第二章接收机基本知识 2.1.3无杂散动态范围 用无杂散动态范围(Spurious-free dynamic range,SFDR)来描述系统的动 态范围。它是系统可以处理的最大输入功率与最小输入功率的比值。最小输入 功率由系统的噪声系数和最小输出信噪比决定。最大输入功率定义为在双音测 试中输出三阶交调量与噪声基底相等时的输入功率。 根据噪声系数的定义有， NF= SNR=Pa/Pas (2.21) SNRout SNRout 其中Pn是输入功率，PRs是源噪声功率。 PRs=PnRs·B (2.22) 其中Pn.RS是源噪声功率谱密度，B是信号带宽。输入信号功率为， Pn=NF·PnRs·SNRout·B (2.23) 上式两边取对数，得到最小输入功率为， Pn.min laBm=NF ldB +P.Rs laBm/Hz +SNRmin laB +10l0gB (2.24) 其中，SNRmin是最小输出信噪比。如果输入端阻抗匹配Rn=Rs,则有， R 1 PnRs=4kTRs· kT =-174dBm/Hz (2.25) Rs+R R 所以，最小输入功率简化为， Pn.min laBm=-174dBm/Hz+NF laB +SNRmin ldB +10l0gB (2.26) 当输出信噪比为1，即SNRmini=0时，得到噪声基底为， F=-174dBm/Hz+NF ldB +10l0gB (2.27) 等效输入三阶交调量与噪声基底相等时，即P3=F,通过(2.27)式和(2.9)式， 得到最大输入功率为， Pin.max ldBm= F+2PIP3 (2.28) 3 根据最大最小输入功率求出系统的无杂散动态范围，无杂散动态范围的示 意图如图2-10所示。 SFDR-F+-(SNR+F) 3 2(Fm-F)-SNR-n (2.29) 3 11
第二章 接收机基本知识 11 2.1.3 无杂散动态范围 用无杂散动态范围(Spurious-free dynamic range, SFDR)来描述系统的动 态范围。它是系统可以处理的最大输入功率与最小输入功率的比值。最小输入 功率由系统的噪声系数和最小输出信噪比决定。最大输入功率定义为在双音测 试中输出三阶交调量与噪声基底相等时的输入功率。 根据噪声系数的定义有， in in RS out out SNR P P NF SNR SNR = = (2.21) 其中 Pin是输入功率，PRS是源噪声功率。 PPB RS n,RS = ⋅ (2.22) 其中 Pn,RS 是源噪声功率谱密度，B 是信号带宽。输入信号功率为， P NF P SNR B in n,RS out =⋅ ⋅ ⋅ (2.23) 上式两边取对数，得到最小输入功率为， in,min dBm dB n,RS dBm Hz min dB P NF P SNR B | | | | 10log =+ + + (2.24) 其中，SNRmin是最小输出信噪比。如果输入端阻抗匹配 Rin=RS，则有， 2 in n,RS S S in in 1 4 174dBm Hz R P kTR kT RR R ⎛ ⎞ = ⋅ ⋅ = =− ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ (2.25) 所以，最小输入功率简化为， in,min dBm dB min dB P NF SNR B | 174dBm Hz | | 10log =− + + + (2.26) 当输出信噪比为 1，即 SNRmin=0 时，得到噪声基底为， F NF B =− + + 174dBm Hz | 10log dB (2.27) 等效输入三阶交调量与噪声基底相等时，即 PIIM3=F，通过(2.27)式和(2.9)式， 得到最大输入功率为， IIP3 in,max dBm 2 | 3 F P P + = (2.28) 根据最大最小输入功率求出系统的无杂散动态范围，无杂散动态范围的示 意图如图 2-10 所示。 ( ) ( ) IIP3 in,max in,min min IIP3 min 2 3 2 3 F P SFDR P P SNR F P F SNR + = −= − + − = − (2.29)
第二章接收机基本知识 dBm↑ Pin SNRmin+F PiIM3 —SFDR Pin Pin.min Pin.max 图2-10无杂散动态范围示意图 2.1.4镜像抑制 RF IF WM Filter A LO WIF WIF WIF WLo 0 图2-11镜像信号问题 在接收机中用混频器将射频信号混频到中频。镜像抑制是混频时的重要问 题。假设射频信号为ARFCOS(wRF),本振信号为ALocos(wo0,则混频后为， wc05(@.w)xAocos(w.o)-2A[cos(@wr-w)t-c05(@.r+wo)t](2.30) 频率wF-wo处的信号是期望的信号，设这个频率为中频，即 WIF=wRF一ωo。在频率WRF+o的成份被中频滤波器滤除。设混频器的转换增 益为Gmix,最后得到的输出信号为， AREGmix CoS(WRE -WLo)t=AREGmix Cos wEt (2.31) 如果在频率w=wo一wF处也存在一个信号，称这个信号为镜像信号，设 12
第二章 接收机基本知识 12 Pin Pin dBm PIIM3 SFDR SNRmin+F Pin,min Pin,max 图 2-10 无杂散动态范围示意图 2.1.4 镜像抑制 图 2-11 镜像信号问题 在接收机中用混频器将射频信号混频到中频。镜像抑制是混频时的重要问 题。假设射频信号为 ARFcos(ωRFt)，本振信号为 ALOcos(ωLOt)，则混频后为， () () × = −− + ⎡ ( )( ) ⎤ RF RF LO LO RF RF LO RF LO ⎣ ⎦ 1 cos cos cos cos 2 A ω t A ω t A ω ω t ω ω t (2.30) 频 率 ωRF–ωLO 处的信号是期望的信号，设这个频率为中频，即 ωIF=ωRF–ωLO。在频率 ωRF+ωLO 的成份被中频滤波器滤除。设混频器的转换增 益为 Gmix，最后得到的输出信号为， A GRF mix RF LO RF mix IF cos cos (ω ω− = )t AG ω t (2.31) 如果在频率 ωIM=ωLO–ωIF 处也存在一个信号，称这个信号为镜像信号，设
第二章接收机基本知识 镜像信号幅度为A,则镜像信号与本振信号混频后的结果为， AMGmix CoS(wLo-WM)t=AMGmis CosWiEt (2.32) 可见镜像信号混频后也到了中频处，成为期望信号的干扰。因此必须抑制镜像 信号。镜像信号的问题如图2-11所示。 2.1.5相位噪声 P(dBm) PN in dBc/Hz 1Hz --△f ◆fHz) WLo 图2-12相位噪声 Interferer Interferer RE IF WIT WRF Filter 图2-13相位噪声的问题 实际电路中，本振信号不是纯粹的正弦信号。接近本振频率处存在噪声， 表现为本振频率两边有一定的频谱宽度，如图2-12所示，称这种噪声为相位噪 声(Phase Noise,P)。相位噪声定义为频偏为△f处单位频谱的功率与本振信号 功率的比值。 相位噪声在混频后引起频道之间的干扰。此外，如果在信号附近有一干扰 13
第二章 接收机基本知识 13 镜像信号幅度为 AIM，则镜像信号与本振信号混频后的结果为， A GIM mix LO IM IM mix IF cos cos (ω ω− = )t AG ω t (2.32) 可见镜像信号混频后也到了中频处，成为期望信号的干扰。因此必须抑制镜像 信号。镜像信号的问题如图 2-11 所示。 2.1.5 相位噪声 图 2-12 相位噪声 图 2-13 相位噪声的问题 实际电路中，本振信号不是纯粹的正弦信号。接近本振频率处存在噪声， 表现为本振频率两边有一定的频谱宽度，如图 2-12 所示，称这种噪声为相位噪 声(Phase Noise, PN)。相位噪声定义为频偏为∆f 处单位频谱的功率与本振信号 功率的比值。 相位噪声在混频后引起频道之间的干扰。此外，如果在信号附近有一干扰
第二章接收机基本知识 源，混频后干扰源通过本振信号的相位噪声在中频处产生干扰，如图2-13所示。 干扰强度可以通过相位噪声及信号带宽确定。相位噪声越小越好，各种通信协 议中都有对相位噪声的明确要求。 2.2接收机的主要架构 2.2.1一次变频和二次变频 一次变频和二次变频架构中，本振信号的频率跟期望信号的频率不一样， 中频频率不是零。一次变频架构的系统框图和频谱搬移如图2-14所示。 LNA Image filter Mixer Channel filter RF WF IWF IFIWIF ↑wLo↑ ↑wo↑w wanted image wanted image signal signal signal signal 图2-14一次变频架构及频谱搬移 射频信号经过低噪声放大器后，通过镜像抑制滤波器滤除镜像信号，然后 混频到中频，再经过信道选择滤波器选择出需要的信号。一次变频架构对于中 频频率的选择存在折衷，如果中频频率比较高，对镜像的抑制能力会提高，然 而对信道的选择能力会变弱。如果中频频率比较低，对镜像的抑制能力会变弱， 而对信道的选择能力会提高。对镜像的抑制能力影响系统的灵敏度，因此一次 变频架构存在灵敏度和信道选择能力的折衷。 二次变频结构可以缓解一次变频架构中灵敏度和选择性折衷的问题。二次 变频架构及频谱搬移如图2-15所示。镜像滤波后的信号通过低噪声放大器后， 进行第一次混频，混频后的信号经过第二次镜像滤波，然后进行第二次混频， 最后通过信道选择滤波器得到需要的信道。在二次变频架构中，有两个中频， 第一中频频率比较高，从而使低噪声放大器之前的镜像滤波比较容易，第二中 频频率比较低，从而更容易进行信道选择。二次变频架构中灵敏度主要跟第一 中频相关，信道选择性主要跟第二中频相关，两个指标可以分别优化，从而缓 解了一次变频架构中的折衷问题。 14
第二章 接收机基本知识 14 源，混频后干扰源通过本振信号的相位噪声在中频处产生干扰，如图 2-13 所示。 干扰强度可以通过相位噪声及信号带宽确定。相位噪声越小越好，各种通信协 议中都有对相位噪声的明确要求。 2.2 接收机的主要架构 2.2.1 一次变频和二次变频 一次变频和二次变频架构中，本振信号的频率跟期望信号的频率不一样， 中频频率不是零。一次变频架构的系统框图和频谱搬移如图 2-14 所示。 图 2-14 一次变频架构及频谱搬移 射频信号经过低噪声放大器后，通过镜像抑制滤波器滤除镜像信号，然后 混频到中频，再经过信道选择滤波器选择出需要的信号。一次变频架构对于中 频频率的选择存在折衷，如果中频频率比较高，对镜像的抑制能力会提高，然 而对信道的选择能力会变弱。如果中频频率比较低，对镜像的抑制能力会变弱， 而对信道的选择能力会提高。对镜像的抑制能力影响系统的灵敏度，因此一次 变频架构存在灵敏度和信道选择能力的折衷。 二次变频结构可以缓解一次变频架构中灵敏度和选择性折衷的问题。二次 变频架构及频谱搬移如图 2-15 所示。镜像滤波后的信号通过低噪声放大器后， 进行第一次混频，混频后的信号经过第二次镜像滤波，然后进行第二次混频， 最后通过信道选择滤波器得到需要的信道。在二次变频架构中，有两个中频， 第一中频频率比较高，从而使低噪声放大器之前的镜像滤波比较容易，第二中 频频率比较低，从而更容易进行信道选择。二次变频架构中灵敏度主要跟第一 中频相关，信道选择性主要跟第二中频相关，两个指标可以分别优化，从而缓 解了一次变频架构中的折衷问题
第二章接收机基本知识 Filter1 Filter2 LNA Mixer1 Mixer2 RFin LO1 WlF2.WIF2 入 L01 WLo2 wanted image WF1 WF1 signal signal 图2-15二次变频架构及频谱搬移 2.2.2 零中频 零中频架构中，本振信号的频率跟期望信号的频率一样，中频频率是零。 零中频架构及频谱搬移如图2-16所示，射频信号通过低噪声放大器后，进行正 交混频，转换为零中频信号，最后经过低通滤波器选出需要的频道。零中频架 构的优点是结构简单，易于集成，没有镜像干扰。缺点有：必须抑制直流失调 以及闪烁噪声，本振的偶次谐波引起失真，模块少导致增益不能灵活分配。 Mixer LPF LNA 90 RFn LO LPF →IFQ Mixer WLO U 图2-16零中频架构及频谱搬移 15
第二章 接收机基本知识 15 图 2-15 二次变频架构及频谱搬移 2.2.2 零中频 零中频架构中，本振信号的频率跟期望信号的频率一样，中频频率是零。 零中频架构及频谱搬移如图 2-16 所示，射频信号通过低噪声放大器后，进行正 交混频，转换为零中频信号，最后经过低通滤波器选出需要的频道。零中频架 构的优点是结构简单，易于集成，没有镜像干扰。缺点有：必须抑制直流失调 以及闪烁噪声，本振的偶次谐波引起失真，模块少导致增益不能灵活分配。 图 2-16 零中频架构及频谱搬移