5.1概述

5.2調(diào)制與解調(diào)

5.3混頻與濾波

5.4中頻放大技術(shù)

5.5同步技術(shù)

5.6基于Z87200的QPSK調(diào)制解調(diào)實例分析

5.7接收中頻單元與解調(diào)電路設(shè)計實例分析5.1概述由于無論是模擬基帶信號還是數(shù)字基帶信號都具有較低的頻譜分量,除了在有線通信等少數(shù)場合采用直接傳輸數(shù)字基帶信號外,一般都采用頻帶傳輸方式。頻帶傳輸方式將基帶信號轉(zhuǎn)換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘柡笤賯鬏?在接收端則通過相反變換,以獲取基帶信號。用于頻帶傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)與中頻單元組成框圖如圖5.1所示。在發(fā)射端,首先,基帶信號與頻率為f1的余弦信號共同作用于調(diào)制器,完成基帶信號對余弦信號電參量的調(diào)制,其基帶信息由余弦信號調(diào)制參量攜帶。為了方便實現(xiàn),送到調(diào)制器的余弦信號的頻率往往比事先設(shè)計的中頻頻率要低得多。然后,已調(diào)制信號經(jīng)帶通濾波器濾除不需要的頻率分量后,由混頻器完成將已調(diào)制信號的載頻搬移到固定的中頻上。最后,混頻器的輸出經(jīng)帶通濾波器與放大器后送到射頻通道。為了將中頻信號變換成容易傳輸?shù)纳漕l信號,在射頻通道中還要對中頻信號進(jìn)行再次混頻,使輸出的調(diào)制信號的載頻與系統(tǒng)工作的射頻頻率相等。在接收端,首先,由射頻通道經(jīng)混頻、濾波、放大后輸出的中頻信號,經(jīng)中頻放大器進(jìn)一步放大,以滿足混頻器對信號幅度的要求;然后混頻器將中頻信號的中心頻率搬移到適用于解調(diào)器工作的較低頻率上,其輸出經(jīng)帶通濾波器與放大器后送到解調(diào)器,完成對信號的解調(diào);最后解調(diào)后的信號經(jīng)低通濾波器濾除高頻噪聲等干擾后,送到抽樣判決電路,形成數(shù)字基帶信號輸出。需要說明兩點:(1)之所以采用圖5.1所示的二次混頻與多次混頻技術(shù)(超外差式結(jié)構(gòu)),而不是直接將基帶信號調(diào)制到射頻上,主要是因為采用這種方案具有實現(xiàn)難度小、中頻單元不需要因系統(tǒng)工作頻率變化而改變實現(xiàn)電路的優(yōu)點。另外,采用多次混頻比一次混頻使濾波器更易工程實現(xiàn)。工程實踐表明,在濾波器性能指標(biāo)相同的條件下,相對帶寬為10%左右的濾波器最易實現(xiàn),而相對帶寬偏離10%越遠(yuǎn)實現(xiàn)難度越大。(2)為了滿足系統(tǒng)能夠在多個波道(每個波道對應(yīng)不同的中心頻率)工作,常用方法是通過改變射頻通道中混頻器的本振信號頻率來實現(xiàn),而中頻單元混頻器的本振信號頻率為一固定值,保證了中頻單元實現(xiàn)電路的不變性,大大降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜性。5.2調(diào)

制

與

解

調(diào)5.2.1調(diào)制與解調(diào)的分類調(diào)制就是用調(diào)制信號(包括模擬基帶信號與數(shù)字基帶信號)去控制載波的某一參數(shù),使之按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程。解調(diào)則是調(diào)制的反過程,即從已調(diào)信號中恢復(fù)出原調(diào)制信號的過程。調(diào)制按調(diào)制信號類型分類,可分為模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制;按已調(diào)信號頻譜結(jié)構(gòu)分類,可分為線性調(diào)制與非線性調(diào)制;按調(diào)制的電參量分類,分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制;按載波類型分類,可分為連續(xù)波調(diào)制與脈沖調(diào)制。盡管連續(xù)波調(diào)制與脈沖調(diào)制在工程上均有應(yīng)用,但考慮到應(yīng)用的廣泛性,這里僅對連續(xù)波調(diào)制方式進(jìn)行討論。連續(xù)波調(diào)制是一種用正弦波高頻信號作為載波的調(diào)制。正是由于這種調(diào)制方式是用正弦波作為載波,故又稱為正弦波調(diào)制。根據(jù)調(diào)制的基帶信號是數(shù)字信號還是模擬信號,正弦波調(diào)制又分為模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制兩種。所謂模擬調(diào)制就是調(diào)制信號為連續(xù)信號的正弦波調(diào)制,而數(shù)字調(diào)制則是調(diào)制信號為數(shù)字信號的正弦波調(diào)制。最常用和最重要的模擬調(diào)制是幅度調(diào)制與角度調(diào)制。常見的調(diào)幅(AM)調(diào)制以及雙邊帶抑制載波(DSBSC)調(diào)制、殘留邊帶(VSB)調(diào)制和單邊帶(SSB)調(diào)制等都屬于幅度調(diào)制。對于幅度調(diào)制信號來說,在波形上,它的幅度隨基帶信號變化而呈正比變化;在頻譜結(jié)構(gòu)上,它的頻譜已從基帶低頻域搬移到了某個高頻域,而且它的頻譜結(jié)構(gòu)完全是基帶信號頻譜結(jié)構(gòu)在頻譜域的簡單搬移。由于這種搬移是線性的,因此,幅度調(diào)制又稱為線性調(diào)制。角度調(diào)制是通過改變載波的頻率或相位來實現(xiàn)的,即載波的幅度保持不變,而載波的頻率或相位隨基帶信號變化。由于頻率或相位的變化都可以看成是載波的角度的變化,故這種調(diào)制又稱為角度調(diào)制。角度調(diào)制是頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)的統(tǒng)稱。角度調(diào)制也要完成基帶信號頻譜的搬移,但它所形成的信號頻譜不再保持原來基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)。也就是說,已調(diào)制信號頻譜與基帶信號頻譜之間存在著非線性變換關(guān)系,所以,角度調(diào)制又稱為非線性調(diào)制。數(shù)字調(diào)制有振幅鍵控(ASK)調(diào)制、頻移鍵控(FSK)調(diào)制以及相移鍵控(PSK)調(diào)制三種最基本的調(diào)制方式,其他各種數(shù)字調(diào)制都是這三種基本方式的改進(jìn)或組合。三種最基本的調(diào)制又分為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制兩大類。也就是說,ASK調(diào)制有2ASK調(diào)制與MASK調(diào)制,PSK調(diào)制有2PSK調(diào)制與MPSK調(diào)制,FSK調(diào)制有2FSK調(diào)制與MFSK調(diào)制,其中,2ASK、2PSK、2FSK可簡寫為ASK、PSK與FSK,2ASK也可用OOK表示,2PSK也可用BPSK表示。為了解決相位模糊問題,在BPSK調(diào)制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了相對相移鍵控(DBPSK)調(diào)制,或稱為差分相移鍵控(2DPSK)調(diào)制。MPSK調(diào)制主要有四相相移鍵控(QPSK)(亦稱為正交PSK)調(diào)制與相對相移鍵控(DQPSK)調(diào)制、8相相移鍵控(8PSK)調(diào)制以及16相相移鍵控(16PSK)調(diào)制。為了減小占用的頻譜寬度,在2FSK調(diào)制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了連續(xù)相位頻移鍵控(CPFSK)調(diào)制、最小頻移鍵控(MSK)調(diào)制以及高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)調(diào)制等改進(jìn)調(diào)制方式。除了三種基本數(shù)字調(diào)制外,還有組合調(diào)制方式。例如正交振幅調(diào)制(QAM)就是調(diào)幅和調(diào)相的組合,主要有4QAM、8QAM、16QAM、64QAM以及256QAM等調(diào)制;正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制可以看成是對多載波的一種調(diào)制方法,其主要思想是:將信道分成若干正交子信道,將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,并調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸,每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。正交信號可以在接收端通過采用相關(guān)技術(shù)來

分

開,這

樣

可

以

減

少

子

信

道

之

間

的

相

互

干

擾。OFDM調(diào)

制

包

括

矢

量OFDM(V-OFDM)、寬帶OFDM(W-OFDM)、基于子代濾波的OFDM(F-OFDM)、多輸入多輸出OFDM(MIMO-OFDM)以及多帶-OFDM等調(diào)制類型。與調(diào)制相對應(yīng)的為解調(diào),其功能為從已調(diào)信號中恢復(fù)出原調(diào)制信號。實現(xiàn)解調(diào)的方法很多,與調(diào)制方式密切相關(guān)。對于模擬調(diào)制來說,AM調(diào)制信號的解調(diào)有包絡(luò)檢波與同步檢波兩種,其中包絡(luò)檢波實現(xiàn)比較簡單,同步檢波則需提供同步載波(即相干載波)。FM調(diào)制信號的解調(diào)稱為鑒頻,有波形變換法鑒頻、脈沖計數(shù)式鑒頻、正交鑒頻以及鎖相環(huán)鑒頻四種,其中脈沖計數(shù)式鑒頻具有線性鑒頻范圍大,便于集成等優(yōu)點,它與鎖相環(huán)鑒頻都得到了廣泛應(yīng)用,但工作頻率一般在10MHz以下。PM調(diào)制信號的解調(diào)稱為鑒相,有乘積型鑒相與疊加型鑒相兩種。對于數(shù)字調(diào)制來說,ASK信號的解調(diào)有包絡(luò)檢波非相干解調(diào)法與相干解調(diào)法;FSK調(diào)制信號的解調(diào)有包絡(luò)檢波法、鑒頻法、過零檢測法、差分檢波法等非相干檢測法和相干檢測法;PSK調(diào)制信號的解調(diào)采用極性比較相干解調(diào)法;而DPSK調(diào)制信號除極性比較相干解調(diào)法外,還可采用差分相干解調(diào)法解調(diào)。對于上面列出的調(diào)制解調(diào)方法,若調(diào)制與解調(diào)的方法不同,或調(diào)制方式相同但解調(diào)方法不同,則系統(tǒng)的抗噪性能就不同,且相干解調(diào)優(yōu)于非相干解調(diào),相干解調(diào)付出的代價為必須提取相干載波。5.2.2調(diào)制與解調(diào)方式選擇需考慮的因素在選擇調(diào)制解調(diào)方式時應(yīng)著重考慮信號帶寬、抗噪聲性能、對信道適應(yīng)能力以及設(shè)備復(fù)雜性等幾個方面。信號帶寬影響系統(tǒng)帶寬效率(即傳輸率與最小帶寬之比),抗噪聲性能和對信道適應(yīng)能力與系統(tǒng)可靠性有關(guān),設(shè)備的復(fù)雜性決定了系統(tǒng)成本。下面分模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制對不同調(diào)制解調(diào)方式的性能進(jìn)行比較,為調(diào)制解調(diào)方式的選擇提供參考。1.模擬調(diào)制系統(tǒng)性能比較假設(shè)所有系統(tǒng)工作在同等條件下,即解調(diào)器輸入信號功率為Si,信道噪聲均值為0,單邊功率譜密度為n0,基帶信號帶寬為fm,AM信號的調(diào)制度為100%,FM信號的調(diào)頻指數(shù)為mf,均采用正弦波調(diào)制信號。模擬調(diào)制系統(tǒng)性能比較如表5.1所示。由表5.1可以看出:(1)頻譜利用率方面,SSB最高,VSB較高,DSB和AM次之,FM最差。(2)抗噪聲性能方面,FM最好,DSB、SSB、VSB次之,AM最差。(3)功率利用率方面,FM最高,DSB、SSB、VSB次之,AM最差。(4)設(shè)備復(fù)雜性方面,AM最簡,DSB和FM次之,VSB較復(fù)雜,SSB最復(fù)雜。不同調(diào)制方式的特點為:AM調(diào)制的優(yōu)點為接收設(shè)備簡單,缺點為功率利用率低,抗噪聲能力差;DSB調(diào)制的優(yōu)點為功率利用率高,帶寬與AM相同;SSB調(diào)制的優(yōu)點為功率利用率與頻帶利用率都較高,抗噪聲能力優(yōu)于AM,而帶寬只有AM的一半,缺點為收發(fā)設(shè)備復(fù)雜;VSB調(diào)制的抗噪聲性能、頻帶利用率與SSB相當(dāng);FM調(diào)制抗噪聲能力強(qiáng),缺點是頻帶利用率低,存在門限效應(yīng)。2.二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較設(shè)r為輸入信噪比,fm為基帶信號帶寬,f1、f2分別為2FSK輸出已調(diào)制信號的兩個頻率,2ASK、2FSK、2PSK三種調(diào)制方式的信號帶寬與誤碼性能如表5.2所示,誤碼率與信噪比的關(guān)系如圖5.2所示。由圖5.2和表5.2可以看出:(1)頻譜利用率方面,2ASK、2PSK調(diào)制信號帶寬相同,均為2fm,2FSK信號帶寬為|f2-f1|+2fm,且f1、f2相差越大,帶寬越大。顯然,2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率最低。(2)誤碼率性能方面,對于同一種數(shù)字調(diào)制信號,采用相干解調(diào)的誤碼率低于非相干解調(diào)的誤碼率。誤碼率一定時,2PSK、2FSK、2ASK系統(tǒng)所需要的信噪比關(guān)系為即要保證三種調(diào)制有相同的誤碼率,要求2ASK輸入信噪比是2PSK的4倍,是2FSK的2倍,也說明2PSK誤碼性能最好,2FSK次之,2ASK最差。(3)信道適應(yīng)能力方面,由于2FSK系統(tǒng)通過比較上下兩個支路(對應(yīng)頻率分別為f1與f2)解調(diào)輸出值的大小來判斷是符號0或1,對信道變化不敏感,而2PSK與2ASK系統(tǒng)在發(fā)送符號概率相等時,最佳判決門限分別為0與A/2(A為信號幅度)。由于前者的判決門限不隨信道特性變化,對信道變化不敏感。后者的判決門限隨信號幅度發(fā)生變化,而信號幅度的變化往往是由信道變化引起,因此,2ASK對信道特性變化敏感,性能最差。(4)設(shè)備復(fù)雜性方面,對2ASK、2FSK、2PSK三種調(diào)制方式來說,發(fā)送端設(shè)備的復(fù)雜程度相差不多,而接收端的復(fù)雜程度則與所選用的調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)。對于同一種調(diào)制方式,相干解調(diào)的設(shè)備要比非相干解調(diào)復(fù)雜,而同為非相干解調(diào)時,2DPSK的設(shè)備最復(fù)雜,2FSK次之,2ASK最簡單。綜合考慮頻譜利用率、誤碼率、信道適應(yīng)能力、設(shè)備復(fù)雜度等因素,不難判斷出2PSK與2DPSK是調(diào)制方式的首選。同樣,對多進(jìn)制調(diào)制方式進(jìn)行類似分析,QPSK與DQPSK也有與2PSK相同的優(yōu)勢,并且2DPSK、DQPSK不存在相位模糊問題。因此,在頻帶傳輸電子系統(tǒng)中,2DPSK、DQPSK得到了非常廣泛的應(yīng)用。相移鍵控調(diào)制方式得到廣泛應(yīng)用的另一個理由是輸出信號幅度恒定,平均功率最大,可以使發(fā)射機(jī)輸出的功率得到充分利用,增加作用距離。5.2.3調(diào)制器與解調(diào)器技術(shù)參數(shù)調(diào)制與解調(diào)方式一經(jīng)確定,接下來就是調(diào)制與解調(diào)的具體實現(xiàn)問題,既可采用分離元器件自行設(shè)計實現(xiàn),也可直接購買成熟產(chǎn)品。無論采用哪種實現(xiàn)方式,必須滿足其主要性能參數(shù)要求。調(diào)制信號類型不同、調(diào)制方式不同,則調(diào)制器的技術(shù)參數(shù)也不同。同樣,解調(diào)器的技術(shù)參數(shù)也存在差異5.2.4QPSK/DQPSK調(diào)制與解調(diào)差分正交相移鍵控DQPSK又稱相對正交相移鍵控,在帶通傳輸中得到了廣泛應(yīng)用。它是在正交相移鍵控QPSK(又稱絕對正交相移鍵控)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,解決了QPSK存在的相位模糊問題,是一種實用的四相制調(diào)制。QPSK信號可表示為式中:g(t)是寬度為2Ts的單個矩形脈沖;Ts為二進(jìn)制碼元寬度;φn是由二進(jìn)制信息決定的相位值,它有四個取值,通常取0°、90°、180°、270°或者取45°、135°、225°、315°,但工程上均取后者,以方便判斷。相位值表征的兩位二進(jìn)制信息為00、01、10、11。QPSK信號的產(chǎn)生原理如圖5.3所示,首先,二進(jìn)制序列經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換,將1路信號變?yōu)閮陕沸盘?碼元寬度增加1倍;然后電平轉(zhuǎn)換將單極性矩形脈沖變成雙極性矩形脈沖,例如二進(jìn)制序列1011經(jīng)串/并變換成為11與01兩個序列,再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換變?yōu)?1+1與-1+1;最后電平轉(zhuǎn)換輸出作用于兩個乘法器,其輸出相加后形成QPSK信號。對四種情況進(jìn)行簡單計算,即式中:當(dāng)二進(jìn)制序列為11時,φn=π/4;為01時,φn=3π/4;為00時,φn=5π/4;為10時,φn=7π/4。QPSK信號的解調(diào)通常采用工程上容易實現(xiàn)的極性比較法,解調(diào)組成框圖如圖5.4所示。完成解調(diào)需要恢復(fù)相干載波與位同步信號。設(shè)接收信號為經(jīng)混頻,同相與正交支路輸出為經(jīng)低通濾波,輸出為根據(jù)xA(t)、xB(t)在抽樣時刻的值是大于零還是小于零,即根據(jù)xA(t)、xB(t)的極性即可恢復(fù)二進(jìn)制序列。兩條支路的判決規(guī)則相同,抽樣值大于零,判為1,抽樣值小于零,判為0。判決規(guī)則如表5.3所示。QPSK的誤比特性能與2PSK相同。誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系為當(dāng)信噪比r足夠大時,有DQPSK信號的產(chǎn)生原理如圖5.5所示,與QPSK信號產(chǎn)生相比增加了一個差分編碼環(huán)節(jié),其余部分與QPSK相同。差分編碼由先前的4個輸出狀態(tài)和當(dāng)前的4個輸入狀態(tài)來產(chǎn)生當(dāng)前的輸出。QPSK差分編碼表如表5.4所示。與QPSK解調(diào)器一樣,DQPSK信號的解調(diào)也常采用極性比較法,DQPSK解調(diào)器組成框圖如圖5.6所示,相對于QPSK解調(diào)器增加了差分解碼單元。差分解碼器對輸入的數(shù)據(jù)信息I1(n)與Q1(n)用與差分編碼對應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行差分解碼,輸出數(shù)據(jù)信息I2(n)與Q2(n)。差分解碼器首先按下式計算Dot(n)與Cross(n)。式中,n表示第n個符號。然后,按表5.5所示的規(guī)律確定輸出信息I2(n)與Q2(n)。該信息經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換得到最終的二進(jìn)制序列。當(dāng)信噪比r足夠大時,DQPSK的誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系可近似表示為關(guān)于QPSK/DQPSK調(diào)制與解調(diào)技術(shù)在頻帶傳輸中的具體應(yīng)用將在5.6節(jié)討論。5.3混

頻

與

濾

波超外差方法是一種利用本地產(chǎn)生的振蕩信號與輸入信號在非線性器件的作用下實現(xiàn)混頻,將輸入信號頻率變換為某個預(yù)先確定的頻率的方法。相比于高頻(直接)放大式接收,超外差方法容易得到足夠大而且比較穩(wěn)定的放大量,具有較高的選擇性和較好的頻率特性,中頻固定使得在接收不同頻率的輸入信號時不需再調(diào)整。正是這些優(yōu)點的存在,超外差結(jié)構(gòu)成為了頻帶傳輸系統(tǒng)使用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)。超外差結(jié)構(gòu)的主要缺點是電路比較復(fù)雜,同時也存在著一些特殊的干擾,如鏡像頻率干擾、干擾噪聲和中頻干擾等,通常采用二次變頻方法來濾除這些干擾。二次變頻超外差接收機(jī)原理框圖如圖5.7所示,在這種結(jié)構(gòu)中,發(fā)生了二次頻率搬移。從天線接收的中心頻率為fc的射頻信號首先經(jīng)高選擇性的無源濾波器濾波與高頻放大后,與本地振蕩器產(chǎn)生的頻率為f1(f1既可以高于fc,也可以低于fc,這里假設(shè)f1高于fc)的本振信號一起加入混頻器變頻,得到頻率為fi=f1-fc的第一中頻信號。如果輸入的信號中還存在頻率為f干=f1+fi的干擾信號,該信號經(jīng)混頻也能產(chǎn)生|f1-f干|=fi的中頻信號,會對有用信號造成干擾。為抑制這種中頻干擾,第一中頻頻率均選擇較高頻率。這是由于fi較高時,頻率為f1+fi的干擾信號會落到無源濾波器帶寬之外而被濾除。第一中頻信號經(jīng)濾波與放大后,在中頻單元完成二次混頻,得到中心頻率為f2的第二中頻信號。該信號再經(jīng)濾波、中頻放大、解調(diào)和低通濾波與放大后,送給用戶。信號放大主要由第一、第二中頻放大器完成,這是由于第一、第二中頻頻率固定,高增益的放大容易實現(xiàn),而用來接收和處理頻率變化的高頻信號放大器是很難實現(xiàn)的。第一中頻頻率選得較高,可抑制中頻干擾;第二中頻頻率選得較低,可使第二中頻放大器有較高的增益和較好的選擇性。由上可見,混頻器既是超外差結(jié)構(gòu)的一個基本部件,也是關(guān)鍵部件。它利用非線性器件將兩個不同頻率的電信號混合,通過濾波回路獲取感興趣的第三頻率的信號。按混頻器的定義,它包括頻率變換與濾波兩部分。為方便起見,本書將混頻與濾波分開討論,并把混頻器的功能限定為頻率變換。5.3.1混頻技術(shù)混頻就是通過非線性器件將兩個不同頻率的電信號混合,獲取某個預(yù)先確定頻率的信號。混頻的作用就是將信號從一個頻率變換到另外一個頻率,其實質(zhì)是實現(xiàn)信號頻譜的線性搬移。由于頻譜的線性搬移需要對信號進(jìn)行非線性變換才能實現(xiàn),因此,非線性器件是混頻的核心部件,如二極管、三極管、場效應(yīng)管等。假設(shè)輸入混頻器的兩個信號頻率分別為fL與fS,則在非線性器件的作用下,將產(chǎn)生頻率為±pfL±qfS(p、q為正整數(shù))的組合頻率分量。一般來講,滿足需要的僅僅是|fL±fS|,其余組合分量均為干擾,需要想辦法抑制。將輸出信號頻率高于輸入信號頻率的混頻稱為上混頻,相反則稱為下混頻。上混頻在發(fā)射端使用,下混頻在接收端使用。混頻器按工作性質(zhì)可分為加法混頻器(上混頻器)和減法混頻器(下混頻器),可分別得到和頻及差頻;按電路元件可分為三極管混頻器、二極管混頻器以及場效應(yīng)管混頻器;按電路工作方式可分為有源混頻器和無源混頻器。有源混頻器一般是指利用雙極結(jié)型晶體管BJT和場效應(yīng)管FET(具有直流偏置)來實現(xiàn)混頻功能的混頻器。無源混頻器一般是利用PIN二極管和FET(無直流偏置狀態(tài)下)來實現(xiàn)混頻功能的混頻器,是目前最普遍最常用的混頻器。由于混頻是利用器件的非線性特性完成的,因此混頻會帶來兩種負(fù)面的影響,即組合頻率干擾與非線性失真。組合頻率干擾可分為干擾噪聲、中頻干擾以及鏡像頻率干擾(亦稱為對像頻率干擾),其中干擾噪聲由本振信號與有用信號混頻時,器件非線性導(dǎo)致的組合頻率|±pfL±qfS|(p、q為正整數(shù))中接近于中頻(p、q為1除外)的那些分量形成,中頻干擾與鏡像頻率干擾則由本振信號與干擾信號混頻時產(chǎn)生。非線性失真包括包絡(luò)失真、強(qiáng)信號阻塞、交叉調(diào)制失真、互相調(diào)制失真等。無論是組合頻率干擾還是非線性失真都是非常有害的,必須采取措施減小其影響。1.混頻器的主要參數(shù)1)工作頻率混頻器是多端口、多頻率工作的器件,射頻(RF)端口用于輸入待下變頻的高頻信號,或者輸出上變頻后的高頻信號。本地振蕩器(LO)端口輸出本振信號,通常該端口信號最強(qiáng)。中頻(IF)端口用于輸出下變頻的中頻信號,或者輸入上變頻的中頻信號。除指明射頻信號工作頻率外還應(yīng)給出本振頻率和中頻頻率應(yīng)用范圍。2)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(NF)是非常重要的參數(shù),為由混頻器產(chǎn)生且存在于IF端口處的附加噪聲。對于無源混頻器,噪聲系數(shù)幾乎與變頻損失相等。混頻器的噪聲系數(shù)NF可以用輸入、輸出信號功率和噪聲的比值的對數(shù)來定義,其關(guān)系式為式中:Psi為輸入信號功率;Pni為輸入噪聲功率;Pso為輸出信號功率;Pno為輸出噪聲功率,單位均為W。3)變頻損耗混頻器的變頻損耗定義為混頻器射頻輸入端的信號功率與中頻輸出端信號功率之比。該損耗主要由電路失配損耗、二極管的固有結(jié)損耗及非線性電導(dǎo)凈變頻損耗等引起。對于下變頻混頻器,變頻損失為RF輸入信號功率與IF輸出信號功率之比。對于上變頻混頻器,變頻損失為IF輸入信號功率與RF輸出信號功率之比。當(dāng)混頻器以線性方式工作時,其變頻損失保持不變,此時,當(dāng)輸入信號幅度增大時,輸出信號幅度增大相同的量。然而,一旦輸入信號幅度達(dá)到一定水平時,輸出信號幅度便不再嚴(yán)格隨輸入信號同步變化,此時,混頻器不再以線性方式工作,而且其變頻損失隨之開始增大。4)1dB壓縮點在正常工作情況下,射頻輸入電平遠(yuǎn)低于本振電平,此時中頻輸出將隨射頻輸入線性變化,當(dāng)射頻電平增加到一定程度時,中頻輸出隨射頻輸入增加的速度減慢,混頻器出現(xiàn)飽和。當(dāng)中頻輸出偏離線性區(qū)域1dB時的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點,也就是使變頻損失增加1dB所需的輸入信號功率?；祛l器的1dB壓縮點決定了其動態(tài)范圍的上限。對于結(jié)構(gòu)相同的混頻器,1dB壓縮點取決于本振功率大小和二極管特性,一般比本振功率低6dB。5)動態(tài)范圍動態(tài)范圍是指混頻器正常工作時的射頻輸入功率范圍,其值由混頻器的線性度決定,其大小直接影響接收機(jī)的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍的下限因混頻器的應(yīng)用環(huán)境不同而不同,上限受射頻輸入功率飽和所限,通常對應(yīng)混頻器的1dB壓縮點。6)IIP3與OIP3輸入三階互調(diào)阻斷點IIP3或輸出三階互調(diào)阻斷點OIP3又稱為三階截點或三階交點,是表征混頻器線性性能的指標(biāo),用以表征混頻器對其非線性特性中的三次方項引起的互調(diào)失真(即三階互調(diào)失真)的抑制能力。當(dāng)混頻器輸入射頻的電平足夠大,混頻器進(jìn)入非線性工作狀態(tài)時,就會出現(xiàn)三階互調(diào)。當(dāng)混頻器輸入射頻功率比較小,混頻器工作在線性狀態(tài)時,射頻輸入與中頻輸出按1∶1的速度上升;當(dāng)混頻器輸入射頻功率比較大,混頻器工作在非線性狀態(tài)而出現(xiàn)三階互調(diào)時,射頻輸入與中頻輸出按1∶3的速度上升,即輸入功率每增加1dB,互調(diào)失真功率就要增加3dB。通常情況下,當(dāng)互調(diào)輸出功率與中頻輸出功率相等時,系統(tǒng)將無法正常工作。三階截點所對應(yīng)的射頻輸入功率是混頻器的非線性互調(diào)失真使系統(tǒng)無法正常工作時的最大射頻輸入功率,工程上用dBm表示?？梢?IP3越大,表明混頻器的線性運行范圍越寬。7)隔離度隔離度是表征混頻器內(nèi)部電路平衡度的一個指標(biāo),即表示混頻器各端口之間泄漏的大小。理論上混頻器各端口之間應(yīng)該是嚴(yán)格隔離的,但實際上,由于混頻器內(nèi)部電路的不對稱性,即平衡度稍有差別,就會產(chǎn)生各端口間的竄透?；祛l器隔離度指各頻率端口間的相互隔離,包括本振與射頻、本振與中頻及射頻與中頻之間的隔離。隔離度定義為本振或射頻信號泄漏到其他端口的功率與輸入功率之比,單位為dB。隔離度越高,從一個端口泄漏至另一端口的功率越小。系統(tǒng)中必須考慮的三個重要的隔離度分別為RF至IF、LO至IF以及LO至RF的隔離度。LO信號通常比其他兩種信號強(qiáng)得多。在IF端口處,LO(或RF)信號可能在后續(xù)鏈路中產(chǎn)生其他雜散信號,并在足夠強(qiáng)的時候可使IF放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)。在RF端口處,LO信號可使接收器在天線端口發(fā)射射頻信號。8)本振功率混頻器的本振功率是指最佳工作狀態(tài)時所需的本振功率。原則上本振功率愈大,說明混頻器能夠工作在線性范圍的動態(tài)范圍也越大,1dB壓縮點與三階交調(diào)阻斷點也將得到改善。9)端口駐波比端口駐波直接影響混頻器的使用,它是一個隨功率、頻率變化的參數(shù)。10)中頻剩余直流偏差電壓當(dāng)混頻器作為鑒相器使用,且只有一個輸入時,輸出應(yīng)為零。但由于混頻管配對不理想或不平衡等原因,將在中頻輸出端輸出一直流電壓,該直流電壓即為中頻剩余直流偏差電壓,它將影響鑒相精度。2.混頻器的典型應(yīng)用1)頻率變換頻率變換既是混頻器的一個基本功能,也是用途最廣的一個應(yīng)用。常用的有雙平衡混頻器和三平衡混頻器。三平衡混頻器由于采用了兩個二極管電橋,三個端口都有變壓器,因此其本振、射頻及中頻帶寬可達(dá)幾個倍頻程,且動態(tài)范圍大,失真小,隔離度高。但其制造成本高,工藝復(fù)雜,因而價格較高。2)BPSK與QPSK調(diào)制此類應(yīng)用的混頻器要求中頻直流耦合,調(diào)制信號通過控制中頻電流的極性實現(xiàn)射頻端口輸出信號的相位變化。BPSK調(diào)制通過中頻端控制電流極性使輸出射頻信號的相位在0°和180°兩種狀態(tài)下交替變化實現(xiàn)。QPSK調(diào)制器是由兩個BPSK調(diào)制器、一個90°移相器和一個0°功率分配器構(gòu)成。3)鑒相中頻端口采用直流耦合的混頻器作為鑒相器。將兩個頻率相同、幅度一致的射頻信號加到混頻器的本振和射頻端口,中頻端將輸出隨兩信號相差而變的直流電壓。當(dāng)輸入的兩個信號均為正弦波時,鑒相輸出為隨相差變化的正弦信號;當(dāng)輸入信號均為方波時,鑒相輸出為三角波。輸入信號的功率最好選擇在標(biāo)準(zhǔn)本振功率附近,輸入功率太大,會增加直流偏差電壓,輸入功率太小則使輸出電平太小。4)可變衰減此類混頻器也要求中頻直流耦合,信號在混頻器本振端口和射頻端口間的傳輸損耗由中頻電流的大小來控制。當(dāng)控制電流為零時,傳輸損耗即為本振到射頻的隔離;當(dāng)控制電流在20mA以上時,傳輸損耗即為混頻器的插入損耗。這樣,就可用正電流或負(fù)電流連續(xù)控制以形成約30dB變化范圍的可變衰減,且在整個變化范圍內(nèi)端口駐波變化很小。特別是當(dāng)用方波控制時就可形成開關(guān)。3.混頻器設(shè)計與應(yīng)用中的注意事項混頻器是頻帶傳輸系統(tǒng)以及超外差結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成單元,在工程應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾點:(1)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境與指標(biāo)參數(shù),設(shè)計合理的實現(xiàn)方案,并選擇最優(yōu)的參數(shù)配置。無論是發(fā)送端還是接收端,究竟選擇幾次混頻技術(shù),每次的中頻頻率選擇多少,對于整個系統(tǒng)的性能影響非常大。選擇幾次混頻與射頻頻率、信號帶寬、后續(xù)濾波器的實現(xiàn)難度等密切相關(guān)。中頻頻率的選擇,除了與上述因素有關(guān)外,還應(yīng)特別注意避免出現(xiàn)鏡像頻率干擾。(2)在選擇與設(shè)計混頻器時,需特別關(guān)注轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)、端口之間的隔離度以及功耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)。①

轉(zhuǎn)換增益設(shè)置要合理。為了彌補(bǔ)中頻濾波器的損耗,并降低混頻器后續(xù)電路噪聲對系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn),混頻器需要有一定的轉(zhuǎn)換增益,但增益太大又會影響混頻器的輸出。②

射頻輸入信號功率應(yīng)適中。混頻器的線性度是各項性能中最重要的性能,直接決定接收機(jī)的動態(tài)范圍。當(dāng)射頻輸入信號的功率過大,超過混頻器的1dB壓縮點時,中頻輸出信號的功率就會比預(yù)期值有大幅度的衰減,偏離原來的線性關(guān)系。③

噪聲系數(shù)盡量小。為了降低系統(tǒng)噪聲及減輕低噪聲放大器(LNA)的設(shè)計壓力,混頻器應(yīng)該具有較低的噪聲系數(shù)。④

端口間隔離度要好。加入到混頻器的本振信號幅度變化有時比較大,很容易造成信號饋通干擾,特別是當(dāng)信號饋通到射頻輸入端時,會影響其他接收機(jī)或引起自混頻(對零中頻接收機(jī)的性能影響非常大)。因此,混頻器需要具有良好的隔離度。⑤

功耗盡量小。功耗是所有系統(tǒng)必須考慮的問題,降低混頻器的功耗,可有效地降低系統(tǒng)功耗。(3)應(yīng)注重減小混頻干擾措施的運用。總的來說,可采用以下兩種措施來減小干擾與失真:一是減小加到混頻器輸入端的有用信號與干擾信號的強(qiáng)度;二是減小混頻器的無用非線性項。屬于第一種措施的主要有:①

混頻器的干擾程度與干擾信號的大小有關(guān),提高混頻器前端電路的選擇性(如天線回路、高放級的選擇性),可有效減小干擾的影響。②

將中頻選在接收頻段以外,可避免產(chǎn)生最強(qiáng)的干擾哨聲,同時,也可以有效地發(fā)揮混頻前各級電路的濾波作用。③

采用高中頻,可基本抑制鏡像頻率干擾、中頻干擾等。屬于第二種措施的主要有:①

合理選擇混頻管的工作點,使其主要工作在器件特性的二次方區(qū)域,以減小高次方區(qū)域帶來的組合頻率干擾(交調(diào)干擾)。②

采用模擬乘法器、平衡混頻器和環(huán)形混頻器可大大減小組合頻率干擾。5.3.2濾波技術(shù)濾波是信號處理中的一個重要概念。凡是可以使信號中特定的頻率成分通過,而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統(tǒng)稱之為濾波器。它是對信號進(jìn)行過濾的器件,是一種選頻裝置,通過它可以抑制干擾與噪聲,獲取有用信號。濾波器是電子系統(tǒng)的基本組成部分,其作用不可替代,特別是在復(fù)雜電磁環(huán)境下,其作用更加明顯。例如,直流穩(wěn)壓電源中的濾波電路就可以減小直流電壓中的交流成分,保留其直流成分,從而使輸出電壓紋波系數(shù)降低,波形變得比較平滑。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,濾波的內(nèi)涵與外延也在不斷地擴(kuò)大與延伸,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)濾波定義的范疇。從某種意義上講,只要是能夠完成對信號的處理均可稱為濾波技術(shù)。濾波器的應(yīng)用幾乎無處不在,無處不有。如:在圖像處理方面,濾波技術(shù)已應(yīng)用于靜止和活動圖像的恢復(fù)和增強(qiáng)、數(shù)據(jù)壓縮、去噪音和干擾、圖像識別等,也應(yīng)用到了雷達(dá)、聲吶、超聲波以及紅外圖像成像等領(lǐng)域;在現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域,幾乎沒有一個分支不受到數(shù)字濾波技術(shù)的影響,例如信源編碼、信道編碼、調(diào)制、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)壓縮以及自適應(yīng)信道均衡等都廣泛采用數(shù)字濾波;在語音處理方面,濾波技術(shù)在語音增強(qiáng)、語音編碼、語音合成、語音信號分析與特征提取中得到了廣泛應(yīng)用;在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中,數(shù)字信號處理是不可缺少的組成部分,因為從信號的產(chǎn)生、濾波、加工到目標(biāo)參數(shù)的估計和目標(biāo)成像顯示都離不開數(shù)字濾波技術(shù);在移動通信領(lǐng)域完全依靠強(qiáng)大的數(shù)字信號處理與濾波技術(shù)來應(yīng)對復(fù)雜時變的信道環(huán)境,獲取穩(wěn)定的高質(zhì)量通信?？梢灾v,移動通信離開數(shù)字濾波技術(shù)將寸步難行。1.濾波器的分類濾波器按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器五種。其中低通濾波器允許信號中的低頻或直流分量通過,抑制高頻分量的干擾和噪聲;高通濾波器允許信號中的高頻分量通過,抑制低頻或直流分量;帶通濾波器允許一定頻段的信號通過,抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲;帶阻濾波器抑制一定頻段內(nèi)的信號,允許該頻段以外的信號通過,又稱為陷波濾波器;全通濾波器是指在全頻帶范圍內(nèi),信號的幅值不會改變,也就是全頻帶內(nèi)幅值增益恒等于1。一般全通濾波器用于移相,也就是說,對輸入信號的相位進(jìn)行改變,理想情況是相移與頻率成正比,相當(dāng)于一個時間延時系統(tǒng)。濾波器按照其所采用的元器件不同分為無源濾波器和有源濾波器兩種。無源濾波器是利用電阻、電感和電容等元器件構(gòu)成的濾波電路。無源濾波器按接線形式可分為電容濾波器、電感濾波電路、L型RC濾波電路、π形RC濾波電路、多節(jié)π形RC濾波電路、π形LC濾波電路;按功能可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點,其缺點為調(diào)試?yán)щy、穩(wěn)定性較差。無源濾波器的濾波原理為:利用諧振回路工作在諧振頻率時阻抗小,而工作于非諧振頻率時阻抗大的特性,將多個不同諧振頻率的調(diào)諧電路組合,濾除諧波分量。無源濾波器不需要電源供電,而有源濾波器則需要電源供電。根據(jù)儲能器件的不同,有源濾波器可以分為電壓型有源濾波器和電流型有源濾波器。電壓型有源濾波器因其損耗少、效率高,被廣泛使用。電流型有源濾波器因其損耗大、效率低,而較少采用。與無源濾波器相比,有源濾波器具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。濾波器按其所處理的信號的類型不同,又可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。模擬濾波器對模擬信號進(jìn)行處理,其濾波電路通常由電阻、電感、電容以及運算放大器等組成。其優(yōu)點是實時性好,缺點是濾波電路一旦設(shè)計好,調(diào)整不靈活,且無法設(shè)計出對信號進(jìn)行復(fù)雜處理的濾波電路。模擬濾波器適用于像高通、低通、帶通、帶阻以及全通等濾波參數(shù)固定的傳統(tǒng)應(yīng)用場合。數(shù)字濾波器處理的對象為數(shù)字信號,它是利用計算機(jī)或通用(專用)處理設(shè)備,采用數(shù)值計算方法對數(shù)字序列進(jìn)行如變換、濾波、增強(qiáng)、識別、估計、壓縮等各種處理,把信號變換成符合需要的某種形式。數(shù)字濾波包括濾波平臺與濾波算法兩大部分。數(shù)字濾波器的優(yōu)點是調(diào)整濾波方案只需要修改程序,不需要改變硬件平臺,方便靈活;缺點是存在處理的實時性問題,在實時性要求非常高的場合,必須考慮如何縮短信號處理時間,提高實時性。數(shù)字濾波除了適用于模擬濾波器的應(yīng)用場合外,還適用于對信號進(jìn)行復(fù)雜濾波處理的場合。數(shù)字濾波器主要有兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu),即無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器與有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器。FIR數(shù)字濾波器沒有反饋信號參與濾波,結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,而IIR數(shù)字濾波器有反饋信號參與濾波,存在穩(wěn)定性差的問題。在濾波器性能參數(shù)相同情況下,采用IIR數(shù)字濾波器比FIR數(shù)字濾波器的階數(shù)少,運算時間短。傳統(tǒng)的IIR數(shù)字濾波器可通過先設(shè)計模擬濾波器,然后將模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器的方法實現(xiàn)。可通過巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器來設(shè)計滿足要求的模擬濾波器,詳細(xì)情況可參考4.6節(jié)。傳統(tǒng)的FIR數(shù)字濾波器可采用窗函數(shù)設(shè)計法實現(xiàn)。常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角窗、漢寧窗、海明窗以及布萊克曼窗等,選用不同的窗函數(shù)設(shè)計的濾波器的階數(shù)、過渡帶、旁瓣電平均不同,濾波效果也有區(qū)別。需要說明的是,數(shù)字濾波除了可實現(xiàn)傳統(tǒng)意義的高通、帶通、帶阻以及低通濾波等功能外,還能采用各種信號處理算法實現(xiàn)對信號的復(fù)雜處理與自適應(yīng)處理。這些屬于現(xiàn)代信號處理或現(xiàn)代濾波技術(shù)的范疇,有興趣讀者可參考相關(guān)書籍。2.濾波器的主要參數(shù)與特性指標(biāo)1)濾波器的主要參數(shù)(1)中心頻率。中心頻率(Centerfrequency)指濾波器通帶的頻率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB的邊頻點。窄帶濾波器常以插入損耗最小點為中心頻率。(2)截止頻率。截止頻率(Cutofffrequency)指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來定義。相對損耗的參考基準(zhǔn)為:低通以直流處插入損耗為基準(zhǔn),高通則以未出現(xiàn)寄生阻帶的足夠高通帶頻率處插入損耗為基準(zhǔn)。(3)通帶帶寬。通帶帶寬指需要通過的頻譜寬度,BW=(f2-f1)。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準(zhǔn),下降xdB處對應(yīng)的左、右邊頻點。通常x=3、1、0.5,對應(yīng)的帶寬稱之為3dB帶寬、1dB帶寬以及0.5dB帶寬。也可用分?jǐn)?shù)帶寬(Fractionalbandwidth)來表示,定義為(BW3dB/f0)×100%。(4)插入損耗。插入損耗(Insertionloss)指由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗,以中心或截止頻率處損耗表征。(5)紋波。紋波(Ripple)指1dB或3dB帶寬(截止頻率)范圍內(nèi),插入損耗隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動的峰值。(6)帶內(nèi)波動。帶內(nèi)波動(Passbandripple)指通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量,如1dB帶寬內(nèi)的帶內(nèi)波動是1dB。(7)帶內(nèi)駐波比。帶內(nèi)駐波比(VSWR)是衡量濾波器通帶內(nèi)信號是否良好匹配傳輸?shù)囊豁椫匾笜?biāo)。理想匹配時,VSWR=1;失配時,VSWR>1。對于一個實際的濾波器而言,滿足VSWR<1.5的帶寬一般小于3dB帶寬。(8)回波損耗?；夭〒p耗(Returnloss)又稱為反射損耗,是由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射,定義為-10lg[(反射功率)/(入射功率)],也等于|20lgρ|,ρ為電壓反射系數(shù)。(9)阻帶抑制度或阻帶衰減。阻帶抑制度是衡量濾波器選擇性能好壞的重要指標(biāo)。該指標(biāo)越高說明對帶外干擾信號抑制越好。常用某一給定帶外頻率fs抑制多少dB來表示,計算方法為fs處衰減量。通常濾波器階數(shù)越多,阻帶衰減越大。(10)延遲。延遲(Td)指信號通過濾波器所需要的時間。(11)帶內(nèi)相位線性度。該指標(biāo)表征濾波器對通帶內(nèi)傳輸信號引入的相位失真大小。按線性相位響應(yīng)函數(shù)設(shè)計的濾波器具有良好的相位線性度。2)濾波器的特性指標(biāo)(1)特征頻率。濾波器的特征頻率包括通帶截止頻率、阻帶截止頻率、轉(zhuǎn)折頻率、固有頻率等。其中通帶截止頻率fp為通帶與過渡帶邊界點的頻率,在該點信號增益下降到某一規(guī)定的下限,如增益下降到2/2處(即功率下降一半)對應(yīng)的頻率;阻帶截止頻率fr為阻帶與過渡帶邊界點的頻率,通常在該點信號下降到最大幅度的10%或某一規(guī)定值;轉(zhuǎn)折頻率fc為信號功率衰減到1/2時的頻率;固有頻率f0為電路沒有損耗時濾波器的諧振頻率,復(fù)雜電路往往有多個固有頻率。(2)增益與衰耗。濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。低通濾波器的通帶增益一般指ω=0時的增益;高通濾波器的增益是指ω→∞時的增益;帶通濾波器的增益是指中心頻率處的增益;帶阻濾波器一般應(yīng)給出阻帶衰耗,衰耗定義為增益的倒數(shù)。(3)阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)。阻尼系數(shù)用于表征濾波器對中心頻率信號的作用,是濾波器中表示能量衰耗的一項指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù),是衡量帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標(biāo),Q=ω0/Δω。Δω為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬,ω0為中心頻率,在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。Q值越大,濾波器的選擇性越好。(4)靈敏度。濾波電路由許多元件構(gòu)成,每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度定義為(dy/y)/(dx/x)。靈敏度越小,標(biāo)志著電路容錯能力越強(qiáng),穩(wěn)定性也越高。(5)群時延函數(shù)。當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計要求時,為保證輸出信號失真度不超過允許范圍,對其相頻特性φ(ω)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計中,常用群時延函數(shù)dφ(ω)/dω評價信號經(jīng)濾波后相位的失真程度。在設(shè)計濾波器時,首先,設(shè)計濾波器的性能參數(shù),特別是對關(guān)鍵參數(shù)要進(jìn)行精心設(shè)計。性能參數(shù)太高將增加設(shè)計難度,性能參數(shù)太低會影響到濾波效果。其次,確定濾波器的實現(xiàn)方式。由于射頻通道濾波器與第一中頻濾波器頻率很高,需要經(jīng)驗十分豐富的研究人員才能實現(xiàn),通常采用市場采購或訂購的方式。第二中頻濾波器既可采購,也可自行設(shè)計。高頻、中頻濾波器幾乎都采用模擬濾波器的方式實現(xiàn),而低通濾波器均采用自行設(shè)計的方式實現(xiàn)。低通濾波器采用模擬濾波器與數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方式均可,對于需要完成復(fù)雜處理功能的濾波器,一般采用數(shù)字濾波的方式實現(xiàn)。5.4中頻放大技術(shù)中頻放大器是超外差接收機(jī)的基本組成部分,是一種專門放大中頻頻率信號的放大器。中頻放大器具有放大與選頻作用,保證特定中頻頻段的增益高于其他頻段的增益,即只放大特定頻段的中頻信號。為了后續(xù)解調(diào)電路能正常工作,中頻放大器通常采用多級放大的方式將混頻器輸出的信號進(jìn)行大幅度提升,以便輸出信號有足夠的幅度。為了保證系統(tǒng)在大動態(tài)輸入范圍的情況下正常工作,中頻放大器除了要有足夠的放大倍數(shù)(即增益)外,還需要有自動增益控制(AGC)功能。為了使系統(tǒng)在受到溫度等因素影響而產(chǎn)生頻率漂移時能正常工作,還需要有自動頻率控制(AFC)功能,有的甚至還需要有溫度補(bǔ)償電路。另外,為了保證大動態(tài)范圍輸入時系統(tǒng)能正常工作,中頻放大器也經(jīng)常采用對數(shù)放大的形式。中頻放大器的技術(shù)參數(shù)包括工作頻率范圍、增益、帶內(nèi)平坦度、輸入信號幅度范圍、輸出信號幅度范圍、噪聲系數(shù)、選擇性(矩形系數(shù))、輸入電阻、輸出電阻等,其中,前三個技術(shù)參數(shù)也可以用幅頻特性曲線來描述。中頻放大器的核心質(zhì)量指標(biāo)為電壓(電流)增益、通頻帶、選擇性、噪聲系數(shù)等。從性能角度來看,中頻放大器不僅需要高的增益和好的選擇性,還要有足夠?qū)挼耐l帶、良好的頻率響應(yīng)以及大的動態(tài)范圍等。1.對數(shù)放大技術(shù)對數(shù)放大器是指輸出信號幅度與輸入信號幅度呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系的放大電路。實際的對數(shù)放大器總是兼具線性和對數(shù)放大功能。當(dāng)輸入信號弱時,它是一個線性放大器,增益較大;輸入信號強(qiáng)時,它變成對數(shù)放大器,增益隨輸入信號的增加而減小。對數(shù)放大技術(shù)在大動態(tài)范圍的電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。如在雷達(dá)、通信和遙測等系統(tǒng)中,接收機(jī)輸入信號的動態(tài)范圍通常很寬,信號幅度常會在很短時間間隔內(nèi)從幾微伏變化到幾伏,但輸出信號應(yīng)保持在幾十毫伏到幾伏范圍內(nèi)。采用對數(shù)放大器就可以滿足這種要求,它能使弱信號得到高增益放大,對于強(qiáng)信號則自動降低增益,避免飽和。除動態(tài)范圍外,對數(shù)放大器的主要指標(biāo)還包括對數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確度和頻率響應(yīng)。采用晶體二極管的PN結(jié)可獲取對數(shù)中頻放大器的對數(shù)特性。晶體二極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是結(jié)電流的對數(shù)函數(shù),用它作為放大電路的負(fù)載或反饋元件可以使放大器具有對數(shù)幅度特性。這種方法的優(yōu)點是電路簡單,缺點是只能達(dá)到小于50dB的輸入動態(tài)范圍,而且放大器的頻帶受PN結(jié)電容的限制不能太寬。利用多級放大器串聯(lián)或并聯(lián)相加可形成近似對數(shù)放大特性,也可以獲得較好的結(jié)果。如圖5.8所示是多級串聯(lián)相加對數(shù)放大器的框圖,其中每級都是一個線性—限幅放大器。當(dāng)輸入信號弱時,放大器各級均不飽和,總增益最高;隨著輸入信號幅度的增大,從末級起各級放大器依次進(jìn)入飽和狀態(tài),總增益隨之降低。實用的對數(shù)放大器常用4~10級限幅放大器組成。2.自動增益控制技術(shù)在接收信號強(qiáng)弱變化大時,放大器增益固定會導(dǎo)致因放大器偏離線性區(qū)而產(chǎn)生信號失真以及增加混頻組合頻率干擾和非線性的后果,解決該問題的有效辦法就是采用自動增益控制AGC。AGC的作用是自動控制信號的放大倍數(shù),也就是當(dāng)接收到弱信號時,它會自動控制放大器增加放大倍數(shù),反之則減小放大倍數(shù),使得在輸入信號幅度變化較大時,輸出信號的幅度穩(wěn)定不變或限制在一個很小范圍內(nèi)變化。實現(xiàn)這種功能的電路簡稱AGC電路。它是一個閉環(huán)的負(fù)反饋電路。自動增益控制電路組成框圖如圖5.9所示。由圖5.9可見,AGC電路可分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分。增益受控放大電路位于正向放大通路,其增益隨控制電壓而改變?？刹捎梅糯蠊茈娏骺刂品?、放大管集電極電壓控制法、放大管負(fù)載控制法、差動電路增益控制法以及雙柵場MOS效應(yīng)管增益控制法等來控制可控增益放大器的增益?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考菣z波器與直流放大器,有時也包含比較器等部件?？煽卦鲆娣糯箅娖鞯妮敵鲂盘柦?jīng)檢波器檢波后送到直流放大器,直流放大器對輸入信號進(jìn)行低通濾波與放大,輸出與可控增益放大器輸出信號幅度成正比的直流電壓。該直流電壓在比較器中與輸入門限進(jìn)行比較,產(chǎn)生用以控制可控增益放大器的控制電壓。當(dāng)輸入信號增大時,放大器的輸出電壓與控制電壓會隨之增大。但控制電壓的增大會使可控增益放大器的增益下降,從而使輸出信號的變化量顯著小于輸入信號的變化量,達(dá)到自動增益控制的目的。AGC電路廣泛用于各種接收機(jī)與測量儀器中,常被用來使系統(tǒng)的輸出電平保持在一定范圍內(nèi),因而也稱自動電平控制。用于話音放大器時,稱為自動音量控制。對AGC電路的要求為:增益控制范圍大;保持系統(tǒng)良好的信噪比特性;控制靈敏度高;控制增益變化時,幅頻、群時延特性不變,以減小信號失真;控制特性受溫度影響小。3.自動頻率控制技術(shù)任何電子系統(tǒng)在持續(xù)工作一段時間后,由于電子元器件熱量的累積會導(dǎo)致溫度升高,而溫度升高帶來的影響之一就是系統(tǒng)工作頻率會發(fā)生漂移,進(jìn)一步導(dǎo)致接收機(jī)不能工作在最佳狀態(tài),甚至因為射頻漂移過大會使接收機(jī)無法工作。自動頻率控制AFC(AutomaticFrequencyControl)可解決頻率漂移帶來的影響,它是使輸出信號頻率與給定頻率保持確定關(guān)系的一種自動控制方法。實現(xiàn)這種功能的電路簡稱AFC電路。自動頻率控制電路組成框圖如圖5.10所示。由圖5.10可見,AFC電路由控制對象與反饋控制器組成。反饋控制器包括混頻器、差頻放大器、限幅鑒頻器以及低通濾波與放大電路等,其作用是產(chǎn)生與頻率差值成正比的控制電壓。控制對象通常為壓控振蕩器,其作用是輸出頻率與控制電壓成正比的本振信號。AFC電路能使混頻器輸出的中頻fi在輸入信號頻率fc和壓控振蕩器輸出振蕩頻率fl發(fā)生變化時盡量保持穩(wěn)定,通常令fi=f1-fc。限幅鑒頻器的作用是檢測中頻的頻偏,并輸出誤差電壓,閉環(huán)時,輸出誤差電壓使受控振蕩器的振蕩頻率偏離減小,從而把中頻拉向額定值。這種頻率負(fù)反饋作用經(jīng)過AFC環(huán)反復(fù)循環(huán)調(diào)節(jié),最后達(dá)到平衡狀態(tài),從而使系統(tǒng)的工作頻率保持穩(wěn)定且偏差很小。自動頻率控制電路廣泛用作接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中的自動頻率微調(diào)電路、調(diào)頻接收機(jī)中的解調(diào)電路以及測量儀器中的線性掃頻電路。采用AFC電路作為調(diào)頻接收機(jī)的自動頻率微調(diào)電路的組成框圖如圖5.11所示。

在圖5.11中,中頻放大器輸出的中頻信號除送到包絡(luò)檢波器以獲得所需調(diào)制信號外,還送到限幅鑒頻器進(jìn)行鑒頻,將偏離額定中頻的頻率誤差變換為電壓,而后將該電壓通過窄帶低通濾波器和放大器后作用到VCO上,控制VCO的振蕩頻率,使偏離于額定中頻的頻率誤差減小。這樣,在AFC電路的作用下,接收機(jī)的輸入調(diào)幅信號的中心頻率和VCO振蕩頻率之差接近于額定中頻。因此,采用AFC電路后,中頻放大器的帶寬可以減小,有利于提高接收機(jī)的靈敏度與選擇性。4.接收機(jī)動態(tài)范圍擴(kuò)展方法接收機(jī)的動態(tài)范圍是衡量接收機(jī)性能的一個重要指標(biāo)。動態(tài)范圍是指使接收機(jī)能夠?qū)邮招盘栠M(jìn)行檢測而又使接收信號不失真的輸入信號的大小范圍,一般用輸入信號功率來衡量。如果接收信號過大,會引起放大器的失真和引入噪聲,使接收機(jī)發(fā)生過載飽和;而如果接收信號過小,則信號無法被接收機(jī)檢測到。動態(tài)范圍就是指這個最大、最小的范圍,一般用符號D表示,以dB形式計算。接收器的動態(tài)范圍很大程度上取決于系統(tǒng)中的混頻器和放大器,但也會受到有源濾波器和無源濾波器的限制。要實現(xiàn)接收機(jī)的大動態(tài)范圍,除了在中頻上采用對數(shù)放大與AGC等措施外,合理分配系統(tǒng)增益也非常重要。另外,對一些測試設(shè)備,在射頻部分,根據(jù)需要加入固定增益的放大器或衰減器也不失為一種性價比較高的辦法。在實際使用中,根據(jù)接收信號的強(qiáng)弱可人為干預(yù)放大器或衰減器是否工作。即當(dāng)信號很弱時,人為可讓放大器工作(或衰減器不工作);當(dāng)信號很強(qiáng)時,人為可讓放大器不工作(或衰減器工作)。5.5同

步

技

術(shù)5.5.1載波同步獲取技術(shù)獲取同步載波的方法一般分為外同步法與自同步法兩類。其中,外同步法又稱為插入導(dǎo)頻法,是一種在發(fā)送有用信號的同時,在適當(dāng)?shù)念l率位置上插入一個(或多個)稱作導(dǎo)頻的正弦波,接收端由導(dǎo)頻來提取同步載波的方法。自同步法又稱為直接提取法,是一種不專門發(fā)送導(dǎo)頻,而是在接收端直接從發(fā)送信號中提取同步載波的方法。自同步法具有不需要占用額外資源的優(yōu)點,在工程上得到廣泛運用。自同步法分為兩類:一是如果接收的已調(diào)信號中包含載波分量,則可用帶通濾波器或鎖相環(huán)直接提取;二是若已調(diào)信號中沒有載波分量,例如抑制載波的雙邊帶信號及兩相數(shù)字調(diào)制信號等,就要對所有接收的已調(diào)信號進(jìn)行非線性變換或采用特殊的鎖相環(huán)來提取相干載波。1.鎖相環(huán)法對PSK信號相干解調(diào)的前提是接收端必須提供與接收的中頻載波同步(即頻率相等,相位相差一個小的固定值)的載波信號,并且當(dāng)接收信號的射頻頻率發(fā)生漂移時,接收的中頻頻率也會發(fā)生漂移,要求接收端提供的載波信號的頻率也跟隨變化。采用鎖相環(huán)提取同步載波框圖如圖5.12所示。鑒相器(PD)對接收機(jī)混頻器輸出的中頻調(diào)制信號與壓控振蕩器(VCO)輸出的載波信號進(jìn)行鑒相(相位比較),輸出與相位差成比例的誤差信號,該誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器(LF)后,作為VCO的控制信號去改變VCO的輸出頻率,使鑒相器的輸出發(fā)生變化。當(dāng)VCO輸出信號頻率與接收中頻相等,相位相差一個小的固定誤差時,LF輸出的控制信號保持不變,從而實現(xiàn)VCO輸出與接收中頻同步,即實現(xiàn)載波同步。當(dāng)接收中頻發(fā)生變化時,鎖相環(huán)會自適應(yīng)跟隨變化。2.平方環(huán)法對于抑制載波的BPSK或DBPSK以及雙邊帶信號,一般的鎖相環(huán)難于提取同步載波,有效的方法是采用平方環(huán)法(一種非線性變換方法)。平方環(huán)法提取同步載波框圖如圖5.13所示。該方法將輸入信號經(jīng)平方律部件平方或全波整流(即非線性變換),產(chǎn)生二倍頻分量,經(jīng)帶通濾波輸出頻率為2倍中頻的正弦波,該正弦波信號輸入到鑒相器,與VCO輸出的2倍于中頻的本振信號進(jìn)行相位比較,輸出與相位差成正比的電壓,該電壓經(jīng)環(huán)路濾波器濾波與放大后,輸出控制電壓到VCO去調(diào)整VCO輸出的本振信號的相位,使相位差進(jìn)一步縮小。當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時,VCO輸出本振信號頻率與中頻頻率的2倍相等、相位相差很小的值,此時VCO的輸出經(jīng)二分頻后即為同步載波。3.科斯塔斯環(huán)法科斯塔斯環(huán)法是另外一種利用非線性變換方法以獲取同步載波的方法,其組成框圖如圖5.14所示。加于兩個相乘器的本地信號分別為VCO的輸出信號cos(ωt+φr)和它的正交信號sin(ωt+φr),因此通常將這種環(huán)路稱為同相正交環(huán)。它類似于有附加電路的普通鎖相環(huán),而且在某些方面這兩者確實一樣,壓控振蕩器(VCO)也用來產(chǎn)生載波參考信號。設(shè)輸入信號

±Acos(ωt+φs)(雙相調(diào)制)加到I和Q兩個相乘器,它們分別和VCO產(chǎn)生的cos(ωt+φr)和sin(ωt+φr)相

乘,則

這

兩

個

相

乘

器

的

輸

出,對I相

乘

器

為

對Q相乘器為φe=φs-φr。當(dāng)它們通過低通濾波器之后,就變?yōu)?/p>

這兩個包含有相移鍵控信息和載波相位的信號再加到第三個乘法器,相乘即得到

經(jīng)環(huán)路濾波器濾波,這個信號就用來調(diào)整VCO的振蕩頻率與相位,使它跟蹤輸入載波,即實現(xiàn)VCO輸出與接收的載波同步,達(dá)到恢復(fù)載波的目的?？扑顾弓h(huán)的工作頻率是載波頻率本身,而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的2倍,顯然,當(dāng)載波頻率很高時,工作頻率較低的科斯塔斯環(huán)易于實現(xiàn)。另外,科斯塔斯環(huán)性能超過一般鎖相環(huán),其主要優(yōu)點是它能夠解調(diào)相移鍵控信號和抑制載波的信號。類似的方法還有逆調(diào)制環(huán)法和判決反饋環(huán)法。逆調(diào)制環(huán)法提取載波環(huán)路和科斯塔斯環(huán)一樣,也工作在載波頻率上,而判決反饋環(huán)法則工作在基帶頻率上,目前在數(shù)字微波中很受重視。衡量載波同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)應(yīng)滿足高效率與高精度。高效率是指獲得載波信號盡量少消耗發(fā)送功率,由于自同步法不需要發(fā)射專門的信號,效率比外同步法高。高精度是指提取載波的相位應(yīng)盡量精確,即相位誤差應(yīng)盡量小。除了效率與精度指標(biāo)外,還包括同步建立時間、同步保持時間等。5.5.2位同步獲取技術(shù)1.濾波法對于非歸零的隨機(jī)二進(jìn)制序列,不能直接從其中濾出位同步信號。但是,若對該信號進(jìn)行某種變換,使其變換后的信號中含有位同步信號分量,并對變換后的信號進(jìn)行濾波,即可得到位同步信號。這種獲取位同步信號的方法稱為濾波法。濾波法是一種開環(huán)同步法,其原理框圖如圖5.15所示。波形變換電路將非歸零信號變?yōu)闅w零信號(歸零信號包含有位同步分量),然后經(jīng)窄帶濾波器對歸零信號進(jìn)行窄帶濾波,輸出與位同步信號周期相同的正弦信號,該正弦信號經(jīng)移相器與脈沖形成器后即可輸出位同步信號。移相器的作用為將正弦信號的正斜率拐點與脈沖的正中間對齊,以便在脈沖的正中間位置進(jìn)行判決。脈沖形成器可由過零比較器完成,當(dāng)輸入信號電平大于零時輸出正脈沖,小于零時輸出負(fù)脈沖。實現(xiàn)波形變換功能的電路很多,在實際應(yīng)用中可以用微分—整流電路代替,微分—整流電路的輸出同樣包含有位同步分量。另一種常用的波形變換方法為對帶限信號進(jìn)行包絡(luò)檢波,這種方法對頻帶受限的BPSK信號非常適用。由于頻帶受限,在BPSK信號的相位突變位置會產(chǎn)生信號幅度的“平滑”陷落,采用包絡(luò)檢波可將這些陷落檢測出來,并且出現(xiàn)陷落的頻率與碼元速率直接相關(guān),也就是說,經(jīng)包絡(luò)檢波得到的包絡(luò)信號同樣包含有位同步分量。對變換后的信號進(jìn)行窄帶濾波、移相以及脈沖形成處理,可得到位同步信號。2.鎖相環(huán)法濾波法中的窄帶濾波器可以用簡單諧振電路,也可以用鎖相環(huán)路。用鎖相環(huán)路替代一般窄帶濾波器以提取位同步信號的方法稱為鎖相環(huán)法。它是一種閉環(huán)同步法,可解決同步信號的相位抖動問題。鎖相環(huán)法的基本原理與載波同步類似,在接收端用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號的相位,若兩者相位不一致(超前或滯后),鑒相器就產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整位同步信號的相位,直至獲得精確的同步為止。在數(shù)字系統(tǒng)中常用數(shù)字鎖相環(huán)法提取位同步信號,其原理框圖如圖5.16所示。輸入基帶信號經(jīng)微分、整流以及單穩(wěn)態(tài)后,形成包含位同步分量的窄脈沖,這些脈沖出現(xiàn)的位置精確地位于接收碼元的過零點。沒有連0或連1碼時,窄脈沖的間隔正好是碼元周期,但當(dāng)碼元中有連碼時,窄脈沖的間隔為碼元周期的整數(shù)倍。由于窄脈沖的間隔有時為碼元周期,有時為碼元周期的整數(shù)倍,因此它不能直接作為位同步信號。由高穩(wěn)定振蕩器產(chǎn)生的、經(jīng)整形與n次分頻后的脈沖與單穩(wěn)態(tài)電路輸出的脈沖進(jìn)行相位比較,由兩者相位的超前與滯后確定扣除或增加一個脈沖,以調(diào)整位同步的相位。晶體振蕩器經(jīng)整形后得到的窄脈沖是周期性的,重復(fù)頻率為nf,但頻率與相位不一定準(zhǔn)確,需要進(jìn)行調(diào)整。位同步信號是由控制電路輸出的脈沖經(jīng)n次分頻后得到的,當(dāng)數(shù)字鎖相環(huán)鎖定后,位同步信號的頻率與碼元速率完全相等,位同步信號的相位與碼元相位僅相差一個很小的值。正是由于位同步信號是由高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生的,而頻率與相位受調(diào)整后的基帶信號控制,與直接從接收的基帶信號中提取位同步信號的差別是相位抖動大大減小,這是采用鎖相法提取位同步信號帶來的好處。5.5.3幀同步獲取技術(shù)在數(shù)字通信中,一般總是以一定數(shù)目的碼元組成一個個的“字”與“句”,即組成一個個的幀或群進(jìn)行傳輸。在數(shù)字時分多路通信系統(tǒng)中,各路信號分時隙進(jìn)行傳輸。因此,幀同步信號的頻率很容易由位同步信號經(jīng)分頻得到,但是,每幀的開頭和末尾時刻卻無法由分頻器的輸出決定。幀同步的任務(wù)就是要給出這個“開頭”與“末尾”的時刻,以便在接收端能正確地識別接收數(shù)字信息的“字”與“句”的起止時刻或者能正確分離各個時隙。對幀同步信號的要求為:幀同步的建立時間要短,設(shè)備開機(jī)后應(yīng)能很快地建立同步,且一旦系統(tǒng)失步,也能迅速地恢復(fù)同步;工作要穩(wěn)定可靠,應(yīng)具有識別假失步和避免偽同步的能力,具有較強(qiáng)的抗干擾能力;在滿足同步建立時間的前提下,同步碼字的長度應(yīng)盡可能短。為了實現(xiàn)幀同步,通常有兩類方法:一類是在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼組作為每幀的頭尾標(biāo)記,接收機(jī)根據(jù)這些特殊碼組的位置就可以實現(xiàn)幀同步;另一類方法不需要外加特殊碼組,類似于載波同步與位同步中的直接法,利用數(shù)據(jù)碼組本身之間彼此不同的特殊性來實現(xiàn)自同步。這里主要討論用插入特殊碼組實現(xiàn)幀同步的方法。該方法在工程上得到廣泛應(yīng)用。插入特殊碼組實現(xiàn)幀同步的方法有兩種,即連貫式插入法和間隔式插入法。1.連貫式插入法所謂連貫式插入法,就是在每幀的開頭集中插入幀同步碼組的方法。作為幀同步碼組用的特殊碼組首先應(yīng)該具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù)。由于這個特殊碼組{x1,x2,x3,…,xn}是一個非周期序列或有限長序列,在求它的自相關(guān)函數(shù)時,在時延j=0的情況下,序列中的全部元素都參加相關(guān)運算;在j≠0的情況下,序列中只有部分元素參加相關(guān)運算。通常把這種非周期序列的自相關(guān)函數(shù)稱為局部自相關(guān)函數(shù)。對同步碼組的另一個要求是識別器應(yīng)盡量簡單。目前,一種常用的幀同步碼組為巴克碼,最長的巴克碼為13位。對于長度為n的巴克碼來說,局部自相關(guān)函數(shù)在時延j=0時相關(guān)值為n;在時延j≠0時,相關(guān)值為0、+1以及-1,不僅有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù),而且識別器也容易實現(xiàn)。采用巴克碼作為幀同步的特殊碼組,其最大問題是在某些應(yīng)用場合長度不夠。在這種情況下,可采用其他偽隨機(jī)序列作為同步碼。接收端用接收的信號與存儲的與發(fā)送端一致的幀同步信號進(jìn)行相關(guān)計算,依據(jù)計算值判斷是否接收到幀同步信號。2.間隔式插入法在某些情況下,幀同步碼組不是集中插入在信息碼流中,而是將它分散插入,即每隔一定數(shù)量的信息碼元,插入一個幀同步碼元。幀同步碼型選擇的主要原則是:一方面要便于接收端識別,即要求幀同步碼具有特定的規(guī)律性,這種碼型可以是全“1”碼、“1”“0”交替碼等;另一方面,要使幀同步碼的碼型盡量和信息碼相區(qū)別。接收端要確定幀同步的位置,就必須對接收碼逐位進(jìn)行搜索,這種檢測方法稱為逐碼移位法。5.6基于Z87200的QPSK調(diào)制解調(diào)實例分析Z87200是Zilog公司推出的、與STEL2000A完全相同的一種基于軟件無線電結(jié)構(gòu)的可編程直接序列擴(kuò)頻收發(fā)芯片,包括可獨立使用的收發(fā)基帶數(shù)字信號處理與調(diào)制解調(diào)兩部分?？蓪崿F(xiàn)滿足快速捕獲直接序列擴(kuò)頻全雙工或半雙工系統(tǒng)要求的所有數(shù)字處理,完全支持差分編碼的BPSK和QPSK。接收機(jī)部分還可以處理差分編碼的π/4QPSK信號。也可實現(xiàn)擴(kuò)頻信息的快速捕獲并支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率和擴(kuò)頻參數(shù),廣泛應(yīng)用在各類突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸和無線通信系統(tǒng)中。其特點如下:(1)由一個芯片即可實現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻的收發(fā),性能高、可靠性好、成本低。(2)兩個獨立的長達(dá)64位的PN序列,分別用于前導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)擴(kuò)頻處理,可自動切換,處理增益可達(dá)18dB。這種高處理增益大大增加了捕獲概率,且數(shù)字PN匹配濾波器的使用使得捕獲時間小于一個符號周期。(3)1bit數(shù)據(jù)碼可擴(kuò)展成11~64chip擴(kuò)頻碼,擴(kuò)頻長度可由編程實現(xiàn)。(4)具有20MHz和45MHz兩種工作頻率類型。當(dāng)工作頻率為45MHz時,最高碼片速率可達(dá)11.264Mchip/s;采用最低11位PN碼擴(kuò)頻,調(diào)制方式采用QPSK,則數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.048Mb/s。(5)芯片的可編程功能支持多種不同的工作模式,如連續(xù)傳輸與突發(fā)傳輸可選,差分BPSK與差分QPSK調(diào)制方式可選。(6)具有全雙工、半雙工兩種操作方式,可進(jìn)行頻分雙工或時分雙工通信。(7)具有電源管理功能。工作在突發(fā)模式時,在不工作條件下功能模塊可處于休眠狀態(tài),減小了功耗。(8)在突發(fā)模式下,允許處理長達(dá)65533個符號的幀長。(9)擾碼發(fā)生器可對數(shù)據(jù)做隨機(jī)化處理,優(yōu)化頻譜,可滿足監(jiān)管要求。5.6.1Z87200結(jié)構(gòu)組成與基本工作過程Z87200包括發(fā)送、接收和控制三個部分,與CPU接口十分方便,設(shè)計簡單易用,其組成框圖如圖5.17所示。發(fā)送部分由Tx擾碼發(fā)生器、輸入數(shù)據(jù)處理器、差分BPSK/QPSK編碼器、TxPN碼發(fā)生器、BPSK/QPSK調(diào)制器、Tx時鐘信號產(chǎn)生器以及收發(fā)共用的數(shù)控振蕩器等組成,其輸出既可以是經(jīng)取樣、調(diào)制的數(shù)字IF信號TXIFOUT7~0(可經(jīng)外部數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換成模擬IF信號),也可以是已擴(kuò)頻基帶I和Q信號(直接到一個外部調(diào)制器)。接收部分包括數(shù)字下變頻器、RxPN序列寄存器、PN匹配濾波器、符號跟蹤處理器、差分BPSK/QPSK解調(diào)器、輸出數(shù)據(jù)處理器、Rx擾碼發(fā)生器、功率檢測器、鑒頻器和環(huán)