實驗十一
11
無線通訊模組實驗
11-1 混波器與帶通濾波器量測
實驗原理：
混波器為無線通訊模組中，作為將載波升頻或降頻的元件。在作為升頻的功能時，如圖一所 示。由於理想上可將混波器想成可兩信號相乘的元件，因此，當中頻(IF)信號 fIF經過混波器，
並且加入本地振盪(LO)信號 fLO，在混波器的射頻(RF)輸出端，會產生 fLO ± fIF信號（圖二），
經過濾波器將不要的信號濾除，取出想要的信號，經由天線發射。
在射頻輸出端會有 fLO + fIF、fLO - fIF、fLO三個頻率信號，一般的通訊系統會擇一選取 fLO + fIF 或 fLO - fIF信號，因為在實際的情況下，混波器射頻端與本地振盪端之間的隔離度 (RF-LO isolation)並非無窮大，因此混波器的射頻輸出端仍然有本地振盪信號漏出，這個 fLO
信號則是不希望混附發射的信號，所以在其後再加一濾波器，用以選擇出正確的載波頻率。
圖一、發射機(transmitter)方塊圖。
圖二、（理想狀況下）混波器的工作原理。
混波器基本原理是將兩信號做乘法運算，因此係使用非線性之元件，一般來說可用二極體
（diode）或場效電晶體（FET）設計混波器，但是這些元件的特性通常並非簡單的二次方關係 可描述。比如說，二極體電壓－電流關係可表示如下
0 0
2 2
0 2
1 . . .
2
V V
dI d I
I V I v v H O T
dV dV
其 中V V0 v， 上 式 的 v 為 小 信 號 。 因 此 當 v 為 本 地 振 盪 信 號 與 中 頻 信 號 相 加 ， 即 cos cos
IF IF LO LO
v A t A t ，可以預期輸出的信號將會有v、v2、v3、……等項，因此並非理 想上的相乘關係，而是會有許多項的弦波成份，例如，其中 v3項可產生以下這些成份的弦波
cos 2 LO IF t 、 cos 2 LO IF t 、cos 3 LO
t
、cos 3 IFt
因此在混波器的射頻輸出，我們可以觀察到除了 fLO、fLO + fIF、fLO - fIF信號以外，還有許 多其他的頻率成份存在。
fLO + fIF和 fLO - fIF因二信號頻率相差 2fIF，一般的濾波器較易將另一個不需要的頻率（稱 為 image 頻率）以較佳的效果濾除。但是 fLO因為和 fLO + fIF及 fLO - fIF都只相差 fIF頻率，
相較於 image 頻率較難去除。為避免 fLO隨發射載波發射到空中，造成干擾其它通訊頻段內之正 常通信，也因各國的無線通訊法規對此點也都有嚴格限制，因此發射用的升頻器元件應儘量避免 讓 fLO信號傳到射頻端。
當混波器在接收端當降頻器使用時（如圖三），若 fRF > fLO，則 fIF = fRF – fLO，但由射 頻端進入接收機之信若為 fLO - fIF，則經過混波器後仍會產生相同的 fIF信號，此干擾信號為 接收機的映像(image)信號。所以在接收機的降頻器前加一個濾波器，用以阻隔此一映像信號，
以避免接收機被不正常的干擾。此濾波器稱為映像帶阻濾波器(image rejection filter)。
另一考量為若 fLO信號經由此混波器傳到射頻端，則易由接收端經由天線，造成不必要的 fLO輻 射。因此，混波器中本地振盪端到射頻端的隔離度參數，和濾波器中對映像頻率的阻隔度參數，
均為判斷元件優劣之重要參數之一。
圖三、接收機(receiver)方塊圖。
一般來說，當我們拿到一份混波器的規格文件時，通常都會看到以下幾個描述一顆混波器的 重要參數。
1. 使用頻段（RF/LO/IF frequency range）
2. 各埠電壓駐波比（RF/LO/IF VSWR）
3. 混波器本地振盪埠與中頻埠之間的隔離度（LO-to-IF isolation）以及混波器本地振 盪埠與射頻埠之間的隔離度（LO-to-RF isolation）
4. 轉換損失（conversion loss）或轉換增益（conversion gain）
5. IP3（third-order intercept point）或 P1dB（1 dB compression）
第一項和第二項主要是描述可用頻段及其各埠反射係數，在其它元件也都常見。比較特別的 是第三、四、五項。第三項描述本地振盪信號漏到中頻埠與射頻埠的大小，本地振盪信號漏至射 頻/中頻端的壞處已在前面提及。第五項為描述元件非線性的特性（參見思考問題 11-1）。第四 項則是描述信號從中頻頻段轉換到射頻頻段後，功率的損失或增加量，比如說，若有一中頻頻段 2.4 GHz 且其功率為 10 dBm 的信號輸入至混波器的中頻端，在混波器的本地振盪端有 10 GHz 且功率為 5 dBm 的信號輸入，混頻後射頻端輸出的信號為 7.6 GHz，經量測後發現此 7.6 GHz 信號的功率大小為 2 dBm， 10 dBm 的中頻信號轉換後變成 2 dBm 的射頻信號，我們就可以說 此混波器在 +5 dBm 本地振盪輸入時，其轉換損失為 8 dB。其中要注意的是，轉換損失會隨著 本地振盪信號功率大小的不同而改變，我們可以調整本地振盪信號的功率大小，使混波器操作在 轉換損失最小的狀況，以降低整個系統的功率損耗。一般來說，在一份混波器的規格文件也會看 到廠商建議的本地振盪輸入功率範圍，或是轉換損失對不同本地振盪輸入功率所作的曲線。
本節實驗將量測混波器的特性以及帶通濾波器的插入損耗特性，將量到的數據記下，以便 11-2 節實驗時可利用。
實驗器材：
1. 微波信號源(Agilent N5183A)
2. 頻譜分析儀(Agilent E4408B)，面板操作參見附錄 A-16
3. 微波介質振盪器(dielectric resonator oscillator, DRO - 10 GHz) 4. 帶通濾波器
5. 可調式衰減器
6. 混波器(Mini-circuits ZX05-153-S+)，資料參見附錄 A-17 7. 轉接頭(N–SMA)
8. 同軸線(SMA coaxial cable)
9. 網路分析儀(Agilent N5230A、E5071C)
實驗目的：
學習量測混波器元件和帶通濾波器元件，以獲得基本特性與相關參數。
實驗步驟：
第一部份：混波器特性量測
1. 將可調式衰減器與介質共振腔振盪器相接，以此為本地振盪器信號模組。
2. 將 DC 電源 18V 加於介質共振腔振盪器，在作實驗的過程中，需注意電源線是否有短路的現 象。之後將介質共振腔與可調式衰減器的輸出透過同軸線 1（如圖四），輸出至頻譜分析儀，
透過頻譜分析儀觀察輸出信號的頻率及其輸出功率；調整可調式衰減器使其經同軸線 1 至頻 譜分析儀之輸出功率為 PLO=10dBm，然後接至混波器的本地振盪端。
圖四、介質共振腔與可調式衰減器。
3. 混波器升頻轉換損失量測:微波信號源頻率調整為 fIF=2.4 GHz，輸出端經另一同軸線 2 接 至頻譜分析儀，調整微波信號源輸出功率至頻譜分析儀讀數為-50 dBm。
4. 將微波信號源輸出端經同軸線 2 接至混波器的中頻端，然後將混波器的射頻端直接接至頻譜 分析儀，由微波信號源至混波器的中頻輸入功率從 -50 dBm 每隔 10 dB 慢慢增加到 10 dBm，並記錄每一次的射頻輸出信號的大小。其中，因為混波器的非線性特性，其射頻輸出 的主要信號包含了 LO+IF 及 LO–IF 的頻率成份，並且因為混波器的本地振盪端與射頻/中頻 端並非完全隔離(isolated)，因此在混波器的射頻輸出亦會觀察到本地振盪信號。故每一 次需記錄的射頻輸出信號大小包含三個頻率項：LO–IF = 7.6 GHz、LO+IF = 12.4 GHz、
以及 LO = 10 GHz 的信號大小。
5. 混波器降頻轉換損失量測:調整可調式衰減器使本地振盪器信號模組經同軸線 1 之輸出功率 為 PLO=10dBm，仍接至混波器的本地振盪端；微波信號源的輸出端經同軸線 2 接至混波器的 射頻端，頻率調整為 fRF=12.4 GHz，然後將混波器的中頻端以同軸線 2 直接接至頻譜分析儀，
調整微波信號源輸出功率至頻譜分析儀讀數為-50 dBm。
6. 由微波信號源至混波器的中頻輸入功率從 -50 dBm 每隔 10 dB 慢慢增加到 10 dBm，並記 錄每一次混波器的中頻端於 2.4GHz 輸出信號的大小。
7. 改變步驟 5，微波信號源頻率調整為 fRF=7.6GHz，混波器的中頻輸入功率從 -50dBm 每隔 10dB 慢慢增加到 10dBm，並記錄每一次混波器的中頻端於 2.4GHz 輸出信號的大小。
第二部份：帶通濾波器特性量測
1. 校準網路分析儀，使用完整二埠校準，頻率為 5GHz~13GHz。
2. 量測第一個帶通濾波器之穿透損失(insertion loss, IL)、輸入及輸出埠的反射損失 (return loss, RL)，分別記錄 7.6GHz、10GHz、12.4GHz 的大小，並儲存網路分析儀之量 測圖檔。
3. 量測第二個帶通濾波器，重覆步驟 2。
※各組思考問題 11-1：
1. 查資料，試述 third-order intercept point (IP3) 以及 1 dB gain compression 的 定義為何，並說明兩者有何關連。這兩個參數在收發系統中重要性為何？
2. 試考慮一非線性電路元件，其輸入輸出信號的關係可以簡單表示成下面的式子，若輸入信號
1 2
cos cos
x t A
t
At
至此元件，試問其輸出信號有哪些弦波的成份存在，各成份的大 小也請表示出來。2 3
1 2 3
( ) ( ) ( )
y t x t x t x t
3. 頻譜分析儀的解析頻寬(resolution bandwidth)和掃描時間(sweep time)的功能為何？
有何關係？實驗時，在何種狀況下需要調整解析頻寬或掃描時間？可否調成任意小的解析頻 寬及任意快的掃描時間？
4. 解釋下列與頻譜分析儀上功能有關的名詞：
(1) 『reference level』、(2)『video bandwidth』、(3)『zero span』
參考資料：
[1] D. M. Pozar, Microwave Engineering, 4th ed., John -Wiley, 2011.
[2] K. Chang, RF and Microwave Wireless Systems, John-Wiley, 2000.
[3] B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice-Hall, 1998.
[4] B. Leung, VLSI for Wireless Communication, Prentice-Hall, 2002.
[5] S. Haykin, Communication System, 4th ed., John -Wiley, 2001.
[6] Manual of Agilent E4408B Spectrum Analyzers User’s Guide.
[7] Manual of Agilent 5183A Signal Generator Operation and Service Guide.
11-2 無線通訊收發模組系統量測
實驗原理：
整個系統的通訊鍊路計算（link budget），在設計系統以及評估收發系統的效能，扮演相 當重要的角色。在實驗二，我們知道衰減量（attenuation）以及插入損失（insertion loss）
的定義。實驗四中也知道如何利用 Friis 公式計算信號經過一段路徑之後，信號的衰減狀況。
前一節 11-1 節也知道何謂混波器的轉換損失（conversion loss）與帶通濾波器的插入損失。
本節將利用以上所學過的知識，來計算信號從發射機經空氣再通過接收機，分析一個完整的通訊 鍊路並且學習計算出通訊鍊路。
圖四為本實驗的基本方塊圖，在本節實驗中，我們將量測信號在不同的點時，其功率的大小，
並透過記錄各單一元件的特性，計算整個系統的通訊鍊路，並且比對量測的結果討論其中的差異。
DVD player AWV365TX
AV signal IF signal 2.4 GHz
LO signal 10 GHz DRO
Bandpass filter fC = 7.6 GHz
Bandpass filter fC = 7.6 GHz
AWV366RX
TV Box
LCD AV signal
LO signal 10 GHz DRO
IF signal 2.4 GHz
R Horn Antenna Horn
Antenna
Mixer Mixer
圖四、系統架構。
(a) (b)
圖五、無線影音(a)發射模組 AWV365TX 及(b)接收模組 AWV366RX。
在本實驗中，中頻訊號使用無線影音傳送器發射模組 AWV365TX（圖五 a）所輸出之信號。
該模組可將 DVD 播放器、電視、或是監視攝影機所輸出之 AV 端子信號，經過 FM 調變之後升頻 至 2.4GHz，輸出端為 SMA 接頭，可接上天線傳送信號，然後利用該模組所對應的接收模組
AWV366RX（圖五 b），將訊號降頻，並且解調出影音訊號，輸出至螢幕、監視器、或電視機等影 音輸出設備。本實驗中將不使用 AWV365TX/AWV366RX 所附之偶極天線，直接將其輸出之信號視 為中頻訊號，如圖四所示經混波器及 10GHz 介質共振腔振盪器升頻至 7.6GHz 及 12.4GHz，再 經帶通濾波器將 7.6GHz 影音訊號經過發射端的號角天線傳送至接收端。接收端的號角天線收下 信號之後，經帶通濾波器、混波器及 10GHz 介質共振腔振盪器降頻至 2.4GHz，之後再利用 AWV366RX 將影音訊號解調出來，輸出至液晶螢幕。
實驗器材：
1~9. 同 11-1 節 10. 號角天線及支座
11. 轉接器(HP X281A adapter N-WR90) 12. 無線影音傳送系統(AWV365TX/AWV366RX) 13. 電視盒
14. DVD 播放器 15. 液晶螢幕 16. 尺
實驗目的：
學習發射、接收通訊模組工作原理，儀器組合通訊模組中，各功能方塊，並使用適當儀器量 測發射到接收路徑中信號大小。
實驗步驟：
1. 用網路分析儀量測同軸線於 2.4 GHz、7.6 GHz、10 GHz 之損失，將需要之數字記下。
2. 將 DVD 播放器輸出信號之 AV 端子與 AWV365TX 之 AV 端子相連接，並且將 AWV365TX 的輸出 端與混波器的 IF 端用同軸線相接，如圖六及圖七所示。
3. 以介質振盪器為本地振盪信號。輸出大小依 11-1 節混波器 LO 輸入端測量所決定之大小。
4. 如圖八所示，將混波器、帶通濾波器、發射天線裝好。
5. 參考發射端裝置，將接收端的接收天線、帶通濾波器、降頻器接好。
6. 將降頻器 IF 端輸出與 AWV366RX 輸入端相連接，AWV366RX 的 AV 端子輸出端與電視盒的 AV 轉 S 端子轉接線相接，再將液晶螢幕的 D-sub 輸入端接上電視盒之 D-sub 輸出端。發射和 接收天線距離 100cm 以上。
7. 將 DVD 播放器、電視盒、AWV365TX、以及 AWV366RX 的電源接上。注意 AWV365TX 所使用的 變壓器，其直流輸出電壓必須為 12V，而 AWV366TX 所使用的變壓器，其直流輸出電壓為 9V。
8. 放入一張 DVD 並播放，觀察液晶螢幕上的影像與聲音訊號狀況。
9. 用頻譜分析儀量測每一功能方塊之輸出點，且校除連接頻譜分析儀之同軸線損失，並和每一
方塊單獨量測結果比較，記錄於表中，若有不同亦記錄下來並探討原因。注意:此紀錄應由 接收端或發射端開始較為實際?
圖六、DVD 播放器與 2.4 GHz 信號發射模組 AWV365TX。
圖七、電視盒與 2.4 GHz 信號接收模組 AWV366RX。
圖八、發射端。
※各組思考問題 11-2：
1. 無線通訊模組中，每個方塊單獨量測時，每一個之反射損失(return loss, RL)一般至少要 多少才可？若反射損失不佳時會有何影響？ 例如一邊為 RL = 15dB，另一邊為 RL = 5dB。
另一情形為二者反射損失皆為 5dB，就你所知的影響論述。
2. 以 數 學 式 表 示 調 頻 (frequency modulation, FM) 的 定 義 ， 並 分 別 寫 出 其 調 變 指 數 (modulation index)定義。並試以電腦模擬軟體(如：Matlab 等)模擬在頻域及時域之圖 形。
3. 下圖為某一收發系統，試問 PA、PB、以及 PM（也就是 M 處的功率）大小各為多少 W？
M LC= 5 dB
Pin= 24 dBm IF = 2.4 GHz
PLO= 5 dBm LO = 10 GHz
FC = 7.6 GHz IL = 4 dB
G = 20 dB G = 20 dB
R = 1 m FC = 7.6 GHz IL = 4 dB
PLO= 5 dBm LO = 10 GHz
LC= 5 dB 取LSB
PA PB
4. 微波在傳送信號時，有哪些因素可能會影響傳播？
實驗十一 實驗紀錄表
11-1 混波器與帶通濾波器量測
混波器升頻轉換損失量測紀錄表(P
LO=10dBm)
PIF(dBm) (2.4GHz)
PRF @ fLO + fIF (dBm) (12.4GHz@10GHz+2.4GHz)
PRF @ fLO – fIF (dBm) ([email protected])
IF/RF @fLO–fIF
轉換損失(dB)
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
混波器降頻轉換損失量測紀錄表(P
LO=10dBm)
PRF(dBm) (7.6GHz)
PIF @ fLO - fRF (dBm) (2.4GHz@10GHz-10GHz)
RF @fLO–fIF /IF 轉換損失(dB)
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
帶通濾波器量測紀錄表（附網路分析儀量測結果圖）
7.6GHz 10GHz 12.4GHz BPF – 1 穿透損失(dB)
反射損失(dB)|S11|、|S22|
BPF – 2 穿透損失(dB)
反射損失(dB)|S11|、|S22|
11-2 無線通訊收發模組系統量測
元件紀錄表
帶通濾波器 穿透損失(dB)
混波器 天線距離
(m)
發射天線 增益(dB)
接收天線 增益(dB) 升頻轉換損失
(dB)
降頻轉換損失 (dB)
同軸線 1 穿透損失(dB) 同軸線 2 穿透損失(dB) 利用 Friis 公式計算發射天線、接收 天線增益、天線距離及波長(dB) 2.4GHz 7.6GHz 10GHz 2.4GHz 7.6GHz 10GHz 2
( )
t r
4 G G r 通訊收發模組量測紀錄表（記得校除使用之同軸線損失）
PC 帶通濾波器[ b ] PB 升頻混波器[ a ] PA 同軸線 2 信號源輸出 損失或增益
理論功率值 量測功率值 量測頻率(GHz)
PG 同軸線 1 PF 降頻混波器 [ f ] PE 帶通濾波器 [ e ] PD
損失或增益 理論功率值 量測功率值 量測頻率(GHz)
