通信射頻電路教學(xué)課件：第1章 無線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu) 1

1、第一章 無線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)2.無線收信機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 3.無線發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)4.集成無線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 重點(diǎn)掌握無線通信收、發(fā)信機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，主要性能(指標(biāo))參數(shù)及應(yīng)用要求。 本章內(nèi)容1.無線收、發(fā)信機(jī)的性能指標(biāo)參數(shù)&1.1 無線收發(fā)機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)發(fā)信機(jī)射頻前端功能及性能參數(shù) 完成基帶信號對中頻載波的調(diào)制，將其上變頻至特定的RF頻段，對已調(diào)制的RF信號放大, 以足夠的功率饋入到天線,經(jīng)天線有效地發(fā)射出去。超外差式發(fā)信機(jī)射頻前端結(jié)構(gòu)2功能主要性能參數(shù)頻譜純度: 減少它對相鄰信道的干擾發(fā)射功率: 保證特定通信距離系統(tǒng)效率: 減少系統(tǒng)功耗無線收信機(jī)射頻前端功能及性能參數(shù) 從復(fù)雜的電磁波譜中選擇出微

2、弱的有用信號，經(jīng)下變頻、放大后, 解調(diào)出基帶信號。功能超外差式收信機(jī)射頻前端結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)靈敏度:保證特定通信距離和正確解調(diào)所要求的最小輸入信號強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍: 正確解調(diào)的輸入信號變化范圍選擇性:消除/減少干擾信號和寄生頻率信號影響 放大小信號過程中須做到低噪聲，新引入的噪聲將影響收信機(jī)的接收靈敏度。3無線收發(fā)機(jī)射頻前端功能及指標(biāo)參數(shù)典型無線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)無線收發(fā)機(jī)射頻前端功能無線信息發(fā)射無線信息接收半雙工、全雙工無線收發(fā)機(jī)工作方式主要性能參數(shù)頻譜純度發(fā)射功率系統(tǒng)效率選擇性靈敏度動(dòng)態(tài)范圍對于收發(fā)一體機(jī)，當(dāng)其共用/復(fù)用天線時(shí)，收發(fā)信道必須有良好的隔離度。4&1.2 無線收信機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)超外差式接收機(jī)

3、(單次變頻、兩次變頻)零中頻接收機(jī)低中頻接收機(jī)鏡頻抑制接收機(jī)全數(shù)字接收機(jī)收信機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)單次變頻超外差式接收機(jī)LNA本振(LO) BPF (2)IF Amp BPF(3)解調(diào)BPF(1)單次變頻超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖超外差原理由E.H.阿姆斯特朗于1918年提出!5BPF1作頻帶選擇, BPF2作信道選擇,實(shí)現(xiàn)了頻帶選擇和信道的分離;合理分配了系統(tǒng)增益, 降低了RF LNA的增益要求,使RF LNA穩(wěn)定性好.3. 在較低固定中頻上放大，ADC和解調(diào)較容易。單次變頻超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)LNA本振(LO)BPF 2IF Amp BPF3解調(diào)BPF1單次變頻超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖6單次變頻超

4、外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)1.存在組合干擾(寄生通道干擾)混頻器非線性導(dǎo)致產(chǎn)生各種組合頻率信號若組合頻率分量落在中頻帶寬內(nèi),即形成干擾信號。解決方法:減小混頻器非線性72.存在鏡像頻率信號干擾鏡像頻率“鏡頻干擾”的產(chǎn)生 有用的射頻信號和鏡像頻率信號經(jīng)過下變頻后，頻譜交疊在一起，無法用中頻濾波器將干擾信號的頻率濾除，這樣會降低中頻輸出的信噪比。8I = 455kHz I低放濾波中放解調(diào)混頻本振 LO預(yù)選器R（MHz） 2 114.09R14.545L15.00IM LO喇叭A電臺：14.09 MHz 100 WB電臺：15.00 MHz 10 kWIM=R+2I預(yù)選器頻響曲線例：一個(gè)單次變頻超外差式接

5、收機(jī)的鏡像干擾問題解決方法: 阻止鏡像頻率信號進(jìn)入下變頻器使用鏡頻抑制濾波器：fIF=orBW60dB/4選擇高中頻:將導(dǎo)致信道選擇性變差9例：GSM下行頻段935-960MHz，若選fIF= 10MHz，試確定本振頻率及干擾鏡頻頻段。低本振情況解：高本振情況fRF位于頻段低端，fim位于頻段內(nèi)高端。fRF位于頻段高端，fim位于頻段內(nèi)低端。10 從上可見選擇fIF=10MHz,無論選擇高本振或低本振時(shí), fim都位于有用頻帶之內(nèi),無法用BPF1濾掉,成為干擾信號! 若fIF增大至70MHz，則采用高本振或低本振，鏡頻都不會進(jìn)入通信射頻頻段，故可用BPF1濾除掉,從而消除鏡頻干擾。下行頻段93

6、5-960MHz （頻帶寬度：25MHz）上行頻段890-915MHz （頻帶寬度：25MHz）fI=22.5MHz（普遍采用）BW=200KHz(信道帶寬）收發(fā)雙工間隔:45MHz多址方式:FDMA/TDMAGSM移動(dòng)通信系統(tǒng)特點(diǎn)11 單次變頻超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)適用于信號載頻遠(yuǎn)高于中頻頻率的情況,存在選擇性和靈敏度之間矛盾。一個(gè)典型的GSM手機(jī)收發(fā)系統(tǒng)框圖 終端 信源RTRLNAIRIFAADCDSP IFADSPADCIR RFOSC ICL IR=R-L下/上變頻R=935-960 MHzC=890-915 MHzL=912.5-937.5 MHzC =IC+LC PAIC12DCS18

7、00/PCS1900 單次變頻采樣接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案13 二次變頻超外差式接收機(jī)LNA本振1(LO1) BPF (2)IF1 Amp(1) BPF(3)解調(diào)BPF(1)本振2(LO2)IF2 Amp(2) 第一中頻高有利于鏡頻抑制，頻帶選擇性好;第二中頻低有利于IFA穩(wěn)定性，降低解調(diào)器技術(shù)要求。 二次變頻超外差式接收機(jī)特點(diǎn)二次變頻超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖14CDMA-2100 2次變頻中頻采樣接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案15第一中頻IF1盡量高以便于抑制鏡像干擾。第二中頻IF2盡量低以便于抑制鄰道干擾（信道選擇性好），降低解調(diào)器技術(shù)難度。信道增益的大部分由IFA2完成。二次變頻超外差式接收機(jī)設(shè)計(jì)原則16結(jié)構(gòu)簡單。

8、LO=RF，從而將調(diào)制的RF信號直接變頻到基帶信號，不存在鏡像干擾;零中頻接收機(jī)特點(diǎn)零中頻(直接下變頻)接收機(jī)BPFLNA本振/2 LPF LPF限幅檢測限幅檢測零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖171. 信道間隔離度差(頻率竄透) RF=LO，大功率本振信號向天線端竄透，對附近鄰信道通信造成干擾(本振泄漏);零中頻接收機(jī)缺點(diǎn)自混頻,造成輸出信號直流漂移低噪放CBXA 低通濾波器 模數(shù)轉(zhuǎn)換cos LO t本振泄漏CBXA低通濾波器 模數(shù)轉(zhuǎn)換cos LO t強(qiáng)干擾泄漏低噪放（a）（b）自混頻產(chǎn)生的直流漂移機(jī)制181/f噪聲效應(yīng)嚴(yán)重存在LNA偶次諧波失真干擾零中頻接收機(jī)缺點(diǎn)（續(xù)）保證LO與RF同頻，且彼此之間的

9、相位關(guān)系固定，需要載波提取與鎖相同步。混頻器應(yīng)有較高的線性度。端口間隔離度要求高。零中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)原則19低中頻接收機(jī)方案LNA本振(LO) BPF (2)LF Amp BPF(3)解調(diào)BPF(1)低中頻接收機(jī)特點(diǎn)類似一次變頻接收機(jī)，fIF低，可用交流耦合；端口間隔離度能夠做得高。20 鏡頻抑制接收機(jī)（Hartley接收機(jī)）Hartley鏡頻抑制接收機(jī)BPFLNA本振/2 BPF2BPF2/2 利用帶通信號移相/2 (Hilbert變換的正交濾波)特性,實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制。21鏡頻抑制接收機(jī)設(shè)計(jì)原則兩條變頻支路特性完全一致(信號幅度、增益、時(shí)延特性等);兩條變頻支路輸出信號精確正交。 實(shí)現(xiàn)兩條變頻支

10、路輸出信號的精確正交,要求兩條支路的電性能完全一致性,硬件實(shí)現(xiàn)較困難！22Weaver鏡頻抑制接收機(jī)框圖 鏡頻抑制接收機(jī)（Weaver接收機(jī)）Weaver結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)頻譜搬移過程23BPF1LNA本振-/2 BPF3 BPF3ADCADC本振LO1BPF2ADCDSP Chip數(shù)字中頻接收機(jī) 將第二次變頻數(shù)字化，避免了實(shí)現(xiàn)兩路模擬信道一致性的困難。數(shù)字中頻接收機(jī)框圖 數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)原則ADC性能為抑制鏡頻干擾，則中頻較高，要求ADC采樣頻率(速度)也很高24ADC應(yīng)有較高的分辨率（bit數(shù)大）和低的轉(zhuǎn)換噪聲;ADC線性度要求高; ADC應(yīng)有較大的動(dòng)態(tài)范圍;ADC模擬帶寬應(yīng)滿足第一中頻

11、的要求。 數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）DSP性能運(yùn)算速度;運(yùn)算字長;穩(wěn)定性等。 25CDMA2000-850MHz 2次變頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案26全數(shù)字接收機(jī)(軟件無線電接收機(jī))BPFLNA本振-/2 BPF BPFADCADCADCDSP Chip全數(shù)字接收機(jī)框圖接收機(jī)RF前端設(shè)計(jì)考慮選擇性考慮1.選出有用信號(較容易);2.抑制干擾和無用信號(困難)。27 900MHz GSM通信，信道間隔200KHz，要求選頻濾波器要有較高Q值。若中頻選取不當(dāng)，很難抑制鏡像干擾！靈敏度考慮1.接收微弱信號的能力;2.線性動(dòng)態(tài)范圍。 空間信號不但微弱，而且路徑多樣性，其信號大小起伏變化。接收機(jī)RF前端設(shè)計(jì)考慮

12、（續(xù)）28直接調(diào)制發(fā)射機(jī) 調(diào)制和上變頻合二為一的發(fā)射機(jī)BPFPA本振1(LO1)BB直接調(diào)制發(fā)射機(jī)間接調(diào)制發(fā)射機(jī)&1.3 無線發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)直接調(diào)制發(fā)射機(jī)框圖發(fā)信機(jī)的主要結(jié)構(gòu)29結(jié)構(gòu)簡單;收/發(fā)同機(jī)時(shí)發(fā)射開斷切換,PA工作狀態(tài)會對LO產(chǎn)生負(fù)載牽引-改進(jìn)方法(兩VCO);調(diào)制信號帶寬及發(fā)射頻譜特性不易控制,發(fā)射信號容易干擾其他信道。直接調(diào)制發(fā)射機(jī)特點(diǎn)30GSM 850MHz 直接調(diào)制發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)方案31 直接調(diào)制發(fā)射機(jī)為早期經(jīng)典發(fā)射系統(tǒng)方案,主要用于AM、ASK等簡單調(diào)制方式通信,要求線性功放,導(dǎo)致發(fā)射效率低，可能發(fā)生頻率牽引，鄰道抑制不好等缺點(diǎn)而少見應(yīng)用。近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)雜調(diào)制方式已能

13、直接由LO產(chǎn)生，使這種方案煥發(fā)新春。直接調(diào)制發(fā)射機(jī)特點(diǎn)（續(xù)）RFID應(yīng)用的直接調(diào)制（BPSK）收發(fā)機(jī)框圖32IQ信源處理DSPLO/2PA匹配網(wǎng)絡(luò)直接調(diào)制數(shù)字發(fā)射機(jī)直接調(diào)制數(shù)字發(fā)射機(jī)特點(diǎn)1.無鏡像干擾, 無中頻干擾;2.難以消除載漏, 本振牽引現(xiàn)象;3.兩路電特性不一致時(shí)達(dá)不到預(yù)期效果。直接調(diào)制數(shù)字發(fā)射機(jī)框圖33間接調(diào)制發(fā)射機(jī)間接調(diào)制發(fā)射機(jī)特點(diǎn)克服直接調(diào)制發(fā)射機(jī)的缺點(diǎn)(負(fù)載牽引,效率不高,et al);兩次上變頻降低了濾波器要求，益于調(diào)制;IQ信源處理DSPIFLO/2IFA上變頻RFPRFLOPA間接調(diào)制發(fā)射機(jī)框圖 調(diào)制和上變頻分開的發(fā)射機(jī)-在較低中頻上完成信號調(diào)制, 再將已調(diào)信號上變頻至R

14、F頻段。343. 存在變頻組合干擾;4. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 間接調(diào)制數(shù)字發(fā)射中增加了一個(gè)中頻，兩路正交調(diào)制(I/Q)支路電特性易于做到一致。PCS 1800MHz 間接調(diào)制發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)方案35發(fā)信機(jī)RF前端設(shè)計(jì)考慮1. 頻譜純度(IMn, ACPR) 必須滿足ITU頻譜管理規(guī)定及通信標(biāo)準(zhǔn)，避免對其他信道的干擾。 TD-SCDMA(2.01-2.025GHz)的輸出頻譜輻射模板和雜散輻射指標(biāo)要求測試條件：三載波總輸出功率30dBm/1.28Mcps 單碼道TDD信號輻射模板指標(biāo)要求 分辨率帶寬0.815MHzf_offset1.015MHz-23dBm30kHz1.015MHzf_offset1.815

15、MHz-27dBm30kHz1.815MHzf_offset2.3MHz-31dBm30kHz2.3MHzf_offset-16dBm1MHz36系統(tǒng)效率包括:（1）功率放大器的效率;（2）天線的發(fā)射效率;（3）信道中信號傳輸效率(匹配,線路損耗等)。2. 功率 一定的傳送距離就要求發(fā)射信號必須達(dá)到一定的功率。3.效率 系統(tǒng)效率非常重要,特別是移動(dòng)終端設(shè)備。發(fā)信機(jī)RF前端設(shè)計(jì)考慮（續(xù)）37 AGC(自動(dòng)增益控制）電路 接收機(jī)接收的信號電平起伏很大，為得到穩(wěn)定的中頻輸出，接收機(jī)前端中都有AGC ( Automatic Gain Control)電路。LNA變頻中放幅度檢測解調(diào)控制電路 中放輸出信

16、號經(jīng)幅度檢測后與設(shè)定門限相比較，高過門限值控制放大器降低增益；反之，則控制放大器提高增益,從而保障輸出中頻信號幅度基本恒定。AGC電路結(jié)構(gòu)38 AFC（自動(dòng)頻率控制）電路 中放輸出經(jīng)鑒頻器將偏離中頻的頻差轉(zhuǎn)換為電壓，然后去控制本振頻率減小差值，使中頻頻率恒定。有利于減小中頻帶寬，提高靈敏度與選擇性;對零中頻接收機(jī)則可減小DC漂移的影響。AFC多為PLL所取代。中放解調(diào)VCO LPF/放大鑒頻器 接收機(jī)接收的信號頻率隨時(shí)間變化，為得到穩(wěn)定的恒定中頻信號，接收機(jī)前端中有AFC( Automatic Frequency Control) 電路。AFC電路結(jié)構(gòu)39&1.4 無線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)典型的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)單次變頻超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)40典型的集成GSM收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)集成GSM二次變頻超外差式收發(fā)機(jī)特點(diǎn)：0.25umCMOS工藝, 二次變頻超外差式結(jié)構(gòu);中頻71MHz;發(fā)射機(jī)消耗19.5mA電流，發(fā)射機(jī)消耗55mA電流。41典型的集成WLAM收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)兼容IEEE802.11a/g、b 協(xié)議的WLAN單次變頻超外差式收發(fā)機(jī)特點(diǎn)：0.25umCMOS工藝, 一次變頻超