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1、实验二 射频前端上变频器实验一、实验目的1、了解射频前端上变频器基本结构与主要设计参数。2、利用实验模块的实际测量了解射频前端上变频器的特性。二、预习内容1、预习带通滤波器、混频器、锁相本振源的原理的理论知识。2、预习带通中频放大器、滤波器、混频器、锁相本振源的设计的原理的理论知识三、实验设备项次设备名称数量备注1频谱仪1套2混频器、锁相本振源、滤波器1套3HD1252-2.4G 扫频仪1套4SMB连接电缆线2条四、理论分析基本结构与设计参数说明： 在无线通讯中，射频发射器担任着重要的角色。无论是话音还是数据信号要利用电磁波传送到远端 必须使用射频前端发射器。如图71 所示，它大抵可分成九个部
2、分。1. 中频放大器(IF Amplifier)2. 中频滤波器(IF Bnadpass Fil ter)3. 上变频混频器(Up-Mixer; Up Conver ter)4. 射频滤波器(RFBandpass Fil ter)5. 载波振荡器(Carrier Oscilla tor; Local Oscilla tor) 所以,在此单元中将就上变频器部分的基本原理做一说明。并介绍发射器的几个重要设计参数。混频器图7-1基本射频前端发射器结构图(一) 升频混频器的基本原理 升频混频器的基本电路结构图如图7-2所示。在二极管上的电流如式(7-1)所示。gi( v)=I +1 工 s IFn=1
3、(JnkTnr图 7-2 基本混频器电路结构图T sin(2nf t 丿+V sin(2nf iIFIF LOLO其中is二极管的饱和电流vif中频信号的振幅大小IFfIF 中频信号的频率大小IFVLO 载波信号的振幅大小fLO 载波信号的频率大小 混频后的输出射频频率为fRF = m fIF + n fLO其中m，n可为任意正负整数在绝大多数情况下,RF频率应是载波与IF频率的和或差，即是fRF = fLO 士 fF。至于取和频或差频则根据发射器射频指标及系统参数, 利用射频输出端的滤波器可以阻隔三端间的互相干扰( ISOLATION), 以避免其他不必要的混频信号漏(LEAKAGE)到输出
4、端造成的噪声(SPURIOUS)。主要的噪声信号，有下列几种:(假设 fRFLO士 fIF1. 镜频信号(IMAGE FREQUENCY ): fm = fLO + 2 fF2. 载波信号的谐波(CARRIER HARMONICS ): fLO，n=正整数3.边带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS ):上述噪声皆是在混频器及滤波器设计中,需要特别加以抑制处理的。(二) 混频器的主要技术参数(1) 变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C)(P )L (dB) = 10 log 亠CI Prf 丿除非有特别注明,一般的变频损耗皆按上式定义 ,即单边带变频耗
5、损( SINGLE-SIDEBAND(SSB)CONVERSION LOSS ),即只考虑射频输出信号频率为fLO+f帀或fLO-fIF。若是定义为双边带变频损耗LO IFLO IF(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS), 则比单边带转频损耗低 3dB。(2) 输入端回波损耗或电压驻波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)如同其他射频电路,输入端的回波损耗或电压驻波比是评价匹配与否的重要参数。对混频器而言,其输 入端电压驻波比规格一般定在2 : 1 (IRL=-10 ),最差为2.5 : 1 (-7.3)。而各端口的回波损耗，受LO 端输
6、入功率的增加,各端口的阻抗会随之降低,致使各端口的回波损耗变大。(3) 信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION)信号端与本振端的隔离比为评价LO端与RF端，和LO端与IF端的噪声的干扰抑制程度。(4) LO 端最低输入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED)对于混频器而言,LO端最低输入功率的大小直接影响到混频的效果好坏。所以，一般有此项指标。而功 率越低应用越方便。(5) 镜象抑制度( IMAGE REJECTION)对于下变频混频器而言,IF输出信号频率可由LO与RF两输入端信号频率相减而得。以f =f -f为IF RF LO例,镜象为f = 2f -f。即
7、若RF端输入镜象信号也可得到同频的IF信号，f -f = f。镜象所造成的 imLO RFim RF IF问题有二：第一是提供干扰信号通路，即是镜象信号会从RF端进入，可能从IF端输出。如此势必干扰到真 正系统设计的RF信号的变频输出；第二是增加混频器的噪声指数(NIOSE FIGURE) 3 dB。解决的方法是 在RF输入端加一个镜象滤波器来抑制镜象信号的输入。而对于上变频频混频器而言大致与下变频频混频 器相似，只是RF输入端改成IF输入端。(6) 噪声抑制度(SPURIOUS REJECTION)对混频器而言，噪声的定义是指在输出端的非设计所需频率(f )的其他信号。尤其是输入信号的谐波。
8、IF 一般是利用输出端的滤波器来抑制噪声。(7) 二阶互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2)(以下变频器为例)IP2 = P + (P - B L )RFRFC其中，IP2混频器的输入二阶互调截止点。(dBm)P 混波器RF输入端的输入信号功率。(dBm)RFL 混波器输入信号频率f =f +f时的转频损耗(Conversion Loss)。(dB)CRF LO IFB混波器输入信号频率f =f +0。5f时的输出端频率为2f的信号的功率。(dBm)RF LOIFIF下变频器的IP2测量电路应与频谱示意图，如图7-3(a)(b)所示。上变频器的也类似。混
9、波器RFfLOPrf频谱 分析仪fOUT带通 滤波信号 发生 器带通 滤波 器信号发生器图7-3(a)下变频器的IP2测量图 7-3(b) 下变频器的频谱图(8) 三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT,IP3)其中 IP3 混频器的输入三阶互调截止点。PIN 混频器输入端的输入信号的功率。INA混频器输出端中，设计输出信号与内调制(INTER-MODULATION,IM)信号的功率差(dB) 以上变频器为例，混频器的IP3测量图及频谱示意图，如图示7-4(a)(b)所示。f1f2混频器图7-4(a)混频器的IP3测量图Intermodulation Sign
10、als图7-4(b)上变频器的IP3频谱图(三) 发射器的重要设计参数1分贝压缩功率(ldBCompression, P )1dB 功率放大器的 1 分贝压缩功率是发射器最大发射功率的主要参数。一般而言,对于放大器， P1dB 是线1dB 性放大的最大输出功率 ,而 P1dB 则为放大器的最大饱和输出功率 (SATURATION POWER) 。其定义如图示 1dB7-5(a)(b)所示。Linear Dynamic Range (LDR) of amplifier图 7-5(b) 放大器的 1dB Compression 和 LDR 关系图(2) 内调制失真 ( Intermodulatio
11、n Distortion) 发射器的内调制失真是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后,经功率放大器内调制混频所产生 的再发射 信号所造成。 解决的方 法是在发射天 线与功率 放大器的间加 接一个或 多个环行器 (CIRCULATOR ) 来降低发射器的内调制失真。(3) 杂波抑制比(Spurious Rejection) 射频前端发射器的较大噪声信号是因为功率放大器的大信号放大所产生的谐波。 其它噪声则是由载波振荡器与混频器所混频出来的。一般指标定为低于主要载波信号功率70至 90 。(4) 载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability) 发射器的载波频率需要符
12、合系统指标,以避免在通道与其他信道的干扰,尤其在窄频带系统中更形重要。可利用锁相回路技术(Phase Locked Loop)及增加载波频率的稳定性。(5) 邻近信道功率(Adjacent Channel Power) 此参数是因于系统的调制方法或是由于发射器快速的开关所造成。在窄频带系统中,一般指标设定在低于载波信号功率50dB 。而在宽频带系统中，则会要求到80dB。(6) 发射启动时间(Transmitter Turn-on Time)数字通讯系统发射器另一个很重要的参数是发射启动时间，它必须够短以免限制系统的信息流通量 (Sys tem Throughpu t)。一般定义为发射器输出功
13、率达到额定功率(rated out put power)的90%所需的时间。五、硬件测量：扫频仪 中频信号 70MHz 12MHz 0dBm基本射频前端发射器结构图图7-61测量相关的各个模块的特性。2准备相关的模块，若干连接电缆等。3 测量步骤： 在实验箱上按图连接好相关模块。将其集成在一起，扫频仪中频信号输出70MHz 12MHz 0dBm接上变频器的中频输入端。 用频谱仪对A、B、各点电平大小和输出频率进行进行测试，看是否满足要求。4、实验记录:各个模块的主要参数值记录下来。各点射频信号电平大小中频信号70 MHz输出电平dBm本振信号输出电平dBm混频器输出A点电平dBm上变频器输出B
14、点电平dBm注：本振信号2230MHz为典型值。5、测量内容变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN，LC)信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION) 三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT，IP3) 杂波抑制比(Spurious Rejec tion)载波频率稳定度(Carrier Frequency St abili ty) 观测输出频谱和杂波抑制比问题：变频器和调制器的区别？五、实验要求：1、给出所要测量点的电平值，主要说明混频器的原理及相关技术参数2、大致绘出各点的频谱特征图形，说明其原理。3、问题：变频器和调制器的区别？
