無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)

1、射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 講義東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所 陳志恒, Nov-4, 2002無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) Q 概述Q 混頻：更數(shù)學(xué)地看問題Q 無線接收機(jī)*超外差(Super-heterodyne) 結(jié)構(gòu)*零中頻接收機(jī)*鏡像抑制接收機(jī)*低中頻結(jié)構(gòu)*二次變頻寬中頻接收機(jī)Q 無線發(fā)射機(jī)Q 附錄*鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)Q 參考文獻(xiàn)1 of 28概述接收機(jī)或發(fā)射機(jī)是一個系統(tǒng)，系統(tǒng)級的設(shè)計和優(yōu)化具有更重要的意義決定總體大小、功耗、性能協(xié)調(diào)各電路模塊，確保達(dá)到指標(biāo)收發(fā)機(jī) (Transceiver) 結(jié)構(gòu)對電路設(shè)計的影響片外元件的數(shù)量和種類電路的復(fù)雜度各級電路的工作頻率、增益、噪聲系數(shù)、線性度、功

2、耗收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)對集成度和成本的影響PCB 線路的復(fù)雜度片外元件，尤其是高 Q 值濾波器、諧振器的費用元件安裝 ( 焊接 ) 的成本電路調(diào)試的費用射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 概述 射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 概述2 of 28中頻 (Intermediate Frequency)我們已經(jīng)知道了無線通信中使用高頻載波來傳輸信號的必要性，現(xiàn)在來看一下 接收信號時降低頻率的必要性射頻信道選擇的困難 即使可以達(dá)到這么高的 Q 值，濾波器通帶內(nèi)的損耗和帶外 ( 相鄰信道 ) 的衰減 也將帶來極大的問題 數(shù)字信號處理技術(shù)可以實現(xiàn)近乎理想的濾波器，但是直接在射頻頻率進(jìn)

3、行數(shù) 模轉(zhuǎn)換并不現(xiàn)實 因此，射頻濾波器只能用作整個系統(tǒng)頻段的選擇，濾除頻段外的干擾，信道 的選擇 ( 模擬或數(shù)字濾波 ) 需要在較低的頻率 ( 中頻 ) 進(jìn)行中頻頻率的選擇 鏡像頻率和鏡頻抑制 (Image Rejection) 鄰信道干擾和選擇性 (Selectivity) 避開其它干擾 ( 如某些時鐘和參考信號及其諧波頻率 )200 kHz對于 GSM 系統(tǒng)，Q 9-M-H-z- - = 4500 3 of 28混頻：更數(shù)學(xué)地看問題射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 混頻：更數(shù)學(xué)地看問題(1)(2a)(2b)但是復(fù)信號可能只存在單邊頻率分量，例如(3a)(3b)實信號的 Fo

4、urier 變換：正負(fù)頻率分量同時存在且互為共軛，即xt Xj Xj =Xj例如2112cosct - - - + c + - - - c jj22sin ct - - - + c - - - c ejct = cos ct j sin ctcejct + 4 of 28混頻：時域相乘 = 頻域卷積 = 頻譜搬移上變頻：基帶 射頻xtcosctxt cos ct ccccXj射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 混頻：更數(shù)學(xué)地看問題5 of 28下變頻：射頻 基帶cosLOtLOLOLOLOIF IFRFIFccIFc LO= IFIF IF射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)

5、信機(jī)結(jié)構(gòu) 混頻：更數(shù)學(xué)地看問題6 of 28鏡像頻率cosLOtLOLOccLOIFIFRF+IMGIF+InterferenceIFIFLOIFLOIFIFIFLO IFIF射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 混頻：更數(shù)學(xué)地看問題 7 of 28復(fù)混頻 1ejLOtLOccLO IFIFxtyI t + jyQtcosLO t射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 混頻：更數(shù)學(xué)地看問題LO sintyI txt090cosLO tyQ tI: In-phase, 同相Q: Quadrature, 正交 8 of 28復(fù)混頻 2cosct j sin ctLOcLO I

6、FIFyI t + jyQtLOcost sinLO tyI txI tyQ txIt + jxQt 射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 混頻：更數(shù)學(xué)地看問題xQ tyIt = xIt cos ct + xQtsinctyQt = xQtcosct xI t sin ctcosLO t 9 of 28無線接收機(jī)接收機(jī)概述BB 在不造成接收機(jī)線性度惡化的前提下提供一定的增益，抑制后續(xù)電路噪聲射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 無線接收機(jī)LORF Filter 1 選擇工作頻段，限制輸入帶寬，減少互調(diào) (IM) 失真 抑制雜散 (Spurious) 信號，避免雜散響應(yīng)

7、減小本振泄漏，在 FDD 系統(tǒng)中作為頻域雙工器LNALNARF Filter 2IF FilterInjection FilterRF Filter 1MixerIF AMP 通常需要較大的增益并實現(xiàn)增益控制射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 無線接收機(jī)10 of 28RF Filter 2 抑制由 LNA 放大或產(chǎn)生的鏡像干擾 進(jìn)一步抑制其它雜散信號 減小本振泄漏Mixer 下變頻器 接收機(jī)中輸入射頻信號最強(qiáng)的模塊，線性度極為重要，同時要求較低的噪聲Injection Filter 濾除來自本振的雜散信號IF Filter 抑制相鄰信道干擾，提供選擇性 濾除混頻器等產(chǎn)生的互調(diào)干

8、擾 如果存在第二次變頻，需要抑制第二鏡頻IF Amplifier 將信號放大到一定的幅度供后續(xù)電路 ( 如模數(shù)轉(zhuǎn)換或解調(diào)器 ) 處理 11 of 28超外差 (Super-heterodyne) 結(jié)構(gòu) 射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 超外差 (Super-heterodyne) 結(jié)構(gòu)使用混頻器將高頻信號搬到一個低得多的中頻頻率后再進(jìn)行信道濾波、放大和 解調(diào)解決了高頻信號處理所遇到的困難。依靠周密的中頻頻率選擇和高品質(zhì)的射頻 ( 鏡像抑制 ) 和中頻 ( 信道選擇 ) 濾 波器，一個精心設(shè)計的超外差接收機(jī)可以達(dá)到很高的靈敏度、選擇性和動態(tài)范 圍，因此長久以來成為了高性能接收機(jī)的

9、首選。多次變頻為了獲得更高的靈敏度和選擇性，有時需要通過 2 次或更多次變頻，在多個中 頻頻率上逐步濾波和放大。本振頻率的選擇本振頻率可以高于 (High-side Injection) 或低于 (Low-side Injection) 信號頻率，這 取決于所引入鏡像干擾的大小和振蕩器設(shè)計的難易程度。一般來說低頻的振蕩 器可以獲得更好的噪聲性能，但是較小的變頻范圍。 12 of 28偶次失真與半中頻 (Half-IF) 干擾本振與干擾的 2 次諧波相混頻本振與干擾信號混頻后經(jīng)過二次失真LOIFRF- - 2如果超外差接收機(jī)的射頻放大器、混頻器等電路存在二次失真，將會引起所謂 的 Half-IF

10、 問題IFIF- - 2RF + LO- - 2IF/2射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 超外差 (Super-heterodyne) 結(jié)構(gòu)RF + LO22LO 2-= LO RF= IF22LO -RF + LOIF-= 22- -= IF 13 of 28零中頻接收機(jī)最自然、最直接的實現(xiàn)方法不存在鏡像頻率不需要鏡頻抑制濾波器信道選擇只需低通濾波器問題在于 0Hz 附近很不安全直流偏移 (DC offset)低頻噪聲 (1/f noise)直流偏移的成因元件失配電路的非線性 (IP2)自混頻 (Self-mixing)OffsetLO LeakageADC射頻集成電路設(shè)計基

11、礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 零中頻接收機(jī)LNALPFLPF090ADC 14 of 28直流偏移的消除 (DC offset cancellation)使用交流耦合 (AC-coupling)射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 零中頻接收機(jī) 15 of 28諧波混頻 (Harmonic mixing)偏移量的估算和扣除 (TDMA 系統(tǒng) )提高電路的 IP2 ( 差分結(jié)構(gòu) )DSP 補(bǔ)償RF-Q3IEEiC1iC2iC3iC4Q1Q2Q4RF+vLOIEEx3x5- - -(for small x)tanh x x + 310 sgn x(for large x)i = iC

12、1 + iC3 iC2 + iC4= iC1 iC2 + iC3 iC4LORF2VTLORF2VT v v 2 v+ v 2tanh - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - tanh - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -= IEE射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 零中頻接收機(jī) 16 of 28鏡像抑制接收機(jī)Hartley image-reject receiver90 移相：Hilbert Filte

13、r90ABCsin LO tcosLO tvinvout90j射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 鏡像抑制接收機(jī)jH = j sgn LOccLOLOLO17 of 28jjIFIFjjjj11射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 鏡像抑制接收機(jī)IFIF 18 of 28Weaver image-reject receiver2cos tACsin 2tsin 1t cos 1t BDvinvoutjjjjAB11CD11IF1IF1IF2IF1 + 22222射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 鏡像抑制接收機(jī) 19 of 28低中頻結(jié)構(gòu)射頻集成電路設(shè)計

14、基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 低中頻結(jié)構(gòu)具有與零中頻結(jié)構(gòu)類似的優(yōu)點，同時避免了 DC 附近的問題要求很高的鏡頻抑制比，需要結(jié)合使用抑制鏡頻的變頻結(jié)構(gòu)和額外的鏡 頻抑制措施鏡頻陷波濾波器 (notch filter)多相濾波器 (poly-phase filter)數(shù)字濾波 20 of 28二次變頻寬中頻接收機(jī) 第一本振為固定頻率，整個信號 頻段被搬移到第一中頻；第二本 振可變，完成調(diào)諧功能；第二中 頻為 0 中頻，使用低通濾波器選 擇信道。與零中頻接收機(jī)相比，直流漂 移和本振泄漏都可以獲得較為滿 意的解決。固定頻率的第一本振和低頻的 第二本振使振蕩器和頻率合成器 的相位噪聲可以獲得改善。但

15、是第二本振頻率較低，要獲得大變頻范圍較為困難。同時由于第一中頻處 沒有信道選擇濾波，所有信道均被放大后進(jìn)行第二次變頻，相鄰信道的干擾較 為嚴(yán)重，因此對動態(tài)范圍要求有所提高。最后，該結(jié)構(gòu)使用兩次復(fù)混頻，鏡頻干擾基本解決。cosLO1 t sin LO1 t射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 二次變頻寬中頻接收機(jī)yI1 txtyQ1 tcosLO2 tLO2 sintI2y tyQ2 tLO2cost 21 of 28LO1RFRFLO1IF1IF1LO2LO2射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 二次變頻寬中頻接收機(jī)IF2 22 of 28無線發(fā)射機(jī)直接上變頻 (Dir

16、ect-conversion)結(jié)構(gòu)簡單功放對本振形成干擾 (LO pulling or injection locking)本振頻率可以通過加減一個偏移量來獲 得，從而避免 LO pullingI090QMatching NetworkPALOf射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 無線發(fā)射機(jī)1ffLO = f1f 23 of 28超外差式IQ90PALO2功放與本振之間具有良好的隔離度第一本振頻率較低，可以達(dá)到較高的調(diào)制質(zhì)量復(fù)雜度較高直接數(shù)字調(diào)制0LO1Frequency SynthesizerBaseband Digital SignalPA射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和

17、收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 無線發(fā)射機(jī) 24 of 28附錄一 ：鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)Hartley 結(jié)構(gòu)90射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)ABCLPFsin LOt cos LOtLPFvinvoutvinIF= ARF cosRF t + AIMG cos IMGt ，不失一般性，假設(shè) LO RF 即= RF LO = LO IMG , 于是圖中 A 點和 B 點的信號分別為ARFAIMG22vA =- - - - - - - - - sin LOt RFt + - - - - - - - - - - - - sin LOt IMGtARF2AIMG2= - -

18、sin IFt + - - sin IF t this step is important! 射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)25 of 28最后在輸出端有由于鏡像干擾所得到的中頻信號被抵消了。vB =- - - - - - - - - cos LOt RFt + - - - - - - - - - - - - cosLOt IMGt=- - cosA 點的信號經(jīng)過 90 相移以后在 C 點變成vC2ARFAIMG2=- - cos IFt - - cosIFtvout= vC + vB = ARF cos IFt ARF2AIMG2ARF2t + AIM

19、G cos tIF- -IF226 of 28Weaver 結(jié)構(gòu)LPFsin 1t cos 1tLPF射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)2cos tABCsin 2tDvinvout假設(shè) IF1 = RF 1 = 1 IMG ， IF= IF1 2 = RF 1 2 ，且1 2 ， vin = ARF cosRF t + AIMG cos IMGt ，則在 A 點和 B 點ARF2AIMG2vA = - - sin IF1t + - - - - - - - - - - - - sin IF1tvBARF2AIMG2=- - cos IF1t + - - cosIF1 t 射頻集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu) 鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)27 of 28在 C 點和 D 點有我們看到由鏡像干擾所得到的中頻信號號的中頻則順利通過。在輸出信號中仍然有鏡像干擾引起的分量ARF4ARF4AIMG4AIMG4vC = - - - - - - - - cosIF1 2 t + - - - - - - - - cosIF1 + 2 t + - - - - - - - - - - - cosIF1 2 t - - - - - - - - - - - cosIF1 + 2 tARF4輸出信號為ARF4AIMG4AIMG4vD =