无线通信系统与收发信机结构

1、射频集成电路设计基础 讲义东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒, Nov-4, 2002无线通信系统和收发信机结构 Q 概述Q 混频：更数学地看问题Q 无线接收机*超外差(Super-heterodyne) 结构*零中频接收机*镜像抑制接收机*低中频结构*二次变频宽中频接收机Q 无线发射机Q 附录*镜像抑制混频原理推导Q 参考文献1 of 28概述接收机或发射机是一个系统，系统级的设计和优化具有更重要的意义决定总体大小、功耗、性能协调各电路模块，确保达到指标收发机 (Transceiver) 结构对电路设计的影响片外元件的数量和种类电路的复杂度各级电路的工作频率、增益、噪声系数、线性度、功

2、耗收发机结构对集成度和成本的影响PCB 线路的复杂度片外元件，尤其是高 Q 值滤波器、谐振器的费用元件安装 ( 焊接 ) 的成本电路调试的费用射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 概述 射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 概述2 of 28中频 (Intermediate Frequency)我们已经知道了无线通信中使用高频载波来传输信号的必要性，现在来看一下 接收信号时降低频率的必要性射频信道选择的困难 即使可以达到这么高的 Q 值，滤波器通带内的损耗和带外 ( 相邻信道 ) 的衰减 也将带来极大的问题 数字信号处理技术可以实现近乎理想的滤波器，但是直接在射频频率进

3、行数 模转换并不现实 因此，射频滤波器只能用作整个系统频段的选择，滤除频段外的干扰，信道 的选择 ( 模拟或数字滤波 ) 需要在较低的频率 ( 中频 ) 进行中频频率的选择 镜像频率和镜频抑制 (Image Rejection) 邻信道干扰和选择性 (Selectivity) 避开其它干扰 ( 如某些时钟和参考信号及其谐波频率 )200 kHz对于 GSM 系统，Q 9-M-H-z- - = 4500 3 of 28混频：更数学地看问题射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题(1)(2a)(2b)但是复信号可能只存在单边频率分量，例如(3a)(3b)实信号的 Fo

4、urier 变换：正负频率分量同时存在且互为共轭，即xt Xj Xj =Xj例如2112cosct - - - + c + - - - c jj22sin ct - - - + c - - - c ejct = cos ct j sin ctcejct + 4 of 28混频：时域相乘 = 频域卷积 = 频谱搬移上变频：基带 射频xtcosctxt cos ct ccccXj射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题5 of 28下变频：射频 基带cosLOtLOLOLOLOIF IFRFIFccIFc LO= IFIF IF射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发

5、信机结构 混频：更数学地看问题6 of 28镜像频率cosLOtLOLOccLOIFIFRF+IMGIF+InterferenceIFIFLOIFLOIFIFIFLO IFIF射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题 7 of 28复混频 1ejLOtLOccLO IFIFxtyI t + jyQtcosLO t射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题LO sintyI txt090cosLO tyQ tI: In-phase, 同相Q: Quadrature, 正交 8 of 28复混频 2cosct j sin ctLOcLO I

6、FIFyI t + jyQtLOcost sinLO tyI txI tyQ txIt + jxQt 射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题xQ tyIt = xIt cos ct + xQtsinctyQt = xQtcosct xI t sin ctcosLO t 9 of 28无线接收机接收机概述BB 在不造成接收机线性度恶化的前提下提供一定的增益，抑制后续电路噪声射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 无线接收机LORF Filter 1 选择工作频段，限制输入带宽，减少互调 (IM) 失真 抑制杂散 (Spurious) 信号，避免杂散响应减

7、小本振泄漏，在 FDD 系统中作为频域双工器LNALNARF Filter 2IF FilterInjection FilterRF Filter 1MixerIF AMP 通常需要较大的增益并实现增益控制射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 无线接收机10 of 28RF Filter 2 抑制由 LNA 放大或产生的镜像干扰 进一步抑制其它杂散信号 减小本振泄漏Mixer 下变频器 接收机中输入射频信号最强的模块，线性度极为重要，同时要求较低的噪声Injection Filter 滤除来自本振的杂散信号IF Filter 抑制相邻信道干扰，提供选择性 滤除混频器等产生的互调干扰

8、 如果存在第二次变频，需要抑制第二镜频IF Amplifier 将信号放大到一定的幅度供后续电路 ( 如模数转换或解调器 ) 处理 11 of 28超外差 (Super-heterodyne) 结构 射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 超外差 (Super-heterodyne) 结构使用混频器将高频信号搬到一个低得多的中频频率后再进行信道滤波、放大和 解调解决了高频信号处理所遇到的困难。依靠周密的中频频率选择和高品质的射频 ( 镜像抑制 ) 和中频 ( 信道选择 ) 滤 波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范 围，因此长久以来成为了高性能接收机的首

9、选。多次变频为了获得更高的灵敏度和选择性，有时需要通过 2 次或更多次变频，在多个中 频频率上逐步滤波和放大。本振频率的选择本振频率可以高于 (High-side Injection) 或低于 (Low-side Injection) 信号频率，这 取决于所引入镜像干扰的大小和振荡器设计的难易程度。一般来说低频的振荡 器可以获得更好的噪声性能，但是较小的变频范围。 12 of 28偶次失真与半中频 (Half-IF) 干扰本振与干扰的 2 次谐波相混频本振与干扰信号混频后经过二次失真LOIFRF- - 2如果超外差接收机的射频放大器、混频器等电路存在二次失真，将会引起所谓 的 Half-IF

10、问题IFIF- - 2RF + LO- - 2IF/2射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 超外差 (Super-heterodyne) 结构RF + LO22LO 2-= LO RF= IF22LO -RF + LOIF-= 22- -= IF 13 of 28零中频接收机最自然、最直接的实现方法不存在镜像频率不需要镜频抑制滤波器信道选择只需低通滤波器问题在于 0Hz 附近很不安全直流偏移 (DC offset)低频噪声 (1/f noise)直流偏移的成因元件失配电路的非线性 (IP2)自混频 (Self-mixing)OffsetLO LeakageADC射频集成电路设计基础

11、 无线通信系统和收发信机结构 零中频接收机LNALPFLPF090ADC 14 of 28直流偏移的消除 (DC offset cancellation)使用交流耦合 (AC-coupling)射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 零中频接收机 15 of 28谐波混频 (Harmonic mixing)偏移量的估算和扣除 (TDMA 系统 )提高电路的 IP2 ( 差分结构 )DSP 补偿RF-Q3IEEiC1iC2iC3iC4Q1Q2Q4RF+vLOIEEx3x5- - -(for small x)tanh x x + 310 sgn x(for large x)i = iC1

12、 + iC3 iC2 + iC4= iC1 iC2 + iC3 iC4LORF2VTLORF2VT v v 2 v+ v 2tanh - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - tanh - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -= IEE射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 零中频接收机 16 of 28镜像抑制接收机Hartley image-reject receiver90 移相：Hilbert Filter

13、90ABCsin LO tcosLO tvinvout90j射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制接收机jH = j sgn LOccLOLOLO17 of 28jjIFIFjjjj11射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制接收机IFIF 18 of 28Weaver image-reject receiver2cos tACsin 2tsin 1t cos 1t BDvinvoutjjjjAB11CD11IF1IF1IF2IF1 + 22222射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制接收机 19 of 28低中频结构射频集成电路设计基

14、础 无线通信系统和收发信机结构 低中频结构具有与零中频结构类似的优点，同时避免了 DC 附近的问题要求很高的镜频抑制比，需要结合使用抑制镜频的变频结构和额外的镜 频抑制措施镜频陷波滤波器 (notch filter)多相滤波器 (poly-phase filter)数字滤波 20 of 28二次变频宽中频接收机 第一本振为固定频率，整个信号 频段被搬移到第一中频；第二本 振可变，完成调谐功能；第二中 频为 0 中频，使用低通滤波器选 择信道。与零中频接收机相比，直流漂 移和本振泄漏都可以获得较为满 意的解决。固定频率的第一本振和低频的 第二本振使振荡器和频率合成器 的相位噪声可以获得改善。但是

15、第二本振频率较低，要获得大变频范围较为困难。同时由于第一中频处 没有信道选择滤波，所有信道均被放大后进行第二次变频，相邻信道的干扰较 为严重，因此对动态范围要求有所提高。最后，该结构使用两次复混频，镜频干扰基本解决。cosLO1 t sin LO1 t射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 二次变频宽中频接收机yI1 txtyQ1 tcosLO2 tLO2 sintI2y tyQ2 tLO2cost 21 of 28LO1RFRFLO1IF1IF1LO2LO2射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 二次变频宽中频接收机IF2 22 of 28无线发射机直接上变频 (Dire

16、ct-conversion)结构简单功放对本振形成干扰 (LO pulling or injection locking)本振频率可以通过加减一个偏移量来获 得，从而避免 LO pullingI090QMatching NetworkPALOf射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 无线发射机1ffLO = f1f 23 of 28超外差式IQ90PALO2功放与本振之间具有良好的隔离度第一本振频率较低，可以达到较高的调制质量复杂度较高直接数字调制0LO1Frequency SynthesizerBaseband Digital SignalPA射频集成电路设计基础 无线通信系统和收

17、发信机结构 无线发射机 24 of 28附录一 ：镜像抑制混频原理推导Hartley 结构90射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导ABCLPFsin LOt cos LOtLPFvinvoutvinIF= ARF cosRF t + AIMG cos IMGt ，不失一般性，假设 LO RF 即= RF LO = LO IMG , 于是图中 A 点和 B 点的信号分别为ARFAIMG22vA =- - - - - - - - - sin LOt RFt + - - - - - - - - - - - - sin LOt IMGtARF2AIMG2= - - s

18、in IFt + - - sin IF t this step is important! 射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导25 of 28最后在输出端有由于镜像干扰所得到的中频信号被抵消了。vB =- - - - - - - - - cos LOt RFt + - - - - - - - - - - - - cosLOt IMGt=- - cosA 点的信号经过 90 相移以后在 C 点变成vC2ARFAIMG2=- - cos IFt - - cosIFtvout= vC + vB = ARF cos IFt ARF2AIMG2ARF2t + AIMG

19、 cos tIF- -IF226 of 28Weaver 结构LPFsin 1t cos 1tLPF射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导2cos tABCsin 2tDvinvout假设 IF1 = RF 1 = 1 IMG ， IF= IF1 2 = RF 1 2 ，且1 2 ， vin = ARF cosRF t + AIMG cos IMGt ，则在 A 点和 B 点ARF2AIMG2vA = - - sin IF1t + - - - - - - - - - - - - sin IF1tvBARF2AIMG2=- - cos IF1t + - - cosIF1 t 射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导27 of 28在 C 点和 D 点有我们看到由镜像干扰所得到的中频信号号的中频则顺利通过。在输出信号中仍然有镜像干扰引起的分量ARF4ARF4AIMG4AIMG4vC = - - - - - - - - cosIF1 2 t + - - - - - - - - cosIF1 + 2 t + - - - - - - - - - - - cosIF1 2 t - - - - - - - - - - - cosIF1 + 2 tARF4输出信号为ARF4AIMG4AIMG4vD =