2.4G直接下变频接收机射频前端的设计与研究
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本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况,并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。
这些PCB天线能够与PRoC?和PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。
为了使性能最佳,PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。
本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。
1、简介天线是无线系统中的关键组件,它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。
为低成本、消费广的应用设计天线,并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。
终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。
对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统,它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。
本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序,并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。
图1.典型的近距离无线系统设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。
从无线模块发送的能量越大,在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下,传输的距离也越大。
另外,天线还有其他不太明显的优点,例如:在某个给定的范围内,设计优良的天线能够发射更多的能量,从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。
同样,接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。
最佳天线可以降低PER,并提高通信质量。
PER越低,发生重新传输的次数也越少,从而可以节省电池电量。
2、天线原理天线一般指的是裸露在空间内的导体。
该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时,它可作为天线使用。
因为提供给天线的电能被发射到空间内,所以该条件被称为“谐振”。
图2. 偶极天线基础如图2所示,导体的波长为λ/2,其中λ为电信号的波长。
信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。
按照这个长度,将在整个导线上形成电压和电流驻波,如图2所示。
宽带接收机前端射频电路设计——可重构射频混频器设计的开题报告一、论文选题背景和研究意义随着通信技术的日新月异,对高速宽带应用的需求不断提高,宽带通信系统的设计也日益变得复杂。
而在宽带通信系统的设计中,宽带接收机前端射频电路是其中的重要组成部分。
射频电路的设计对于整个系统的性能和稳定性具有至关重要的影响。
因此,对宽带接收机前端射频电路的设计研究具有很高的实际意义。
在射频电路的设计中,一个常见的问题是需要对不同频率的信号进行信号处理。
例如,当接收机需要接收多个信号时,需要进行信号的混频处理,将所接收到的信号转换到基带中进行进一步的处理。
此时,混频器成为了关键的组成部分。
然而,不同信号在不同频率下的接收需要不同的混频器,这导致了混频器在设计中具有一定的困难性。
因此,研究可重构射频混频器设计是极为必要的。
二、国内外研究现状目前,国内外对可重构射频混频器的研究已经有了一定的进展。
例如,国外学者设计了一种基于宽带集成技术的可重构射频混频器,该混频器能够在10GHz到20GHz频率范围内实现多种混频功能,具有优异的性能指标。
国内也有许多学者对此进行研究,例如利用CMOS工艺制作低电流混频器的研究,以及利用GaAs工艺实现双模混频器的研究等。
然而,当前射频混频器设计中存在一些问题。
例如,目前使用的混频器在频段扩展和功率要求方面存在局限性,而且实现复杂且成本较高。
因此,需要在混频器设计中寻求新的技术路线,以解决目前存在的问题。
三、研究内容和技术路线本文将研究可重构射频混频器的设计技术,对技术进行一定的探讨和应用。
研究内容如下:1. 初步研究射频混频器的基本理论和相关技术知识,了解射频混频器的工作原理和现有的技术路线。
2. 研究可重构射频混频器的设计方法,通过设计具有可重构性质的混频器,使其能够适应不同频率下的信号处理。
3. 利用软件仿真,优化混频器的设计参数,提高混频器的工作性能。
4. 制作混频器原型,并进行实际测试。
宽带无线通信射频收发前端设计分析摘要:近年来随着社会经济不断发展,我国已经进入信息化时代,现代社会信息对于我们的生活的影响也越来越大,宽带无线通信系统的迅速发展,使得人们的通信变得越来越便捷。
本文对宽带无线通信射频收发前端的设计进行分析与探讨,旨在提高宽带无线通信水平。
关键词:宽带设计;无线通信;射频;收发前端设计1宽带无线通信系统组成近年来,宽带无线通信由于其平均功率较低、频谱利用率较高、保密性和安全性好等优势,已经成为通信领域中研究的热点技术。
宽带无线通信系统主要包括以下几个部分。
1.1基带处理单元基带处理单元是宽带无线通信系统中的基础,主要的功能有对数据信道进行编码处理、CCK调制解调、同步时钟提取等。
1.2中频处理单元中频处理单元主要完成频率转换,通过上下变频,完成射频和中频之间的转换,并且完成数字信号与模拟信号之间的相互转换。
1.3射频单元射频单元是数据传输的主要部分,发送端首先将语音、数据以及图像等信号调制成为相应的信号,然后经过滤波、放大、功放送天线等环节对信号进行发射。
射频单元中的接收端则主要负责接收射频信号,对于传输来的信号,经过放大、滤波和变频之后可以将固定的中频信号输出到中频处理模块中。
1.4协议与控制单元协议与控制单元具有协议控制、数据组帧与完整性检测处理等功能,可以为各种数据信息提供相应的接口,以便信息数据可以进入处理单元中。
在宽带无线通信系统中,射频前端是最关键的部分,该部分是影响信号的传输和接收功能的主要部分,通过对射频前端进行设计,可以实现收发通道射频前端的所有功能,而且能够满足调制信号的收发要求,在应急通信、指挥调度、无线监控、海上作业等领域有十分广泛的应用。
而且在宽带无线通信系统中还内置了GPS模块,通过GPS定位可以向中心站点传输精确的位置信息。
2射频收发系统的工作原理2.1射频发射机的工作原理射频发射机主要用于信号发射,无线射频发射机是通过调制放大信号的功率以及上变频和滤波过程,将低频基带信号转换成高频射频信号的一个过程。
机载超短波接收机射频前端系统级设计与仿真
张宇晖
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】2024(50)1
【摘要】针对某型号超短波接收机研制需求,使用ADS(Advanced Design System)软件对该超短波接收机射频前端进行设计与仿真。
通过分析接收机的性能需求,结合接收机主要工作原理和技术指标选取二次变频超外差接收机结构做为实现方案,根据设计方案在ADS中建立了射频前端的系统级仿真模型,并对射频前端的噪声系数、灵敏度、增益和互调失真等多个关键指标进行了设计分析和仿真计算,结果表明该射频前端各项指标满足设计要求。
【总页数】4页(P83-86)
【作者】张宇晖
【作者单位】中国西南电子技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN492
【相关文献】
1.软件无线电接收机射频前端设计与仿真
2.基于ADS的L波段接收机射频前端设计与仿真
3.面向超短波接收机射频前端的电磁脉冲效应仿真与效应分级方法
4.一种安控接收机射频前端设计与仿真
5.多通道卫星导航探空接收机射频前端的设计与仿真
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射频接收机前端AGC系统的电路设计提纲:一、射频接收机前端AGC系统的基本原理及设计要点二、传统射频接收机前端AGC系统挑战及优化设计技术三、现代射频接收机前端AGC系统设计方法研究四、射频接收机AGC系统的性能评估与实验测量五、未来射频接收机前端AGC系统的发展趋势和展望一、射频接收机前端AGC系统的基本原理及设计要点AGC(Automatic Gain Control)系统是射频接收机的重要组成部分,在信道不稳定的环境下可以实现信号输入电平的自动控制。
其主要功能是控制单位电平内射频前端放大器的信息增益,以确保信号在最佳的动态范围内运行。
射频接收机前端AGC系统的设计要点主要包括信号放大段、包络检波环节、比较环节和控制回路。
其中,信号放大段的设计为AGC系统的核心,关系到整个系统性能的优劣。
当前,射频接收机前端AGC系统的设计主要分为两大类:一类是传统模拟AGC系统,它采用经典的线性控制回路,具有结构简单,功耗低,抗干扰能力强等优点;另一类是数字AGC系统,它基于DSP的现代控制理论,具有精度高,响应速度快等优点。
二、传统射频接收机前端AGC系统挑战及优化设计技术目前,传统AGC系统仍然是射频接收机中最常用的设计方案之一。
然而,传统AGC系统在设计中还存在一些挑战,主要包括信号失真、抗干扰能力不足和高功耗等问题。
为克服这些问题,优化设计技术主要包括:1、引入自适应控制器,利用反馈控制环节提高控制精度和系统鲁棒性,增强系统的稳定性和抗干扰能力。
2、优化模拟电路设计,提高系统带宽、增益平坦度和延时响应特性,并减少失真和噪声干扰。
3、使用低功耗模拟电路设计,降低系统功耗并提高信号处理速度。
三、现代射频接收机前端AGC系统设计方法研究现代射频接收机前端AGC系统采用数字控制理论,利用高速AD/DA转换器实现对系统的数字控制。
其优点在于精度高,控制方便和响应速度快等。
目前,现代AGC系统主要分为三类:1、基于改进的遗传算法和FPGA的AGC系统,该设计主要以FPGA为核心控制器,利用改进的遗传算法实现AGC控制回路,并通过DSP进行算法协调。
2.4 GHz收发系统射频前端的ADS设计与仿真0 引言近年来,随着无线通信业务的迅速发展,通信频段已经越来越拥挤。
1985年美国联邦通信委员会(FCC)授权普通用户可以使用902 MHz,2.4 GHz和5.8 GHz三个“工业、科技、医学”(ISM)频段。
ISM频段为无线通信设备提供了无需申请在低发射功率下就能直接使用的产品频段,极大地推动了无线通信产业的发展。
虽然目前无线数字通信技术已经相当成熟,但射频设计仍然是移动通信设计的瓶颈。
射频电路的设计主要围绕着低成本、低功耗、高集成度、高工作频率和轻重量等要求而进行。
ISM频段的射频电路的研究对未来无线通信的发展具有重大的意义。
国内外许多文献都对此作了研究,文献[2]中介绍了在无线高速数据通信环境下,2.4 GHz发射机的设计。
文献[3]介绍了一种低功耗的CMOS集成发射机的设计。
ADS(Advanced Design System)软件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA 软件基础上发展完善的大型综合设计软件。
它功能强大能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计广泛应用于通信航天等领域。
本文主要介绍了如何使用ADS设计收发系统的射频前端,并在ADS的模拟和数字设计环境下进行一些仿真。
1. 发射端的建模与仿真由于设计是建立在实验室中已有的中频调制和解调的硬件基础上的,因此发射端和接收端不考虑信号的调制和解调过程。
实验室中的中频调制模块可以输出大概8~10 dBm的40 MHz已调中频信号,经过分析选择,该发射端的各个模块均参考MAXlM公司的集成模块的参数而设计。
本地振荡器采用的是MAX2700。
MAX2700是压控振荡器,通过设计合适的外围电路可以使它输出2.4 GHz的信号。
混频器采用的是MAX2660,MAX2660是有源混频器,可以提供一定的增益。
功率放大器采用的是MAX2240,MAX2240的最大输出功率是15.3 dBm。
2.4G说的就是它的工作频率为2400MHz~2483MHz.它是无线电委员会和信息产业部公布的允许使用的公用频段,属于免授权免费使用的频段。
像无线电话、蓝牙都是采用的这个频段,而且接收端和发射端之间并不需要连续性工作,从而大大降低了功耗、延长电池续航时间。
2.4G还采用了自动调频技术,接收端和传输端能够找到可用频段。
此外,更重要的是2.4G RF(射频)无线技术为双向传输模式。
它发射的为数字射频信号,它的波长很短,定向传输的效果很好,抗干扰能力强、音质好、传输距离远.并且数字射频信号不属于电磁波,发射功率小,不会对人身体造成伤害。
数字射频技术是采用全自动数字信号处理方法来替代传统的繁琐复杂的模拟射频电路设计的直接数字调制技术.跟大家介绍一下2。
4G技术,内部集成有2.4G射频通信模块并包含普通智能卡功能的新型手机智能卡技术,利用RF—SIM技术、安全国家相关智能卡应用技术规范、标准面开发、生产的带射频功能的新型手机智能卡。
从物理外观上2。
4G RF-SIM卡与普通SIM没有任何不同,2。
4G RF-SIM卡的射频特性相比于其它卡而言优势比较多,但这里只列举几种:通信速度高、抗干扰能力强、有效通信距离强、能够搭载125个射频通道、RF设备防抽图、能够作为读卡器与其它卡通信、与蓝牙和WiFi和13。
56M等无冲突,所以2。
4G RF-SIM卡是我们自主研发的创新性技术,2。
4G RF—SIM卡技术具有多功能性和高安全性的特点,可以促进电信、金融、交通等行业的业务融合与发展,2.4G RF—SIM技术是RFID和移动通信技术的完美结合,符合国家金卡工程、移动互联网等战略.由于2.4G RF-SIM卡支持近中远三种距离的通信模式,2。
4G RF—SIM卡本身也是CPU卡,具有一卡多用、多卡合一的功能,所以它不仅能够利用于所有的封闭式环境一卡通应用,比如企业、学校等等,同时由于新增了中远距离的应用功能,从而使整个大的系统能够满足近、中、远三种不同应用类型,实现了真正的一卡在手畅行无忧。
图1 接收下变频原理框图
侦查监测系统是电子战系统的重要组成部分,理想的侦查监测系统能够以较宽的带宽以及较高的动态和灵敏度信号,而且具有体积小、重量轻、成本低、功耗小、杂散小的特点。
本文设计的1~18GHz超宽带接收下变频模块就具有这些特点。
其设计的链路是接收信号分为1~6GHz、6~18GHz 2个频段,分别送入接收下变频模块对应端口,对于1~18GHz频段的截获信号,在每个通道内先进行限幅、滤波、低噪声放大、功率控制、自检选通后分别用开关滤波滤除谐波及带外信号,再与宽带本振20~40GHz变频至一中频22GHz±0.25GHz/0.5GHz 后再开关滤波、放大输出。
通过开关滤波可滤除谐波杂
20中国设备工程 2023.10(下)。
2.4G 射频双向功放的设计与实现(1-1)在两个或多个网络互连时,无线局域网的低功率与高频率限制了其覆盖范围,为了扩大覆盖范围,可以引入蜂窝或者微蜂窝的网络结构或者通过增大发射功率扩大覆盖半径等措施来实现。
前者实现成本较高,而后者则相对较便宜,且容易实现。
现有的产品基本上通信距离都比较小,而且实现双向收发的比较少。
本文主要研究的是距离扩展射频前端的方案与硬件的实现,通过增大发射信号功率、放大接收信号提高灵敏度以及选择增益较大的天线来实现,同时实现了双向收发,最终成果可以直接应用于与IEEE802.11b/g兼容的无线通信系统中。
双向功率放大器的设计双向功率放大器设计指标:工作频率:2400MHz~2483MHz最大输出功率:+30dBm(1W)发射增益:≥27dB接收增益:≥14dB接收端噪声系数:< 3.5dB频率响应:<±1dB输入端最小输入功率门限:<?15dB m具有收发指示功能具有电源极性反接保护功能根据时分双工TDD的工作原理,收发是分开进行的,因此可以得出采用图1的功放整体框图。
功率检波器信号输入端接在RF信号输入通道上的定向耦合器上。
当无线收发器处在发射状态时,功率检波器检测到无线收发器发出的信号,产生开关切换信号控制RF开关打向发射PA通路,LNA电路被断开,双向功率放大器处在发射状态。
当无线收发器处在接收状态时,功率检波器由于定向耦合器的单方向性而基本没有输入信号,这时通过开关切换信号将RF 开关切换到LNA通路,PA通路断开,此时双向功率放大器处在接收状态。
下面介绍重点部位的设计:发射功率放大(PA)电路发射功率放大电路的作用是将无线收发器输入功率放大以达到期望输出功率。
此处选择单片微波集成电路(MMIC)作为功率放大器件,并采用两级级联的方式来同时达到最大输出功率与增益的要求。
前级功率放大芯片选择RFMD公司的RF5189,该芯片主要应用在IEEE802.11b WLAN、2.4GHz ISM频段商用及消费类电子、无线局域网系统、扩频与MMDS 系统等等。
本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况,并推荐了两款经过赛普拉斯测试的低成本PCB天线。
这些PCB天线能够与赛普拉斯PRoC™和PSoC®系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。
为了使性能最佳,PRoC BLE和PSoC4BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。
本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。
1.简介天线是无线系统中的关键组件,它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。
为低成本、消费广的应用设计天线,并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。
终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。
对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统,它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。
本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序,并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。
设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。
从无线模块发送的能量越大,在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下,传输的距离也越大。
另外,天线还有其他不太明显的优点,例如:在某个给定的范围内,设计优良的天线能够发射更多的能量,从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。
同样,接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。
最佳天线可以降低PER,并提高通信质量。
PER越低,发生重新传输的次数也越少,从而可以节省电池电量。
2.天线原理天线一般指的是裸露在空间内的导体。
该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时,它可作为天线使用。
因为提供给天线的电能被发射到空间内,所以该条件被称为“谐振”。
如图2所示,导体的波长为λ/2,其中λ为电信号的波长。
信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。
按照这个长度,将在整个导线上形成电压和电流驻波,如图2所示。
2.4G天线设计完整指南(原理、设计、布局、性能、调试)本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况,并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。
这些PCB天线能够与PRoC?和PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。
为了使性能最佳,PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。
本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。
1、简介天线是无线系统中的关键组件,它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。
为低成本、消费广的应用设计天线,并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。
终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。
对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统,它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。
本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序,并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。
图1.典型的近距离无线系统设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。
从无线模块发送的能量越大,在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下,传输的距离也越大。
另外,天线还有其他不太明显的优点,例如:在某个给定的范围内,设计优良的天线能够发射更多的能量,从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。
同样,接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。
最佳天线可以降低PER,并提高通信质量。
PER越低,发生重新传输的次数也越少,从而可以节省电池电量。
2、天线原理天线一般指的是裸露在空间内的导体。
该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时,它可作为天线使用。
因为提供给天线的电能被发射到空间内,所以该条件被称为“谐振”。
图2. 偶极天线基础如图2所示,导体的波长为λ/2,其中λ为电信号的波长。
信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。
接收前端组件的研究与设计摘要随着无线通信技术的不断发展,作为无线通信系统中的重要组成部分接收机,它的应用范围越来越广泛,覆盖了包括移动通信、卫星通信、广播电视、雷达、电子战等各个领域本课题来自电子科技大学成都赛英科技有限公司,主要包括1.5GHz-1.6GHz 的开关放大器和5.3GHz-5.9GHz的限幅放大器两部分。
1.5GHz.1.6GHz的开关放大器的开关部分为弹载机提供3路切换信号,按飞行时序使用机载天线、弹顶天线、弹尾天线,5.3GHz.5.9GHz的限幅放大器要能承受20W的功率要求,低噪声放大器都要满足噪声系数、增益、输入输出驻波比的要求。
本文首先介绍了课题的背景和意义,发展动态及论文的主要工作。
然后详细介绍PIN管工作特性,以及它在微波开关和限幅器中的工作原理。
接下来叙述了低噪声放大器(LNA)的主要技术指标以及设计方法。
随后详尽论述了本课题中的1.5GHz"-"1.6GHz的单刀三掷开关放大器和5.3GHz"5.9GHz限幅放大器具体的设计方案,性能指标的实现以及在设计与实现中应该注意的问题,经测试后,达到了指标要求。
关键词:接收前端,低噪声放大器(LNA),PIN管,开关,限幅器AbstractAbstractReceiver is one of the important parts of the wireless communication system.Withthe development of wireless communication technology,receiver has been widely usedin the fields of mobile communication,satellitecommunication,broadcasting andtelevision communication,radar,dcctronic warfare and others.The subject comes from Chengdu Sine Science and Technology Lt止mainly including 1.5GHz-1.6GHz switching amplifier and 5.3GHz-5.9GHz limiting amplifier.The 1.5GHz一1.6GHz switching amplifier pro稍嚣three switching signals,and the5.3GHz-5.9GHz limiting amplifier can receive 20w pulse power.The low noiseamplifiers in the two projects have to meet the requirements of noise figure,gain,andinput and output voltage standing wave ratio.At first,the designing principle of the critical devices of RF(radio蛔uency)front-end receiver is introduced in tlliS paper.Then the operational characteristic of PIN.and its application in microwave switch and limiter is represented.Afterma乞the maintechnological index and designing mothed of LNA(10w noise amplifier)are demonstrated.Subsequently,the scheme of the switching amplifier with the fxcquencyrange 1.5GHz"-'I.6GHz and the limiting amplifier、析廿l the frequency range 5.3GHz~5.9GHz,the realization of performance indices,and some questions which must bepaid attention in the module design are presented.Finally,the testing results are givenand meet the index requirements.Keywords:receiver front-end,Low-noise amplifier(LNA),PIN,switch,limiter第一章绪论1.1 课题提出的意义、背景及国内的发展动向1.1.1 课题提出的意义、背景1891年,法国人爱杜阿德·布朗利发明了粉末检波器,但他没有看到粉末检波器的实际应用。
GPS接收机射频前端电路原理与设计[摘要]在天线单元设计中采用了高频、低噪声放大器,以减弱天线热噪声及前面几级单元电路对接收机性能的影响;基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原理,选用G P2010芯片实现了射频单元的三级变频方案,并介绍了高稳定度本振荡信号的合成和采样量化器的工作原理,得到了导航电文相关提取所需要的二进制数字中频卫星信号。
[被屏蔽广告]关键词:GPS接收机灵敏度超外差锁相环频率合成利用GPS卫星实现导航定位时,用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码,以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间(PVT)等导航信息。
因此,GPS接收机是至关重要的用户设备。
目前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射频单元、通信单元和解算单元等四部分组成,如图1所示。
本文在分析GPS卫星信号组成的基础上,给出了射频前端GP2010的原理及应用。
1 GPS卫星信号的组成GPS卫星信号采用典型的码分多址(CDMA)调制技术进行合成(如图2所示),其完整信号主要包括载波、伪随机码和数据码等三种分量。
信号载波处于L波段,两载波的中心频率分别记作L1和L2。
卫星信号参考时钟频率f0为10.23MHz,信号载波L1的中心频率为f0的154倍频,即:fL1=154×f0=1575.42MHz (1)其波长λ1=19.03cm;信号载波L2的中心频率为f0的120倍频,即:fL2=120×f0=1227.60MHz (2)其波长λ2=24.42cm。
两载波的频率差为347.82MHz,大约是L2的28.3%,这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。
伪随机噪声码(PR N)即测距码主要有精测距码(P码)和粗测距码(C/A码)两种。
其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。
数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据,又叫导航电文或D 码,它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历;总电文由1500位组成,分为5个子帧,每个子帧在6s内发射10个字,每个字30位,共计300位,因此数据码的波特率为50bps。
摘要:射频前端模块性能关系到整个接收机性能,直接下变频接收机有体积小,价格低和高集成度优点而受到了广泛重视。
本文对直接下变频接收机进行了研究,分析了该接收机特点,提出了一种直接下变频接收机射频前端实现方案,并用软硬件平台对其实现,实测2.4G 本地振荡信号和接收机解调信号表明达到系统要求指标。
关键词:直接下变频接收机,频率合成器,射频前端
前言
现在接收机大多是超外差结构,微弱高频无线信号经过一级或者两级混频电路,去掉其它信道干扰并获得足够增益,最终完成信号解调。
这种接收机结构复杂,存在镜像干扰,同时需要高Q值,体积大IF滤波器,因此使得系统复杂化,集成困难。
针对超外差接收机缺点,现在提出了直接下变频接收机,直接下变频接收机本振与载波频率相等,直接将射频信号变换到基带, 因此不存在镜像干扰,不需要镜像干扰抑制滤波器。
中频模块节省可以大大简化系统,有利于单片系统集成。
同时信号放大和滤波都主要在基带进行,降低了能耗。
因此直接下变频接收机在无线通信领域受到了广泛关注。
1直接下变频接收机总体功能描述
提示请看下图:
图1直接下变频接收机框图
天线接收到2.4G射频信号首先经过天线匹配电路,在接收时隙内微弱信号经过低噪放大器放大和带通滤波器滤波,得到射频信号分别与互为正交两路本振信号混频,产生同相和正交两路基带信号。
增益可编程放大器放大I/Q两路信号后,再通过低通滤波器完成信道选择。
得到信号送入ADC中采样,经后级DSP处理恢复出原信号。
2 直接下变频接收机关键部分设计
2.1接收机芯片选择
接收机主要有三部分组成:低噪声放大器,正交解调器和本地振荡器。
根据Friis表达式,N级级联系统中噪声因子为:
提示请看下图:
从上式可以看出射频放大级主宰了接收机整体噪声系数,与接收机性能密切相关。
由于射频放大级增益,使整个噪声指数才增加并不多,但是太高射频放大级增益,对于后级线性度和稳定度都有影响,在这里我们采用是应用于2.4GHz WLAN,ISM和蓝牙无线系统高线性低噪放大器max2644,增益16dB,噪声系数2dB。
接收机解调芯片采用美信公司一款工作在2.1G ~2.5G零中频结构正交解调芯片,该芯片包括正交下变频器,基带可控增益放大器,基带增益平衡调控电路和偏置电路。
正交混频器具有18dB电压增益和较好线性度。
芯片采用新颖可变增益放大器,I/Q两路信号分别采用了总增益80dB,可控增益达60dB两级增益可调放大器,第一级是一个级联差分输入单端输出宽带放大器,它设计目标是在高增益状态下低噪声,低功耗以及线性度。
第二级也是一个差分输入单端输出宽带放大器,在两级放大器之间加入低通滤波器可以构成信道选择滤波器,从而达到抑制相邻信道功率作用。
本地振荡器采用ADI公司ADF4360-1芯片。
2.2接收机本振设计
接收机通过混频器实现2.4G直接变频到基带,因此需要一个2.4G本地振荡信号,同时要求本振信号频率精度和稳定度高,相位噪声小。
锁相环是一种建立在相位负反馈基础之上闭环控制系统,对相位噪声和杂散具有很好抑制作用,在电视,仪器,通信等领域得到了广泛应用。
该接收机本振设计中采用ADI公司ADF4360-1 芯片,它射频输入频率在2050M-2450M,内置可编程分频器,具有电荷泵电流编程功能,可应用于无线射频通信系统,是一款性价比很高电荷泵锁存芯片。
提示请看下图:
图2 频率合成器原理框图
在设计中,通过单片机89C2051控制ADF4360-1CLOCK,DATA和LE信号,在频率合成器芯片内部完成参考晶振R分频和压控振荡器N分频相位比较,并且转换成相应线性电压后从CP0输出,经过3阶环路滤波器滤出高频干扰信号后,得到一稳定电压来控制压控振荡器输出,最终信号频率被锁定在2.4G上。
提示请看下图:提示请看
下图:
图3 ADF4360-1芯片组成锁相环电路和三阶环路滤波器电路
在ADF4360-1中主要有一个低噪声鉴相器,一个精密电荷泵,一个可参考分频器R,可编程A及B计数器,和一个双模分频器(P/P 1),频率合成器分频比为N,并且满足N=B*P A, 因为ADF4360-1里面集成了一个VCO,所以在芯片外部加上一个环路滤波器就可以构成一个完整锁相环电路,这样芯片集成度更高。
它输出频率为fout=N*fin/R,为了得到性能优良本振信号,参考晶振采用10M温度补偿晶振,鉴相频率定为200KHZ,因此R=50,N=12000,双模分频比预置数值为32/33,B=375,A=0。
图4(a)是2.4G本振信号实测图,从频谱分析仪上可以看到频率锁定在2.4G,本振功率幅度为-13.6dBm,满足接收机本振-16~-9 dBm要求。
图4(b)为锁定时间扫描图,显示频率合成器在100us以内本振信号就锁定在2.4G。
提示请看下图:
(a)
图4 (a)锁相环实测图
提示请看下图:
(b)
(b)锁定时间扫描图
3 直接下变频接收机增益和频谱分析
安捷伦公司先进设计系统2004 (ADS 2004) EDA软件是RF和微波仿真软件,它提供了一个集成射频设计流程,可以对设计进行精确全面建模,包括前端仿真和后端布局布线能力。
我们对接收机一些指标进行了仿真。
图5(a)是系统整体增益仿真图,可以看出,中心频率2.4G处增益为93dB,为系统最大增益,同时在2.410G处信号增益为12.7 dB,对于干扰信号能够有很好抑制作用。
图5(b)对系统进行谐波分析,图中蓝色表示原来信号频谱,红色表示下变频后信号频谱,仿真看出射频信号从2.4G搬到了零中频。
提示请看下图:
(a) (b)
图 5 (a)ADS系统增益仿真(b)ADS系统频谱分析
4 PCB设计中存在问题和解决方法
因为本设计电路射频信号达到了2.4G微波频段,需要考虑PCB布局,布线,匹配和电磁兼容问题。
因此PCB材质选用RF4,该板材2.4G时电介质常数为4.6~4.9,接收机采用4层电路板结构,第一层和第四层布信号线,第二层布地线,第三层布电源线。
高频连线采用微带线,微带线在电路中连接输入和输出电路,一定特性阻抗微带线可以使得它与前端电路输出阻抗和后端输入阻抗达到匹配,就可以使得信号传输过程中功率损耗减到最小。
对于本设计电路芯片射频输入端都需要进行50欧姆阻抗匹配,主要用是表面微带线。
实际运用中我们用安捷伦公司射频微波软件对微带宽度进行计算和分析,得到微带宽度为36mil(介质厚度20mil,铜厚1.4mil)。
直接下变频接收机是一种先进接收机结构但是它也有自身缺陷,但是本设计芯片中模块都会解决这些问题。
(1)直流失调:直接下变频接收机中频为零,混频器RF信号和本振信号输入端之间串通引起自混频,这样就会产生较大直流信号,该直流信号叠加在基频信号上,导致误码率增大,并有可能造成后续放大器处于饱和状态,影响接收机正常工作。
本设计中有一个偏移调控电路,该电路通过交流耦合传输信号,同时在电路中产生一个高通滤波电路,这样就可以很好滤除直流信号。
(2) I/Q失配:直接下变频接收机因为信道特性不同,本振信号相位误差等诸多因素导致I/Q两路基带信号增益不平衡。
这会导致I/Q误码率增高,严重影响解调性能。
本设计中含有I/Q增益失配矫正模块,它通过比较I/Q两路信号在终端输出幅度,其误差信号通过一个
微分反馈网络,调节放大器增益控制回路,动态调节两路信道增益,从而补偿两路信号增益不平衡。
5 结束语
本文研究了直接下变频接收机原理和实现方案,并成功用软硬件平台对其实现。
本文创新点在于成功实现了直接下变频接收机,在运用锁相环电路实现2.4G本地振荡信号,试验结果表明在2.4G高频之下锁相环有锁定时间短,相位噪声小,性能稳定等优点。
同时说明了实际工程中需要注意问题和克服直接下变频接收机固有缺陷途径,实测结果表明接收机性能良好,指标都达到了系统设计要求。
参考文献
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