无线通信收发机结构

第1章无线通信收发机结构教学重点本章在介绍无线通信收发机低噪声放大微弱的接收信号、输出足够的发射功率、搬移信号的频谱、调制各种载波等主要功能和收发机的主要性能指标的基础上，阐述超外差式、零中频、低中频、数字中频等接收机的结构和特点，最后介绍了集成收发机的发展趋势。

教学重点教学重点掌握：超外差式、零中频、低中频、数字中频等接收机的结构和特点。了解：典型应用的集成收发机、集成收发机的发展趋势。熟悉：发射机的主要结构、收发机的主要性能指标、集成收发系统结构。能力要求本章目录第一节概述第二节无线通信接收机结构第三节无线通信发射机第四节集成收发系统结构第五节典型应用的集成收发机第六节集成收发机的发展趋势

知识结构

无线通信收发机结构概述无线通信接收机结构无线通信发射机集成收发系统结构典型应用的集成收发机集成收发机的发展趋势接收机的性能指标超外差式接收机直接下变频接收机低中频接收机结构镜频抑制接收机数字中频接收机应用于无线传感器网络的低功耗收发机应用于无线局域网的收发机GSM收发机发射机的主要结构发射机的主要性能指标§1.1概述

收发机由发射机和接收机组成。设计一个收发机，首先不仅要考虑频谱、灵敏度、选择性、功率、效率等性能指标，还要考虑功耗、成本及电路复杂度等因素，再决定选用哪种结构。（1）发射机发射机射频部分的功能是完成基带信号对中频载波的调制，将其上变频至特定的RF频段，对已调制的RF信号放大，以足够的功率馈入天线，经天线有效的发射出去。其结构如下图：发射机前端的框图§1.1概述（2）接收机接收机从空间中接收到微弱信号，通过射频滤波器从众多的电波中选出有用信号，并经过低噪声放大到解调器所要求的电平值后，再由解调器解调，将频带信号变为基带信号，其结构如下图所示：接收机射频前端框图1.2.1接收机的性能指标接收机完成的主要功能是选出从天线接收的有用信号，下变频放大到基带后由解调器解调，实现频带信号到基带信号的转换。接收机的结构有三类：超外差结构；直接下变频结构，也称为零中频结构；低中频结构。接收机的主要性能指标有：（1）高增益；（2）频率选择性；（3）隔离度；（4）灵敏度；（5）阻塞和杂散响应抑制；（6）互调分量抑制；（7）邻道干扰抑制；（8）杂散辐射抑制。§1.2无线通信接收机结构§1.2无线通信接收机结构1.2.2超外差式接收机

1917年，阿姆斯特朗发明了超外差式接收机，如今这种经典的接收机结构仍广泛的应用在各种无线通信系统中。1.超外差接收机的基本结构工作过程：从天线接收的信号经过射频带通滤波器，滤去带外干扰并压缩镜像信号后，经低噪声放大器线性放大后与本地振荡信号进行混频，下变频为一固定中频信号，再通滤波、中频放大后提取出有用信号进行解调。结构如下：超外差接收机射频部分的结构框图§1.2无线通信接收机结构2.超外差接收机的干扰分析（1）组合频率干扰在通信射频电路中，通常是产生频率容易，抑制不需要的频率难。由于下变频器的非线性效应，产生众多组合干扰频率，通常把这些组合频率引起的干扰称为寄生通道干扰，如下图所示：

组合频率引起的寄生通道干扰§1.2无线通信接收机结构（2）镜像频率干扰有用的射频信号和镜像频率信号经过下变频后，频谱交叠在一起，无法用中频滤波器将干扰信号的频率滤除，这样会降低中频输出的信噪比。从镜像干扰产生的机理可知，消除镜频干扰最简单的办法就是阻止镜像频率信号进入下变频器，而完成这个功能的器件是下变频器前的频带选择滤波器。镜像干扰的产生如下图所示：“镜频干扰”的产生§1.2无线通信接收机结构3.接收机的中频选择增大中频频率，可以更加有效地衰减镜像频率信号。因此，超外差接收机的一个重要问题是如何选择合适的中频频率。由镜像原理可知，高的中频使镜像频率远离有用信号，利于抑制频率干扰和提高输出中频信噪比。但高中频使具有相同Q值的中频滤波器的绝对带宽变大，必然会降低相邻信道的抑制能力。但是接收机选择有用信道而抑制邻道干扰主要是依靠信道选择滤波器，因此高的中频降低了接收机的信道选择性。因此，中频的选择考虑的是“灵敏度”和“选择性”这一矛盾的折中。中频值的选择主要根据接收机对镜像干扰的抑制要求和滤波器的可实现性。§1.2无线线通通信信接接收收机机结结构构4.二次次变变频频超超外外差差接接收收机机中频频选选择择中中遇遇到到的的““灵灵敏敏度度””和和““选选择择性性””的的矛矛盾盾，，催催生生了了二二次变变频频超超外外差差接接收收机机的的出出现现，，结结构构如如图图所所示示：：二次次变变频频超超外外差差接接收收机机结结构构框框图图二次次变变频频超超外外差差接接收收机机的的优优点点是是电电路路结结构构形形式式简简单单、、性性能能稳定定，，缺缺点点是是需需要要较较多多的的分分立立元元件件，，并并且且需需要要很很多多高高频频滤滤波波器器进行行阻阻抗抗匹匹配配。。另另外外，，由由于于采采用用了了多多次次混混频频，，系系统统内内的的频频率率成成分较较多多，，需需要要仔仔细细制制定定整整个个接接收收机机系系统统内内部部的的频频率率规规划划。。§1.2无线线通通信信接接收收机机结结构构1.2.3直接接下下变变频频接接收收机机直接接下下变变频频接接收收机机也也称称为为零零中中频频接接收收机机，，其其特特点点是是让让本本振频频率率等等于于载载频频，，则则载载频频为为零零，，于于是是不不存存在在镜镜像像频频率率，，自自然然就不不会会有有镜镜像像频频率率干干扰扰，，其其结结构构如如图图所所示示：：直接接下下变变频频方方案案的的原原理理框框图图该结结构构消消除除了了镜镜像像干干扰扰问问题题，，正正交交下下变变频频产产生生I和Q信号号，，以便便对对信信号号进进一一步步处处理理。。零零中中频频接接收收机机结结构构简简单单、、面面积积小小功功耗耗低，，故故易易于于单单片片集集成成。。§1.2无线线通通信信接接收收机机结结构构1.2.4低中中频频接接收收机机结结构构低中中频频接接收收机机是是从从零零中中频频接接收收机机发发展展而而来来的的，，其其结结构构如如图所所示示：：低中中频频接接收收机机结结构构低中中频频接接收收机机通通过过正正交交下下变变频频器器来来抑抑制制镜镜像像信信号号，，但但与与零中中频频接接收收机机不不同同的的是是，，下下变变频频后后的的信信号号处处于于比比较较低低的的中中频频由于于下下变变频频后后的的信信号号不不再再处处于于基基带带，，这这样样就就消消除除了了直直流流失失调调和散散射射噪噪声声的的影影响响。。§1.2无线线通通信信接接收收机机结结构构1.2.5镜频抑抑制接接收机机为了解解决镜镜像抑抑制滤滤波器器难以以集成成的问问题，，Hartley和Weaver提出了了镜像像抑制制接收收机。。在完完全理理想的的情况况下，，这两两种接收收机结结构可可完全全消除除镜频频干扰扰，它它们结结构如如图所所示：：Hartley结构镜镜频抑抑制接接收机机Weaver结构镜镜频抑抑制接接收机机§1.2无线通通信接接收机机结构构Hartley结构镜镜频抑抑制接接收机机频谱谱搬移移过程程§1.2无线通通信接接收机机结构构Weaver结构镜镜频抑抑制接接收机机频谱谱搬移移过程程§1.2无线通通信接接收机机结构构1.2.6数字中中频接接收机机将二次次变频频超外外差接接收机机拓扑扑结构构中的的第二二次混混频和和滤波数字字化，，便可可得到到数字字中频频接收收机，，其结结构如如图所所示：：数字中中频方方案数字中中频接接收机机的优优点是是，数数字中中频的的使用用避免免了I和Q之间的的不平平衡，，实现现了完完美的的镜像像干扰扰抑制制。而而这种种接收收机的难点点在于于对模模数转转换器器的速速度、、分辨辨率、、噪声声性能能、线线性度和带带宽等等方面面的性性能要要求很很高。。§1.3无线通通信发发射机机1.3.1发射机机的主主要性性能指指标（1）平均均载频频输出出功率率；（（2）射频频功率率控制制；（3）射频频输出出频谱谱；（（4）杂散散辐射射；（（5）互调调衰减减。1.3.2发射机机的主主要结结构发射机机的主主要功功能是是通过过调制制、上上变频频、功功率放放大和和滤波，来来完成成基带带信号号到射射频信信号的的转换换。发发射机机的方方案相相对接收机机更为为简单单，其其结构构大致致可以以分为为两种种：一一是直直接变变换法，即即将调调制和和上变变频合合二为为一，，在一一个电电路里里完成成。二二是两步法法，即即将调调制和和上变变频分分开，，先在在中频频上进进行调调制，，然后再将将已调调信号号上变变频到到发射射的载载频上上。§1.3无线通通信发发射机机直接变变换正正交调调制发发射机机两步变变换正正交调调制发发射机机§1.4集成收收发系系统结结构集成收收发机机包括括了接接收机机和发发射机机，下下图展展示了了一种种超外差差式收收发机机。超外差差式收收发机机结构构通常情情况下下，收收发机机只需需一个个本振振，接接收机机和发发射机机共用用。同样，，天线线也只只需要要一个个。当当超外外差式式收发发机结结构工工作在在接收收模式时时，接接收链链路开开通，，而发发射链链路关关闭；；当超超外差差式收收发机机结构工工作在在发射射模式式时，，发射射链路路开通通，而而接收收通路路关闭闭。§1.5典型应应用的的集成成收发发机目前，，单片片集成成收发发机的的研究究热点点频段段主要要集中中于ISM频及专用用于GSM,TD-SCDMA,PHS,UWB等通信信系统统的频频段。。1.5.1GSM收发机机GSM系统主主要参参数§1.5典型应应用的的集成成收发发机下面简简要介介绍一一个用用0.25umCMOS工艺实实现的的低功功率GSM-900收发机机。这这种接接收机机采用用二次次变频频超外外差式式结构构，中中频为71MHz。由2.5V电压供电电，接收收机仅消消耗19.5mA的电流，，而发射机机消耗55mA的电流，，其结构构如图所所示：GSM收发机的的结构框框图§1.5典型应用用的集成成收发机机接收机的的性能测测试结果果§1.5典型应用用的集成成收发机机发射机的的性能测测试结果果§1.5典型型应应用用的的集集成成收收发发机机1.5.2应用用于于无无线线局局域域网网的的收收发发机机目前前无无线线局局域域网网发发展展十十分分迅迅速速，，与与之之相相关关的的标标准准也也有有很很多种种，，如如IEEE802.11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的HiperLAN2等。。无线线局局域域网网标标准准比比较较§1.5典型型应应用用的的集集成成收收发发机机下面面介介绍绍一一种种典典型型的的WLAN集成成收收发发机机，，该该芯芯片片可可以以工工作作在5.15-5.35GHz和2.4-2.5GHz两个个频频段段，，采采用用0.25umCMOS工艺制制造造。。接接收收机机的的噪噪声声系系数数在在2.4GHz下为为3dB，在在5GHz下3.8dB。其其结结构构如如图图所所示示：：收发发机机框框图图§1.5典型型应应用用的的集集成成收收发发机机测试试结结果果§1.5典型型应应用用的的集集成成收收发发机机1.5.3应用用于于无无线线传传感感器器网网络络的的低低功功耗耗发发射射机机无线线传传感感器器网网络络（（WSN）是是当当前前国国际际上上备备受受关关注注的的、、多多学学科高高度度交交叉叉的的新新兴兴前前沿沿热热点点研研究究领领域域。。无无线线传传感感网网络络综综合合了了传感感技技术术、、嵌嵌入入式式计计算算技技术术、、现现代代网网络络技技术术、、无无线线通通信信技技术术、、分布布式式智智能能信信息息技技术术等等多多个个学学科科，，是是多多学学科科交交叉叉融融合合的的产产物物。。WSN节点点的的重重要要特特征征就就是是低低功功耗耗、、低低成成本本和和小小体体积积，，目目前国国内内外外应应用用于于WSN的收收发发机机的的研研究究热热点点主主要要基基于于IEEE802.15.4标准准（（ZigBee)和UWB。§1.6集成成收收发发机机的的发发展展趋趋势势高集集成成度度：：随随着着集集成成电电路路技技术术的的进进步步，，单单片片集集成成数数字字、、模拟拟和和射射频频功功能能成成为为了了芯芯片片发发展展的的趋趋势势。。高工工作作频频率率：：随随着着工工艺艺特特征征尺尺寸寸的的不不断断降降低低，，器器件件的的特特征频频率率和和最最高高振振荡荡频频率率不不断断提提高高，，使使得得集集成成收收发