（信号与信息处理专业论文）移动终端射频系统及lna模块研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t c o r r e s p o n d i n g t h e f a s t d e v e l o p m e n t o f m o b i l e c o m m u n i c a ti o n . t h e d e s i g n o f m o v a b l e t e r m i n a t i o n c i r c u i t b e c a m e o n e o f h o tt e s t i n d u s t ry . i t s r f p a r t s h a v e b e c o m e t h e b o t t l e n e c k o f t h e t e r m i n a l c i r c u it d e s i g n b e c a u s e o f l o w i n t e g r a t i o n a n d e x o r b i t a n t r e q u i r e t o t h e r f d e s ig n e r . f r o m t h e d e v e l o p m e n t a n d n e t w o r k s s t r u c t u r e o f t h e m o d e m m o b i le c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m , t h e p a p e r m a d e u s k n o w n s o m e t h i n g a b o u t t h e w i r e l e s s m o b i l e t e r m i n a l . f o r t h e d e m a n d i n g o f m o d e m c o m m u n i c a t i o n s , s o m e p o p u l a r t r a n s c e i v e r s a r c h i t e c t u r e s w e re a n a l y z e d i n t h i s p a p e r t o o . i n t r o d u c e t h e h a n d s e t s i g n a l fl o w . t h e n , e x p l a i n s t h e d e s i g n b o t t l e n e c k o f h a n d s e t i s r f d e s i g n . a b o u t t h e a r c h i t e c t u r e , p e r f o r m a n c e , m e ri t , s h o r tc o m i n g a n d t h e s o l u t i o n o f t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r f o r t r a n s c e i v e r , h a s b e e n d i s c u s s e d d e t a i l勿 d e ta i l . i n tr o d u c e t h e i m p o r ta n c e o f t h e a m p l i f i e r m o d u l e i n t h e r f s y s t e m ., w e t a l k a b o u t b a s i c t h e o ry o f t h e l n a a n d i t s d e s i g n m e t h o d s a n d s t e p . w e u s e t h e a t 3 4 1 4 3 b j t o f a g i l e n t w i t h a d s 2 0 0 4 a d e s i g n e d l n a c i r c u i t w h i c h c o u l d b e u s e d i n wc d ma h a n d s e t re c e i v e r s y s te m . b y s i m u l a t i o n w e f i n d t h a t a l l r f i n d e x e s c a n b e s a t i s fi e d . a c c o r d i n g t o t h e t e s t a n d e v a l u a t i o n t o t h e r f m d s p o l a r i s 2 t o t a l r a d i o mo d u l e c h i p s e t . w e me a s u r e d a l l r f i n d e x e s o f t h e t r a n s mi t t e r a n d t h e r e c e i v e r , i n t h e c o u r s e o f t h e t e s t ,w e s u m m e d u p a l l k i n d s o f e r ro r s re a s o n a n d t h e f a u l t i n t h e e l e c t ri c a l s y s t e m w h i c h re s u l t i n s o m e t e s t t a r g e t i s f a i l e d . a l l t h o s e e x p e r i e n c e i s v e ry im p o rt a n t t o o u r r f c i r c u i t d e s i g n . i n t h e e n d w e l o o k e d f o r w a r d t o t h e f u t u r i ty o f t h e r f s y s t e m o f t h e mo v a b l e t e rm i n a t i o n . k e y w o r d s : r f s y s t e m , t r a n s c e i v e r , l n a , a d s 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内 容: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本; 学校有权保存学 位论文的印 刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文; 学校有权提供 目 录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印 件和电 子版;在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动 。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师 同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名 : 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长 5 年，可少于 5 年) 秘密*1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于 1 0年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少千 2 0 年 ) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由 本人承担。 学位论文作者签名: 年月日 第一章 引言 第一章 引言 第一节 无线移动通信的发展 自1 8 9 7年马可尼( m a r c o n i ) 第一次在英格兰海峡里向人们展示了 行驶船只 之间保持连续不断通信的能力以来，全世界的人们都在热切期盼使用无线移动 通信技术。早期移动通信领域的发展是缓慢的，这与当时技术的发展有关。六 十年代末， a t 而g s m 所采用的是g m s k 调制。 q p s k 与g m s k 调制输出 的信号都被称为i / q 信号。 c d m a 手机的i / q 信号的频率是6 0 0 多k h z ; g s m 手 机的工 /q信号频率则是6 0 多k h z . 对于c d m a 来说， 基站中的调制是过滤得q p s k ，移动电话中是过滤的偏置 q p s k . i / q 信号 ( 模拟信号) 被送到射频电路中，经工 /q 调制后，将包含数据信 息的低频模拟信号i / q 信号转换为包含数据信息的高频率射频信号。射频信号 第二章 移动终端系统结构组成 经功率放大后，再由天线将高频电磁波辐射出去. 在接收方面，接收天线将高频电磁波转换为高频信号电流，然后在接收机 中对信号进行一系列的逆向处理，还原出模拟的话音信号 ( 参见图2 . 3 )。 2 . 4 . 4手机设计的瓶颈 由上述信号流程可知，手机整机设计可分为射频级和基带级两大部分。基 带部分完成对频率较低的数字信号或模拟信号的处理功能，而射频部分要处理 的是宽 动态范围的高频模拟信号; 手机设计的难点在于射频设计， 主要原因: 1 . 射频设计涉及多个学科领域，要求设计师具有较宽知识面。2 . 射频级的集成 电路还处发展阶段，某些器件需要外接。模块之间存在的匹配问题，噪声、功 率与频率、增益、供电电压、线性度之间的平衡关系，都给设计造成了困难。 3 . 射频电路的计算机辅助设计和综合工具还处于起步阶段，对射频部分器件的 非线性、时变特性、电路的分布参数和不稳定性以及一些外接部件都缺乏精确 的模型，给仿真工作带来很大困难; 射频电路的设计在很大程度上还取决于设 计师的经验和实际调试。因此，射频设计是手机设计的瓶颈。但同时，手机射 频设计也是整个手机系统设计最富挑战性的工作。 第五节 多址接入 无线通信的飞跃发展在于多个用户共享同一频率的技术，这个技术成为多 址接入。这里有3 种多址接入方式:频分多址 ( f d m a )、时分多址 ( t d m a )和 码 分 多 址( c d m a ) “ . . 在无线通信系统中，需允许用户在接收基站信息的同时能够向基站发送信 息。例如，传统的电话系统可以同时听、说，这种方式就被称为双工。 双工的 实现可以 通过频分与时分技术实现。分别称为频分双工 ( f d d , f r e q u e n c y d i v i s i o n d u p l e x i n g )与时分双工 ( t d d , t i m e d i v i s i o n d u p l e x i n g )。 频分双工为每个用户提供两个不同频段的频率信号。前向信道提供基站到 移动用户的通信，反向信道提供移动用户到基站的通信。在频分双工中，任何 一个双工信道都包含两个单一信道，并且一个被称为双工器的器件被用在用户 设备中， 以 允许双工信道能同时进行无线信号的接收与发射. 现在的g s m 手机、 第二章 移动终端系统结构组成 c d m a 手机及早期的e t a c s 模拟移动电 话都是 采用频分双工的。 时分双工用时间代替频率来提供前向 与反向链路。如果在前向、反向之间 进行时隙分离的时隙槽 ( t i m e s l o t )小，则发射接收可以同时进行。 t d m a , f d m a , c d m a 三种主要接入技术被用来共享无线通信的可用频段。 这 些技术的组合可以用于窄带或宽带通信系统。 2 . 5 . 1频分多址 ( f d m a ) f d m a 分配不同的 信道给不同的 用户， 每个用户被分配一个单独的 频段或信 道，这些信道被分配给请求服务的用户。 但在通信期间不允许另外的用户来共 享这个信道。 在f d d 中， 一个双工频率对被分配给一个用户， 一个频率用于发 射，另一个用于接收。 它通过不同的 信号频率来区 分用户， 如图1 - 1 5 所示。 f d m a 有如下特点: 一个时间内，一个f d m a 信道只允许一个用户使用; 如果某一个f d m a 信道没有被使用， 那么它处于空闲状态， 不能 被其他用户 使用以提高系统容量，造成一种资源浪费; 一个语音信道建立后，基站与移动台同时连续工作; f d m a 信道带宽较窄，通常f d m a 被用于窄带系统。 2 . 5 . 2时分多址 ( t d m a ) t d m a 系统把无线频谱分为若干个时隙， 在每个时隙内只允许一个前向 或反 向链路工作，每个用户占据周期性重复的一个时隙。这样，一个信道可以看作 是多个连续帧内的一个特定时隙，一帧内可能有 n个时隙。t d m a使用 b u f f e r - a n d - b u r s t 方法传输数据， 因此， 每个用户的传输是不连续的。 这意味 着不同于f d m a 采用模拟的f m( 调频)，数字信号或数字调制被用于t d m a 。来 自 不同用户的发射信号交互出 现在一个如图2 . 8 所示的帧结构中。 第二章 移动终端系统结构组成 报头信息 时隙1时隙2 时隙3时隙n 训练同步 信息数据守候 图2 . 8 t d m a 帧结构 t d m a 的特点大致如下: ( 1 ) 在t d m a 中，几个用户共用一个单频率，且每个用户的时隙不重复，每 个帧内的时隙的多少取决于几个因素，如调制技术、可用频带等。 ( 2 ) 在t d m a 系统中， 用户数据传输是不连续的， 而出现在突发脉冲( b u r s t ) 中，用户的发射机可以在其接收期间，以减低电源消耗。 ( 3 ) t d m a使用不同的时隙给前向 和反向链路，所以 双工器可以不用于用户 设备中。 即使是使用了f d d 技术， 一个开关电路即可在用户设备中进行符合t d m a 规则的接收与发射转换。 因为传输速率通常比f d m a 高， 自 适应均衡技术在t d m a 系统中经常是必需的。 ( 4 ) 在t d m a 中，守候时隙 ( g u a r d t i m e ) 被缩小， 为了减小守候时间，在 时隙边缘的信号被锐利截止。如发射频谱扩展，则将引起邻近信道的干扰。 ( 5 )因为t d m a 系统采用突发脉冲传输，因 此系统中 需要有高要求的同步操 作。 t d m a传输被分为一个个时隙，要求接收机与每个数据脉冲保持同步。 g s m 手机采用了频分多址与时分多址的结合 ( f d m a / t d m a )，它用不同的频 率对来区分不同的信道，用不同的时间段 ( 也称为时隙) 来区分用户。 2 . 5 . 3码分多址 ( c d m a ) c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 用 户共享一 个公 共的 频率信 道。 所有的用户可在同一时间使用同一频率信道. 每对用户被分配一个独特的c o d e , 以防止干扰的出现。 c d m a 的通信好像鸡尾酒会，许多客人在同一时间、同一地点进行交换。但 第二章 移动终端系统结构组成 每对客人进行交谈时所讲的语言各不相同.由于使用了不同的语言交换，交谈 着可以 很轻松地听到讲同一语言的声音内容， 并排除了其他语言的干扰。 c d m a 有独特的特征， 使其成为有效的、 高质量的无线解决方案。 c d m a有 如下几个方面的特点: ( 1 )因c d m a采用宽带传输，所以c d m a移动通信的抗多径衰落、抗阴 影效应、抗多普勒效应的能力均比 其他多址方式强. ( 2 )对于 c d m a系统在信道中传输的有用信号的功率比千扰信号的功率 低得多，因此信号仿佛隐蔽在噪声之中。信号频谱扩展得越宽、功率谱密度越 低，信号越隐蔽。 ( 3 ) c d m a系统利用地址码相关特性获取信息，因而它的防截获能力和抗 干扰能力强。 ( 4 ) c d m a系统容量具有软特点。 c d m a系统设计不存在忙时率问 题， 系 统忙时通话用户增多， 则通信质量降低，信噪比 下降; 系统闲时通话用户减少， 则通信质量上升。 ( 5 )越区软切换， 系统不必进行频率管理。 由于c d m a系统的各小区采用 同一频率， 当 移动台 在小区间 漫游时， 不需要像f d m a . t d m a系统那样重新 分配频率资源和倒换时隙， 也不需额外配置硬件， 属软切换。 在c d m a系统中， 小区的可用信道数与邻近小区当前业务量有关。若邻近小区未达到满负荷，它 对本小区的干扰也相对较低，则本小区的信噪比高于系统要求的标准，因此本 小区还可以允许新的呼叫接入，容量可进一步提高。 第三章 无线收发信机设计 第三章 无线收发信机设计 第一节 移动终端射频系统 移动终端由发射机和接收机组成，发射机射频部分的任务是完成基带信号 对载波的调制，将其变为通带信号并搬移到所需要的频段上且有足够的功率发 射，其结构方框图如图3 . 1 所示。发射机发射的信号是处于某一信道内的高频 大功率信号， 应尽量减少它对其他邻近信道的干扰， 发射机的主要指标是频谱、 功率和效率。 传输信道 基带信号本振信号 图3 . 1发射机射频方框图 和信道安排 接收机的射频部分和发射机相反，见图3 . 2 所示，它要从众多的电波中选 出有用信号，并放大到调制解调器所要求的电平值后再由解调器解调，将射频 信号变为基带信号。由 于传输路径上的损耗和多径效应，接收机接收的信号是 微弱且又变化的， 并伴随着许多干扰， 这些干扰信号强度往往远大于有用信号， 因此接受机的主要指标是灵敏度和选择性。 c a ) 所需信道 向 图3 . 2接收机的 射频方框图和信道选择 第三章 无线收发信机设计 下面介绍接收机和发射机射频部分的几种主要结构方案，主要性能指标。 实际中究竟采用哪种方案取决于系统要求的性能指标， 复杂程度， 功耗和成本。 第二节 接收机系统方案选择 3 . 2 . 1超外差接收机 超外差接收机是普遍使用的一种接收机，如常用的音频收音机。因其具有 很好的抗干扰能力和良 好的选择性， 而得到广泛应用， 其体系结构如图3 . 3所 示. 从天线接收的r f信号经天线开关后到r f带通滤波器， 滤除带外干扰后给 l n a放大， 然后通过一个镜像抑制滤波器后下变频到i f . i f为一个固定频率， 接收机的信道变换是通过锁相环改 变r f l o信号频率f 2来实现的。 出 于需要， 有时采用多级 i f的接收机结构， 具有更好的选择性，也易于处理。但是，对 于在体积、功耗和成本等方面都有严格要求的移动通信终端来说，并不适宜采 用多级i f的接收机体系结构， 而一般采用单级i f结构。下变频到i f后， 信 道的滤波由i f带通滤波器实现。然后通过 i f大器将信号放大，i q目 标电平 的实现， 就是主要由i f放大器来实现。 最后i q解调器解除i q信号给基带处 理 。 图3 . 3超外差接收机结构图 对于接收机的噪声系数，r f前端l n a是关键器件。一个典型的l n a的噪 声系数应低于 4 d b ，较好的可达到约 1 d b ，功率增益可达 3 0 d b 。而对于带外干 扰的抑制主要由 射频滤波器实现。 信道滤波由i f滤波器一般由s a w ( s u r f a c e a c o u s t i c w a v e f i l t e r ) 来实现， s a w具有非常良 好的信道选择性能。 滤波器的 第三章 无线收发信机设计 体积取决 于信道带宽和 i f频率。随着技术的 不断进步，s a w器件的 插入损耗 已 经可以做得很小。采用这种常规超外差接收机的优点如下: 1 )它能将很高的频率从r f变到i f ，这是普通器件所不能胜任的。 2 )由 于i f固定， 使得很多器件工作于这一单一频率上， 不必覆盖较宽的 频率范围，具有较好的性能，易于优化和降低成本。这也解决了工程上一个常 有的困惑:如何制作既覆盖较宽的频率范围，又具有突出性能的器件。 3 )可利用算术选择性提高信号的隔离度. 在超外差接收机中， 通常接收机 的带宽是载频带宽的百分之几， 由于i f远低于r f ， 那么同一百分比下的i f带 宽比r f 带宽窄得多， 也就是这种接收机可以有更好的选择性， 本系统r p带内 的干扰，可以通过 i f s a w可以很好地抑制。 但这种接收机结构的缺点是使用 i f s a w和用于镜像抑制的r f s a w ，成本 高。整个设计分立器件多，同时影响了 l a y o u t需要更多面积，电路的稳定性 不高，不利于超大规模生产。 3 . 2 . 2零中频接收机 零中频又称直接下变频 ( d i r e c t c o n v e r s i o n )接收机，这是近年来人们研 究得较多的一类接收机，其体系结构如图3 . 4 所示。 它将r f信号直接变换为 i / q基带信号，再使用基带低通滤波器 ( 基于运放的有源滤波器)进行信道滤 波。 这种结构的突出优点是降低了设计的复杂性，并且不需要昂贵的 i f滤波 器， 不需要考虑镜像抑制， 既节省了p c b的空间， 减轻了重量， 也降低了成本。 可以用单片i c来完成大部分功能，使得制作高集成度的接收机成为可能。 n a r f 带通 天线开关 n vn 图3 . 4零中 频接收机结构图 零中频接收机也将射频信号通过天线开关双工后，送到射频带通滤波器进 第三章 无线收发信机设计 行带外干扰信号的抑制， 然后给l n a放大，保证整个接收链路的噪声系数，再 将射频信号直接下变频到 i q上， 信道滤波在基频上完成，链路的增益也主要 在基频上实现放大。 但是零中 频接收机最大的 难题是直流偏置的 影响， 如图3 . 4 所示。 d c o f f s e t 主要来自 本振泄漏 ( 红线标记) 到天线端，由 于前端器件的不匹配，这个信号 会反射 ( 蓝线标记)回到混频器和本振再次混频， 最后形成一个直流分量。由 于接收机的大部分增益在混频后，因此这个直流偏置经过放大后到b b i q端会 很大，如不加处理会达到3 v以 上，把整个i q的a d c( 模数转换) 饱和。 为了 解决这个问 题， 可以 在混频后加电 容隔直流， 消除 直流偏置， 但是对于g s m系 统， 有用信号经过混频后的 基频带宽为8 0 k h z , 隔直流滤除会造成信号的 损失。 在g s m 系统中 要用d c o f f s e t 补偿的方法，外加一个反向的直流分量来抵消直 流偏置。 工作机理是， 在接收有用信号前， 将本振打开， 测试出直流偏置大小， 然后用反向 直流电 压抵消， 在接收信号时保持这个反向电 压，直到接收有用信 号结束，这样可以 有效抵消直流偏置影响。 目 前有多 家厂商开始试用这种结构，该技术还处于开发阶段。 但可以 相信 这将是g s m 终端接收 机的发展方向。 3 . 2 . 3低中频接收机 零中频系统具有直流偏置问题 种方案，得到低中频接收机结构， ，传统的超外差接收机过于复杂。折中这两 如图3 . 5 所示。 l n a r f 带通 天 线开关 a vn 图3 . 5低中频接收机结构图 射频信号通过天线接收，由天线开关作为收发双工，然后送给射频带通滤 波器，抑制带外干扰后经l n a放大， 保证系统的噪声系数， l n a放大的信号经 第三章 无线收发信机设计 过一个镜像抑制混频器得到一个低中频信号， 再通过 a oc 变换到数字域后， 进 行下变频、信道滤波和通道增益放大，然后再d a c变成模拟i q信号。 低中频率系统的中频一般为1 0 0 k h z ，这样便于a d c变换，成本又不会高。 当然直流偏置的问 题显然容易解决。低中频系统也解决了传统超外差接收机中 需要中频s a w的问 题， 信道滤波器实现是通过变换到数字域，由 数字滤波器来 完成通道滤波功能。另外这种系统采用了镜像抑制混频器，可以不需要外加射 频通带滤波器来滤除镜像噪声。 由于许多功能由数字域来完成，因此这种结构优点是通道滤波性能好，放 大增益控制精确。但缺点是芯片内 需要数字部分电路，这将增加芯片成本。随 着芯片的批量生 产，这种成本也随着摊薄。 这种结构对于工程上是比较容易实 现，外围器件少，而且性能优越，所以将是目前最佳的接收机结构。 第三节 终端发射机方案选择 根据g s m无线传输的主要特性， 发射机可以有三种结构， 第一种是传统的 i f / r f 两次频率变换，i f频率固定， 信道的配置由可编程p l l本振和i f混频 后得到实现。 第二种是o p l l上变频方式， 首先是i f变换， 然后通过一个o p l l 电路实现频率的 上变换和信道的设置。 第三种是i q直接调制到r f端， 信道的 设置由可编程p l l本振实现。下面章节将详细分析这三种发射结构的特点。 3 . 3 . 1 i f / r f上变频发射机 典型的i f / r f发射机的结构如图3 . 6 所示。 i / q信号经调制上变频到一个 预定的i f频率上，再经 i f带通滤波器和i f放大器放大。最后，将 i f信号 上变频到r f载频上， 由功放放大到指定的功率等级， 经发射r f低通滤波器后， 通过天线开关送往天线发射。 第三章 无线收发信机设计 i q调制器 图3 . 6 i f / r f 上变频发射机结构图 其中 i / q调制器中的本振 ( l o ) f l给调制器同相和正交支路上频率具有 9 0 相差， 这样可产生具有抑制载波的单边带信号， 提高一倍的频谱利用率. i f 带通滤波器作用可以 滤除 i / q调制器产生的各项调制千扰和基带 d a c带来的 采样干扰，可以提供比较纯净的中 频调制信号。中频信号再通过和本振 f 2混 频到射频指定频率，射频的发射信道频率由 本振 f 2来决定。由 于混频器带来 多次混频干扰产物，因此在其后有一个 r f滤波器，滤除各个混频干扰产物。 最后用功放p a将功率放大到指定功率上通过r f低通滤波器， 低通滤波器作用 是滤除功放的2次3次谐波分量， 然后经过天线开关从天线发射出 去， 天线开 关起到收发双工作用。 这种方案在早期的g s m终端射频方案中广泛使用， 优点是结构简单， 分立 器件成熟 。 但其缺点有如下几个， 一是由于用的分立器件太多， 成本高， 需要 的 l a y o u t面积也大，其中需要一个中频带通滤波器和两个射频带通滤波器。 二是输出杂波干扰大，由 于使用两个混频器，虽然有多个滤波器，输出杂波千 扰还是会有泄漏。三是集成度低，分立器件太多，需要调试的点多，这样整个 生产测试时间加长，良品率难于控制，开发时间也会比较长。 3 . 3 . 2直接上变频发射机 工 f / r f和 o p l l发射机的主要缺点是需要较多器件，不但增加了终端的成 本和集成难度，也降 低了电路的可靠性。因此最简单的发射机方案肯定是直接 上变频发射机。 直接上变频发射机如图3 . 7 所示，发射信号直接从基带变换到 r f ，不需要 i f变换。但是，为了得到很好的边带抑制性能，必须在正交支路 提供足够好的9 0 0 相位偏移和增益匹配，因此 i q调制器的平衡设计是该发射 第三章 无线收发信机设计 机结构的关键。 图3 . 7直接上变频发射机 直接上变频发射机中的信道滤波必须在i / q混频之前的基带部分进行。因 而最好选择具有线性相位和恒定群时延的数字滤波器，在模拟基带部分的 d a c 之后加低通平滑滤波器。 该技术难度当然是杂波的抑制设计，但优点是结构简单，成本低，还有这 种结构可以 解决多 模射频方案， 由 于不需要i f通道滤波器或o p l l的 环路滤波 器，因 此 i q信号的带宽可以 承载不同的调制信号，可以 将g s m的2 0 0 k h z的 g m s k信号和9 vc d m a的5 m h z的q p s k信号、或者将 t d - s c d m a的1 . 6 m h z带宽 信号通过同一个发射机发射 ( 当然需要分时)。 这种发射机结构在将来的多模 终端中重点开发。目前该技术还不成熟，有些公司在开发，如美国i r f公司， 目 前正在设计工程样片阶段，测试出结果已 满足 g s m 规范要求，现正在批量 验证中。该技术将代表未来的射频发射机设计潮流。 3 . 3 . 3 o p l l上变频发射机 这种发射机体系结构如图3 . 8 所示。前面的i f调制器和i f / r f发射机结 构一 样，输出一个固定频率的调制i f信号。然后与发射压控振荡器 ( t x v c o ) 输出 信号和射频本振 ( r f l o ) f 2信号的差频信号进行比相，比相结果的误差 信号经环路低通滤波器消除干扰后去控制t x v c o ，即可输出所要求的r f调制 信号。 r f l o是一 个内 含有可编程分频器 p l l ，可以 通过改变分频比 来改变信 道频率。 第三章 无线收发信机设计 i q调制器 图3 . 8 o p l l 上变频发射机 i q在完成i f中频调制后，产生很多的调制杂散，需要中频滤波器滤除， 而采用o p l l结构， i f带外的杂散被o p l l的 环路低通滤波器滤除， 可以 大大降 低发射机的各种杂波分量、噪声和寄生辐射。常规上变频器的非理想特性可能 使得输出信号包络起伏，从而使非线性功放恶化信号相位轨迹。而上变频o p l l 调制结构，直接调制v c o ，具有更精确的正交调制的优点。实际上，这种结构的 p l l相当于一个调制器，发射i f信号调制了 v c o的输出信号，使其具有优良 的 恒定包络特性，和良 好的相位轨迹。偏离2 0 w i z以上的宽带噪声会跟踪v c o的 相位噪声， 这样在接收频段所测得的发射机输出噪声将主要由 v c o电路的 t a n k 电路的q参数来决定，而不是由正交调制器的噪声底来决定的，因而相位噪声 特性优良. o p l l上变频发射结构， 省去了中 频带通滤波器和射频带通滤波器， 一个方 面成本下降，另一方面，这种结构做p c b简单，测试调试点少，带来好处是良 品率提高和返修降低。但这种好处将难点转移到芯片的集成度提高，良 品率的 下降.相信随着芯片工艺水平的提高，良 品率问题很快会得到解决。因此考虑 目 前的技术状况， 这种方案将是目 前终端发射机结构的 优选方案。 第四节 零中频接收机系统仿真 本系统仿真的试验目的是使用诸如滤波器、放大器、混频器等行为级的功 能模块搭建收发信机系统。运用s 参数仿真、交流仿真、谐波平衡仿真、瞬态响 应仿真等仿真器对收发信机系统的各种性能参数进行模拟检测。 第三章 无线收发信机设计 3 . 4 . 2小结 正如开头所提到的，这里的仿真没有用到很具体的电路元件，而是使用一 个个的行为级功能模块，直接按设计要求对其参数进行设定，然后对整机方案 的各种特性进行仿真。 对系统级设计而言， 这确实是一种十分简捷易行的做法， 它直接用行为级和功能级的角度去研究分析系统性能，这就相当于只需把已经 封装好的模块拿来用，而不必去考虑其内部具体的电路构成是怎样的。尤其在 具体方案实现前进行设计的可行性分析这样不必涉及具体电路实现的情况下， 就更显其独特的优越性和重要性。而且对于像a d s 这样功能足够强大的仿真软 件而言，可以 对系统的各种特性进行全面的模拟，这确实是系统设计工程师所 不可或缺的。所以这里我尽量做到对系统的不同方面指标、性能进行仿真. 另一方面，系统级仿真的优点也恰恰是其局限之处， 在不考虑系统各个模 块内部实现的情况下，如何设置参数才能尽量完整、真实、 客观的仿真出 所需 的结果就成为系统级仿真所面临的一大挑战。毕竟，与真实情况相去甚远的仿 真结果是没有什么实际意义的，因此如何全面正确的使用仿真模块所提供的参 数，甚至自己设计仿真参数，以及如何构建出一个尽量真实客观的仿真环境就 显得尤为重要。 作为一位系统设计者， 不光要有系统级高屋建扳的眼光和头脑， 还必须拥有深厚的电路设计功底，要对各个电路模块的结构性能有足够深入的 了解，才可能真正准确地把握系统的特征，进行正确有效的设计和仿真。 第四 章 低噪声放大器模块研究 第四章 低噪声放大器模块研究 第一节 放大器模块在射频系统中的重要作用 射频收发电路一般由发射链路和接收链路组成。功率放大器是发射链路中 的重要组成部分之一，功放主要作用是在发射频率上将低电 平信号放大到远距 离传输所要求的高功率电 平。在现代通信领域中，一个射频通信系统的功率放 大模块对整个系统的通信性能起着重要的作用。一个符合要求的功放必须满足 额定输出功率、 增益、 幅频特性( 增益平坦度) 、 线性度、 效率等各方面的要求。 在接收链路中， 低噪声放大器则起着放大天线接收到的微弱信号，使信号 电平达到解调和数模转换等单元所能分辨的电平大小的作用。理想的放大器只 增加期望信号的幅度，而不增加任何噪声和失真。 然而，已知放大器都会在期 望的信号中增加噪声和失真。在接收通道中，天线后的第一级放大器贡献了 大 部分的噪声。因此，如何降低这一级放大器的所带来的系统信噪比的恶化成为 我们所关心的问题。同时，低噪声放大器输入驻波也是一个十分重要的指标， 放大器的输入驻波表征天线接收到的微弱信号在放大器的输入端的由于不匹配 而产生反射的损耗程度. 因此，一个好的低噪声放大器设计要求放大器同时具 有较好的噪声系数和输入驻波，这样才能从实 质上提高系统的 灵敏度。 第二节 利用s 参数设计低噪声放大器 随着现代射频通信系统向低功耗、小型化的方向 发展，射频集成芯片的使 用量不断 扩大， 同时单片成本不断降 低; 利用己 有的廉价芯片进行某些无线通信 产品开发设计具有性价比高、开发周期短、性能稳定等一系列优点。 在利用己 有的微波晶体管设计l n a 时， 通常要从增益、稳定性、噪声等角 度进行考虑。 用 s参数法设计时， 将晶体管看作一个黑匣 子 ( b l a c k b o x )在 s m i t h圆图中通过对 s 参数、稳定性判断圆、等增益圆、等噪声圆等图形进行 分析， 来确定相关电路参数， 从而实现设计目 标。常规放大器系统如图4 . 1 所 不 。 第四章 低噪声放大器模块研究 r 3 r l 射频a l ? 输入匹 配网络 ( i mn ) 输出匹 配 网络 ( o w 翌 山 习负载 r 时 直流偏置 图4 . 1 常规放大器系统构成 4 . 2 . 1放大器的功率增益 假设两个匹配网 络分别包含在信号 源和负载阻抗中，并依据其功率关系考 察图4 . 1 ， 则电 路系统就可简化为图4 . 2 ( a ) 所示电路。 根据输入/ 输出网络的匹 配情况可以 定义如下几种功率门 : 入射功率 p ,- = 1 ib e l 2 il _ r 0 r 12 ( 4 . 1 ) 其中 :b , =b , ( 1 一 r ,. r , ) 实际输入功率( 入射功率与反射功率之差) p = p , 。 ( ii. = . 1 一 r , . 1) = 工 一 b . 1 _ _ ( , _ 2 11 一 f i. r . !b . ， ir i. 12 ) ( 4 . 2 ) 射频源的资用功率( 最大功率传输条件下的放大器实际输入功率) p . = p _ i_ 二 八川i = 且 . ， lb .2 i 2 1 一 ir s 12 ( 4 . 3 ) 负载吸收的功率 。 一 合 ib 212 (1 一 ir l 12 ) ( 4 . 4 ) 第四章 低噪声放大器模块研究 儿均 令 z , r d 几 曰jo伙j巴口 口 令 图4 . 2 放大器的功率增益 放大器的资用功率( 负载端口 匹配下的负 载吸收功率) p . . 二 川_ _ “一 钊 r , = r r 这里输入反射系数 r m = s 十 s2,s,zr l1-s, r l 输入反射系数 r - s, + 黯 相关的功率增益定义为【 , 功率增益( 负载吸收功率与放大器输入功率之比 ) ( 4 . 5 ) ( 4 . 6 ) ( 4 . 7 ) g =p l 凡 (1 一 ir l i ) is 21i ( 1 一 r ,. 12 ) 11 一 s 22 f l iz ( 4 . 8 ) 资用功率增益 第四章 低噪声放大器模块研究 、r u= 一二 p a (1 一 r s l, ) is ,， i, ( 1 一 f 1) 11 一 5 1，r : zs r s l ( 4 . 9 ) 转换功率 增益( 插 入 在信号源 与负载之间的 放大 器增 益 ) (1 - ir s 1 ) is , 扩 ( 1 - ir , i， ) 1( 1 一 s r s ) ( 1 一 s , r l ) 一 s s l r s l ( 4 . 1 0 ) 单向化功率增益 g 二 一 g t is. = o 二 (， 一 if l 12 ) is h ( ， 一 r s i, ) 11 一 r l s 2, i, 11 一 s r g l ( 4 . 1 1 ) 4 . 2 . 2稳定性判定及稳定化 射频 / 微波 放 大 器内 部 通常 存 在 着与 频 率 有关 的 反 馈量( s 12 ) ， 而反 馈系 统 必然会引起稳定性问 题。因此在放大器电 路设计过程中，必然满足的首要条件 之一就是放大器在给定的直流偏置和工作频段内必须保持稳定。通常可以采用 稳定性判定圆或者稳定性判据来确定放大器的稳定性。 4 . 2 . 2 . 1稳定性判定圆 我 们将 放大 器 视为 一 个二 端口 网 络， 该 网 络由s 参 数 及 外 部 终 端条 件r : 和 r , 确 定。 稳 定 性意 味 着 反 射 系 数 的 模小 于1 . 即: ( 4 . 1 2 ) 其中= ss - s s , 二由 于s 参数对于 特定频 率是固 定 值， 所以 影响 稳定 的 参 数 只 有f l 和r , 。 第四章 低噪声放大器模块研究 设 r一 1， 贝。由 !r一 s i l 一 r l o 1 一 鞍r l 1 展开并整理得输出端口稳定性判定圆 方程: ir l 一 c . 1 = ,. ( 4 . 1 3 ) 其圆心坐标和圆心半径分别为 ( 4 . 1 4 ) 同 理 ， 可 得 r 副二 1 时 r ， 平 面 上 的 输 入 稳 定 性 判 别 圆 方 程 : ir ， 一 c i , 二 、 ( 4 . 1 5 ) 其圆心坐标和圆心半径分别为: ( 4 . 1 6 ) ( . )阴影部分为稳定区，is , 1 1 1 图4 . 3稳定性判定圆 第四章 低噪声放大器模块研究 在几何平面上画出稳定性判别圆如图4 . 3 所示。为了 正确理解图4 . 3 的 含 义 ， 关 键 是 考 察 输 入 输 出 稳 定 性 。 如 果 r ; 二 0 ， 则 r . = s , ， 对 应 于 is 卜1 或 is 卜1 则 必 然 存 在 两 种 不 同 的 情 况 。 若 is i 1 换 句 话 说 ， 即 输 入( 输 出 ) 稳 定 性 判 别 圆 必 须 完 全 落 在 单 位 圆 r s 卜1 ( ir l 卜1 ) 之 外 ， 或 者 单 位 圆 ir s l = 1 ( 护 : 卜1 ) 完 全 落 在 输 入 ( 输 出 ) 稳 定 性 判 定圆内。如图4 . 4 和4 . 5 所示. 将上述绝对稳定条件推导可得稳定性的 充要条件. : ( 4 . 1 乃 ，.盈n a _ 1 - is i,12 _ is . 鱼1a 1 z ls ,2 s 2 , l 二 1 十 is u l， 一 凡 广 一 ， k丑. r.月、.t 第四章 低噪声放大器模块研究 图4 . 4输入稳定性判定圆 ( a ) ir .j = 1( b ) 刊= 1 图4 . 5输出 稳定性判定圆 4 . 2 . 2 . 3放大器的稳定措施 如果在工作频段内放大器处于非稳定状态，则应当采取适当措施使放大器 进 入 稳 定 状 态 . 非 稳 定 时 必 然 有 i瑞卜l 或 r m l 1 ， 即 : ir.l一 z- - z.z,. + zo卜 l - lr- 1= 尺 . 一 z u z - +z o 第四章 低噪声放大器模块研究 这 表明 非 稳 定 状 态 有r e z . 卜。 。 或r e 毛卜。 。 所 以 ， 稳 定 有 源 器 件