无线通信中射频收发机结构及应用讲解材料课件

理工大学通信工程学院 卫星通信系微波通信教研室 射频微电子学射频微电子学 第一次课第一次课 Date 1 一、课程内容简介 内容安排 第一单元 射频和无线技术简介 2学时 第二单元 射频设计的基本概念 10学时 第三单元 收发信机的组成及特点 10学时 第四单元 低噪声放大器及混频器 10学时 第五单元 振荡源 6学时 第六单元 频综器 10学时 第七单元 功率放大器 8学时 射频微电子学射频微电子学 Date 2 一、课程内容简介 实施方法及考核 讲课、讨论、自学、习题、专题仿真与专题讨论 专题仿真： 低噪声放大器设计；锁相环频率合成器环路滤波器 的设计 专题讨论： 功率放大器线性化技术 考核：平时综合成绩占40%，考试成绩占60% 射频微电子学射频微电子学 Date 3 一、课程内容简介(续) 主要参考书 射频通信电路（第二版），陈邦媛著， 科学出版社，2006 CMOS射频集成电路设计 Thomas H.Lee 著，余志平 周润德等译 ，2006年 射频微电子学射频微电子学 Date 4 一、教学内容及时间安排 11 无线收发信机射频前端功能和特性 12 射频电路在系统中的作用与地位 13 射频电路与微波电路和低频电路的关系 131 频段划分 132 电路的设计考虑 14 集成收发系统结构 15 典型应用的集成收发信机 151 GSM收发机 152 应用于无线局域网的收发机 153 应用于无线传感器网络的低功耗收发机 154 应用于WCDMA 16 无线通信及射频电路技术发展趋势 17 射频电路基础 171 频带宽度表示法 第1章 无线通信中射频收发机结构及应用 Date 5 11 无线收发信机射频前端功能和特性 无线通信收发信机中存在两种变换。在发射端，第一 个变换是输入变换器，它把需要传递的信息变换成电信 号基带信号；第二个变换是发射机将基带信号变换成 其频带适合在信道中有效传输的信号形式已调信号， 这个过程称为调制。 Date 6 发送过程大致如下。 (1)调制：即将基带信号调制到通信载波上，在某些特殊 应用领域还有一个对基带信号加密的步骤或其他步骤。 (2)中放变频：在这一步不但要对调制之后的信号进行放 大，还要将信号变频到实际通信的频段(频道)。 (3)功放：主要将发射信号的功率放大到满足通信(距离) 的要求。 (4)发射天线：将信号有效地发射出去，除了发送功率(效 率)之外，有时还有方向，以及电波传播方式的选择。 11 无线收发信机射频前端功能和特性 Date 7 射频前端指从天线到完成第一次频率变换所需要的电路，这些 电路对射频信号进行处理。然后在下变频器中经过与本地产生 的振荡信号进行混频，来将信号从射频载波变换到中频或者基 带。发送信号时，同接收信号相反，需要将中频或者基带信号 经上变频器变换到射频载波，经过功率放大器放大到一定的功 率，然后经过天线发送出去。 射频前端方框图 11 无线收发信机射频前端功能和特性 Date 10 3、EFT的特性 电感负载开关系统断开时，会在断开点处产生瞬态骚（EFT)脉 冲组成。对110V220V电源线的测量表明，这种脉冲群的幅值在 100V至数千伏之间，具体大小由开关触点的机电特性(如触点打开 的速度，触点断开时的耐压等)决定，脉冲重复频率在lkHz一 1MHz。对单个脉冲而言，其上升沿在纳秒级，脉冲持续期在几十 纳秒至数毫秒之间。 标准IEC6100044(1995)电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 来模拟电快速脉冲群对电气和电子设备的影响，与其对应的国标 是GBT13926492工业过程测量和控制装置的电磁兼容性 电快速瞬变脉冲群要求。 空调、预付费电能表、火灾报警器、加油机控制器等产品都已经 引入了此标准。 13 射频电路与微波电路和低频电路的关系 Date 11 卫星频率，是指卫星用频设备使用的频率：卫星频率是无线电频谱中的一部分，主要 使用VUHF、L、S、C、X、Ku、K、Ka、EHF等频段。卫星常用频段如表2所示。 频频段频频率范围围 主要应应用 V/UH F 1001000M Hz 低轨轨数据通信、遥测测遥控、移动动通 信 L1-2GHz 低轨轨移动动迪信、导导航、气象和侦侦察 S2-4GHz 数据中继继、测测控 C4-7GHz 固定通信、广播电视电视 X7-12GHz 军军事通信、资资源卫卫星等 Ku12-18GHz 固定通信、移动动通信、广播电视电视 K18-27GHz 固定通信、移动动通信 Ka27-40GHz 固定通信、移动动通信、卫卫星链链路 EHF40-60GHz 固定通信、军军事通信 表2 卫星频率常用频段 13 射频电路与微波电路和低频电路的关系 Date 12 3 3电磁频谱电磁频谱 Date 13 3 3电磁频谱电磁频谱 Date 14 射频(Radio Frequency)/微波(Microwave) 无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。 Date 15 3 3电磁频谱电磁频谱 Date 16 Date 17 2微波和射频的定义 当工作频率提高到接近1GHz或者更高，就会出现一些在低频下 没有的现象。一般频率范围从1GHz到300GHz的电磁波称为微波 。在此频段内的信号波长从1mm(对应于频率300GHz)到30cm(对 应于频率1GHz)。通常把从30GHz到300GHz的频率范围特称为毫 米波(因为其波长是在毫米范围)。人们则以0.3GHz到45GHz(S 频带)为射频频段。 13 射频电路与微波电路和低频电路的关系 Date 18 频带名称频率范围 (GHz) 频带名称频率范围(GHz) L带1.02.0S带2.04.0 C带4.08.0X带8.012.0 Ku带12.018.0K带18.026.5 Ka带(毫米波)26.540.0Q带(毫米波)33.050.0 U带(毫米波)40.060.0V带(毫米波)50.075.0 E带(毫米波)60.090.0W带(毫米波)75.0110.0 F带(毫米波)90.0140.0D带(毫米波)110.0170.0 G带(毫米波)140.0220.0 IEEE和工业用微波波段的定义 13 射频电路与微波电路和低频电路的关系 Date 19 132 电路的设计考虑 1低射频电路的设计考虑 低射频电路中，可以忽略其电波的传播效应。设计过程考虑如下三 个特点： 电路的长度远小于波长，即； 传播延时趋近于零，即； 麦克斯韦方程简化为低频下的定律，如基尔霍夫电压和电流定律 (KVL和KCL)与欧姆定律。因此，在射频频率，当，传播延时近似 为零，并且所有电路中的元件可以认为是集总的。设计过程包含三 个步骤： Date 20 2高射频和微波电路 对于高射频和微波电路，其中可以有一个或几个集总元件，但至 少要有一个分布式元件。 对于分布电路，具有下述三个特点： 1.必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念； 2.电路要有大的电长度，物理长度与电路中信号传播的波长可比拟 ； 3.信号传播延时不再可忽略。 高射频和微波电路的设计过程如下： 1.开始时进行直流电路设计，以建立稳定的工作点； 2.利用电磁波测量器件各端口的反射和传输系数； 3.设计匹配网络使器件与外界连接，如稳定性、增益等。 Date 21 14 集成收发系统结构 射频电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求，任何基本单 元电路(如放大器、混频器等)应当确定其性能优良和可靠。利用开 关共用个天线可以减小集成收发机的体积，出于这种考虑，开关 在大多数的集成收发机中得到了应用。 超外差式收发机结构 Date 22 151 GSM收发机 15 典型应用的集成收发信机 GSM900GSM1800 上行频频率 880915 MHz17101785 MHz 下行频频率925.4960MHz18051880MHz 信道间间隔 200kHz 200kHz 多址方式 TDMA/FDM TDMA/FDM 双工方法 FDDFDD 每信道用户户数88 调调制方式 GMSK；BT=0.3GMSK；BT=0.3 信道比特率270.833 kb/s270.833 kb/s 表13GSM-900和GSM1800的主要参数 GSM-900和GSM1800的主要参数 Date 23 GSM收发机的结构框图 15 典型应用的集成收发信机 Date 24 这种接收机采用二次变频超外差式结构，中频为71MHz，包括滤 波器在内的最差噪声系数为8.1dB，数字控制的总增益范围超过 98dB。发射机采用直接变频结构，集成了个移相器(Phase Shifter)，发射的GMSK信号的平均均方根相位误差小于2。该收发 机由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。 152 应用于无线局域网的收发机 无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。 15 典型应用的集成收发信机 Date 25 152 应用于无线局域网的收发机 无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。 Intersil公司新近推出的Prism Duette是双频带(5GHz(802.11a) 和2.4GHz(802.11b、802.1lg)无线局域网解决方案，该网络能传 输高达54Mbps数据率的视频、语音和数据，并且向下兼容现有的 Wi-Fi系统PrismDuette双频带芯片组的总体结构。它的核心由两 大芯片ISL3690(高集成UHF2双频带零中频收发机)和ISL3890(集 成基带处理器/媒体访问控制器BBP/MAC)组成，实现全 IEEE802.11a/b/S无线局域网MAC协议。 15 典型应用的集成收发信机 Date 26 标 准 频 段 调制方式数 据 率 HomeRF2.4GHzFH12Mb/s Bluetooth2.4GHzFH1 Mb/s 802.112.4GHzFH/DS12Mb/s 802.11b 2.4GHzDS可达11Mb/s 802.1lS2.4GHzOFDM 可达54Mb/s 802.11aa5GHzDMT/OFDM 654Mb/s HiperLAN25GHzGMSK可达24Mb/s 目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较 Date 27 目前能提供全集成的无线局域网收发机芯片的厂商已不少，其技 术日趋成熟。下面介绍一种典型的WLAN集成收发机，该芯片可以 工作在5.155.35GHz和2.42.5GHz两个频段，同时满足 IEEE802.11 a/b/g 三种标准，采用0.25mCMOS工艺制造。中心频 率为3.8GHz的片上集成VCO和频率综合器的相位噪声为1.35 rms 。发射机在输出功率约为3 dBm时，EVM值约为33dB(2.4GHz)， 而在输出约为7dBm时，EVM约为29dB(5GHz)。接收机的噪声系 数在2.4GHz下为3dB，在5GHz下为3.8dB。芯片总面积为25。 Date 28 153 应用于无线传感器网络的低功耗收发机 无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是当前 实际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域 。所谓无线传感器网络，是指由部署在监测区域内的大量廉价 的小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感知、监测 各种环境或目标对象信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处 理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知 的信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念 。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、分布式智能信息处理技术等多个学科， 是多学科交叉融合的产物。 721 直击雷、感应雷与浪涌 Date 29 154 应用于WCDMA GSM的缺点是数据率低和频谱利用率低，这是第二代移动通信系统 进一步发展的瓶颈。应运而生的是宽带码分多址接入系统(WCDMA)其 突出优点是数据率高和频谱利用率高，可支持384Kbps到2Mbps不等 的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供384Kbps的传输速率； 而在低速移动或是室内环境下，则可提供高达2Mbps的传输速率。 WCDMA是由欧洲和日本发起的，其中每个5MHz信道只使用单路载 波，码片率为4.096Mbps，数据传输速率为2Mbps。基于WCDMA的 通用移动通信系统(UMTS，Universal Mobile Telecommunication Systems)，是所谓的第三代(3G)移动通信系统。3G系统开展的业务 定位为：提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球性覆盖，具 有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时 候、任何地点进行任何种类通信，这将给广大用户带来极大的便利。 Date 30 无线通信及射频电路技术的发展趋势如下。 (1)高频率化：从高频(HF)、甚高频(VHF)、特高频(UHF)、微波(MW) 、毫米波(MMW)至太赫兹(THz)，达到增加有效通信带宽的目的。 (2)高速率化：这也要求射频电路技术能适应高速率的数据传输，以 满足实时传输声音、数据、图像等多媒体大容量信息的需要。 (3)集成化和小型化：射频和数字部分能集成在同块芯片 (4)低功耗：便于携带、工作时间长和功能多是无线通信的一个发展 方向。 16 无线通信及射频电路技术发展趋势 Date 31 (5)数字化/软件化：软件无线电将会是无线通信的通用实现方式， 故需要射频和数字硬件电路在不同频率/制式下实现无线通信系统之 间的互连互通、一机多用。(6)低价与人性化： 集成收发机的发展趋势 随着低压低功耗数模混合电路设计技术、片上系统(SoC)、可编程 片上系统(SoPC)、可重构等技术的发展，以及CMOS、GaAs、 InP等工艺特征尺寸的进步降低和IC设计制造工艺的提高，单片 集成收发机正朝着更高的集成度、更高的工作频率、更低的工作电 压和功耗、更低的成本方向发展。 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 功能成为了芯片的发展趋势。 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： 低成本： 16 无线通信及射频电路技术发展趋势 Date 32 微波站 Date 33 无源中继站（实物照片） 反射板式无源中继站 Plane reflectors 双抛物面无源中继站 Parabolic reflectors 中继站 1.6.3射频技术的应用 Date 34 机载载多普勒雷达 中国新型空警-2000预警 1.6.3射频技术的应用 Date 35 全球卫星导航和定位系统全球卫星导航和定位系统 无线电导航无线电导航 1.6.3射频技术的应用 Date 36 一、军用雷达设备一、军用雷达设备 1.6.3射频技术的应用 Date 37 国产JYL-1远程三坐标警戒引导雷达.jpg 1.6.3射频技术的应用 Date 38 2. 圆锥扫描雷达的组成 圆锥扫描雷达组成方框图 Date 39 雷达系统原理图 1发射机 2隔离器 3天线收发转换开关 4馈线波导 5旋转关节 6辐射器 7天线反射器 8混频器 9可变衰减器 10本地振荡器 11中频接收机 Date 40 照相侦察卫星。 美车锁眼“KH-12”卫星 1.6.3射频技术的应用 Date 41 北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统由空间段 、地面段和用户段三 部分组 成，空间段包括5颗静止轨道 卫星和30颗 非静止轨道卫星 ，地面段包括主控站、注入 站和 监测站等若干个地面站 ，用户段包括北斗用户终 端 以及与其他卫星导航系统兼 容的终端。 1.6.3射频技术的应用 Date 42 1.6.3射频技术的应用 Date 43 1.6.3射频技术的应用 Date 44 从典型RF系统看本课程内容设置 无线通信系统原理框图 1.6.3射频技术的应用 Date 45 1.6.3射频技术的应用 Date 46 1.6.3射频技术的应用 Date 47 1.6.3射频技术的应用 Date 48 华为推出世界上最快的四核智能手机-华为腾飞D(HuaweiD)四核 。此款手机拥有1.2GHz/1.5GHz华为K3V2四核处理器、4.5英寸 智能手机中最为紧凑的设计、扩大手机用户应用范围的 Android4.0操作系统以及可节电高达30%的华为专有的电源管理 系统。 速度、长电池寿命、高品质视听能力、紧凑轻便的设计。华为 腾飞P1S(Huawei刷新了新的世界记录，成为了世界上最轻薄的智 能手机。 1.6.3射频技术的应用 Date 49 RF/MW系统通常由这样几类装置组成： 无源器件：完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等 功能的装 置，没有进行微波能量与其他能量（如直流） 的转换,如滤波器， 双工器，耦合器等。 有源器件：产生、放大、变换微波信号和功率的装置， 一般要将微 波能量与其他能量进行转换。 正是上述装置构成了本课程内容。 当然，RF/MW应用还涉及其他重要方面，如电波传播 、RF/MW测量，RF/MW仿真与计算等。尽管很重要， 由于课时有限，本课程不讲 1.6.3射频技术的应用 Date 50 171 频带宽度表示法 绝对带宽 2 相对带宽 为中心频率 17 射频电路基础 Date 51 百分比法RBW和倍数法K都可以表示相对带宽，两者的转换关系为 例11 一个射频低噪声放大电路的频率范围为： 3.4GHz， 4.2GHz。请计算绝对带宽BW、相对带宽RBW和倍数法表示的带 宽K，并判断该放大电路是否属于宽带放大电路。 解： 绝对带宽BW为 BW(Hz)=4.2GHz3.4GHz0.8GHz 相对带宽RBW为 或者用分贝表示为 17 射频电路基础 Date 52 1.5 分贝的概念与应用 1.6.1 分贝的定义 (2)电压 (1)功率 Date 53 (3)电流 电流的单位有安(A)、毫安(mA)、微安(A)，电压的分贝单位 (dBA、dBmA、dBA)表示为： (4)电场强度 (V/m)、(mV/m )、(V/m)，电场强度的分贝单位(dBV/m、dBmV/m、 dBV/m)表示为： Date 54 (5)功率密度 (6)功率密度 Date 55 电平单位转换（电阻为7550） 转换转换 关系 dBW(新单单位 ） dBm(新单单位）dBmV(新）dBV(新） dBW(原单单位 ） 0+30+78.75/+77138.75/+137 dBm(原单单位 ） -300+48.75/+47+108.75/+107 dBmV(原单单位 ） -78.75/-77-48.75/-470+60 dBV(原） -138.75/- 137 -108.75/-107-600 电平单位转换（电阻为7550 ) Date 56 dBm毫瓦dBm毫瓦dBm毫瓦 011750342.5W 11.31864353.0W 21.61980364.0W 3220100375W 42.521128386W 53.222160398W 64232004010W 75242504113W 86253204216W 98264004320W 1010275004425W 1113286404532W 1216298004640W 1320301W4750W 1425311.3W 4864W 1532321.6