作业三 2.4GHz接收机设计.doc

2.4GHz接收机设计
040910330 荆文强
关键字：接收机，镜像抑制，混频器
1 引言
目前，无线数字通信的应用越来越广泛。接收机作为通信系统的重要组成部分，面临着高工作频率、高集成度、低电压、低功耗、低价格的挑战。要提高接收机的成度，关键是提高接收机中模拟前端的集成度。目前常见的接收机前端结构有超外、零中频、低中频、宽带中频和镜像抑制接收机等。
超外差式接收机是大多数接收系统中最常用的结构。在超外差接收系统中，接收号经过或不经过放大，进入混频器变换成中频，检波器再将基带信号提取出来。
本文所阐述的2.4GHz接收机就是可应用于无线局域网或蓝牙网络的无线通讯设，具有很好的应用前景，本接收机采用两次外差结构，实现简单且性能较好。
2接收机
2.1超外差式接收机

图1 超外差接收机原理图
超外差式接收机是传统的接收机结构(框图结构见图1)，该结构自1917年由Armstrong发明，该结构中使用了中频，因此又称为中频接收机。它具有成熟的理论基础和实践背景，获得了非常广泛的应用。然而，该结构需要使用高阶带通滤波器，用于抑制镜像信号，因此难以集成。
超外差式接收机可以采用在最后一级正交下变频到基带的结构。该结构用低通滤波器代替带通滤波器实现信道选择，提高了接收机的集成度。正交变频也可以应用在中频，在正交变频之后，两路信号相加，构成镜像抑制结构，降低了对镜像抑制滤波器的要求。此外，还可以使用上变频的方法，改进超外差式接收机的集成度。此时镜像信号的频率高于有用信号的频率，当两者的频率间隔很大时，可以方便地用低通滤波器滤除镜像信号，然后继续处理。但当接收信号的频率较高时，VCO的设计变得比较困难。
总体来说，超外差式接收机离不开具有良好选频特性的滤波器。这样的滤波器只能在片外实现，超外差式接收机无法集成，不适合单片接收杌系统的应用。但因为超外差体系结构通过适当的选择中频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拓扑结构。该结构可用与为2.4GazISM频段应用而设计的接收机系统中。

2.2零中频接收机
图2 零中频收机原理图
提高接收机集成度的关键在于去掉分立元件，主要是中频滤波器。零中频接收机(也称为直接变频接收机)的思想是，跳过中频，将信号直接从射频变换到基带。这种结构的好处显而易见。首先，不需要中频滤波器，因此集成度大大提高；其次，由于信号下变频到基带，因此可以使用低通滤波器代替带通滤波器来选择信号，从而简化了滤波器的设计；由于镜像信号就是接收信号本身，也就是说，两者的动态范围相同，因此对镜像信号抑制的要求大大降低；最后，接收机的结构简单，功耗自然降低。正因为这些优点，近年来该结构得到了迅速发展，成为集成接收机设计的主要选择之一。然而，在提高集成度的同时，也引入了许多问题。
接收机中混频器的射频输入、本振输入和中频输出端口之间的隔离度有限，因此某一端口的信号会泄漏到其它端口。本振信号还可能泄漏到天线，反射回混频器的射频端口。本振信号的自混频产生时变的直流寄生失调，当本振信号和射频载波频率相同时，这一直流失调可能造成后级的增益饱和，而淹没有用的信号。除此以外，CMOS电路1／f噪声的拐点频率可以很容易达到1MHz以上，干扰接收信号的低频分量，降低接收机的信噪比。与超外差式接收机相比，零中频接收机还受到偶次谐波失真的影响。偶次失真主要集中在基带附近，在超外差式接收机中，信号下变频到中频，可以通过带通滤波器消除这一干扰，而在零中频接收机中，该失真量则和有用信号混迭在一起。采用差分形式的电路结构，能在很大程度上消除偶次谐波失真，减小它的影响。为了实现镜像信号和有用信号的分离，零中频接收机须采用双路正交下变频的结构。而双路结构存在着匹配问题，当两路失配时，会影响接收信号的质量。在电路版图设计中，通过对称布局等方法可以提高电路的匹配。

2.3镜像抑制接收机
图3 Hartley镜像抑制接收机原理框图

图4 Weaver镜像抑制接收机原理框图
Hartley和Weaver接收机都是镜像抑制接收机。即使不使用镜像抑制滤波器，接收机结构本身也能对镜像信号进行一定的抑制。HartIey接收机在正交下变频后，使用Rc移相网络将两路信号分别移相90度。在输出端通过相加或相减消除镜像信号，得到需要的信号。由于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无法实现片上集成，所以该结构很少被使用。Weaver接收机的工作原理与Hartley接收机类似，也是通过两路信号的相移和加减，实现对镜像信号的抑制。它使用两个混频器代替了Rc移相网络。由于混频器的匹配优于Rc网络，且易于集成，所以Weaver接收机优于Hartiey接收机。Weaver结构自身也存在不足之处：
a)两路信号的正交下变频同样对失配比较敏感。当需要高精度的匹配时，必须使用大尺寸的有源混频器或无源混频器，前者增加了电路的面积和功耗，后者则会带来增益损耗，影响接收机的噪声性能；
b)该结构只能抑制相对于第一本振的镜像信号，当最后的输出不在基带时，无法抑制相对于第二本振的镜像信号。通常，使用无源多相滤波器来滤除该镜像信号，但这会使接收机的噪声性能恶化。
2.4本文研究的接收机分析
由于本文所设计的接收机应用于短距离无线(Wlan、蓝牙)视／音频传输，发射端本身提供的信号强度较大，对中频放大的动态范围要求较低，综合考虑，本接收机采用二次变频结构。
图5 2.4GIlz接收机原理框图

该接收机是超外差式，接收机原理图如图5所示。通过天线接收进来的频信号首先经过经过有镜像抑制功能的射频带通滤波器，然后经过低噪声放大器(LNA，io,noiseamplifier)，抑制噪声并将有用信号放大。再和压控振荡器(VC0voltagecontrolled oscillator)所产生的第一本地振荡信号经过下变频(downconverter)混频到固定的中频70MHz。再次通过带通滤波器滤出有用信号，并抑制第二镜像。然后再通过功分器分成I路和Q路两路信号。Q路和第二本振信号经过90度移相器的信号再次混频，即第二次下变频到低中频1MHz，得到所要的Q路输出，I路和第二本振信号下变频到所要的I路输出，然后I路和Q路分别再经过中频带通滤波器滤出有用信号。最后经过带自动增益控制(AGCautomaticgain controll)的中频放大器最终送到A／D数模转换送到数字后端DSP进行处理。
3 混频器
在通信电路中，混频(变频)器也是通信电路中极其重要的组成部分，混频就是变频，即频率的变换。变频是将载频为．层的已调制信号变换为载频为石的已调制信号。这种变换必须保持最原始载频已调制信号的调制方式不变，携带的信息也不变，而且也不失真或失真较小。混频器通常分为无源混频器和有源混频器，无源混频通过混频二极管实现频率的变换，由于没有放大作用，混频后的信号较原信号有一定的衰减，而有源混频器由于采用三极管实现混频电路，因为三极管有一定的放大作用，所以有源混频器有一定的增益，但由于三极管电路中有电阻，引入了一定的噪声，所以有源混频器的噪声系数往往不如无源混频器。本设计中分别用混频二极管和MMIC混频芯片设计2．4G无源和有源混频器。
3.1微带无源混频器
混频器电路模型如图6所示，带通滤波器(或情况选择低通或高通)，滤去不需要的无用频率分量。图6表明混频器使信号在频域实现加(减)，由三角函数关系可知，实际上是将两输入信号在时域上实现相乘。
图6 混频器电路模型图
构成无源混频器的重要器件是混频二极管。混频后输出信号中各种和频和差频信号的大小主要取决于本振信号的大小和谐波的次数栉。通常本振信号的谐波分量的功率与谐波次数行之间存在如下关系，随着的增大而减小。因此，一般3次或更高次谐波的功率极小，而基波和二次谐波有着比较重要的影响。当正≥五时，将产生以下主要的频率分量：
当石和五非常接近时镜频对中频的影响很大，因为镜频也落在滤波器的通带内，对有用信号产生较大的影响，所以在设计超外差接收机时要选择合适的中频，避免镜频对中频的干扰。通常微带无源混频器主要有单端混频器和电桥平衡混频器两种。单端微带无源混频器如图7所示，主要由定向耦合器、阻抗匹配电路、二极管和四分之一波长变换器构成的高频短路线等组成。但由于其电性能较差，故在微带无源混频器电路中应用较少。而电桥平衡混频器在微带无源混频器中应用最为广泛，如图8，它通常由3dB电桥、阻抗匹配网络，混频二极管和滤波器等组成，由于采用了平衡对称结构，电桥平衡混频器有较好的电性能．
图7 微带无源单端混频器
图8电桥平衡混频器
3.2有源混频器设计
本设计中还用mmic实现了有源混频器，使用的混频管为maxim公司的MAX2680。其典型工作电路如图9：
图9 MAX2680典型工作电路图
4结论
本文在较为详尽的介绍了超外差、零中频、低中频等接收机结构体系的前提下，提
出了本文设计2．4GHz接收机的结构，采用超外差式，进行两次下变频。
5.射频接收机的应用
5.1射频技术在物流管理中的适用性
RF适用于物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合，由于RF标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用。
我国RF的应用也已经开始，一些高速公路的收费站口使用RF可以不停车收费，我国铁路系统使用RF纪录货车车厢编号的试点已运行了一段时间，一些物流公司也正在准备将RF用于物流管理中。
5.2射频技术在军事物流中的应用
美国和北大西洋公约组织（NATO）在波斯尼亚的"联合作战行动中"，不但建成了战争史上投入战场最复杂的通信网，还完善了识别跟踪军用物资的的新型后勤系统，这是吸取了"沙漠风暴"军事行动中大量物资无法跟踪造成重复运输的教训，无论物资是在定购之中、运输途中、还是在某个仓库存储着，通过该系统，各级指挥人员都可以实时掌握所有的信息。该系统途中运输部分的功能就是靠贴在集装箱和装备上的射频识别标签实现的。RF接收转发装置通常安装在运输线的一些检查点上（如门柱上、桥墩旁等），以及仓库、车站、码头、机场等关键地点。接收装置收到RF标签信息后，连通接收地的位置信息，上传至通信卫星，再由卫星传送给运输调度中心，送入中心信息数据库中。
附：参考文献
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