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4大方面教你如何設(shè)計射頻電路

發(fā)布時間:2015-12-02 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】無線發(fā)射器和接收器在概念上,可分為基頻與射頻兩個部份?;l包含發(fā)射器的輸入信號之頻率范圍,也包含接收器的輸出信號之頻率范圍?;l的頻寬決定了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動的基本速率?;l是用來改善數(shù)據(jù)流的可靠度,并在特定的數(shù)據(jù)傳輸率之下,減少發(fā)射器施加在傳輸媒介的負(fù)荷。
 
射頻電路仿真之射頻的界面
 
無線發(fā)射器和接收器在概念上,可分為基頻與射頻兩個部份?;l包含發(fā)射器的輸入信號之頻率范圍,也包含接收器的輸出信號之頻率范圍?;l的頻寬 決定了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動的基本速率?;l是用來改善數(shù)據(jù)流的可靠度,并在特定的數(shù)據(jù)傳輸率之下,減少發(fā)射器施加在傳輸媒介的負(fù)荷。因此,PCB設(shè)計基頻電路時,需要大量的信號處理工程知識。發(fā)射器的射頻電路能將已處理過的基頻信號轉(zhuǎn)換、升頻至指定的頻道中,并 將此信號注入至傳輸媒體中。相反的,接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得信號,并轉(zhuǎn)換、降頻成基頻。
 
發(fā)射器有兩個主要的PCB設(shè)計目標(biāo):第一是它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下,發(fā)射特定的功率。第二是它們不能干擾相鄰頻道內(nèi)的收發(fā)機(jī)之正 常運(yùn)作。就接收器而言,有三個主要的PCB設(shè)計目標(biāo):首先,它們必須準(zhǔn)確地還原小信號;第二,它們必須能去除期望頻道以外的干擾信號;最后一點(diǎn)與發(fā)射器一 樣,它們消耗的功率必須很小。
 
 
射頻電路仿真之大的干擾信號
 
接收器必須對小的信號很靈敏,即使有大的干擾信號(阻擋物)存在時。這種情況出現(xiàn)在嘗試接收一個微弱或遠(yuǎn)距的發(fā)射信號,而其附近有強(qiáng)大的發(fā)射器 在相鄰頻道中廣播。干擾信號可能比期待信號大60~70 dB,且可以在接收器的輸入階段以大量覆蓋的方式,或使接收器在輸入階段產(chǎn)生過多的噪聲量,來阻斷正常信號的接收。如果接收器在輸入階段,被干擾源驅(qū)使進(jìn) 入非線性的區(qū)域,上述的那兩個問題就會發(fā)生。為避免這些問題,接收器的前端必須是非常線性的。
 
因此,“線性”也是PCB設(shè)計接收器時的一個重要考慮因素。由于接收器是窄頻電路,所以非線性是以測量“交調(diào)失真 ”來統(tǒng)計的。這牽涉到利用兩個頻率相近,并位于中心頻帶內(nèi)的正弦波或余弦波來驅(qū)動輸入信號,然后再測量其交互調(diào)變的乘積。大體而言,SPICE是一種耗時耗成本的仿真軟件,因?yàn)樗仨殘?zhí)行許多次的循環(huán) 運(yùn)算以后,才能得到所需要的頻率分辨率,以了解失真的情形。
 
射頻電路仿真之小的期望信號
 
接收器必須很靈敏地偵測到小的輸入信號。一般而言,接收器的輸入功率可以小到1 μV。接收器的靈敏度被它的輸入電路所產(chǎn)生的噪聲所限制。因此,噪聲是PCB設(shè)計接收器時的一個重要考慮因素。而且,具備以仿真工具來預(yù)測噪聲的能力是不 可或缺的。附圖一是一個典型的超外差接收器。接收到的信號先經(jīng)過濾波,再以低噪聲放大器將輸入信號放大。然 后利用第一個本地振蕩器(LO)與此信號混合,以使此信號轉(zhuǎn)換成中頻。前端電路的噪聲效能主要取決于LNA、混合器和LO。雖然使用傳統(tǒng)的SPICE噪聲分析,可以尋找到LNA的噪聲,但對于混合器和LO而言,它卻是無用的,因?yàn)樵谶@些區(qū)塊中的噪聲,會 被很大的LO信號嚴(yán)重地影響。
 
小的輸入信號要求接收器必須具有極大的放大功能,通常需要120 dB這么高的增益。在這么高的增益下,任何自輸出端耦合回到輸入端的信號都可能產(chǎn)生問題。使用超外差接收器架構(gòu)的重要原因是,它可以將增 益分布在數(shù)個頻率里,以減少耦合的機(jī)率。這也使得第一個LO的頻率與輸入信號的頻率不同,可以防止大的干擾信號“污染”到小的輸入信號。
 
因?yàn)椴煌睦碛?,在一些無線通訊系統(tǒng)中,直接轉(zhuǎn)換或內(nèi)差架構(gòu)可以取代超外差架構(gòu)。在此架構(gòu)中,射頻輸入信號是在單一步驟下直接轉(zhuǎn)換成基頻,因此,大部份的增益 都在基頻中,而且LO與輸入信號的頻率相同。在這種情況下,必須了解少量耦合的影響力,并且必須建立起“雜散信號路徑”的詳細(xì)模型,譬如:穿過基板的耦合、封裝腳位與焊線之間的耦合、和穿過電源線的耦合。
 
射頻電路仿真之相鄰頻道的干擾
 
失真也在發(fā)射器中扮演著重要的角色。發(fā)射器在輸出電路所產(chǎn)生的非線性,可能使傳送信號的頻寬散布于相鄰的頻道中。這種現(xiàn)象稱為“頻譜的再成長”。在信號到達(dá)發(fā)射器的功率放大器之前,其頻寬被限制著;但在PA內(nèi)的“交調(diào)失真”會導(dǎo)致頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多,發(fā)射器將無法符合其相鄰頻道的功率要求。當(dāng)傳送數(shù)字調(diào)變信號時,實(shí)際上,是無法用SPICE來預(yù)測頻譜的再成長。因?yàn)榇蠹s有1000個數(shù)字符號的傳送作業(yè)必須被仿真,以求得代表性的頻譜,并且還需要結(jié)合高頻率的載波,這些將使SPICE的瞬態(tài)分析變得不切實(shí)際。
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