無(wú)線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu).ppt

1、第1章 無(wú)線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu),教學(xué) 重點(diǎn),能力 要求,本章目錄,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu) 第三節(jié) 無(wú)線通信發(fā)射機(jī) 第四節(jié) 集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第五節(jié) 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī) 第六節(jié) 集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),知識(shí)結(jié)構(gòu),無(wú) 線 通 信 收 發(fā) 機(jī) 結(jié) 構(gòu),集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),1.1 概述,收發(fā)機(jī)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。設(shè)計(jì)一個(gè)收發(fā)機(jī)，首先不僅要考慮頻譜、靈敏度、選擇性、功率、效率等性能指標(biāo)，還要考慮功耗、成本及電路復(fù)雜度等因素，再?zèng)Q定選用哪種結(jié)構(gòu)。 （1）發(fā)射機(jī) 發(fā)射機(jī)射頻部分的功能是完成基帶信號(hào)對(duì)中頻載波的調(diào)制，將其上變頻至特定的RF頻段，對(duì)已調(diào)制的RF信號(hào)放大，以足夠的 功率饋入天線，

2、經(jīng)天線有效的發(fā)射出去。其結(jié)構(gòu)如下圖：,發(fā)射機(jī)前端的框圖,1.1 概述,（2）接收機(jī) 接收機(jī)從空間中接收到微弱信號(hào)，通過(guò)射頻濾波器從眾多的電波中選出有用信號(hào)，并經(jīng)過(guò)低噪聲放大到解調(diào)器所要求的電平值后，再由解調(diào)器解調(diào)，將頻帶信號(hào)變?yōu)榛鶐盘?hào)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：,接收機(jī)射頻前端框圖,1.2.1 接收機(jī)的性能指標(biāo) 接收機(jī)完成的主要功能是選出從天線接收的有用信號(hào)，下變頻放大到基帶后由解調(diào)器解調(diào)，實(shí)現(xiàn)頻帶信號(hào)到基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換。接收機(jī)的結(jié)構(gòu)有三類：超外差結(jié)構(gòu)；直接下變頻結(jié)構(gòu)，也稱為零中頻結(jié)構(gòu)；低中頻結(jié)構(gòu)。 接收機(jī)的主要性能指標(biāo)有：（1）高增益；（2）頻率選擇性；（3）隔離度；（4）靈敏度；（5）阻塞和雜散響

3、應(yīng)抑制；（6）互調(diào)分量抑制；（7）鄰道干擾抑制；（8）雜散輻射抑制。,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),1.2.2 超外差式接收機(jī) 1917年，阿姆斯特朗發(fā)明了超外差式接收機(jī)，如今這種 經(jīng)典的接收機(jī)結(jié)構(gòu)仍廣泛的應(yīng)用在各種無(wú)線通信系統(tǒng)中。 1.超外差接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 工作過(guò)程：從天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻帶通濾波器，濾 去帶外干擾并壓縮鏡像信號(hào)后，經(jīng)低噪聲放大器線性放大后 與本地振蕩信號(hào)進(jìn)行混頻，下變頻為一固定中頻信號(hào)，再通 濾波、中頻放大后提取出有用信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。結(jié)構(gòu)如下：,超外差接收機(jī)射頻部分的結(jié)構(gòu)框圖,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),2.超外差接收機(jī)的干擾分析 （1）組合頻率

4、干擾 在通信射頻電路中，通常是產(chǎn)生頻率容易，抑制不需要 的頻率難。由于下變頻器的非線性效應(yīng)，產(chǎn)生眾多組合干擾 頻率，通常把這些組合頻率引起的干擾稱為寄生通道干擾， 如下圖所示：,組合頻率引起的寄生通道干擾,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),（2）鏡像頻率干擾 有用的射頻信號(hào)和鏡像頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻后，頻譜交 疊在一起，無(wú)法用中頻濾波器將干擾信號(hào)的頻率濾除，這樣 會(huì)降低中頻輸出的信噪比。從鏡像干擾產(chǎn)生的機(jī)理可知，消 除鏡頻干擾最簡(jiǎn)單的辦法就是阻止鏡像頻率信號(hào)進(jìn)入下變頻 器，而完成這個(gè)功能的器件是下變頻器前的頻帶選擇濾波器。 鏡像干擾的產(chǎn)生如下圖所示：,“鏡頻干擾”的產(chǎn)生,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),3

5、.接收機(jī)的中頻選擇 增大中頻頻率，可以更加有效地衰減鏡像頻率信號(hào)。因 此，超外差接收機(jī)的一個(gè)重要問題是如何選擇合適的中頻頻 率。由鏡像原理可知，高的中頻使鏡像頻率遠(yuǎn)離有用信號(hào)， 利于抑制頻率干擾和提高輸出中頻信噪比。但高中頻使具有 相同Q值的中頻濾波器的絕對(duì)帶寬變大，必然會(huì)降低相鄰信 道的抑制能力。但是接收機(jī)選擇有用信道而抑制鄰道干擾主 要是依靠信道選擇濾波器，因此高的中頻降低了接收機(jī)的信 道選擇性。因此，中頻的選擇考慮的是“靈敏度”和“選擇性”這 一矛盾的折中。中頻值的選擇主要根據(jù)接收機(jī)對(duì)鏡像干擾的 抑制要求和濾波器的可實(shí)現(xiàn)性。,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),4.二次變頻超外差接收機(jī) 中頻選擇

6、中遇到的“靈敏度”和“選擇性”的矛盾，催生了二 次變頻超外差接收機(jī)的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖所示：,二次變頻超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖,二次變頻超外差接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、性能 穩(wěn)定，缺點(diǎn)是需要較多的分立元件，并且需要很多高頻濾波器 進(jìn)行阻抗匹配。另外，由于采用了多次混頻，系統(tǒng)內(nèi)的頻率成 分較多，需要仔細(xì)制定整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的頻率規(guī)劃。,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),1.2.3 直接下變頻接收機(jī) 直接下變頻接收機(jī)也稱為零中頻接收機(jī)，其特點(diǎn)是讓本 振頻率等于載頻，則載頻為零，于是不存在鏡像頻率，自然 就不會(huì)有鏡像頻率干擾，其結(jié)構(gòu)如圖所示：,直接下變頻方案的原理框圖,該結(jié)構(gòu)消除了鏡像干擾問題，正交下變頻

7、產(chǎn)生I和Q信號(hào)， 以便對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理。零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小功耗 低，故易于單片集成。,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),1.2.4 低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu) 低中頻接收機(jī)是從零中頻接收機(jī)發(fā)展而來(lái)的，其結(jié)構(gòu)如 圖所示：,低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu),低中頻接收機(jī)通過(guò)正交下變頻器來(lái)抑制鏡像信號(hào)，但與 零中頻接收機(jī)不同的是，下變頻后的信號(hào)處于比較低的中頻 由于下變頻后的信號(hào)不再處于基帶，這樣就消除了直流失調(diào) 和散射噪聲的影響。,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),1.2.5 鏡頻抑制接收機(jī) 為了解決鏡像抑制濾波器難以集成的問題，Hartley和 Weaver提出了鏡像抑制接收機(jī)。在完全理想的情況下，這兩 種接收機(jī)結(jié)構(gòu)可完全

8、消除鏡頻干擾，它們結(jié)構(gòu)如圖所示：,Hartley結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī),Weaver結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī),1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),Hartley結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)頻譜搬移過(guò)程,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),Weaver結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)頻譜搬移過(guò)程,1.2 無(wú)線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu),1.2.6 數(shù)字中頻接收機(jī) 將二次變頻超外差接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的第二次混頻和濾 波數(shù)字化，便可得到數(shù)字中頻接收機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖所示：,數(shù)字中頻方案,數(shù)字中頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)字中頻的使用避免了I和Q 之間的不平衡，實(shí)現(xiàn)了完美的鏡像干擾抑制。而這種接收機(jī) 的難點(diǎn)在于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、分辨率、噪聲性能、線性 度和帶寬等方面的性能要

9、求很高。,1.3 無(wú)線通信發(fā)射機(jī),1.3.1 發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo) （1）平均載頻輸出功率；（2）射頻功率控制； （3）射頻輸出頻譜；（4）雜散輻射；（5）互調(diào)衰減。 1.3.2 發(fā)射機(jī)的主要結(jié)構(gòu) 發(fā)射機(jī)的主要功能是通過(guò)調(diào)制、上變頻、功率放大和濾 波，來(lái)完成基帶信號(hào)到射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。發(fā)射機(jī)的方案相對(duì) 接收機(jī)更為簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)大致可以分為兩種：一是直接變換 法，即將調(diào)制和上變頻合二為一，在一個(gè)電路里完成。二是 兩步法，即將調(diào)制和上變頻分開，先在中頻上進(jìn)行調(diào)制，然 后再將已調(diào)信號(hào)上變頻到發(fā)射的載頻上。,1.3 無(wú)線通信發(fā)射機(jī),直接變換正交調(diào)制發(fā)射機(jī),兩步變換正交調(diào)制發(fā)射機(jī),1.4 集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),

10、集成收發(fā)機(jī)包括了接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，下圖展示了一種 超外差式收發(fā)機(jī)。,超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu),通常情況下，收發(fā)機(jī)只需一個(gè)本振，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)共用。 同樣，天線也只需要一個(gè)。當(dāng)超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)工作在接收 模式時(shí)，接收鏈路開通，而發(fā)射鏈路關(guān)閉；當(dāng)超外差式收發(fā)機(jī) 結(jié)構(gòu)工作在發(fā)射模式時(shí)，發(fā)射鏈路開通，而接收通路關(guān)閉。,1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),目前，單片集成收發(fā)機(jī)的研究熱點(diǎn)頻段主要集中于ISM頻 及專用于GSM,TD-SCDMA,PHS,UWB等通信系統(tǒng)的頻段。 1.5.1 GSM收發(fā)機(jī),GSM系統(tǒng)主要參數(shù),1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),下面簡(jiǎn)要介紹一個(gè)用0.25umCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的低功率GSM- 9

11、00收發(fā)機(jī)。這種接收機(jī)采用二次變頻超外差式結(jié)構(gòu)，中頻 為71MHz。由2.5V電壓供電，接收機(jī)僅消耗19.5mA的電流， 而發(fā)射機(jī)消耗55mA的電流，其結(jié)構(gòu)如圖所示：,GSM收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖,1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),接收機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果,1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),發(fā)射機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果,1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),1.5.2 應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)的收發(fā)機(jī) 目前無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展十分迅速，與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也有很 多種，如IEEE802.11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的 HiperLAN2等。,無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)比較,1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),下面介紹一種典型的WLAN

12、集成收發(fā)機(jī)，該芯片可以工作 在5.15-5.35GHz和2.4-2.5GHz兩個(gè)頻段，采用0.25umCMOS工 藝制造。接收機(jī)的噪聲系數(shù)在2.4GHz下為3dB，在5GHz下3.8 dB。其結(jié)構(gòu)如圖所示：,收發(fā)機(jī)框圖,1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),測(cè)試結(jié)果,1.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī),1.5.3 應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗發(fā)射機(jī) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、多學(xué) 科高度交叉的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了 傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、 分布式智能信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。 WSN節(jié)點(diǎn)的重要特征就是低功耗、低成本和小

13、體積，目 前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于WSN的收發(fā)機(jī)的研究熱點(diǎn)主要基于IEEE 802. 15.4標(biāo)準(zhǔn)（ZigBee)和UWB。,1.6 集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),高集成度：隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，單片集成數(shù)字、 模擬和射頻功能成為了芯片發(fā)展的趨勢(shì)。 高工作頻率：隨著工藝特征尺寸的不斷降低，器件的特 征頻率和最高振蕩頻率不斷提高，使得集成收發(fā)機(jī)的工作頻 率越來(lái)越高。 低工作電壓和低功耗：隨著無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 ，在電池供電的限制條件要求收發(fā)機(jī)可以工作在更低的工作 電壓下，消耗的功率越小越好。 低成本：低成本是單片集成收發(fā)機(jī)走向商業(yè)應(yīng)用的基本 要求。,本章小結(jié),本章從系統(tǒng)的角度介紹了收發(fā)信機(jī)幾種常用的方案，從而明確了組成接收、發(fā)射機(jī)射