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射频电路设计信号的稳定传输

2019-12-05 10:42
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此文从射频界面、小的期望信号、大的干扰信号、相邻频道的干扰信号以下几点解读射频电路四大基础性特性,并提供了在电路设计过程中都要非常注意的主要关键因素。

射频电路设计之射频的界面

无线发射器和接收器在基本概念上,可分成基频与射频两个部分。基频包含发射器的输入信号之频率范围之内,也包含接收器的输出信号之频率范围之内。基频的频宽影响了数据在系统中可流动的基本速率。基频是用于改善数据流的稳定度,并在特定的数据传输率之下,减少发射器产生在传输媒介的负荷量。

所以,电路设计基频电路时,都要更多的信号处理工程知识。发射器的射频电路能将已解决过的基频信号转换、升频至指定的频道中,并将此信号流入至传输媒体中。相对的,接收器的射频电路能自传输媒体中取得信号,并转换、降频成基频。

发射器有两个主要的电路设计目标:

这些务必尽量在消耗最少功率的情形下,发射特定的功率。

这些不能干扰信号相邻频道内的收发机之正常运行。

就接收器来讲,有三个主要的电路设计目标:第一步,这些务必准确地还原小信号;其次,这些务必能去除期望频道以外的干扰信号;最后一点与发射器一样,这些消耗的功率务必很小。

射频电路设计之大的干扰信号

接收器务必对小的信号很灵敏,即使有大的干扰信号(阻挡物)存在时。这种情况出现在尝试接收一个微弱或远距的发射信号,而其附近有强大的发射器在相邻频道中广播。干扰信号可能比期待信号大60~70 dB,且可以在接收器的输入阶段以更多覆盖的方式,或使接收器在输入阶段产生过多的噪声量,来阻断正常信号的接收。如果接收器在输入阶段,被干扰源驱使进入非线性的区域,上述的那两个问题就会发生。为避免这些问题,接收器的前端务必是非常线性的。

所以,“线性”也是电路设计接收器时的一个主要考虑关键因素。由于接收器是窄频电路,所以非线性是以测量“交调失真"来统计的。这牵涉到利用两个频率相近,并位于中心频带内的正弦波或余弦波来驱动输入信号,然后再测量其交互调变的乘积。大体来讲,SPI CE是一种耗时耗成本的仿真软件,因为它务必执行许多次的循环运算以后,才能得到所都要的频率分辨率,以了解失真的情形。

射频电路设计之小的期望信号

电路设计

接收器务必很灵敏地侦测到小的输入信号。一般而言,接收器的输入功率可以小到1 μV。接收器的灵敏度被它的输入电路所产生的噪声所限制。所以,噪声是电路设计接收器时的一个主要考虑关键因素。而且,具备以仿真工具来预测噪声的能力是不可或缺的。

。接收到的信号先经过滤波,再以低噪声放大器(LNA)将输入信号放大。然后利用第一个本地振荡器与此信号混合,以使此信号转换成中频电路的噪声效能主要取决于LNA、混合器和LO。虽然使用传统的SPICE噪声分析,可以寻找到LNA的噪声,但对于混合器和LO来讲,它却是无用的,因为在这些区块中的噪声,会被很大的LO信号严重地影响。小的输入信号要求接收器务必具有极大的放大功能,通常都要120 dB这么高的增益。在这么高的增益下,任何自输出端耦合回到输入端的信号都可能产生问题。使用超外差接收器架构的主要原因是,它可以将增益分布在数个频率里,以减少耦合的机率。这也使得第一个LO的频率与输入信号的频率不同,可以防止大的干扰信号“污染 ”到小的输入信号。因为不同的理由,在一些无线通讯系统中,直接转换或内差架构可以取代超外差架构。在此架构中,射频输入信号是在单一步骤下直接转换成基频,所以,大部份的增益都在基频中,而且LO与输入信号的频率相同。在这种情况下,务必了解少量耦合的影响力,并且务必建立起“杂散信号路径的详细模型,譬如:穿过基板的耦合、封装脚位与焊线之间的耦合、和穿过电源线的耦合。

射频电路设计之相邻频道的干扰信号

失真也在发射器中扮演着主要的角色。发射器在输出电路所产生的非线性,可能使传送信号的频宽散布于相邻的频道中。这种现象称为“频谱的再成长”。在信号到达a发射器的功率放大之前,其频宽被限制着;但在PA内的“交调失真”会导致频宽再次增加。

如果频宽增加的太多,发射器将无法符合其相邻频道的功率要求。当传送数字调变信号时,实际上,是无法用SPICE来预测频谱的再成长。因为大约有1000个数字符号的传送作业务必被仿真,以求得代表性的频谱,并且还都要结合高频率的载波,这些将使SPICE的瞬态分析变得不切实际。


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