无线通信收发机结构

1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2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3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4§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5§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61.2.1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7§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8§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9§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10§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。11§1.2无线通信接收机结构4.二次变频超外差接收机中频选择中遇到的“灵敏度”和“选择性”的矛盾，催生了二次变频超外差接收机的出现，结构如图所示：二次变频超外差接收机结构框图二次变频超外差接收机的优点是电路结构形式简单、性能稳定，缺点是需要较多的分立元件，并且需要很多高频滤波器进行阻抗匹配。另外，由于采用了多次混频，系统内的频率成分较多，需要仔细制定整个接收机系统内部的频率规划。12§1.2无线通信接收机结构1.2.3直接下变频接收机直接下变频接收机也称为零中频接收机，其特点是让本振频率等于载频，则载频为零，于是不存在镜像频率，自然就不会有镜像频率干扰，其结构如图所示：直接下变频方案的原理框图该结构消除了镜像干扰问题，正交下变频产生I和Q信号，以便对信号进一步处理。零中频接收机结构简单、面积小功耗低，故易于单片集成。13§1.2无线通信接收机结构1.2.4低中频接收机结构低中频接收机是从零中频接收机发展而来的，其结构如图所示：低中频接收机结构低中频接收机通过正交下变频器来抑制镜像信号，但与零中频接收机不同的是，下变频后的信号处于比较低的中频由于下变频后的信号不再处于基带，这样就消除了直流失调和散射噪声的影响。14§1.2无线通信接收机结构1.2.5镜频抑制接收机为了解决镜像抑制滤波器难以集成的问题，Hartley和Weaver提出了镜像抑制接收机。在完全理想的情况下，这两种接收机结构可完全消除镜频干扰，它们结构如图所示：Hartley结构镜频抑制接收机Weaver结构镜频抑制接收机15§1.2无线通信接收机结构Hartley结构镜频抑制接收机频谱搬移过程16§1.2无线通信接收机结构Weaver结构镜频抑制接收机频谱搬移过程17§1.2无线通信接收机结构1.2.6数字中频接收机将二次变频超外差接收机拓扑结构中的第二次混频和滤波数字化，便可得到数字中频接收机，其结构如图所示：数字中频方案数字中频接收机的优点是，数字中频的使用避免了I和Q之间的不平衡，实现了完美的镜像干扰抑制。而这种接收机的难点在于对模数转换器的速度、分辨率、噪声性能、线性度和带宽等方面的性能要求很高。18§1.3无线通信发射机1.3.1发射机的主要性能指标（1）平均载频输出功率；（2）射频功率控制；（3）射频输出频谱；（4）杂散辐射；（5）互调衰减。1.3.2发射机的主要结构发射机的主要功能是通过调制、上变频、功率放大和滤波，来完成基带信号到射频信号的转换。发射机的方案相对接收机更为简单，其结构大致可以分为两种：一是直接变换法，即将调制和上变频合二为一，在一个电路里完成。二是两步法，即将调制和上变频分开，先在中频上进行调制，然后再将已调信号上变频到发射的载频上。19§1.3无线通信发射机直接变换正交调制发射机两步变换正交调制发射机20§1.4集成收发系统结构集成收发机包括了接收机和发射机，下图展示了一种超外差式收发机。超外差式收发机结构通常情况下，收发机只需一个本振，接收机和发射机共用。同样，天线也只需要一个。当超外差式收发机结构工作在接收模式时，接收链路开通，而发射链路关闭；当超外差式收发机结构工作在发射模式时，发射链路开通，而接收通路关闭。21§1.5典型应用的集成收发机目前，单片集成收发机的研究热点频段主要集中于ISM频及专用于GSM,TD-SCDMA,PHS,UWB等通信系统的频段。1.5.1GSM收发机GSM系统主要参数22§1.5典型应用的集成收发机下面简要介绍一个用0.25umCMOS工艺实现的低功率GSM-900收发机。这种接收机采用二次变频超外差式结构，中频为71MHz。由2.5V电压供电，接收机仅消耗19.5mA的电流，而发射机消耗55mA的电流，其结构如图所示：GSM收发机的结构框图23§1.5典型应用的集成收发机接收机的性能测试结果24§1.5典型应用的集成收发机发射机的性能测试结果25§1.5典型应用的集成收发机1.5.2应用于无线局域网的收发机目前无线局域网发展十分迅速，与之相关的标准也有很多种，如IEEE802.11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的HiperLAN2等。无线局域网标准比较26§1.5典型应用的集成收发机下面介绍一种典型的WLAN集成收发机，该芯片可以工作在5.15-5.35GHz和2.4-2.5GHz两个频段，采用0.25umCMOS工艺制造。接收机的噪声系数在2.4GHz下为3dB，在5GHz下3.8dB。其结构如图所示：收发机框图27§1.5典型应用的集成收发机测试结果28§1.5典型应用的集成收发机1.5.3应用于无线传感器网络的低功耗发射机无线传感器网络（WSN）是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域。无线传感网络综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息技术等多个学科，是多学科交叉融合的产物。WSN节点的重要特征就是低功耗、低成本和小体积，目前国内外应用于WSN的收发机的研究热点主要基于IEEE802.15.4标准（ZigBee)和UWB。29§1.6集成收发机的发展趋势高集成度：随着集成电路技术的进步，单片集成数字、模拟和射频功能成为了芯片发展的趋势。高工作频率：随着工艺特征尺寸的不断降低，器件的特征频率和最高振荡频率不断提高，使得集成收发机的工作频率越来越高。低工作电压和低功耗：随着无线通信技术的进一步发展，在电池供电的限制条件要求收发机可以工作在更低的工作电压下，消耗的功率越小越好。低成本：低成本是单片集成收发机走向商业应用的基本要求。30本章小结本章从系统的角度介绍了收发信机几种常用的方案，从而明确了组成接收、发射机射频前端的基本部件。同时本章又列举了接收发射机的基本指标，让读者比较全面的了解系统的特性，这对后面具体电路分析与设计具有指导意义。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、发送机的结构和特点，最后介绍了几种典型的现代无线通信集成收发机芯片及集成收发机的发展趋势。