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5.8GHz微波接收機電路art計
摘要：提出了一種5.8GHz微波接收機電路設(shè)計方案，針對系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)給定的要求，提出了接收機系統(tǒng)設(shè)計的原理和方法，介紹了具體電路設(shè)計，給出了實驗結(jié)果和分析。關(guān)鍵詞：DSRC噪聲系數(shù)靈敏度動態(tài)范圍混頻器
DSRC作為一種專用的無線短距通信協(xié)議，主要針對固定于車道或路側(cè)的路側(cè)單元(RSU)與轉(zhuǎn)載于移動車輛上的車載單元(OBU)之間的通信接口規(guī)范。本文采用廣泛使用的被動式歐洲D(zhuǎn)SRC標(biāo)準(zhǔn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻率為5．8GHz，下行數(shù)據(jù)為FMO編碼，速率為500kbps，調(diào)制方式為幅度(AM)調(diào)制；上行數(shù)據(jù)為NnZI編碼，速率為250kbps，調(diào)制方式為2MHz或1．5MHz副載波的二進制相移鍵控(BP5K)調(diào)制，數(shù)據(jù)誤碼率為10-6。圖l為DSRC通信系統(tǒng)工作模式。它采用半雙工的通信模式，主要有兩種工作方式：下行和上行方式。當(dāng)在下行方式時，RSU為發(fā)射模式，而OBU為接收模式，RSU發(fā)射以AM調(diào)制方式把調(diào)制信號FAM加到5．8GHz的載波頻率F0上。當(dāng)在上行方式時，RSU為接收模式，而OBU為發(fā)射模式，RSU發(fā)射連續(xù)的j．SCHz載波FO給OBU，并與OBU中的2MHz或1．5MHz的副載波BP5K調(diào)制信號Fm混頻后，再通過天線反射回R5U上的接收機進行同步解調(diào)。
本文針對DSRC通信系統(tǒng)給定的要求，提出了一套含OBU和RSU的頻率為5．8GHz的微波接收電路，具有靈敏度高、動態(tài)范圍大等特點，并在最后介紹了系統(tǒng)的實驗情況。
圖1
1設(shè)計原理
1．1接收系統(tǒng)的作用距離和靈敏度估算
OBU的下行喚醒作用距離為：
(1)式中，λ=載波的波長=5cm；po=RSU發(fā)射機的功率輸出=18dBm；Gt為RSU的天線增益：13dB；Gr=OBU的天線增益=6dB；Ls=車輛擋風(fēng)玻璃造成的損耗=-5dB；Smin=OBU的喚醒靈敏度=-40dBm。因此可求得OBU的下行喚醒作用距離在15m左右。
OBU接收到的功率，經(jīng)OBU的BP5K副載波調(diào)制后，再發(fā)射回RSU接收機，故接收功率為：
(2)式中，Lb為OBU的副載波調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)損耗，約為-6dB；月為上行鏈路時OBU與RSU接收機的距離。所以當(dāng)只為5m-1lm的正常通信范圍時，R5U接收機射頻端的動態(tài)起伏為-84dBm~-97dBm，RSU接收機靈敏度必須<-97dBm。
1．2RSU接收機的總體設(shè)計
本系統(tǒng)為微波反射式系統(tǒng)，OBU反射RSU發(fā)射機的載波作為上行發(fā)射載波，故RSU接收機的RF信號與本振10信號相同。所以本接收機采用零中頻接收方案設(shè)計，因為上行副載波BPSK調(diào)制信號是雙邊帶調(diào)制，它的頻譜位于載頻的兩邊，故不需要鏡頻抑制。如圖2所示，RSU接收機主要由射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、1昆頻器、中頻帶通濾波器和中頻放大及BPSK解調(diào)電路組成。
圖2
針對系統(tǒng)對接收機的要求，在接收機設(shè)計中，主要注重以下幾個方面：接收機的噪聲系數(shù)設(shè)計、接收機的大動態(tài)范圍設(shè)計、接收機微波無源部件的準(zhǔn)確設(shè)計�？紤]其全面的性能，在具體電路設(shè)計中，必須均衡設(shè)計各級的噪聲系數(shù)、功率增益，保證各個無源部件的準(zhǔn)確性，合理分配部分電路的指標(biāo)，以達到系統(tǒng)對接收機的要求。
1．3RSU接收機的靈敏度
對于相干解調(diào)的BPSK信號的比特誤碼率BER為：
(3)式中，S／N為輸入信號的信噪比。因此，為了獲得10-6或更少的數(shù)據(jù)誤碼率，中頻放大器端的信噪比必須大于10．5dB。而RSU接收機所需的信號功率可表示為：
PUR=10lg(kT)+10lgB+NF+S/N(4)
(4)式中，k=波爾茲曼常數(shù)，T=室溫(290K)，B=中頻帶寬=1MHz，NF=RSU中頻放大器前端的噪聲系數(shù)，S／N為中頻放大器輸入端信噪比>10．5dB。
RSU中頻放大器前端的噪聲系數(shù)為：
(5)式中，NF1=1／G1=射頻帶通濾波器插入損耗=2dB，NF2=低噪聲放大器噪聲系數(shù)=2.1dB，NF3=混頻器單邊噪聲系數(shù)=5dB，G2=低噪聲放大器增益=24dB(見圖2)。G3=混頻器的增益=-8dB，NF4=中頻帶通濾波器噪聲系數(shù)=3dB。
當(dāng)S／N為最小所需信噪比(10．5dB)時，可求得RSU接收機的靈敏度為：
Pmin=(-114+4.2+10.5)dBm≈-99dBm<-97dBm
故可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。
1．4RSU接收機的動態(tài)范圍
動態(tài)范圍是指以某種方式降低接收機性能的較強帶外信號電平與極微弱信號之比。通常考慮的弱信號就是接收靈敏度。動態(tài)范圍通常有兩種表現(xiàn)方式，即用IdB增益壓縮表示的單音動態(tài)范圍和三階互調(diào)表示的雙音動態(tài)范圍。本接收系統(tǒng)中，主要考慮單音動態(tài)范圍。RSU接收機總的三階互調(diào)輸入截斷點(IP3)3為：
(6)式中，(IP3)1=射頻帶通濾波器的I/P=∞，(IP3)2=第一級LNA的IP3=15dBm，(IP3)3=第二級LNA的IP3=23dBm；(IP3)4=混頻器的IP3=14dBm；Gi為以上各級的增益，其中G2=15dB，G3=9dB，兩級共24dB，其他增益值如圖2所示。故可求得：
,
得(／P3)o=-8dBm。
一般而言，IdB輸入壓縮點Pldb-in要比三階互調(diào)截斷點約低10dB，所以RSU接收機總的Pldb-in約為-18dBm，故接收端動態(tài)范圍為-99dBm--18dBm。本系統(tǒng)正常通信時接收端工作信號范圍為-97dBm--84dBm，但因為發(fā)射機的輸出功率為18dBm，而收發(fā)天線之間的隔離度>38dB，考慮發(fā)射的強信號耦合，則接收機收到的最大信號Pmax=(18-38)dBm=-20dBm。故實際接收射頻信號端動態(tài)范圍為-97dBm~-20dBm。顯然，RSU接收機的動態(tài)范圍滿足系統(tǒng)的要求。
1．5RSU接收機的微波部件設(shè)計、仿真和制作
射頻帶通濾波器采用耦合微帶線三級級聯(lián)方式，結(jié)構(gòu)緊湊，寄生通帶的中心頻率較高，適用頻帶范圍大。圖3為帶通濾波器仿真的S21和S11參數(shù)圖，帶通濾波器3dB帶寬為5．65GHz~5．95GHz，在5．3GHz和6．3GHz帶外頻率點處衰減>20dB。實際測試的帶內(nèi)插損S21比仿真設(shè)計的要大1~2dB，這是因為濾波器相對頻帶僅為4％左右，此時耦合線的輻射損耗對Q值影響大，導(dǎo)致帶內(nèi)衰減加大。
圖3
扇形線應(yīng)用于微波有源器件的直流偏置電路中，它與隔直電容一起確保直流偏置與射頻信號的隔離。扇形的長度和連線長度都為中心頻率1／4波長左右，連線一般作成彎曲的形式，便于對其長度進行微調(diào)，夾角為45度如圖4扇形線的S11和S22參數(shù)仿真圖所示，扇形偏線在5．7GHz~5．9GHz頻段內(nèi)，插損小于0．5dB，其回波損耗約大于40dB，故能較好地對射頻信號進行隔離。
2接收機電路設(shè)計技術(shù)
2．1OBU電路設(shè)計
OBU電路框圖如圖5所示，SB_out為喚醒直流輸出最大信號，DATA_out為解調(diào)后的下行FMO碼輸出，MOD為下行的2MHz載波的BPSK調(diào)制信號輸入端，OBU有閑置、下行和上行方式三種工作模式，由WKin和T／R來選擇控制。OBU的喚醒靈敏度約為-40dBm，轉(zhuǎn)發(fā)損耗約為-6dB。在PCB制作時，要注意周邊器件盡量靠近IC，布線盡量短，減少分布參數(shù)的影響。在RF端口接一1／4波長的短接線到地，保護OBU不受靜電或其它瞬態(tài)干擾損壞。
圖4
2．2RSU接收機低噪聲放大電路
為了更好地達到噪聲與增益的平衡，本系統(tǒng)采用了兩級低噪聲放大。要把idb壓縮點小、噪聲系數(shù)小和增益大的作為前級放大。要注意低噪曹的防靜電保護和電磁屏蔽，防止其振蕩影響性能。
2．3RSU接收機混頻器電路設(shè)計
一般說來，無源平衡混頻器的性能最好，它具有較高的二階、三階截獲點，有更好的噪聲平衡性能，但缺點是需要大的本振功率并具有較大的變頻損耗。這里采用無源雙平衡混頻器MMIC，在RF信號頻率為5．8GHz、本振LO輸入功率為10dBm的情況下，變頻損耗為8dB，雙邊噪聲系數(shù)為5dB(雙邊帶為8dB)，輸入1dB壓縮點為9dBm，三階互調(diào)截斷輸入點為14dBm，本振-射頻信號的隔離度為30dB，本振-中頻的隔離度為25dB。
2．4RSU接收機中頻濾波／放大電路
中頻系統(tǒng)的頻率特性如中心頻率、通頻帶、帶內(nèi)起伏、帶外衰減等主要取決于中頻濾波器，通常為LC型濾波器，這里采用低通-高通構(gòu)成的帶通濾波器。BPSK信號的頻譜類似載波抑制的雙邊帶，其帶寬為基帶信號帶寬的2倍，即500kHz。但考慮到2MHz或1．5MHz作為載波中心頻率，所以濾波器中心頻率為1．75MHz，3dB帶寬為1MHz，帶外抑制在0．3MHz處大于30dB，濾除因反射強耦合混頻后產(chǎn)生的直流低頻信號，在10MHz處大于35dB，防止帶外信號的干擾。
中頻放大器由四級組成，前三級為低噪聲系數(shù)和寬頻帶工作范圍的雙極型放大器MMIC，末級為視頻寬帶運放。四級增益共為7&lB左右。因為增益高，很容易導(dǎo)致正反饋產(chǎn)生自激，可在級間并接穩(wěn)定電阻到地，一般為100歐姆左右。
2．5日SU接收機系統(tǒng)指標(biāo)測試
RSU接收機系統(tǒng)指標(biāo)測量方案如下：接收機本振端輸入頻率為5797．5MHz，功率為10dBm的頻率源，網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8753ET輸出端經(jīng)衰減器衰減后與接收機信號端相連，HP8753ET輸出頻率為5799．5MHz的單頻連續(xù)波，功率可調(diào)整，用頻譜儀測試中放2MHz頻率處的輸出功率值，測試結(jié)果如表1。
表1實驗測試結(jié)果
信號輸入端功率（dBm）本體噪聲（不加輸入）-102-97-92-88-86-84-82相應(yīng)的功率值（dBm)-21-13-9-40244
由表1可見，實際的本體噪聲要比設(shè)計的大2dB左右。在輸人為-97dBm處，輸出信號信噪比S／N為11dB。當(dāng)接收機信號端輸入功率為-82dBm時，出現(xiàn)削頂失真。但在接收機信號端輸入功率為-97dBm·-84dBm時，增益為+87dB，基本都呈線性放大，滿足系統(tǒng)要求。
本文提出丁一套5．8GHz的微波接收機電路，并給出了實驗結(jié)果。它可應(yīng)用于基于DSRC的高速公路無線不停車收費系統(tǒng)或其他工作頻率為5．8GHz的無線通信系統(tǒng)。
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