【文章內(nèi)容簡介】 YoShen Lin. Chun Hsiuing Chen. Novel pact microsrip parallelcoupled bandpass filters with lumpelement jinverter[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and (8):253263.。由于混頻器的匹配優(yōu)于RC移相網(wǎng)絡(luò)，且容易集成，所以Weaver接收機(jī)優(yōu)于Hartley接收機(jī)。 數(shù)字中頻接收機(jī)為了解決中頻選擇中碰到的“靈敏度”和“選擇性”的矛盾，可以采用二次混頻方案，如果將第二次混頻和濾波數(shù)字化。這種接收機(jī)稱為數(shù)字中頻接收機(jī)。，第一次混頻后的信號經(jīng)放大直接進(jìn)行A/D變換，然后采用兩個正交的數(shù)字正弦信號做本振，采用數(shù)字相乘和濾波后得到基帶信號。 數(shù)字中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖采用數(shù)字混頻的優(yōu)點是，數(shù)字處理方法可以避免I/Q兩路的不一致。數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計難點在于對A/D變換器的要求較高，具體體現(xiàn)在以下幾點：(1) I中頻采用高中頻值，以提高鏡像頻率抗拒比（接收機(jī)抑制鏡像頻率干擾的能力）。圖中的第一第二個帶通濾波器主要完成頻帶選擇和濾除鏡像頻率。由于I中頻相對比較高，因此要求A/D變換器的速度也很高。(2) I中頻的信號雖然經(jīng)過了放大，但幅度仍較小，這就要求A/D變換器有較高的分辨率和較小的噪聲。(3) 如果I中頻的濾波器不能很好的濾除鏡像頻率干擾和其他頻率的干擾信號，為了防止由互調(diào)失真等原因引起的對有用信號的影響，要求A/D變換器的線性度很高。(4) 要求A/D變換器有較大的動態(tài)范圍，這是因為接收到的有用信號電平可能因為傳輸路徑的衰落[13] KangYoon Lee,SeungWookLee,Yido 2GHz WCDMA direct conversion transmitter and receiver[J].IEEE Journal of SolidState ,38(1): 4353.和多徑效應(yīng)[14] Sowlati T,Leenaerts . CMOS selfbiased cascade power amplifier[J].IEEEJournal of SolidState ,38(8):13181324.而變化。(5) A/D變換器的帶寬應(yīng)和I中頻信號一樣。在數(shù)字中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)中，由于不需要將中頻信號變換為模擬基帶信號，避免了低頻失調(diào)和噪聲的影響。另外，接收機(jī)直接在數(shù)字域完成信號解調(diào)，可以充分發(fā)揮數(shù)字電路的功能，處理多種調(diào)制方式的信號，靈活性很高。數(shù)字中頻接收機(jī)可以簡化模擬前端電路，將數(shù)字電路向射頻電路靠攏，這是未來接收機(jī)的一個活躍的研究方向。 接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) 噪聲系數(shù) 一個理想的模擬前端，本身只放大天線所輸入的信號和噪聲，而不另外引入其他噪聲；但實際上，模擬前端總是要產(chǎn)生內(nèi)部噪聲的，因此在輸出的噪聲中，除了天線的熱噪聲外，還有模擬前端本身的噪聲。噪聲系數(shù)就是一個表征模擬前端內(nèi)部噪聲大小的物理量。用表示模擬前端輸入信號功率，表示模擬前端輸入端的信噪比；用表示模擬前端輸出信號功率，表示模擬前端輸出噪聲功率，表示模擬前端輸出端的信噪比。噪聲系數(shù)定義為輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值，用公式表示為： （21）其中，輸入噪聲功率可以表示為： （22）其中，k為波爾茲曼常數(shù)，單位為K；B為輸入端噪聲帶寬，單位為Hz。在通常情況下，噪聲系數(shù)F，總是存在著內(nèi)部噪聲。噪聲系數(shù)表征了模擬前端內(nèi)部噪聲的大小，其值越小越好。關(guān)于噪聲系數(shù)的幾點說明：噪聲系數(shù)僅適用于模擬前端的線性部分和準(zhǔn)線性部分的電路，即混頻器以前的部分。為了確保噪聲系數(shù)的確定性，需要規(guī)定噪聲輸入功率以天線的等效電阻在室溫=290K所產(chǎn)生的為依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，因此噪聲系數(shù)由模擬前端本身的參數(shù)所確定。噪聲系數(shù)Ｆ是沒有單位的，一般用分貝表示：NF＝10對于噪聲系數(shù)的概念與定義，可以推廣至任何的無源或有源的四段網(wǎng)絡(luò)。一般說來，模擬前端是由濾波器、放大器、混頻器等器件級聯(lián)組成的，： 級聯(lián)噪聲系數(shù)級聯(lián)噪聲系數(shù)可表示為： （23）其中，為第n級的噪聲系數(shù)，為第n級的增益。例如。 級聯(lián)的噪聲系數(shù)的計算插入損耗系數(shù)可以看成器件的負(fù)增益值和噪聲系數(shù)，即=8dB，首先，即得到，，。將這些倍數(shù)值帶入式23，我們就可以計算出級聯(lián)的噪聲系數(shù)。 =+（）/1000+()/(1000*) =++ =對噪聲系數(shù)取對數(shù)，NF=10lgF==。由式23可以看出，系統(tǒng)中前幾級的系數(shù)對系統(tǒng)影響較大，特別是第一級的影響最大。因此，選擇位于系統(tǒng)前端的器件時，應(yīng)盡可能選擇噪聲系數(shù)小的，以保證系統(tǒng)整體的噪聲性能。需要注意的是，對于濾波器等沒有噪聲系數(shù)和增益值的器件，噪聲系數(shù)和增益可以由其插入損耗[15] 及燕麗，王友村，[D].北京：電子工業(yè)出版社，2000年.得出，即噪聲系數(shù)等于插入損耗，增益等于插入損耗的負(fù)值。 接收機(jī)靈敏度 接收機(jī)的靈敏度表征的是接收機(jī)接收微弱信號的額能力，是衡量模擬前端微弱信號能力的重要指標(biāo)，定義為在保證一定輸出信噪比的情況下，模擬前端所要求的最小輸入信號功率。接收機(jī)的靈敏度是指當(dāng)接收機(jī)正常工作時能從接收天線上所感應(yīng)到的最小信號（電勢，場強(qiáng)或功率），能夠接收的信號越弱，則接收機(jī)的靈敏度越高。接收機(jī)正常工作包含兩個方面：輸出信噪比要達(dá)到一定的要求；輸出功率要達(dá)到一定的要求。影響接收機(jī)靈敏度的主要因素有接收機(jī)等效帶寬噪聲功率和接收機(jī)的內(nèi)部噪聲，以及終端解調(diào)所需的信噪比要求。對于既定的解調(diào)方式，接收機(jī)的靈敏度主要由其噪聲系數(shù)[16] 時玉彬. 軟件無線電技術(shù)在高頻地波雷達(dá)中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2002.決定。靈敏度分兩種情形：若接收機(jī)的內(nèi)部噪聲比較小時，只要接收機(jī)輸出的額定功率就可以正常工作，此時在天線上所感應(yīng)到的最小的信號就稱為額定靈敏度或者絕對靈敏度；而當(dāng)接收機(jī)其內(nèi)部噪聲比較大時，在保證一定的輸出信噪比的情況下接收機(jī)工作正常，這時天線所感應(yīng)到的最小信號我們就稱為實際靈敏度或者相對靈敏度[17] 王勤. 多頻高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢：武漢大學(xué)，2009.。其中計算靈敏度的公式如下所示： （24）K 為玻爾茲曼常數(shù)，為室溫，B為等效頻帶噪聲帶寬（工程上常用3dB）,D指識別系數(shù)，具體是指基帶所能識別的最小的信噪比信號，為系統(tǒng)級聯(lián)的噪聲系數(shù)。用dB將上式表示為： （25）當(dāng)D=1時， （26）此時的稱為臨界靈敏度。噪聲基底是指在系統(tǒng)增益足夠的情況下，系統(tǒng)能夠處理的最微弱信號的功率。由前面有關(guān)靈敏度的概念可知，噪聲基底可理解為在不考慮輸出信噪比的情況下，模擬前端所能檢測出最小輸入信號功率，用公式表示為： （27） 其中，輸入端噪聲帶寬B的單位為Hz；噪聲系數(shù)ＮＦ的單位為dB；噪聲基底的單位為dBm. 由上述兩式可得噪聲基底與靈敏度之間的關(guān)系： （28） 接收機(jī)選擇性和線性度線性度是描述系統(tǒng)失真的技術(shù)指標(biāo)。在理想情況下，輸出功率隨著輸入功率的增加以增益為倍數(shù)線性變化，但實際上系統(tǒng)不是理想的，只能在一定輸入功率范圍內(nèi)保持以增益為倍數(shù)線性變化。若輸入信號為小信號，系統(tǒng)工作在飽和區(qū)，輸入和輸出不再呈線性關(guān)系，稱之為進(jìn)入了壓縮或飽和狀態(tài)。根據(jù)輸入信號的大小，一般可以用三種逼近方法來描述非線性器件的特性：第一種方法是用解析函數(shù)[18] Cotter ，黃世亮，吳海云等譯. 無線通信系統(tǒng)設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計大全[M]. 北京：人民郵電出版社，2004.來描述器件的伏安特性；第二種方法是將器件的伏安特性在其工作點處用冪級數(shù)展開；第三種方法是當(dāng)輸入信號較大時，用分段折線來描述器件的非線性。本文采用第二種逼近方法來描述器件的非線性。用冪級數(shù)將器件的伏安特性在其工作點處展開時，通常取前三項進(jìn)行分析。此時有： （29）設(shè)輸入端僅有單頻余弦信號輸入： （210）將式210帶入式29中，可得輸出電流表達(dá)式： （211） 從式211可以看出，輸出電流中不僅含有輸入的有用分量，即基波分量，還出現(xiàn)了直流分量和各次諧波分量。當(dāng)輸入信號的幅度較小時，輸出的高次諧波可以忽略。但隨著輸入信號幅度的增大，電路不再呈現(xiàn)線性狀態(tài)，電路的增益開始發(fā)生變化。已知信號的平均跨導(dǎo)為，通常來說是小于0的，即平均跨導(dǎo)是隨輸入信號的幅度的增加而減小的，這就是增益壓縮。實際輸出信號功率比理想線性增益的輸出信號功率下降1dB時所對應(yīng)的輸入信號功率定義為1dB壓縮點，. 1dB壓縮點示意圖1dB壓縮點是用來定量描述系統(tǒng)在大信號輸入時失真特性的指標(biāo)，即當(dāng)輸入功率增加10dB時，輸出功率只增加了9dB。由可得1dB壓縮點的公式： （212）即， .在輸入端同時加入兩個不同頻率的輸入信號時，即： （213）將式213代入式29可得輸出電流表達(dá)式： （214）將上式展開，可知輸出電流中出現(xiàn)了新的頻率分量，稱之為互調(diào)分量： （215） （216） （217）其中在上述三個式子中，式215所示互調(diào)分量稱為二階互調(diào)分量[19] Johansson,H,Wanhammar,L . Wave digital filter structures for highspeed narrowband and wideband filtering[J].IEEE Transactions on Circuits and (6):726741.，式216和217所示互調(diào)分量稱為三階互調(diào)分量。在這里我們主要研究三階互調(diào)分量[20] Behzad Microelecronics[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.由上述式子所反應(yīng)出來的它對對接收機(jī)本身有用信號的影響，當(dāng)和很靠近有用信號時或處的三階互調(diào)分量很容易落在有用信號頻帶內(nèi)，使系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。. 三階互調(diào)分量示意圖三階互調(diào)分量的大小可以用三階互調(diào)截點所對應(yīng)的輸入功率為輸入三階截點（The Third Intercept Point）來衡量。將三階互調(diào)分量功率與基波功率相等的點定義為三階截點。三階截點所對應(yīng)的輸入功率為輸入三階截點（），三階截點所對應(yīng)的輸出功率為輸出三截點（，輸出三階截點與輸入三階截點的關(guān)系可表示為： （218） 三階截點示意圖，三階項的斜率為3，三階互調(diào)分量與輸入信號功率、輸入三階截點、輸出三截點的關(guān)系可表示為： （219）將式 帶入式 ，可得三階互調(diào)分量與輸入信號功率輸出三截點的關(guān)系：，整理得： （220）為簡化分析，設(shè)兩個不同頻率的輸入信號幅度相等，即則、處的三階互調(diào)分量分別變?yōu)椋? （221） （222）式的基波分量也變?yōu)椋? （223）當(dāng)輸入信號較小時，即，可忽略增益壓縮，式223變?yōu)椋? （224）根據(jù)三階截止點的定義，根據(jù)式222 和式224，輸出三階截止點的表達(dá)式可以表示為：，即 （225）設(shè)在某個頻率點上的輸入信號電平為,在和處的輸出信號電平為，三階互調(diào)分量的電平為,根據(jù)式222和式224可得： （226）將式225代入226 可得： （227）將式227取對數(shù)可得： （228）令表示輸出的基波分量功率與三階互調(diào)功率的差值。 輸出基波分量功率與三階互調(diào)功率的差值： （229）其中，表示輸入三階截點的功率，單位為dBm；表示輸入信號功率，單位為dBm。對于多級級聯(lián)系統(tǒng)， 級聯(lián)三階截點輸入三階截點的計算公式可表示為： （230）其中，為第n級的輸入三階截點，為級聯(lián)系統(tǒng)的輸入三階截點，為第n級的增益。同樣，輸出三階截點的計算公式可表示為： （231）其中，為第n級的輸出三階截點，為級聯(lián)系統(tǒng)的輸出三階截點，為第n級的增益。由式可以看出，級聯(lián)系統(tǒng)輸入三階截點主要取決于系統(tǒng)總增量和后級電路輸入三階截點，系統(tǒng)總增益越大，輸入三階截點越小，后級輸入三階截點越高，輸入三階截點越高。接收機(jī)模擬前端的頻率選擇性表示為：在鄰近頻率存在強(qiáng)干擾或信道堵塞的情況下，接收機(jī)削弱相近干擾信號，選擇所需信號的能力。在大多數(shù)的體系結(jié)構(gòu)中，頻率選擇性主要取決于中頻電調(diào)諧波濾波器性能。接收機(jī)應(yīng)該有足夠的線性性能可以處理在可接受范圍的失真信號。一旦接收機(jī)在頻率選擇性或者線性度上性能是不足的，那么就會有互調(diào)分量的產(chǎn)