（通信与信息系统专业论文）宽带数字收发机射频前端的设计与实现.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文 摘要 收发机是通信系统中不可缺少的一部分，而射频前端则是收发机的重中之 重，应用十分广泛。在民用中，基站通信系统、车载通信系统都需要宽带射频 前端。在军用中，以雷达为代表的导航系统同样对宽带系统有着广泛的需求。 无论军用和民用，宽带射频技术在无线通信中都占据着日益重要的位置。 随着技术的发展，特别是3 g 技术的提出，使得早前使用的模拟宽带收发系 统无法满足现代通信的需求，如果将射频信号数字化称为收发系统发展首要问 题。直接将射频信号数字化的技术仍然难以实现，但随着软件无线电理论的发 展，将射频信号转换为可数字化的中频信号成为宽带数字收发机最为有效的方 法，而射频前端的设计则是宽带数字收发机设计中的关键。本文借助基于 t d s c d m a 系统的基站收发机的设计阐述宽带数字收发机射频前端的设计原理 和设计方法。 本文所研究的主要内容包括： ( 1 ) 结合本课题的设计要求，通过相关分析，提出了在接收机部分采用单中 频结构，在发射机部分采用直接上变频结构的收发机系统方案。这种结构不仅 大大节约了成本，而且减小了电路占用面积，使得设计更为简约，降低了射频 系统的复杂度，同时也最大限度的降低了设计成本。 ( 2 ) 通过分析基站系统的技术指标，通过理论分析，确定系统各部分的参数 需求，并结合当前芯片的发展水平，分别给出了单中频接收机和零中频发射机 部分的芯片选型，并进行了相应的电路设计。 ( 3 ) 完成了收发信机前端p c b 板的仿真与优化设计。本课题实现了2 g h z 频段的射频电路板设计。考虑到射频系统的设计成本较高，产品周期较长，本 文借助射频仿真软件a d s 软件对收发机系统进行仿真，验证系统的可行性。并 在实际布板过程中，使用a d s 软件对射频阻抗部分进行优化，提高了射频性能， 并通过测试验证了设计的有效性。 ( 4 ) 使用相关测试仪器分别对系统的噪声系数、互调和端口阻抗等进行了测 试，测试结果验证了系统设计的j 下确性，符合基站系统的参数要求。 关键词：收发机，基站，t d s c d m a ，射频 武汉理l ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t r a n s c e i v e rm a c h i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa ni n d i s p e n s a b l ep a r to f w h i c hi s t h ef r o n t e n dr ft r a n s c e i v e rm a yb et h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fav e r yw i d e r a n g e i nc i v i l i a n ，t h eb a s es t a t i o nc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ，a u t o m o t i v e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m sr e q u i r e b r o a d b a n dr ff r o n t e n d i nt h em i l i t a r y , a s r e p r e s e n t e db yt h er a d a rn a v i g a t i o ns y s t e ms i m i l a rt ot h eb r o a d b a n ds y s t e mh a sa w i d er a n g eo fn e e d s b o t hm i l i t a r ya n dc i v i l i a n ，b r o a d b a n dr ft e c h n o l o g yi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si nb o t ho c c u p ya ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp o s i t i o n a st e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yi nt h e3gt e c h n o l o g yt h a tm a k e su s eo f e a r l i e rb r o a d b a n dt r a n s c e i v e rs i m u l a t i o no fm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a nn o t m e e tt h ed e m a n d ，i ft h er a d i os i g n a lk n o w na sd i g i t a lt r a n s c e i v e rs y s t e md e v e l o p m e n t ap r i o r i t y r fs i g n a l sd i r e c t l yt od i g i t a lt e c h n o l o g yi ss t i l ld i f f i c u l tt oa c h i e v e ，b u tw i t h t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r er a d i o ，t h er a d i os i g n a lw i l lb ec o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a l s i n t ot h ei fb r o a d b a n dd i g i t a lt r a n s c e i v e rt h em o s te f f e c t i v ew a y , w h i l et h er f f r o n t e n dd e s i g ni st h eb r o a d b a n dd i g i t a lt r a n s c e i v e rd e s i g no ft h ek e y t d s c d m a p a p e r - b a s e ds y s t e mw i t ht h eb a s es t a t i o nt r a n s c e i v e ro i lt h ed e s i g no fb r o a d b a n d d i g i t a lt r a n s c e i v e rr ff r o n t - e n dd e s i g np r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o d s t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nl i g h to ft h es u b j e c td e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h r o u g ht h er e l e v a n ta n a l y s i s ，i n t h ep a r to fas i n g l e - i fr e c e i , l e rs t r u c t u r e ，t h eu s eo fd i r e c tp a r ti nt h et r a n s m i t t e ro nt h e f r e q u e n c yo ft h et r a n s c e i v e rs y s t e ms o l u t i o n s t h i ss t r u c t u r en o to n l yg r e a t l yc o s t s a v i n g s ，b u ta l s or e d u c e st h ec i r c u i ta r e ao c c u p ie d ，m a k i n gm o r ec o m p a c td e s i g n ， r e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo fr fs y s t e m s ，b u ta l s ot om a x i m i z et h er e d u c t i o no f t h e d e s i g nc o s t s ( 2 ) t h r o u g ha n a l y s i so ft h et e c h n i c a li n d i c a t o r so ft h eb a s es t a t i o n ，t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i st od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so ft h es y s t e md e m a n d ，c o m b i n e d w i t ht h ec u r r e n tl e v e lo fd e v e l o p m e n to fc h i p s ，w e r eg i v e nas i n g l e i fr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e ri sp a r to ft h ec h i pi fs e l e c t i o n ，a n df o rt h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i td e s i g n 武汉理i ：- 久学硕七学位论文 3 c o m p l e t e daf r o n t e n dt r a n s c e i v e rp c bb o a r dt h ea i r c r a f ts i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g n t h ei s s u ea c h i e v e da2g h z b a n dr fc i r c u i tb o a r dd e s i g n t a k i n gi n t oa c c o u n tt h er a d i of r e q u e n c ys y s t e md e s i g nc o s t sh i g h e r , l o n g e rp r o d u c t l i f ec y c l e ，t h ep a p e ru s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r er a d i ot r a n s c e i v e ra d ss o f t w a r es y s t e m f o rs i m u l a t i o n ，v e r i f i c a t i o ns y s t e mi sf e a s i b l e a n di nt h ea c t u a lp r o c e s so fc l o t h p a n e l s ，t h eu s eo fa d s r fi m p e d a n c ep a r to ft h es o f t w a r et oo p t i m i z ea n di m p r o v e t h er fp e r f o r m a n c e ，a n dt e s t e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g nv e r i f i c a t i o n 4 w e r er e l a t e dt ot h eu s eo ft e s te q u i p m e n tf o rt h en o i s ef a c t o r , a n dm u t u a l r e c o n c i l i a t i o n ，s u c ha sap o r ti m p e d a n c et e s tr e s u l t sp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e s y s t e md e s i g n , i nl i n ew i t ht h ep a r a m e t e r so ft h eb a s es t a t i o ns y s t e mr e q u i r e m e n t s 。 k e yw o r d s ：t r a n s c e i v e r , b a s e s t a i o n ，t d s c d m a , r f 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蝉 导师签名： 日期：j 缉 武汉理f 人学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 在无线通信系统中，收发机的作用对无线信号进行处理的第一步。但为了 避免直接处理无线通信中的射频信号，通常将射频信号转化为数字信号进行处 理，这样的收发机被成为数字收发机。 通常的数字收发机是将无线射频信号调制到中频频段，再从中频频段调制 到基带进行处理，通过a d c 将基带信号转化为数字信号。而发射机的处理流程 则正好相反，通过数字话提高收发机的性能。其结构如下图所示： 敦字信 号处理 r p g a ， d s p ， s i c 图1 1 传统数字收发机信号处理流程 随着软件无线电思想的提出，数字化处理( a d 转换) 朝着尽可能靠近天线的 方向发展，模拟电路逐步减少。a d d a 转换技术和大规模集成电路的发展使得 数字中频采样收发机的实现成为现实。 i 滤波h 信号放大h 下变频ha 。数字化卜 数字信 号处理 f p g a d s p ，a 滤波h 信号放大h 上变频h 。a 效模转换卜 s i c 图1 2 现代数字收发机信号处理流程 上图是中频数字接收机的原理框图，从图中可以看出，中频接收机比最初 的接收机结构少了基带下变频部分，而发射机部分也更为简单了， 数字中频采样收发机相比较基带数字化收发机，它具有如下特点【1 1 ： 武汉理一1 ：人学硕十学位论文 1 ) 可靠性高。由于模拟器件的电器特性不一致，会造成j 下交两路信号幅相不 平衡。而数字化处理不需要模拟元件在中频上进行正交解调，从而避免了模拟 电路带来的影响。而且数字电路受温度环境的影响小，性能一致性远高于模拟 电路。此外，高采样率改善了信噪比，收发机动态范围也可以大为提高。 2 ) 集成度高、灵活性好。集成电路技术的高速发展，使得数字中频收发机的 数字处理功能完全可以由规模非常小的可编程的高集成度电路来实现，如 f p g a 。这样就不需要外部独立的模拟解调电路，省去模拟乘法器、模拟锁相环 等模拟电路，从而降低收发机的体积。另外可编程数字电路实现简单，可以针 对不同的任务，不同的传输速率，不同的调制方式，不同的设计算法，随时进 行配置，更新和功能的扩展，从而减少实现、维护、测试的工作量，节约成本。 3 ) 对a d 器件要求较高。数字中频采样收发机较高的采样率对a d 转换器的 转换速率、上作带宽和动态范围都提出了更高的要求。 伴随各种器件性能结构的发展，数字收发机将会实现射频采样。但目前， 由于器件的性能所限，这种结构的数字收发机实现起来非常困难，代价较高。 因此，从可靠性、易实现性、复杂度和成本等多个角度考虑来看，设计中频采 样的数字收发机，是现阶段较为理想的选择。 随着现代通信的发展，面对着越来越庞大的业务量，使用模拟信号的收发 机已经远远不能满足现代用户对系统的要求，特别是在通信频率越来越高之后， 信号的处理变得更为复杂，而使用数字信号处理方式却能够很好的解决这些问 题【2 l 。所以，数字收发机实现现代通信飞速发展的一个必要手段，特别是在使用 了软件无线电思想以后的中频数字收发机对于现代通信系统的实现和应用有着 重要意义。 1 2 国内外现状与动态 国外从2 0 世纪8 0 年代丌始就出现了很多有关数字收发机研究方面的报导， 进入9 0 年代以后逐渐出现了基于片上系统( s o c ) 的数字收发机设计思想和基于 软件无线电概念的数字收发机设计思想等先进的设计理念，同时有部分从事数 字收发机研制的国外公司相继推出了成熟的数字收发机产品【3 j 。 ( 1 ) 美国d r t 公司是研制数字收发机产品的公司之一，该公司推出的一款数 字收发机w p m 2 具有四个1 4 b i t ，7 0 m s p s 数据输入端，在2 1 8 8 m b p s 码率情况下 系统可配置成2 4 个独立的窄带数字信道，而在码速率为4 3 7 5 m b p s 情况下系统可 2 武汉理i ：入学硕十学位论文 配置成2 个独立的宽带数字信道。该系统是基于六片多标准的数字下变频器 g c 4 0 1 6 设计而成的，可支持p c i 和p m c 总线，具有良好的灵活性和兼容性。 ( 2 ) t r a n s t e c h 公司在数字收发机方面推出了e c d r 系列，该系列中包含 了不同总线类型、不同信道数、不同采样精度和采样率的数字收发机产品。 e c d r g c 8 1 2 是该公司推出的高性能数字收发机，具有8 个1 2 b i t ，1 2 5 m s p s 模拟输入端，中频输入最高频率为2 5 0 m h z ，无杂散动态范围 8 0 d b f s ，具有3 种不同的信道工作模式以满足不同的带宽要求：独立信道模式；信道对组合模式； 四信道组合模式。支持v m e 总线。 ( 3 ) 美国p e n t e k 公司在数字收发机产品研究方面成果比较显著，推出了 m o d e l 系列，这其中有基于h s p 5 0 2 1 4 b ，g c l 0 1 2 b 等国外专用d d c 芯片的数字 收发机产品，同时也有利用自主开发的数字下变频i pc o r e 内核在f p g a 实现的 数字收发机产品。m o d e l6 2 3 5 和m o d e l6 8 2 1 。是这两种数字收发机产品的典型 代表。其中m o d e l6 2 3 5 是双信道数字收发机，a d c 选用了1 2 - b i t ，1 0 5 m s p s 的 a d 9 4 3 2 ，d d c 采用了g c l 0 1 2 b ，每个信道可处理的信道带宽范围为1 2 5 m h z - - 4 0 m h z 。而m o d e l 6 8 2 1 是单信道数字收发机，a d c 选用1 2 b i t ，2 1 0 m s p s 的 a d 9 4 3 0 ，d d c 则是利用p e n t e k 公司自己的i pc o r e4 2 2 在x i l i n x 公司的f p g a 器件x c 2 v p 5 0 实现，可处理的最高输入带宽为1 0 0 m h z ，支持v m e 总线。这 些产品为雷达、通信等系统提供了优越的数字接收解决方案。 综合看来，国外数字收发机理论研究深入而全面，设计思想先进，设计实 现的数字收发机系统软件化程度较高，功能灵活；多采用工业标准总线结构以及 模块化设计使系统具有良好的通用性、兼容性和可扩充性。 从9 0 年代以后国内相继出现很多关于数字收发机研究方面的报导。根据 d d c 实现手段的差别，国内数字收发机研究大致可以分为“a s i c 实现”、”f p g a 实现”和“d s p 实现”三类。 中国科技大学近代物理系快电子学实验室于2 0 0 3 年采用a d i 公司的 1 0 0 m s p s ，1 0 b i t 模数转换器件a d 9 0 7 0 和t i 公司的数字下变频器件g c l 0 1 2 a 设计完成了一套宽带雷达数字收发机系统，该系统最高工作频率8 0 m h z ，最大 带宽4 0 m h z ，该数字收发机的幅度不一致性小于0 0 1d b ，相位不一致性小于o 5 。 电子科技大学电子工程学院于2 0 0 3 年采用a d i 公司的a d 6 6 4 4 和x i l i n x 公 司的f p g a 器件设计完成了一套宽带雷达数字收发机系统，该系统设计中滤波 器实现采用了分布式算法，其能处理的最大带宽为5 m h z ，最高工作频率为 武汉理i ：大学硕十学位论文 7 0 m h z ，幅度不一致性小于0 0 1 d b ，相位不一致性小于0 1 4 。 中科院声学所+ 室于1 9 9 9 年采用1 6 - b i t ，2 0 0 k s p s 模数转换器d s p1 0 2 和t i 公司的d s p 器件t m s 3 2 0 c 3 1 设计完成多体制的短波数字收发机系统，该系统 内设置了基带反馈的数字式自动增益控匍j ( a g c ) 单元，可完成a m ，f m ，f s k 以及s s b 等信号的解调。 以上3 个例子是我国在数字收发机上取得的成果，分别使用了a s i c 、f p g a 和d s p 实现收发机。在过去的十多年里，纵观我国的发展，在数字收发机的理 论研究、设计实现等方面已经做了大量工作，取得了一些成果，也有成功应用 的例子，可以说近年来国内在数字收发机在理论水平和实现技术手段等方面己 经与国外缩短了差距。但从总体来说，在数字收发机基于s o c ( s y s t e mo f c h i p ) 的设计思想和产品化等方面还有一定的差距。 虽然无线收发机的设计已经有了长足的进步，特别是宽带收发机的设计已 有迅猛发展，但由于芯片技术的限制，宽带收发机在大动态范围和高灵敏度的 条件下依然很难实现，例如3 g 基站收发系统中收发机的设计就是其中的难点。 1 3 项目背景和内容 现代通信的发展带动着基站设备的发展，特别是在3 g 技术的提出以后，对 基站收发机设备的要求越来越高。由于传统的基站收发机大多是模拟系统，其 指标特性对器件的依赖特性较高，特别是在噪声抑制方面尤其明显。而基于软 件无线电的数字化技术则可以很好的解决这一问题。为了提高基站收发机的性 能，降低设计成本，数字化基站成为现代基站的发展方向。 本课题来源于深圳国扬通信技术有限公司的研发项目：数字直放站收发系 统设计。以软件无线电理论作为基础，使用数字中频技术设计符合3 g 技术要求 的直放站模块。要求在满足3 g 技术指标的条件下实现宽带多信道直放站产品。 直放站基站系统的原理框图如下图所示： 4 武汉理。1 ：人学硕十学位论文 图1 - 3 基站收发机系统框图 在r x 端，射频信号通过滤波放大后混频至中频，再经过a d c 采样转换为 数字信号后由数字处理部分进行相应处理，最后向通信系统中的其他分系统传 送处理后的信息。为了降低多径损耗，常采用多集接收方式，即在接收端使用 两路接收并在数字处理时将信号合并。 在t x 端，由其他分系统送来的信息通过数字信号处理后，由d a c 转换成 模拟信号，在经过上变频至射频信号，放大滤波后通过天线发射出去。为了降 低系统的互调等参数，通常需要使用数字预失真技术来改善系统中由p a ( 功率 放大器) 和射频放大器所引起的增益非线性，并通过v g a ( 可变增益放大器) 实现对输出信号功率的调节。 本文的研究对象是基于基站收发机的宽带射频收发系统。射频前端j 下是宽 带射频系统中最重要的部分，也就是图中虚线框部分，这也j f 是本文所要详细 研究的对象。 论文第一章介绍国内外宽带数字收发机的发展概况，分析了目前宽带数字 接收机设计所遇到的问题；并讨论了课题的目的和意义。 第二章介绍了宽带数字收发机设计中所形成的各种结构，讨论了各种结构 的优缺点和应用范围。并针对基站收发机的设计提出了在接收机部分使用单中 武汉理l i 入学硕+ 学位论文 频结构，发射机部分使用点接上变频结构的收发机设计方案。 第三章从接收机的设计与仿真两方面入手介绍宽带数字收发机射频前端的 设计方法和设计流程，并通过对基于t d s c d m a 的基站收发机设计的分析来阐 述射频前端的设计，分析设计中可能遇到的问题和解决方法。通过a d s 仿真分 析验证设计结果。并使用p r o t e 软件构建接收系统原理图。 第隧章分析零中频发射机的设计方法和设计流程，结合t d s c d m a 系统阐 述设计过程，并使用软件仿真分析设计的可行性，验证系统设计。在本章最后 也给出了发射系统的原理图。 第五章完成宽带数字收发机射频前端系统的p c b 设计，综合射频系统设计 原理优化p c b 布板，从阻抗匹配和电磁兼容两方面提高射频系统性能。 第六章则是本文的总结和展望。 6 武汉理i ：大学硕+ 学位论文 第2 章宽带数字收发机射频前端架构设计 对于宽带数字收发机来说，硬件架构决定了其系统的性能和成本，所以硬 件架构问题是设计宽带数字收发机的首要问题。随着技术的进步，宽带数字收 发机的硬件架构得到不断发展，向着更为简洁，成本更为低廉的方向发展【4 1 。 2 1 宽带数字接收机射频前端架构设计 基于基站系统所使用的宽带数字接收机由于所应用的外界条件限制，需要 大的动态范围和很高的灵敏度，所以要求较为严格。单从成本方面考虑，无疑 零中频架构的接收机是最理想的。但由于技术条件的限制，零中频架构目前还 未能解决动态范围和灵敏度这两大难题，所以单中频接收机目前成为满足需要 的最佳方案。下面先介绍各接收机结构的特点。 2 1 1 一般接收机类型 基于软件无线电理论的数字接收系统有两种思想，一种是基于中频采样， 另一种是直接基带采样。中频采样的代表是双中频接收机，而基带采样就是零 中频接收机。 ( 1 ) 双中频结构接收机 双中频结构是最早应用于基站接收机系统的，这种结构也称为超外差结构。 该方法使用两个中频级，第一中频处于高频( 几百m h z ) 。系统将信号从射频端先 调制到较高的频率，再使用第二中频将信号调制到基带进行数字化。所以在这 种结构中需要有两个混频器和两个本振，下图是超外差接收机的结构框图【5 j ： 图2 1 超外差接收机的结构框图 7 武汉理i ：大学硕十学位论文 通常，l 0 1 频率在应用频段之外，所以在天线之后的射频滤波器也作为镜 像干扰抑制滤波器使用。下变频信号通过低通滤波器之后，应用一个可实现主 动的镜像干扰抑制的综合混频器，将所需信号下变频到d c 。使用可变的l 0 2 选择所需的信道。 该方法使用固定的l 0 1 使低相位噪声高频合成器的设计容易，并可以降低 功耗。因为第一中频固定为高频，所以反馈分频器要求较低的分频比，这样能 改进l 0 1 的整体相位噪声性能。该拓扑结构尽管不存在本振泄漏问题，但仍没 有解决d c 补偿和i m 2 失真问题。在中频和射频之间，该体系结构也存在信号 串扰现象，因此使用滤波器进行信道选择，从而可得到5 5 d b 的镜像干扰抑制【6 】 多次变频结构的缺点也是很明显的。系统的成本很高，元件数量多，不利 于系统的集成化。功耗也比其他结构的接收机要高得多。其次，由于需要使用 两个中频结构，所以对中频信号的选择和规划也要复杂得多。 ( 2 ) 零中频接收机结构 零中频接收机是所有接收机中最为简单的。接收机直接将射频信号调制到 基带进行处理，不需要进行频率规划，大大降低了系统复杂度。但同时也带来 了很多问题。下图是零中频接收机的结构图： a n t l ：n n a 图2 2 零中频接收机结构框图 这种结构中本振与载波的频率相等，直接将已调载波信号变为= 0 的基带 信号，然后进行处理。在这种结构中，基带低通滤波器代替了原有的射频带通 滤波器，这非常有利于系统集成【7 】。 零中频结构不存在镜像干扰问题，因而不需要镜像抑制滤波器，简化了接 收机结构，除此之外，该结构的信号放大主要在基带，进一步降低了能耗。但 是直接变换式结构也带来了一些新的问题： 本振信号与载波频率相同，本振信号会从接收信道机泄露到天线，这样会 对同频带工作的其它接收机带来干扰；采用正交形式后，j 下交通道幅度和相位 不匹配会引起误码率上升：i f = o ，晶体管内的1 f 噪声对信噪比影响变大；最主 武汉理一l ：人学硕十学位论文 要的缺陷是直流偏置带来一系列问题：本振泄漏，要克服本振泄漏，提高混频 器的本振抑制度是关键环节；当遇到同频谐波强信号干扰时，混频器会产生交 调产物，这种产物叠加在基带信号上，带来波形失真。要克服这种干扰，常用 平衡电路的形式在合成时来抵消交调产物，一般常用平衡混频器结构；电源上 的不稳定抖动和5 0 h z 的低频干扰，大地上的交流杂散干扰，有源器件的内部1 f 噪声【8 】o 由于以上问题，导致直接变换式接收机的性能不如传统外差式接收机，使 它目前仅得到少数应用。但直接变换式具有在高集成和低功耗的潜力，随着微 电子技术的发展及新的电路技术和算法的改进，该结构必将获得更广泛的应用。 2 1 2 单中频接收机 除了上述的几种接收机结构之外，还有一种结构单中频结构。单中频 结构的接收机也称为外差式接收机，它直接将射频信号调制到中频段进行处理， 由于要满足镜像频率的要求，所以不能将信号降低到很低的频率处理，一般采 用高中频来做为a d c 采样的对象9 1 。下图是单中频接收机的结构框图： a n t e n n a 图2 3 单中频接收机结构框图 经过下变频，将射频信号变换为中频i f 信号，在宽带a d c 前可用一个中 心频率固定的高性能抗混叠滤波器滤除带外无用信号，并可在中放级实现自动 增益控制，获得最大信号增益，减轻带内信号过载的可能性【1 0 】。同时，a d c 后 用数字滤波代替了模拟滤波器，提高了系统的灵活性和滤波器的选择性。而且， 就系统的可编程性而言，宽带中频数字化接收机与射频数字化方案相当。单中 频数字化的特点是： 支持宽频大动态范围输入； 高选择性，高稳定性 信号处理链可重组且硬件复杂度低 调试周期短，成本低。 9 武汉理l ：人学硕十学位论文 单中频结构接收机中，a d 变换之前的模拟滤波器是宽带带通滤波器，包括 多个信道。如果需要进行信道分离，可在接收机数字信号处理部分使用数字滤 波器将信道分离。这样做不但使接收机结构灵活性得到了加强，而且也减少了 硬件成本，提高了系统的利用率。且数字滤波器的设计要比模拟滤波器的设计 更为方便和有效。与传统的模拟接收机相比有着极大的优越性。与超外差接收 机相比元件的数量明显要少得多，大大提高了系统的集成度，同时也降低了成 本和功耗。中频的选择也要自由得多了】。 2 1 3 接收机结构对比 通过上面的描述，我们可以通过下表来对比三种接收机的性能优缺点，以 便于选择合适的结构【1 2 】： 表2 1 各结构接收机性能对比表 优缺点d d cs d cz 】f 最佳动态范围是是 接收灵敏度是是 只需要一级射频下变频结构是是 最简化射频规划是 成本最低是 硬件复杂度最低 是 对a d c 的要求最低是 元什数最多是 成本最高是 需要两级i f 滤波器是 需要两级镜像滤波器是 需要、卜中频杂散抑制是是 频率规划复杂是 - 1 i 用人而积电路板是 需要高性能的a d c是 动态范同最低是 难以处理基带的直流偏移是 i q 调制容易相互偏离是 1 f 线性火真影响灵敏度是 l o 泄漏难以滤除是 l o 武汉理【：人学硕十学位论文 由上表可以看出，双中频结构的接收机在性能上是其他接收机所达不到的， 特别是在动态范围和接收灵敏度这两项极为重要的参数中，双中频结构明显的 优势。然而这种接收机的缺点也很明显，成本高昂，集成度低，功耗较大，不 适合对成本要求较高的场合，如基站这种民用系统中。而零中频接收机结构由 于不需要中频带通滤波器，大大减少了成本，提高了集成度。但虽然有着成本 方面的优势，且不需要考虑镜像频率所带来的烦恼，仍然有它难以避免的缺点。 由于直流干扰等原因，这种结构难以实现大动态范围和高灵敏度。使用这种结 构的系统大多对这两项指标的要求不高，例如手机和移动台等系统。但对于基 站宽带接收系统来说，这两项指标是致命的。对于单中频接收机来说，虽然没 有双中频接收机的功能强大，但在成本方面却有很好的表现。相对于零中频接 收机来说，在指标方面也有着自己的优势，所以是目前宽带基站接收机首选的 结构。 根据以上的分析，本文选用单中频结构来设计的宽带数字接收机射频前端 部分，以期达到性能和成本两方面的综合效果。 2 2 宽带数字发射机架构设计 宽带发射机的作用和宽带接收机正好相反，是将基带信号调制到射频段发 射出去，由于是一个反相的过程，所以它有着与接收机相似的结构，但功能正 好相反。在宽带接收机的技术发展的同时，宽带发射机的设计也同样进入了一 个新的台阶。 2 2 1 一般发射机类型 与接收机结构相似，发射机的结构中也有双中频结构和单中频结构，但由 于应用方向不同，所以在发射机结构中单中频结构应用并不是很广泛。 ( 1 ) 双中频发射机 超外差结构是第二代移动通信用户终端中使用最广泛的窄带收发机结构。 扩频通信系统大多工作于l 波段以上频段( 如i s m 频段) ，在这么高的频率上实 现a d 变换和数字化处理是极其困难的，必须降低工作频率，所以一般采用超 外差接收方式。超外差可以采用单级或多级中频，形式多样。基本点路由收发 开关( 双工器) 、射频( 中频) 带通滤波器、放大器、混频器、本振、自动增益 武汉理i ：犬学硕十学何论文 控制电路等组成【13 1 。如图2 - 4 所示。 图2 4 超外差发射机结构 在超外差发射机中，滤波后的i q 基带输入信号与正交的本振信号( l o ) 混 频，然后产生一个恒定的中频( i f ) 信号，该中频频率通常位于兆赫级的低到中段。 由于这是一个混合信号，故需要对其进行滤波，去除寄生信号、本振信号以及 谐波信号【1 4 】。再通过与一个可变频率振荡器进行二次混频，形成最终的所需信 道所要求的r f 输出信号。增益控制被分配在不同部分。不过要想滤除无用的频 率，并确保满足接收机频段所需的噪声和谐波指标，需要使用一个s a w ( 声表 面波滤波器) 。经过滤波的带限单端输出信号被送到p a 和天线，从而完成了前 端发射链。 超外差发信机基于模拟器件实现两次上变频功能，最大的优点是具有良好 的选择特性，也就是强干扰信号下对小信号的处理和选择能力。其制造工艺已 经非常成熟，性能和集成度不断提高，在2 g 的g s m 系统中广泛应用的是超外 差结构。但这种结构因为其结构复杂，成本高昂，己经不适宜用于第三代移动 通信中。 ( 2 ) 单中频发射机 与接收机相同，单中频发射机在将基带信号调制到射频段前要先调制到中 频段。下图是这种结构的原理框图： a 盯i i n n a 图2 5 单中频发射机结构图 单中频发射机与双中频发射机结构不同，并没有双中频发射机中的第一混 频器m 1 和第一本振l 0 1 。从上图中可以看到，单中频发射机只有个混频器。 1 2 武汉理i ：大学硕十学何论文 基带信号在d a c 中被直接转换成中频信号后再经过此混频器调制到射频段发射 出去，从而完成整个流程。 在这样的发射机结构中一般选择一个较高的中频频率来限制镜像频率的干 扰，所以从d u c 单元输出的i q 两路信号都需要有一个较高的频率。同时为了 限制直流干扰问题，需要使用中频变压器来连接d a c 和混频器。 单中频发射机的优势是结构较为简单，中频频率规划也没有双中频结构复 杂，同时也没有零中频结构中直流干扰等问题。这种结构在早期的发射机中应 用较为广泛。但单中频结构在性能上不如双中频结构，而在成本和功耗上也比 零中频结构要高，所以这种结构的应用就越来越少，特别是随着芯片技术的进 步和发射机系统设计的发展，零中频结构中许多技术问题被解决，使得零中频 结构的实现难度大大降低。 ( 3 ) 数字中频 数字中频结构如下图所示。它将a d 和d a 提高到中频，在发送端，基带信 号经过内插、滤波、i q 调制后，进行d a c 转换，变成中频模拟信号【1 5 1 。 数字中频部分 ； 模拟射频部分 图2 - 6 数字中频发射机结构 这种结构的优点是：减少了发信机的模拟器件，也就是减少了温度漂移等 不良影响，增加了系统的可靠性和一致性，对混频部分是进行数字处理，避免 了模拟混频器件由于i q 不平衡，对系统造成的不良影响；减少模拟器件还利于 设计过程中的p c b 板的布线，以及射频发射机的调制；简化发信机的设计。缺 点是数字信号处理部分较为复杂，设计难度加大，提高了数字处理部分的硬件 要求。 2 2 2 零中频发射机 零中频结构应用很广泛。这种结构是超外差收发机的基于零中频技术的 c d m a 终端射频发射机的研究与丌发改进，模拟射频部分与超外差收发机相同， 武汉理f ：入学硕十学位论文 不同的是省去了模拟中频级的处理，直接进行上、下变频。这样结构上更为简 单，但是对某些模拟器件性能要求更高，如下图所示。 图2 7 零中频发射机结构 在零中频发信机结构中，数字基带i q 信号经过d a 转换变为模拟i q 信号， 模拟i q 信号经模拟低通滤波器滤波后，分别与正交的两路相参射频载频信号混 频后进行叠加，转变为模拟射频调制信号。信道选择通过锁相环改变射频本振 信号频率保持与接收信号载频频率值一致来实现。 由此可以看出，零中频收信机省去了昂贵的镜像抑制滤波器和信道滤波器， 收信机前端仅需本振和锁相环，i q 双通道上的基带低通滤波器很容易集成在芯 片上，这些滤波器功耗低、占用芯片面积小，和外部有源带通滤波器有相同的 选择性。 2 2 3 发射机结构对比 随着技术水平的发展，中频频率会越来越高射频前端的压力会减小；中频 处理器使用数字器件，多个信道可以共用射频前端，有利于提高集成度，降低 了费用。随着中频的提高，射频前端的压力转移到了数字处理器上，数字中频 对数字处理器的处理速度要求较高。另外一些模拟功能通过数字算法实现，如 滤波和混频都是通过数字处理完成，虽然精度提到了，但却加大了实现的难度。 下表是各种发射机结构的性能比较的结构： 表2 2 各结构发射机性能对比表 考察方面理想情况舣中频上变单中频上变零中频上变数字上变 一 性能 高高高高 向 复杂度低非常高高低低 1 4 武汉理一f ：人学硕十学位论文 成本低北常高高 低中等 l 灵活性高低 低高高 如果以理想情况的发射机在性能、复杂度、成本和灵活性这几个方面的表 现作为标准，则以目前的技术发展来说，无论是双中频结构、单中频、零中频 结构，还是数字中频结构都能实现高性能。但从成本角度考虑双中频方案和单 中频方案就无法与其他两种结构相比了，特别是双中频结构，不仅成本高，复 杂度和集成度都难以达到目前基站发射机结构的要求。零中频结构发射机由于 使用基带调制技术，使得在灵活性方面更为突出，且成本和复杂度都是几种发 射机结构中最简单的。 通过对几种发射机结构的分析，可以明显看出，基于零中频上变频结构的 发射机是最适合基站发射机系统的。本文以这种结构为基础，探讨宽带数字发 射机的设计方法。 2 2 本章小结 在本章中介绍了收发机的各种架构，并分析了各架构的优缺点。通过对这 些特点的对比得出在接收机中使用单中频结构，而在发射机中使用零中频结构 的发射机的结论。 武汉理i ：人学硕十学位论文 第3 章单中频接收机射频电路设计 单中频接收机的结构简单，性能优良，可以很好的满足基站系统的苛刻要 求。但其电路设计却有很多需要注意和讨论的地方，为了详细研究宽带数字收 发机电路设计，本文以t d s c d m a 基站收发机作为研究对象，并通过基站收发 机的设计详细说明设计流程及原理。 3 1 单中频接收机射频前端参数分析 根据前章的讨论，我们在接收机部分采用单中频结构，将射频信号调制到 中频，然后再进行数字化处理。下面，我们针对基于t d s c d m a 信号的基站宽 带数字接收机的设计来探讨射频前端的设计方法。 由于t d s c d m a 信号的特殊性，所以接收机射频前端的设计必须要符合 t d s c d m a 标准所规定的要求，其主要射频指标特性如下l 6 1 ： 参考灵敏度：1 10 d b m 动态范围：3 0 d b ( 8 0 d b m 7 6 d b mi n t e r f e r e n c e ) 邻道选择性：5 5 d b mo f f s e t1 6 m h z 、r e s s e n s + 6 d b m 阻塞特性( 带内) ：4 0 d b mo f f s e t3 2 m h z 互调特性：4 8 d b mo f f s e t3 2 m h z ( c w ) + o f f s e t6 4 m h z 由此可计算接收机各指标要求。 ( 1 ) 接收机输入噪声功率s n i n ： s n i n = 1 0 l g ( k t b ) = - 1 7 4 + 1 0 1 9 b ( d b m ) ( 3 1 ) 如果选择此t d 信道带宽1 6 m h z ，则s n j