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1、LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书实验微波上下变频器的原理与测量实验目的混频器的两个重要组成部分是信号合成单元和信号检测单元1. 了解微波变频模块的基本工作原理；2. 利用实验模块各指标的实际测量以了解变频器件的特性;3. 了解变频器件的电路构架；二、实验原理混频器通常被用于将不同频率的信号相乘，以便实现频率的变换。这样做的原因在于，要在众多密集分布、间隔很近的相邻信道中滤出特定的射频信号需要Q值极高的滤波器。然而，如果能在通信系统中将射频信号的载波频率降低，或者说进行下变频，则上述任务就比较容易实现。图18-1是外差式接收机的电路原理框图，它也许是人们最熟悉的下变频系统。图中接收到的
2、射频信号经过低噪声前置放大器（LNA）放大后输入到混频器中，混频器实现输入射频信号fRF与本地振荡器（LO ）信号fLO相乘。混频器的输出信号中含有fRF fL0的成分，经过低通滤波器可以滤出其中频率较低的所谓中频（IF）分量fRF - fL0然后再进行。信号合成可以用90。（或180。）定向耦合器实现。信号检测单元中的非线性元件通常是采用一个二极管。以后我们也会看到，双二极管的反平行结构及四个二极管的双平衡结构也很常用。除了二极管以外，人们已经采用 BJT和MESFET研制出了可以工作在 X波段的低噪声、高频率混频器。在详细讨论混频器的电路设计之前，我们先简要说明混频器为何能在输入端口接受两
3、个信号并在输出端口产生多个频率分量。显然，一个线性的系统是不能实现这个任务的，我们必须采用诸如二极管、FET或BJT等非线性器件，它们可以产生丰富的谐波成分。图 18-2是一个基本的系统框图，其中混频器与射频信号Vrf （t）以及本振信号 Vlo （t）相连，本振信号也被称为泵浦信号。图18-2混频器的基本原理：用两个输入信号频率在系统的输出端口产生新的信号频率由图可见，输入电压信号与本振信号混合后施加在具有非线性传输特性的半导体器件上，该器件可以输出电流驱动负载。二极管和BJT都具有指数型传输特性，类似于肖特基极管方程:i =io（e/VT -i）式（18-1）然而，MESFET的传输特性可
4、近似为二次曲线： 2.I（V）=Idss（1V/Vto）式（18-2）为了简化书写，我们省略了漏极电流和栅极-源极电压的下标。输入电压由射频信号Vrf=VrfC0S（3 RFt）,本振信号 Vlo=Vlo C0S（3 Lot）以及偏置电压 Vq之和表示；即：V =Vq -+VRF cos（RFt） +Vl0cos（矶ot）式（18-3）此电压作用在非线性器件上所产生的电流响应可根据电压在Q点附近的泰勒级数展开求得：2222 _I(V)=Iq +V(dI/dV)VQ +1/2V (d I/dV )VQ +M = Iq+VA+V B+HI 式(18-4)其中常数A和B分别为(dI/dV) |vq和
5、1/2 d2I/dV2) |vq。忽略直流偏置 Vq和Iq,并将 式(18-3)代入式(18-4)可得：I(V) = A Vrf cos( RFt) Vl0 cos( L0t)B IVRf cos2( -RFt) VLo cos2( L0t) J也BVrfVl0cos（0RFt）cos（M0t）+川式（18-5）根据三角恒等式 cos2（ co t）= （1/2） 1- cos（2cot）,上式中包含余玄平方的项可以展开为直流项以及包含 2ERFt和2coL0t的项。关键的是式（18-5）式中的最后一项，它变为：I（V）=H| + BVrfVl0cos1（6rf +8l0）1+cos（8rf
6、-Lo）t式（18-6）这个表达式清楚地表明，二极管或晶体管的非线性效应可以产生新的频率分量3 RF土 3lo,而且其幅度与 VrfVlo的乘积有关，其中 B是与器件有关的参数。公式（18-6）只包含了泰勒级数展开式的前3项，因此只有2阶交调产物（V2B）。其他高阶产物，如3阶交调产物（V3C）都被忽略了。二极管和BJT中的这类高阶谐波项对混频器性能的影响极大。然而，如果采用具有二次曲线传输特性的FET,则输出信号中将只有2阶交调产物。所以，FET不容易产生有害的高阶交调产物。下面例题讨论的是如何将给定射频信号频率下变频为需要的中频信号。例1本振频率的选择已知一射频信道的中心频率为1.89GH
7、z,带宽为20MHz,需要下变频为200MHz的中频。请选择合适的本振频率九。确定能够滤出该射频信道和相应中频信道的带通滤波器的品质因素。解：由式（18-6）可见，通过非线性器件将射频信号与本振信号混频后，根据fRF和fL0的相对大小，我们可得到埠=fRF -后或阜=储一 fRF的中频信号。因此，为了从 fRF =1.89GHz 产生 fIF = 2 00 M H的中频，我们可 以采用 fL0 = fRF fIF =1.69GHz 或 fL0 =fRF +fIF=2.09GHz 。这两种方案都是可行的，实际应用中也都常被采用。如果选择fRF fL0,则称混频器为低本振注入；如果选择fRF 1。
8、式（21-1 ）说明，接收机本身产生的热噪声功率越大，值越大。接收机本身的噪声功率要比输入端的噪声功率经放大后的值还要大很多，根据噪声系数的定义，可以说是衡量接收机热噪声性能的一项指标。2. 镜频抑制：为了说明镜频问题，我们可考察射频信号用给定本振信号进行下变频的情况。除了需要的信号外，我们再以IF为间隔相对于LO对称放置一个干扰信号（见图21-3）。射频信号的变换关系应为:-RF - , ,LO - 1F镜频信号的M的变换关系则为： -IM i LO -( -LO i ,IF ) i LO 二 一 IF由于cos（-0IFt） =cos侬pt）,所以这两个频率谱都移动到了相同的频段内，如图
9、21-3所示。不需要的 嬴镜战信号%图21-3 镜频映射问题为了避免出现幅度可能大于射频信号的有害镜频信号，可以再混频器的前面增加所谓镜 频滤波器来抑制镜频的影响，并提供有效的信号频谱隔离。更有效的措施是采用镜频抑制混 频器。3. 邻频抑制：通信接收机要求尽可能高的邻频抑制，因此不得不对中频滤波器的矩形系数有所要求4. 本振泄露：振泄露就是指泄露到输出口或输入口的本振信号，而本振是指茶机振荡超外差式接收要将接收的讯号与接收机通过振荡电路产生的频率进行混频”，产生固定的中频讯号进行放大，这个由接收机产生的振荡称为不振”。5. 灵敏度：接收机灵敏度是指在确保一定质量要求(如达到规定信噪比)的情况下
10、，接收机输入端所需的最小信号强度。6. 动态范围：微波接收机的动态范围是指接收机能正常接收的微波信号的功率范围，其上、下限由下 述条件确定：(1)信号太弱时，将被噪声所淹没，由此可取信号功率的下限；(2)信号太强时，超过最大可允许的输入功率，接收机会出现饱和或过载。通常我们希望接收机有较大动态范围。三、实验内容实验设备：项次设备名称数量备注1微波有源实验箱12台两台实验箱分别做收发系统2微带大线2只微波无源箱3摄像头1个带麦克风和电源4电视机1台5射频线6视频线2根7SMA 一有线电视插头转接线1根8频谱分析仪1台实验步骤：（一）两台实验箱的传输实验腔体滤波器低噪声放大器微波下变频 模块1数字调制与解 调模块压控振荡器微波锁相源功分器实 验 平 台功率放大器压控衰减器微波上变频视频首频模块调制模块1 .如图所示，将 发实验系统接好摄像头和微波调制器的发射支路2 .将微波锁相源设定为 1970MHz，打开实验箱电源，测量微波发射频谱特性。3 .收实验系统将接收支路连接好，同样将微波锁相源设定为1970MHz ,打开电源，在电视机上应能看到较大的调频雪花噪声颗粒。4 .对电视机进行调谐，调出图像信号。LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书