【电子与通信工程毕业论文】2.4GHz接收机模拟前端的设计与实现22649.doc

分 类 号 密 级 U D C 编 号10486 武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文2.4GHz接收机模拟前端设计与实现研 究 生 姓 名：学 号：指导教师姓名、职称：学科、专业名称：电子与通信工程研 究 方 向： 雷达接收机二零一二年四月Dissertation Submitted toWuhan UniversityDesign and implementation of 2.4GHz receiver analog front-endByJinhua WangDissertation Supervisor: Professor Yunhua RaoSchool of Electronic InformationWuhan UniversityWuhan， Hubei， P.R.ChinaApril, 2012摘 要由于射频部分要处理的是宽带的高频模拟信号，如何实现高频时的匹配和满足实际的性能指标是本课题设计的难点，本文对2.4GHz宽带接收机模拟前端进行研究，基于max2829的RF方案，完成了模拟前端的具体实现，最后结合项目实际需要对超外差二次变频方案进行了设计和仿真。首先，简单介绍了2.4GHz接收机的背景、意义及其研究现状。其次，基于2.4GHz接收机技术，介绍了常用接收机结构，分析了这些接收机的优缺点及其适用场合，然后介绍了接收机模拟前端的主要技术指标。再次，根据常用接收机的结构和实际的设计需要，给出了本文基于max2829的2.4GHz接收机模拟前端的结构，在理论上分析了所采用的接收机的性能指标，并实现了接收机模拟前端和对模拟前端的调试。测试结果表明该系统基本满足了基带对模拟前端的要求。最后，结合超外差二次变频接收机结构的优点，对超外差二次变频方案进行设计与仿真，对关键模块作了深入的理论分析，给出了其性能参数及其设计方法，并使用ADS2011对接收机系统中的关键模块进行了设计和仿真。关键词：接收机 模拟前端 零中频 低噪声放大器ABSTRACTAs the RF section to deal with is the broadband high-frequency analog signal, how get to match in the high frequencies and to meet the actual performance is the difficulty of the design of this topic. we choose the zero-IF architecture receiver by max2829 RF program, to complete the concrete realization of the analog front-end for the wideband receiver analog front-end for 2.4GHz band，at last，we design and simulate the super heterodyne double conversion program according the actual needs of porject.Firstly, the paper introduces a brief background、significance of the 2.4GHz band receivers and research of 2.4GHzband receiver。Secondly, based on the 2.4GHz band receiver technology, a brief introduction to the common receiver structure, the paper analyze the advantages and disadvantages of possible applications of these receivers, and then describes the main technical indicators of the receiver analog front-end. Again, according to the common receiver structure and design needs, given the structure of the broadband receiver analog front-end of this article 2.4GHz band, and the paper theoretically analyze the performance of the receiver and the receiver analog front-end and analog front-end debugging. The test results show that the system well positioned to meet the requirements of the baseband analog front-end.Finally, combing the advantages of the super heterodyne double conversion receiver architecture, we design and simulate Super heterodyne double conversion program and made an in-depth theoretical analysis of the key modules. Not only we gave its performance parameters and its design method, but also did use the the ADS2011 tools software key modules in the receiver system design and simulation.Key words： Receiver；Analog front-end；Zero-IF；Low-noise amplifier 目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1研究背景与意义11.2 2.4GHz模拟接收机发展现状21.3主要内容与章节安排3第二章 模拟接收机42.1 模拟接收机的结构42.1.1 超外差式接收机42.1.2 零中频结构接收机62.1.3 低中频接收机82.1.4 镜像抑制接收机102.1.5 数字中频接收机112.2 接收机的主要技术指标122.2.1 噪声系数122.2.2 接收机灵敏度132.2.3 接收机选择性和线性度142.2.4 接收机的动态范围20第三章 基于max2829模拟前端的设计223.1 接收机模拟前端电路结构243.2 理论指标的计算253.3 模拟前端与天线的匹配电路设计仿真273.3.1 阻抗匹配的重要性273.3.2 匹配的基本原理283.3.3 匹配电路ADS的仿真30第四章 基于max2829模拟前端的具体实现334.1 电路原理图的设计334.2 PCB的设计要点344.3电路测试374.3.1 测试工具设备介绍374.3.2 测试及其结果分析38第五章 超外差结构接收机模拟前端设计415.1 超外差结构接收机系统的方案设计415.1.2 超外差结构接收机的指标分配425.1.3 超外差结构接收机系统性能仿真435.2 超外差接收机射频前端关键模块的设计与仿真455.2.1低噪声放大器的设计455.2.2 射频带通滤波器的设计50第六章 总结和展望53参考文献54致谢57第一章 绪论1.1研究背景与意义近几年来，随着无线通信的蓬勃发展，使得无线通讯技术的研究也日渐深入。随着一些技术特别是超大规模集成电路技术、微电子技术、射频技术、计算机技术、嵌入式系统、数字信号处理技术、网络技术的飞速发展，使得便携式设备以其便携性越来越受到了人们的青睐，例如：具有高性能的DSP处理机等。 伴随着信息技术的飞速发展，信息交流越来越频繁，人们对计算机的依赖也迅速增加，通信的需求扩大，用户要互连的计算机数量迅猛增长，其存在类型也更加复杂。通信量的迅速增加促进着网络技术和通信技术的发展，人们可以根据不同需求从而选择不同的网络方案，人们可以自由的选择不同的网络方案，但是对于传统的有线网络由于受环境条件或设计的制约，特别是当涉及到的有线网络需要移动和重新布局时，有线网络的缺点就会体现出来，在地理、逻辑和资金方面会存在一系列的棘手的难以解决的问题。因此考虑发展具有可实施的无线通信将它作为对现有数据交换连接的扩充部分成为了一种必要。伴随个人通信数据的迅猛发展，人们对于无线通信网络需求也不断提高，迫切希望打破数据通信受地域和客观条件制约，从而能够“实现任何人在任何地方、在任何时候与任何其他人可以进行任何样方式的通信”。通信方式由有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体业务发展是对传统计算机网络和通信网络的要求，无线局域网（WLAN）作为个人通信的重要组成部分，掀起移动通信的新的浪潮，可以看见在现实以及未来的社会中其必将得到非常广泛的应用。无线局域网出现的时间比较早，最早可认为在1971年由夏威夷大学开发的基于封包式的Aloha Net。为了克服因地理环境恶劣而造成的网络布线困难，而采用无线电台来替代电缆线。但是其标准化工作起始于20世纪80年代的末期，IEEE 802的委员会在802.4L任务组下开始了标准化无线局域网的工作，成立独立的802.11任务组，并于1990年接受了NCR公司关于“CSMA/CD的无线媒体扩充”提案，委员会负责并制定物理层以及控制（MAC）协议媒体访问标准。随后， 802.11任务组发起了成立专题研究小组，并召开了关于 802.11专题的第一次会议。在1997年6月26日，该小组完成了IEEE802.11的标准制定，并在1997年11月26日发布该标准。从1998年开始，许多厂家商家先后推出基于IEEE 802.11标准的无线局域网产品，工作频率大都在2.400-2.483GHz频段，而传输速率可达1-2Mbps.与此同时，欧洲成立了高速无线局域网（HiperLAN）的标准化组织，该标准化组织获得了5.13GHz-5.35GHz和17.1GHz-17.3GHz两个200MHz的频段。1997年标准化组织完成HiperLAN-1标准的制定，这些促使了FCC发放包括5.15-5.35GHz和5.725-5.825 GHz频段。其中，用于室内的5.15-5.25GHz，最大的输出功率为200mW；用于校园的5.25-5.35GHz，其最大的输出功率为250mW；而频段5.725-5.825GHz主要用于社区网络，输出功率最大为1W。但是IEEE 802.11速率最高却只能达到2Mbps，在传输速率上人们的需要得不到满足，因此在后续不断研究于1999年9月又提出了IEEE802.11a和IEEE802.11b标准，这两种标准允许通过的最大传输速率为54Mbps和11Mbps。2003年6月，又通过了仍工作于2.4GHz频段的IEEE802.11g标准，它与IEEE802.11b兼容，允许最大的传输速率为54Mbps。同时，HiperLAN-2标准也制定已经完成，与IEEE802.11a类似，其工作于5GHz频段，最大的传输速率为54Mbps。1.2 2.4GHz模拟接收机发展现状近年来，无线数字通信技术的应用正越来越广泛，而接收机作为通信系统的重要组成部分，而其正面临着一系列的问题，如高集成度、工作频率、低电压、低价格、低功耗的挑战和问题。模拟前端作为接收机的重要组成部分，要想提高接收机的集成度，提高接收机中模拟前端的集成度就变得很关键。目前常见的接收机模拟前端结构有超外差、零中频、低中频、宽带中频和镜像抑制接收机等、数字中频接收机也在设计中得到逐步应用。要实现2.4GHz频段接收机就必须实现硬件电路，而在宽带接收机硬件电路实现的难点是模拟前端射频电路的设计。模拟前端射频电路的设计就是要对电磁信号的电路进行设计，当信号的频率达到GHz以上时，组成电路的元件以及传输线的尺寸与电磁信号的频率的波长相近或相当。这时候就不能忽略信号在传输的过程中的滞后、趋肤1 Behzad Razavi.RF Microelectronics.北京：清华大学出版社,2003.、辐射效应的影响。这时就不能用低频集总参数设计方法这种传统的方法去设计电路了。与此同时，高频谐波部分很容易通过元件或电路板辐射出去，从而对其他设计模块会产生一定的噪声或者干扰。对于“高频”效应所造成的负面影响我们是要限制的，如：串扰、信号污染还有寄生的效应等。再者，伴随无线通信技术迅猛发展，传输数据的数据量也越来越大，因此这样移动通信系统会对移动通信设备的要求更高，更新。在带宽的加大和提高最终产品功能市场需求的推动下，现在的设计需要有更高的频率范围，复杂性也不断提高。目前无线移动通信信道情况相当恶劣，这也对设计射频级提出了比较严格的性能指标要求，需要达到对低噪声、好的信号选择性、高动态范围以及低功耗的要求就必须通过复杂电路的设计来实现。频率的更高范围，增加了射频级电路的设计难度。于此同时，无线移动通信终端设备的趋于小型化，用在移动终端通信设备射频电路中的晶体管和集成电路用得少，使得射频级电路设计成为宽带接收机设计的主要难点之一。归结起来有：(1) 由于基带可以完全使用成熟的数字集成电路，而模拟前端集成的射频电路目前还处于发展的阶段，有些器件还需要外部给予，比如电感无法完全集成；模块与模块存在匹配问题，这些都会给设计造成一些困难。(2) 现有的设计射频芯片问题，使得射频系统的设计无论是在系统级还是在电路级总是有冗余，效率不高。(3) 对射频模拟前端电路来说，计算机的辅助分析和综合工具还处于起步阶段，利用这些工具进行的分析和综合得出的结果只能起到参考作用。因此在目前的射频电路软件中，如ADS，对射频的部分器件的非线性、时变性、不稳定性和电路的分布参数以及一些外部器件还缺乏精确的模型，因此射频电路的设计问题在很大程度上还得依赖工程师的调试和经验。1.3主要内容与章节安排 本论文的项目背景就是利用2.4GHzWLAN信号进行无源探测，国内外的研究表明可以利用WLAN信号进行无源探测，其有以下几点优势： （1）无线局域网在国内已经普及，尤其是重要办公场所、机场车站、宾馆酒店、居民小区等公共场所都被该信号所覆盖。（2）Wi-Fi信号无线接入点密布，有利于由众多Wi-Fi基站构成雷达网络，易于扩展探测范围。（3）大带宽的Wi-Fi信号主要工作在2.4GHz，这使其在具有较高距离分辨率的同时对建筑物具有较强的穿透性，无探测盲区。（4）探测具有低成本、低功率、隐蔽性好、生存能力强等优势。本文主要论述了2.4GHz频段的宽带接收机技术，着重分析了宽带接收机模拟前端的电路结构，对模拟前端与天线匹配进行了仿真，以及2.4GHz频段接收机模拟前端的实现。 第二章前半部分主要介绍了常用的接收机结构，同时针对不同的接收机不同特点进行了分析，后半部分主要介绍了接收机的一些射频主要技术指标，如噪声系数、噪声基底、灵敏度、1dB压缩点、动态范围等常用的衡量射频性能的指标。第三章主要是描述本文所选用的接收机模拟前端结构以及模拟前端的电路设计。然后结合具体天线的参数与电路板间作了匹配仿真。第四章中主要是模拟前端的电路实现和电路调试。第五章结合项目实际需要，设计超外差二次变频接收机方案，对整个链路和关键模块进行了ADS仿真。第六章对论文所取得的成果和不足进行总结以及下一步工作的计划。第二章 模拟接收机2.1 模拟接收机的结构 接收机基本上是由放大器、滤波器、混频器等部件将模拟输入信号放大、滤波并进行若干次频率搬移或变换，再通过ADC采样，送计算机或DSP作进一步处理。2.1.1 超外差式接收机1917年，Armstrong发明了超外差式接收机结构，由于在该结构如图2.1中使用了中频这一概念，因此又被称为中频接收机。一直以来，由于理论基础和实践背景已经非常成熟，一次超外差结构获得了广泛的应用。然而，由于在该结构中由于需要抑制镜像信号，就需要使用到高阶带通滤波器，因此难以该结构集成。 图2.1超外差接收机原理框图在该结构中，RF信号经带通滤波器滤除带外干扰，低噪声放大器LNA放大，以减少后即电路噪声的影响，LNA的输出经镜频抑制滤波器可以滤除镜频信号(镜频抑制)，后信号送入混频器输入端与频率可调谐的本振信号进行混频，变频到固定中频。中频信号经过高Q值的选择滤波器、放大器处理后送入第二级变频器，与固定频率的两路正交本振信号混频、产生同相和正交两路信号输出，再经低通滤波器后得到两路基带，然后在基带内完成低通滤波、相位补偿、均衡、数字化等处理工作。在超外差结构系统中各信号的频谱关系如图2.2所示，其中变频级多采用一次变频或二次变频方案。图2.2 系统中各信号的频谱关系超外差结构接收机优缺点：优点：1、靠中频滤波器来选择信道，信道的选择性指标做得很高 。2、系统总增益分配到高频、中频及基带三个频段上，高增益放大容易。3、在较低的固定中频上解调或A/D变换比较容易 。4、灵敏度和选择性之间的矛盾容易缓解。 不足：1、混频器的存在，组合干扰频率较多。2、由镜像频率信号所引起的镜像干扰很大。3、为了提高接收机的选择性，使用多个高Q值的带通滤波器，不便集成，使用的模拟器件较多，电路结构复杂，系统稳定性差 。4、较多的窄带滤波器，引入的幅度和相位畸变很大，影响后处理的质量。 5、滤波器的中心频率和带宽通常是固定的，灵活性差。所以必须反复考虑系统的具体结构和电路形式，仔细选择中频频率。总体来说，具有良好选频特性的滤波器是超外差式接收机结构所必备的条件。然而这样的滤波器只能在片外实现，超外差式接收机是无法集成的，在单片接收机系统中应用该结构就显得不合适，但因为超外差体系结构通过适当的选择中频点和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度，所以被认为是最可靠的接收机结构。该结构可用与在AP和专用WLAN设备等2.4GHz频段的应用设计的接收机系统中。2.1.2 零中频结构接收机零中频结构又称直接变换接收机结构，其结构框图如图2.3所示，来自天线的RF信号，经RF带通滤波器选择出有用信号后送入LNA放大，然后送入正交混频器，与可调频率的两路本振信号混频，直接产生正交、同相两路信号输出，并分别经低通滤波后送到ADC，零中频结构系统中信号的频谱关系如图2.4所示。图2.3 零中频结构接收机的原理框图提高接收机集成度的关键在于去掉了中频滤波器这一的分立元件。零中频接收机的主要思想是，没有中频，将天线接受的信号从射频直接变换到基带。这种结构的好处非常容易看到。首先，没有中频，就不需中频滤波器，因此集成度可以大大提高；其次，由于信号直接下变频到基带，选择信号上可以用低通滤波器来代替带通滤波器，从而大大简化滤波器的设计；对于零中频结构来说，镜像信号相当于就是接收信号本身，两者动态范围相同，因此大大降低了对镜像信号抑制的要求；最后，接收机的结构简单，降低了功耗。正是因为这些优点，近些年该结构的应用得到迅速发展，成为设计集成接收机的主要选择之一。然而，该结构虽然大大提高集成度，但同时也带来了许多问题。与超外差结构接收机相比，零中频结构接收机还会受到偶次谐波失真的影响。偶次谐波失真主要集中在基带附近频段，在超外差结构接收机中，信号是下变频到中频，消除这一干扰可以通过带通滤波器实现，但是在零中频接收机中，偶次谐波失真是有用信号混迭在一起的。但是电路结构采用差分形式，能在很大程度上消除这种偶次谐波失真的影响。所以要想实现有用信号和镜像信号的分离，零中频接收机必须采用两路正交下变频结构。然而两路正交下变频结构存在着匹配的问题，当两路失配时，接收信号的质量会受到影响。图2.4 零中频系统中信号的频谱关系特点：1、中频为零，就不存在镜频干扰。2、射频链路中只包含高频低噪声放大器和混频器，增益不高，易于满足线性动态范围的要求。3、接收通路中，混频之后可以用模拟低通滤波器或数字滤波器来实现，易于集成。可利用可编程的低通滤波器来兼容多种通信标准，适应性好。4、信号的放大、处理主要在基带进行，对ADC的要求不高，容易实现，降低了设备的复杂度 减小零中频结构接收机的非理想特性可以有多种方法：（1） 1/f噪声和直流寄生失调的干扰主要是集中在低频频段。而调制指数比较高的FSK信号，其频谱能量主要在两个峰值上集中，而对于低频分量其能量相对较小，并且在频谱上可以与失调信号分开，从而可以通过滤波器滤除低频分量，降低直流寄生失调的干扰，但却不会对信号本身有太大的影响。因此，若使用的是基于802.11b的直接序列扩频信号，带宽可以达到22MHz，对于这种信号，滤除其中的直流分量，虽然损失了一些低频上的有用信息，但是却是在可接受的范围内的。另外，很多接收机采用的是零中频的结构，比如寻呼的系统。(2) 在射频信号其载波频率与本振信号一样时，本振信号经混频器混频后产生时变的直流失调信号的影响最大。通常可以改变本振信号它的频率使之为射频信号它的载波频率的整数倍或分数倍，这样可以降低本振馈通带来的直流寄生失调问题。(3) 对设计混频器的研究也可以获得一些新的思路。文献2 Kang-Yoon Lee,Seung-WookLee,Yido Koo.Full-CMOS 2-GHz WCDMA direct conversion transmitter and receiverJ.IEEE Journal of Solid-State Circuits.2003,38(1): 43-53.2提出了多相混频器。其本振信号频率是射频载波频率的1/N，N2个普通混频器构成一个多相混频器。它克服了直流失调问题和对锁相环设计的苛刻要求。文献3 MacEachem L,Manku T.Novel indirect-conversion transceiver architectures using phantom oscillatorsJ.IEEE Radio and Wireless Conference.2000:223-266.3将ChPoper技术应用于混频器，通过两次变频，将噪声和信号分离开。文献4 Nimmagadda K,Rebeiz G.M. A 1.9GHz double-banlanced subhamnonic mixer for direct conversion receiversJ.IEEE Joumal of Radio Frequency Integrated Circuits.2001:253.4采取谐波混频器，使用本振信号的二次谐波和射频信号混频，这种方法做的好处是当射频信号被直接下变频到基带时，自混频的失调产物则被变换到本振频率。(4) 通过改进接收机的结构办法也可以减小直流寄生失调和1/f噪声。一种方法是，将高通滤波器或交流耦合放在混频器后使用，可以起到隔离直流分量的作用。但这样做带来许多问题。因为高通滤波器的拐点频率越高，信息的损失也就越多;拐点频率越低时，但是信号的群延时越长。对于大部分的调制信号而言，中心频率附近频谱的能量较大，携带信息在基带进行交流耦合后，会损失低频分量，导致误码。因此，交流耦合的方法虽然简单，但应用却并不多见。另一种使用普遍的方法是反馈电路的构造，消除直流寄生失调。此方法既可以在数字域上完成，也可以在模拟域上实现。在数字域进行处理则是用DPS算法检测失调信号5 郝盛，是湘全.2.4GHz接收机射频前端设计D.南京：南京理工大学，2006年.5的变化，然后将失调分量通过数模变换反馈到模拟前端和接收信号相减，消除影响。在模拟域上完成消除直流寄生失调的好处是可以降低转换器的动态范围，进而数字信号处理部分的难度得到降低。但是这两种方法使电路功耗和复杂度增加。文献1使用两级下变频(也称为非直接变频)代替直接下变频，先将射频信号下变频到一个较高的中频，再直接下变频到基带，一方面，由于在第二次下变频时使用的本振信号频率低且固定，因而泄漏较小，直流失调相对稳定，可以容易地去除；另一方面，混频器的1/f噪声也随之降低。这种结构的问题在于需要选择合适的中频频率，使最前端的带通滤波器可以提供足够的相对于第一本振的镜像信号抑制。简而言之，零中频结构接收机的结构较简单，对镜像信号的抑制要求也不高，可以做到有很高的集成度。由于零中频结构接收机的电路单元少，且集成度高没有片外的无源元件，功耗也随之较小。从提高接收机整体集成度、简化模拟电路的设计、以及减少功耗和节约成本的角度来出发，零中频接收机不失为一种颇佳的选择。2.1.3 低中频接收机为了避开零中频接收机的直流寄生失调和1/f噪声的干扰，一种直接的思路就是把它们和有用的信号从频谱上分开来，因为零中频接收机的直流寄生失调和1/f噪声都存在于低频。这时，接收到信号不再直接变频到基带，而是变频到一个较低的中频。这种接收机的结构称为低中频接收机，在电路形式上，低中频结构与零中频结构基本相同，不同的一点是低中频结构6 陈邦嫒.射频通信电路 M.北京：科学出版社，2002年.6比零中频结构的中频要稍高些，一般在通道带宽的1至2倍的频率处。其原理框图如图2.5所示，其工作过程为：天线接收的信号，经射频带通滤波器滤波之后进入到低噪声放大器（LNA）然后再进入正交混频器，产生两路同相的正交的输出信号，这两路信号在分别经过带通滤波器后进入A/D转换器。图2.5 低中频结构原理框图低中频结构与超外差式接收机相比，不同处就是不需要高频带通滤波器，集成度好，功耗更低;它与零中频结构接收机相比，解决了零中频结构中存在的直流寄生失调7 王磊，杨红.射频电路设计技术M.北京：电子工业出版社7和闪烁噪声8 丁鹭飞，耿富录.雷达原理（第三版）M西安：西安电子科技大学出版社，2002:49.8等低频干扰问题。因此作为集成接收机设计的可选择结构之一。但是，下变频以后的频率从基带变成低中频，由于中频较低，镜像频率9 魏忠伟，高火涛，柯亨玉.高频地波雷达接收天线效率对回波信噪比的影响J.武汉大学学报（理学版），2004,50（5）：649-653.9离射频滤波器的中心频率不远，所以带来了镜像信号抑制困难和双路信号匹配的问题。在零中频结构接收机中，镜像信号其实就是信号自身，因此对镜像抑制的要求是很低的。但是对于低中频结构接收机而言，镜像信号有可能较有用的信号在能量上会高很多，需要较大的镜像的抑制和两路正交信号的精确的匹配，因此这就是该结构它的缺点。一般的IQ两路正交结构的镜像抑制大约只能提供到26dB，还远远达不到要求，所以需要加以校正，或者采用更高精度的匹配的电路结构。在采用适用的校正算法上，可以利用Gram-Schemits重正交算法；还有导频校正幅度和相位失配算法10 Andrew. J. Viterbi, Audrey M. Veterb. Nonlinear estimation of PSK-Modulated carrier phase with application to burst digial transmissionJ.IEEE Transactions on Information Theory,1983,29(4):43-551.等。电路结构的实现上，可以采用IQ平衡正交下变频结构。在不需要有额外的校正电路情况下，该结构相位精度可达到0.3°。除此之外，低中频结构接收机在频点的选择有一定的限制。一方面，为减小接收信号的动态范围，中频的频率是越低越好，另一方面，为了尽量降低直流失调、l/f噪声干扰，中频需要高一些，所以在两者间需要权衡(采取预滤波)。对于蓝牙系统而言，该系统对射频前端的指标要求不高，它使用的调制信号是GFSK的，主要是低频分量携带有信息，故不适合用零中频结构接收机，因此适用低中频结构。因为低中频接收机有比较好的集成度，能够克服零中频结构接收机存在的直流寄生失调和1/f噪声11 Gerd Ascheid, Martin Oerder, Johannes Stahl,Heinrich Meyr. An all digitial receiver architecture for bandwidth efficient transmission at high data ratesJ.IEEE Transactions on Communications,1989,37(8):804-813.的干扰。它适用于对镜频信号抑制要求不高，有用信号在中心频率携带信息的场合。大多数2.4GHz蓝牙通信系统接收机都采用的是低中频结构。2.1.4 镜像抑制接收机 超外差式接收机可以通过外接镜像抑制滤波器来滤除镜像频率干扰。镜像抑制接收机则通过改变电路结构来抑制超外差式接收机中的镜像干扰。考虑到镜像频率im和信号频率RF分别位于本振频率LO的两边，采用某些处理会对它产生不同的影响。镜像抑制接收机的结构有两种，第一种如图2.6所示，它也称为Hartley结构。图2.6 Hartley 镜像抑制接收机原理图在这种结构中，两路相互正交的本振信号与输入的射频信号混频，再将其中一路相移90°，然后叠加，就可以得到抑制镜像频率的中频信号。 这种结构的接收机要真正做到抑制镜像干扰的关键在于两点。一是两条支路必须完全一致，其中包括本振信号的幅度、混频器增益、低通滤波器的特性必须一致。二是正交要精确，即两路的本振信号要精确地相差90°，否则镜像频率不可能完全抑制。 镜像抑制接收机的另一种结构如图2.7所示，称为Weaver结构。在这种结构中，用第二个正交混频器代替了90°移相器。由于第二次混频的中频不是零，也就可能存在镜像频率干扰的问题。图2.7 Weaver镜像抑制接收机结构原理图Hartley和Weaver接收机都是镜像接收机。由于在Hartley接收机中，一般采用RC移相网络来实现移相90°，但RC移相网络对失配很敏感，镜像抑制的精度有限，且大的电阻和电容也不易实现片上集成，所以该结很少被使用。Weaver接收机使用两个混频器代替了RC移相网络12 Yo-Shen Lin. Chun Hsiuing Chen. Novel compact microsrip parallel-coupled bandpass filters with lump-element j-inverterJ.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.2007(8):253-263.。由于混频器的匹配优于RC移相网络，且容易集成，所以Weaver接收机优于Hartley接收机。2.1.5 数字中频接收机为了解决中频选择中碰到的“灵敏度”和“选择性”的矛盾，可以采用二次混频方案，如果将第二次混频和滤波数字化。这种接收机称为数字中频接收机。如图2.8所示，第一次混频后的信号经放大直接进行A/D变换，然后采用两个正交的数字正弦信号做本振，采用数字相乘和滤波后得到基带信号。图2.8 数字中频接收机结构原理图采用数字混频的优点是，数字处理方法可以避免I/Q两路的不一致。数字中频接收机的设计难点在于对A/D变换器的要求较高，具体体现在以下几点：(1) I中频采用高中频值，以提高镜像频率抗拒比（接收机抑制镜像频率干扰的能力）。图中的第一第二个带通滤波器主要完成频带选择和滤除镜像频率。由于I中频相对比较高，因此要求A/D变换器的速度也很高。(2) I中频的信号虽然经过了放大，但幅度仍较小，这就要求A/D变换器有较高的分辨率和较小的噪声。(3) 如果I中频的滤波器不能很好的滤除镜像频率干扰和其他频率的干扰信号，为了防止由互调失真等原因引起的对有用信号的影响，要求A/D变换器的线性度很高。(4) 要求A/D变换器有较大的动态范围，这是因为接收到的有用信号电平可能因为传输路径的衰落13 Kang-Yoon Lee,Seung-WookLee,Yido Koo.Full-CMOS 2-GHz WCDMA direct conversion transmitter and receiverJ.IEEE Journal of Solid-State Circuits.2003,38(1): 43-53.和多径效应14 Sowlati T,Leenaerts W.A. 2.4GHz 0.18um CMOS self-biased cascade power amplifierJ.IEEEJournal of Solid-State Circuits.2003,38(8):1318-1324.而变化。(5) A/D变换器的带宽应和I中频信号一样。在数字中频接收机的结构中，由于不需要将中频信号变换为模拟基带信号，避免了低频失调和噪声的影响。另外，接收机直接在数字域完成信号解调，可以充分发挥数字电路的功能，处理多种调制方式的信号，灵活性很高。数字中频接收机可以简化模拟前端电路，将数字电路向射频电路靠拢，这是未来接收机的一个活跃的研究方向。2.2 接收机的主要技术指标2.2.1 噪声系数 一个理想的模拟前端，本身只放大天线所输入的信号和噪声，而不另外引入其他噪声；但实际上，模拟前端总是要产生内部噪声的，因此在输出的噪声中，除了天线的热噪声外，还有模拟前端本身的噪声。噪声系数就是一个表征模拟前端内部噪声大小的物理量。用表示模拟前端输入信号功率，表示模拟前端输入端的信噪比；用表示模拟前端输出信号功率，表示模拟前端输出噪声功率，表示模拟前端输出端的信噪比。噪声系数定义为输入端信噪比与输出端信噪比的比值，用公式表示为： （2-1）其中，输入噪声功率可以表示为： （2-2）其中，k为波尔兹曼常数，k1.38T为输入端噪声温度，单位为K；B为输入