为准。 测量内容：
按照图示正确连接下变频器 测量接收各点电平值
接收选择度、同波道抑止率、接收互调截止点、接收噪声响应
图6-7 基本射频下变频前端发射器结构图
记录各点射频信号电平大小
七、实例分析
以图(6-5)为例，计算出系统输入三阶互调截止点( IP3INPUT )。所以,可依式(12-9)计算得
到：
IP3INPUT = 8.02 mW = 9.04 dBm
(5) 内调制抑制率(Intermodulation Rejection ，IMR)
而内调制失真是显示系统的非线性特性,而三阶内交调失真是最常发生的，内调制抑制率(Intermodulation Rejection)的计算公式如式(6-10)，此参数为评价接收系统的对抗三阶内交调失真能力的重要参数。
()CR S IP IMR -?-?=
2323
1
其中 IMR —— 内调制抑制度 (dB )
IP3 —— 等效输入三阶能叉点(dBm ) S —— 接收灵敏度(dBm ) CR —— 同信道抑制度(dB )
假设前例接收系统的 S = -115 dBm , CR = 5 dB , 则其内调制抑制率为：
()dB IMR 815)115(204.923
1
=--?-?=