第六講 無線通信電路設計基礎

1、第六講第六講 無線通信電路設計基礎無線通信電路設計基礎 劉國華劉國華電子系統(tǒng)設計與實踐電子系統(tǒng)設計與實踐主要內(nèi)容n一 無線通信中的無源器件n二 通信系統(tǒng)中的調(diào)制n三 高頻放大器n四 高頻振蕩器n五 鎖相環(huán)路一一 無線通信中的無源器件無線通信中的無源器件1高頻無源器件的實際特性高頻無源器件的實際特性 與低頻明顯不同，不是與低頻明顯不同，不是“純純”電阻、電感、電容電阻、電感、電容圖1 高頻狀態(tài)無源器件的實際特性2高頻段無源器件的使用為降低引線電感，元件引線盡量短表面貼裝(SMD)元件引腳短具有較理想的特性電路板上無源器件連線，用傳輸線或微帶線(50)無線電路中，工作頻率越高，器件的物理結(jié)構(gòu)要盡可

2、能小電容和電感的電容和電感的Q值與頻率的關(guān)系值與頻率的關(guān)系圖2 SMD元件的Q隨頻率變化曲線Q值與電路損耗密切相關(guān)，值與電路損耗密切相關(guān)，Q高，損耗小。高，損耗小。注意電容和電感器注意電容和電感器Q值隨頻率而變化的特性是不同的值隨頻率而變化的特性是不同的電阻的阻抗隨頻率的變化關(guān)系電阻的阻抗隨頻率的變化關(guān)系圖3 電阻阻抗與頻率的關(guān)系超過超過k的的電阻，由于分電阻，由于分布電容影響，布電容影響，阻抗隨頻率升阻抗隨頻率升高而降低。高而降低。低阻值電阻低阻值電阻的阻抗，分布的阻抗，分布電感的作用，電感的作用，隨頻率升高而隨頻率升高而增加。增加。薄膜電阻具薄膜電阻具有良好的高頻有良好的高頻特性特性電容的

3、使用注意事項電容的額定值通常在電容的額定值通常在1MHz給出，頻率升高導致電給出，頻率升高導致電容與引線電感諧振，電抗接近容與引線電感諧振，電抗接近0，耦合和去耦電路耦合和去耦電路電路設計時，工作頻率電路設計時，工作頻率不能不能高于高于SRF(串聯(lián)諧振頻率，與串聯(lián)諧振頻率，與PCB布局密切相關(guān)布局密切相關(guān))，電容呈感性電容呈感性。實際選取電容時，實際選取電容時，SRF要比計算值高，耦合與去耦要比計算值高，耦合與去耦SRF要高要高10%，阻抗匹配，阻抗匹配SRF要高至少要高至少50%C1 100pC2 1uC3 100pC4 1u電容器類型：電容器類型：電解電容電解電容ESR大，體積大，鋁、鉭電

4、解大，體積大，鋁、鉭電解鍍金屬薄膜電容器鍍金屬薄膜電容器：6MHz以下以下 ,聚酯系列聚酯系列 陶瓷電容陶瓷電容，非貼片，非貼片600MHz，貼片，貼片15GHz電感器n注意高頻效應，自諧振頻率注意高頻效應，自諧振頻率SRF時阻抗接近無限大時阻抗接近無限大n單層空心電感計算公式單層空心電感計算公式dldLn)4018(n n為匝數(shù)，為匝數(shù)，L L為電感值，單位為電感值，單位uHuH，d d為線圈內(nèi)直徑，為線圈內(nèi)直徑，l為線圈長度，長度單位英寸。為線圈長度，長度單位英寸。1 1英寸英寸=2.54cm=2.54cm二二 通信系統(tǒng)中的調(diào)制通信系統(tǒng)中的調(diào)制1 調(diào)制的分類調(diào)制的分類1）模擬調(diào)制：調(diào)幅）模

5、擬調(diào)制：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻調(diào)頻(FM)、調(diào)相、調(diào)相(PM) AM、FM用在語音通信用在語音通信中，中，PM不用。不用。2）數(shù)字調(diào)制：）數(shù)字調(diào)制：ASK、FSK、PSK，電子設計中用的，電子設計中用的較多較多2調(diào)幅通信系統(tǒng)框圖調(diào)幅通信系統(tǒng)框圖圖4 調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)框圖產(chǎn)生載波聲電轉(zhuǎn)換載波放大振幅調(diào)制圖5 超外差接收機框圖三高頻放大器1 基本類型及應用共基極：很好的溫度、線性、高頻特性，但輸入阻抗低輸出共基極：很好的溫度、線性、高頻特性，但輸入阻抗低輸出阻抗高。阻抗高。共發(fā)射極：有共發(fā)射極：有180o相移相移,電壓電流和功率放大，應用廣泛。電壓電流和功率放大，應用廣泛。最大缺點是正反饋效應，設計不合理

6、會引發(fā)振蕩。最大缺點是正反饋效應，設計不合理會引發(fā)振蕩。共集電極：輸入阻抗高輸出阻抗低，應用于緩沖或阻抗匹配共集電極：輸入阻抗高輸出阻抗低，應用于緩沖或阻抗匹配電路電路VccT1C1R1R2C2R3R4L1VF1 C3VF2 VccT2R5R6R7R8C4VinVoutVccT2R5R6R8VinVout2放大器的匹配目標：負載可獲得最大功率內(nèi)容：Rs與Ri匹配(Rs= Ri*)，Ro與RL匹配(Ro= RL*)負載獲得最大功率與效率：匹配時效率只有50%RsRiRoRLSignal sourceAmplifierV1 1Rs 50RL 50VF1 AM1 AM1 10mAVF1 0.5VPO

7、 5mWV1 1Rs 50RL 5VF1 AM1 AM1 18.2mAVF1 90.9mVPO 1.65mWV1 1Rs 50RL 500VF1 AM1 AM1 1.82mAVF1 0.91mVPO 1.65mW阻抗匹配網(wǎng)絡C112L100C112L1C21nRsRL012L1C1Rs5fosc，確保高頻時保持180相移去耦合問題：消除噪聲和電源電壓波動，避免自身振蕩信號進入系統(tǒng)電源技術(shù)指標：頻率穩(wěn)定度、振蕩輸出電壓、相位噪聲4高頻振蕩器高頻振蕩器電容反饋式振蕩器串聯(lián)式石英振蕩器JT等效導線并聯(lián)晶體振蕩器JT等效電感變?nèi)荻O管電路及其電容變化曲線5高頻振蕩器分類與仿真常用電路：LC分電容和電感

8、反饋式式、晶體分串聯(lián)與并聯(lián)式電路及仿真：colpits振蕩器(電容，1MHZ)五鎖相環(huán)路rofRNf 原理框圖原理框圖步進值rfR1輸入輸出頻率關(guān)系集成電路集成電路MC145151MC145151集成有：參考分頻器程序分頻器鑒相器應用領域業(yè)余無線電AM/FM廣播無線監(jiān)聽設備電視參考地址碼與分頻比對照表參考地址碼與分頻比對照表參考地址碼總參考分頻比RA2RA1RA000080011280102560115121001024101204811024101118192本振頻率合成器本振頻率合成器74HC4046為PLL內(nèi)部集成有VCO產(chǎn)生10MHz振蕩頻率。撥動撥碼開關(guān)S1、S0，將可編程分頻比N設

9、置為2000，二進制表示為00111111010000。74HC404674HC4046內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)六通信系統(tǒng)及傳播特性六通信系統(tǒng)及傳播特性1通信系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)射機、接收機、天線、空中接口等。設計難點是接收機。1）接收機鏡像頻率及抑制方法：2*IF+RF（高本振），2*IF-RF（低本振）前端濾波、提高中頻、二次變頻噪聲系數(shù)問題：接收機前端需采用低噪聲(LNA)、高增益放大器。LNA后的任何一級僅增加接收機總的噪聲系數(shù)，增加值為接收機靈敏度(MDS：最小可識別信號)： MDS(dBm)=-174dBm+10lg(BW)+NF 其中，BW為接收機噪聲帶寬(Hz)；NF為接收機的噪聲系數(shù)(dB)；

10、實際計算時要考慮接收機輸出SNR(最小18 dB)第一級增益第二級NFaddNF2 射頻傳播1）傳播方式傳播方式頻率特點地波1MHz地球表面?zhèn)鞑ヌ觳?0MHz在大氣層中直線傳播2）多徑效應和多徑衰落 電波通過各個路徑的距離不同，電波通過各個路徑的距離不同，各個路徑電波到達接收機的時間不各個路徑電波到達接收機的時間不同，相位也就不同。不同相位的多同，相位也就不同。不同相位的多個信號在接收端疊加，有時是同相個信號在接收端疊加，有時是同相疊加而加強，有時是反相疊加而減疊加而加強，有時是反相疊加而減弱。這樣接收信號的幅度將急劇變?nèi)?。這樣接收信號的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了所謂的多徑衰落?；?，即產(chǎn)生了所謂

11、的多徑衰落。對對數(shù)字通信產(chǎn)生十分嚴重的影響。數(shù)字通信產(chǎn)生十分嚴重的影響。 3）射頻鏈路簡單計算）射頻鏈路簡單計算衰減裕量：確?？煽客ㄐ艞l件下接收機、發(fā)射機的增益和NF的安全容限。通常2030dBSNR： SNR(dB)=10log(PS/PN)室外鏈路預算：室外鏈路預算： Lp=32.4+20log(f)+20log(d)Lp為路徑損耗(dB)，f為頻率(MHz)，d為距離(km).關(guān)于衰減裕量：20km為1020dB，頻率較高，距離較長時30dB.接收機天線輸入端需要的信號強度：SdBm=-174+SNR+NF+10lg(BWN) BWN為中頻段的6dB帶寬(Hz).實際達到接收機輸入端的功

12、率：Pr=Pt+Gt+Gr-PLdB Pr為接收機輸入端的功率，Pt為發(fā)射機輸出到天線的功率，Gt和Gr分別為發(fā)射機和接收機天線增益，PLdB為空間路徑損耗。接收機輸出功率：Pout=Pt-Lp+Gt+Gr-Lt-Lr+RXdB Lt和Lr為發(fā)射和接受機同軸電纜損耗，RXdB為整個接收機的增益。如果知道接收機天線的信號幅度，則接收機輸出信號幅度為 Pout=PSIG+GdBi-Lr+RXdB PSIG為接收機接收到的功率，GdBi為接收機天線增益接收機輸出端的信噪比：SNR=Pout-(-174+10log(BWN)+NF+Lr+RXdB)無線通信系統(tǒng)的鏈路預算分析圖無線通信系統(tǒng)的鏈路預算分析圖4）室內(nèi)鏈路預算分析）室內(nèi)鏈路預算分析射頻信號在室內(nèi)傳播十分復雜，存在嚴重的多徑和吸收效應。最差時室內(nèi)路徑損耗高達7080 dB.室