高频电子线路第三版课件第9章 高频电路系统设计
高频电子线路,西安电子科技大学,内容提要,第一章 绪论,第二章 高频电路基础,第三章 高频放大器,第四章正弦波振荡器,第五章 频谱的线性搬移电路,第六章 振幅调制、解调及混频,第七章 频谱的线性搬移电路,第八章 反馈控制电路,第九章 高频电路系统设计,第九章 高频电路系统设计,整机系统结构整机电路分析系统设计,4,问题,给你一个整机，你能还原出其电路图（抄板）吗？ 给你一个整机电路图，你能知道其功能吗？ 给你一个系统要求，你怎么设计这一系统？,不同的应用领域内容的侧重点不同无线通信侧重传输链路，雷达侧重射频前端 不同的应用环境决定不同的技术体制和系统结构短距离通信与深空通信的收发信机结构与调制解调方式不同 不同的业务需求决定不同的技术指标语音通信与视频通信的带宽和调制解调方式不同 不同的用户需求决定不同的电路形式便携设备要求小型化、低功耗,应用决定架构,6,RF滤波器,前置 放大器,IF带通滤波器,RF滤波器,LNA,接收天线,功率分配器,功率放大器,上变频器,IF放大器,Base Processor Unit (BPU),Gain Controller,PAD,PAD,PLL,VCO,发射天线,下变频器,IF带通滤波器,IF放大器,无线通信收发信机常用结构,7,TDD无线通信电路典型结构,8,FDD无线通信电路典型结构,9,经典接收机架构，使用混频器将高频信号搬到一个低得多的中频频率后在进行信道滤波，放大和解调 性能好，成本高 组合频率干扰 射频滤波器等元器件多，不易集成,10,低中频接收机 具有与零中频结构类似的优点，同时避免了DC附近的问题 要求很高的镜频抑制比，需要结合使用抑制镜频的变频结构和额外的镜频抑制措施,11,零中频接收机中LO与RF信道的频率相同 不存在镜频频率，不需要镜频抑制滤波器 信道选择只需要低通滤波（通常集成在射频主芯片） 直流偏移问题（DC offset）,12,偏置锁相环发射结构 调制信号的带宽通过环路滤波器来控制，可以获得很好的带外抑制，杂散小 只能用于恒包络调制方式,13,超外差式 -功放与本振之间具有更高的隔离度 -第一本振频率较低，可以达到较高的调制质量 -复杂度较高,14,直接上变频 -结构简单 -功放对本振形成干扰（LO pulling or injection locking） 本振频率可以通过加减一个偏移量来获得，从而避免LO pulling,无线通信系统设计就是根据无线电信号在信道中的传播特性，估算系统的传输损耗，按照系统的性能要求与技术指标，进行系统链路预算和系统指标设计及收发信机指标分配。,系统设计,链路预算,计算系统总传输损耗,点对点无线通信系统链路损耗示意图,链路预算,系统损耗,无线信道产生的损耗为系统损耗，包括传输损耗和衰落。 传输损耗也称路径损耗，包括传播损耗（衰减）和煤质传输损耗A. 路径损耗代表大尺度传播特性。（1）传播损耗主要指自由空间传播损耗Lbf。设辐射源的辐射功率为Pt，当天线发射信号后，信号会向各个方向传播。在距离发射天线半径为d的球面上，信号强度密度等于发射的总信号强度除以球的面积，则接收功率Pr为：,分别为从发射机到接收机方向上的发射天线增益和接收天线增益，d为发射天线和接收天线之间的距离，载波波长为 ，若把 作为第1m的接收信号强度，则,用分贝表示为：,链路预算,对于理想的各向同性天线 ，自由空间的衰耗成为自由空间的基本传输损耗,在自由空间中，接收信号功率与距离的平方成反比。,链路预算,（2）煤质传输损耗指的是传输煤质及障碍物等对电磁波的吸收、反射、散射或绕射等作用而引起的衰减。由于传输情况不同，煤质传输损耗可能包括以下几部分： 吸收损耗：由地面、大气气体或水汽凝结物吸收引起，与工作频段、传输距离等因素有关。 反射影响或散射吸收：不均匀煤质对电波的散射作用引起。 计划耦合损耗：由传播过程中的极化面旋转引起。 孔径-介质耦合损耗：由于电播传播的散射效应，使接收天线口面上非平面波而引起的附加损耗。 波的干涉效应：由地面或障碍物产生的反射波与直射播的干涉作用而引起。,链路预算,不同的应用场合，不同的应用环境，系统传输损耗模型是不同的。地面上常用的路径中值损耗模型（Okumura-Hata）模型，路径损耗表达式如下：,f为中心频率（MHz），d为距离（km）， 分别是基站天线和移动台天线的有效高度（m）， 为移动台高度修正因子。,链路预算,衰落衰落是由阴影、多径或移动等引起的信号幅度的随机变化，这种信号幅度的随机变化可能在时间上、频率上和空间上表现出来，分别称为时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。衰落是一种不确定的损耗或衰减，影响传输的可靠性和稳定性。在进行系统设计时，一方面要尽可能地减少衰落，如选择合适的工作频率、部署适当的设备位置等。另一方面要采取序列的技术措施以提高抗衰落能力，如针对快衰落可能采用合适的调制方式、分集接收和自适应均衡等措施。,链路预算,衰落针对慢衰落和煤质传输损耗以及设备老化与损伤通常采用适当增加功率储备和衰落裕量。衰落裕量是指一定的时间内，为了确保通信的可靠性，链路预算中所需要考虑的发射功率、增益和接收机噪声系数的安全容限。,链路预算,包含从发送链路到接收链路的所有损耗成为系统总传输损耗 ，主要包括传播损耗 和两端收发信机至天线的馈线损耗（发射馈线损耗 、接收馈线损耗 ）。在进行系统设计时，通常将衰减裕量 也计入系统总传输损耗，即,由以上分析可以看出，系统总传输损耗与工作频率、传输距离、传播方式、煤质特性和收发天线增益等因素有关，一般为几十至200dB.,系统总传输损耗：,链路预算,根据系统要求，在确定了工作频率、带宽、传输距离和调制解调方式等系统指标后，在进行硬件设计之前，还必须进行链路预算分析。通过分析，可以预知或设计出在特定的误码率或信噪比下，为了达到系统设计要求，接收机所需要的噪声系数，增益和发射机的输出功率等参数以及接收机输出的信号强度和信噪比等技术指标。链路预算的过程，实际上是反复计算和参数调整的过程。链路预算就是估算系统总增益能否补偿系统总损耗，或者接收机接收到的信号强度能否超过接收机灵敏度以达到解调器输入端所需的信号电平和信噪比SNR要求。,链路预算,链路预算流程图,MDS：最小可检测信号,链路预算,（1）计算链路总损耗,（2）计算系统总增益,（3）计算接收机的灵敏度Simin和最小可检测信号MDS,链路预算,（3）计算接收机接收到的信号功率 和接收机输出功率及信噪比SNR,链路预算,系统设计就是根据系统要求（主要是工作频率、带宽、通信距离，调制解调方式）和链路预算情况，确定通信链路的系统结构和其中各单元的系统指标。首先是确定发射功率、收发天线的增益、收发两端馈线的损耗和接收机的总增益等功率和增益（损耗）指标；其次，根据最小可检测信号MDS和接收灵敏度Simin计算接收机的噪声系数；最后，根据通信距离和环境的变化以及衰落储备的情况确定接收机的动态范围。在系统设计时，如果发射机发射功率已定，为了达到接收机输出端所要求的误码率或信噪比，必须在发射机的输出功率或收发两端的馈线损耗、接收机的噪声系数、系统增益和互调失真时间进行调整与折中。,系统设计,下面是用一个实际例子来说明链路预算和系统设计的过程。 在一个实际工程中，要求工作在2.4GHz频率上，带宽为1MHz，通信距离为20km，接收端解调器输入信号电平不低于0dBm，信噪比不低于12dB,已确定发射机输出功率为500mW。,工作于2.4GHz微波频率上，传输距离比较远，路径损耗可按自由空间估算，则,假设收发两端馈线损耗相同，都为2dB,再考虑20dB的衰减裕量，则系统总传输损耗,系统设计,为了远距离传输，在发射功率一定的情况下，要尽量提高天线的增益，降低馈线的损耗，考虑到发射端有效全向辐射功率(EIRP)的限制，假设发射和接收天线增益分别为12dBi和24dBi，则,为了使解调器正常工作，使输入信号电平不能低于0dBm，由此可得接收机的总增益 , 考虑到实际设计时，还要对系统不理想等因素引起的附加损耗进行补偿，因此将接收机总增益 设计为95dB。 接收机输出的信号电平 为8dBm，大于0dBm，满足要求。,系统设计,假设接收机的噪声系数Nf为4dB,则MDS接收机灵敏度Simin=MDS+SNR0=-107+12=-95dB接收端输出信噪比大于12dB满足系统要求。,系统设计,第9章完！,
