（通信与信息系统专业论文）uhf频段无线收发信机射频前端的设计.pdf

摘要 摘要 随着科技的进步，移动通信技术的突飞猛进无疑对收发系统的性能要求愈来 愈严格，比如低成本、低功耗、高集成性和高可靠性等，于是促使着人类针对这 些问题对收发信机做出相应的完善。截止到目前，微波收发信机己广泛的应用于 通信领域的方方面面，也就使它的研究成为了一个热点。也正是基于这样的背景， 本课题研制了一种u h f 频段的收发信机的射频前端。 在本课题中，首先对u h f 频段的特点进行了概述，强调了射频前端设计的重 要性。而后对当今流行的收发系统结构和它们的几个主要指标的概念做了详细介 绍与对比，并认真分析了常用的频率合成技术的基本原理和特点。然后根据课题 要求，提出了一种基于超外差结构的接收机和两步法的发射机的设计方案，以及 d d s 直接激励p l l 的本振实现方案。最后给出了本设计的具体实现电路和系统 测试结果，证明了本方案是可行的。 为了达到系统的小型化，设计中大部分都采用了集成的芯片，降低了系统结 构的复杂程度。在设计的初期，我们针对系统的某些指标做了一定的仿真，基本 上符合预期的要求。经过最后的测试结果显示，与先期的预计是基本吻合的，达 到了设计指标。接收信道输出中频是6 9 9 9m h z ，发射信道的发射频率是8 7 5 m h z 。窄带接收通道的带宽是1 2 5m h z ，增益是3 0 6 0d b ，n f 5d b ；宽带接收 通道的带宽是1 0m h z ，增益是2 0 8 0d b ，n f 3d b 。 论文最后对系统中的不足之处提出了一些意见和建议。文中的一些理论和方 法对以后的研究有一定的参考价值。 关键词：收发机，频率综合，直接数字频率合成，特高频 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h eh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t sa l er a i s e dt ot h ew i r e l e s s t r a n s c e i v e rw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，s u c ha sl o w v o l t a g e 1 0 wp o w e r , l o w 。c o s t ，h i g hi n t e g r a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t ya n ds oo n ，w h i c hf o r c e s p e o p l et om a k ea na p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n t m i c r o w a v et r a n s c e i v e rh a sb e e nu s e di n a l la s p e c t so ft e l e c o m m u n i c a t i o n 。t h e r e f o r e ，i t sr e s e a c hb e c o m e sah o ts p o t b a s e do n t h e s ek e yp o i n t s ，t h i sp a p e r d e s i g n sar ff r o m e n df o rt r a n s c e i v e rc i r c u i t f i r s to fa l l ，i nt h ep a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu h fa r ei n t r o d u c e da n dt h e i m p o r t a n c eo ft h ed e s i g no fr ff r o n t e n di se m p h a s i z e d t h e ns e v e r a ls t r u c t u r e so f t r a n s c e i v e ri n p o p u l a ra n dt h e i rp a r a m e t e r sa r er e s e a r c h e d ，a n dt h et h e o r ya n d c h a r a c t e r i s t i c so ff r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d t h e na c c o r d i n gt ot h e r e q m r e m e n t so ft a s k s ，as y s t e mc o n f i g u r a t i o no fr e c e i v e rb a s e do ns u p e r h e t e r o d y n e a n dt r a n s m i t t e rb a s e do nt w o - s t e pa p p r o a c hi s p r o p o s e d ，a n dl oi sr e a l i z e db yd d s d r i v i n gp l l f i n a l l y , b yd e s i g n i n gt h es y s t e ma n ds h o w i n gt h et e s tr e s u l t s ，t h e f e a s i b i l i t yo f t h i ss y s t e mc o n f i g u r a t i o nh a sb e e np r o v e d i nt h es y s t e m ，s o m ei n t e g r a t e dc h i p sa r ea d o p t e dt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h e s y s t e m s o m es i m u l a t i o n sa l em a d ew h i c hf i tt h ed e m a n d sb a s i c a l l ya n dt h ef i n a lt e s t r e s u l t sa l s of i tt h er e q u i r m e n t s t h eo u t p u ti fi s6 9 9 9m h z t h ee m i s s i o nf r e q u e n c yi s 8 7 5m h z t h en a r r o wr e c e i v i n gb a n di s1 2 5 m h z ，g a i ni s3 0 6 0d b ，n f 5d b ；t h e w i d eb a n di s10 m h z ，g a i ni s2 0 8 0d b ，n f 杉。它们是同时存在的，并且都进入接收天线，即输入信号 形( f ) = 圪c o s ( c o s t ) + kc o s ( o ) t t ) 。把它与l o 和它的正交信号进行混频，然后经过 l p f ，滤除了高频分量，得到两路信号： ：冬s i n ( c o l o - o ) s ) h 等s i n ( o ) l o - - o ) i 弘( 2 - 1 ) y t 圪( f ) = 等c o s ( 吼d 一致y + 每- c o s ( o ) l d c o , ) t ( 2 - 2 ) 对比两个式子可以看出，经过混频器下变频后，r f 信号和它的镜像信号都被转换 到中频频率，并且这两路信号是正交的。再把a 路信号进行9 0 。相移： 矿矿 v a t ) = - - 4 5 - c o s ( o ) 加一c o , ) t 一 c o s ( l d q 弦 ( 2 - 3 ) 然后把两路信号圪( f ) 和v c ( t ) 相加，最后在输出端得到 ( f ) = kc o s ( o ) 上。一致y ( 2 - 4 ) 9 电子科技大学硕士学位论文 从而可以看出，r f 信号不仅完成了下变频，并且消除了镜像频率。这是因为 在k ( ，) 和v a t ) 两路信号中，信号部分分量的极性是相同的，镜像部分分量的极性 是相反的。要达到这样的效果，必须做到：上下两部分通道的性能指标需严格 相同，不管是增益还是幅度。 l o 和它的正交信号必须要完全的正交，要不然 不可能达到这种效果的。 2 1 3 2w e a v e r 镜像抑制结构 此种形式接收机的结构如图2 - 6 所示： 图2 6w e a v e r 镜像抑制接收机的电路结构图 这种结构与h a r t l e y 结构起到的作用是一样的，最后都消除了镜像频率信号， 结构大体上相似，唯一的不同就是把9 0 。相移这部分去掉，在后面多了一步正交混 频的过程。它的分析过程这里就不多做介绍了，可以参照前面h a r t l e y 结构的分析 过程。 2 1 4 数字中频接收机 这种结构的关键是，把超外差结构和零中频结构的中低频部分在数字域中来 实现，把混频和滤波部分用数字化方法来处理。 图2 7 数字中频接收机的电路结构图 第一次混频后的i f 信号经过放大器的放大后，进行a d c 转换，变成数字信 1 0 第二章无线收发系统的基础理论 号，然后分成两路，分别与相互正交的两个数字正弦波信号进行第二次混频，把 数字中频信号转换成数字基带信号，最后得到两个正交的基带信号。 这种方法采用数字化方法来处理，可以绕开i 和q 两路信号的失配问题，避 免了它们之间的不一致。但它的缺点是对a d c 性能的要求大大提高，如a d c 的 带宽、动态范围和线性度等【1 3 】。 这种结构的接收机是以软件无线电为基础的，所以它有很大的灵活性。信道 部分能用软件来控制，能灵活方便的进行信道频带的变换和选频、解调方式的控 制等等，大大减少了成本和开发周期。软件的升级就可以实现整个系统的替换。 这种结构也是开放性的。整个系统的硬件部分可以按照功能的不同采用分块化的 设计，并且接口在这些模块之间都是标准化了的【1 4 】。 2 1 5 亚采样接收机 基于带通采样定理的中频亚采样接收机如图2 8 所示。这种结构在零中频的 基础上进行了改进，把零中频结构中的混频器变成了采样器。以带通信号采样定 理为基础，射频信号可以用一个比它低的多的速率进行采样。 图2 8 亚采样接收机的电路结构图 q 这种结构产生的镜像频率可以用一个公式来说明：1 4 , = 吒比，其中w 是 镜像频率，k 是整数，比是载波频率，w s a m p 是采样频率。如果是在零中频结构中， w j 为0 。 由于这种方法能把一个较为错综复杂的下变频转变成较为简单的采样过程， 所以它很适合在r f 集成电路中用，尤其是在c m o s 中。采样频率比载波频率低， 因此所用振荡器的结构也变的简单，成本和功耗也就大大降低了。 表2 1 对这前面介绍的几种接收机做了简单的比较： 电子科技大学硕士学位论文 表2 1 各种接收机特点比较 接收机类型优点缺点 灵敏度比较高，选择性结构复杂，体积较大，功耗大， 超外差式接收机 好，动态范围大镜像抑制不好，集成性不好 无镜像，结构较简单， 零中频接收机l o 泄露，d c 偏移 集成性好 增益、相位的失配，对失配敏 h a r t l e y 镜像抑制接收机 镜像得到很好的抑制感，相移9 0 。会带来噪声和损 耗 增益、相位的失配，二次混频 w e a v e r 镜像抑制接收机镜像得到很好的抑制 的二次镜像问题 损耗小，i 和q 的一致 数字中频接收机对a d c 性能的要求较高 性比较好 本振的结构简单，功耗 亚采样接收机噪声的混叠，时钟的馈通问题 低，集成性好 2 2 发射机结构 发射机和接收机的功能是相逆的。一个射频发射机的主要功能完成调制，中 频放大，上变频，功率放大以及滤波，在某些结构中会把调制和上变频这两个功 能在一起完成。接收机的结构比较多样，而发射机的结构只有少数几种形式。主 要原因是某些关键指标的要求在接收机中远远要比在发射机中严格的多，如选择 性，噪声等等。 发射机的结构大体上有两种：直接变换法和两步法。前者是将调制和上变频 这两个功能结合在一起来完成。后者是把调制和上变频分开，在混频前，先在频 率比较低的i f 上完成调制，而后把这个已经完成调制的信号变换到需要发射出去 的r f 频率上。下面就分别来介绍这两种方法。 1 2 第二章无线收发系统的基础理论 2 2 1 直接变换法 直接变换法的结构框图如图2 - 9 所示： 基 基 图2 - 9 直接变换法电路图 在这种结构中，基带信号是在发射机内部产生的，所以它的功率比较强，因 此变频器中的噪声比接收机中的要改善很多。图2 - 9 中的匹配网络的主要是把一 些干扰以及功率放大器非线性产生的带外分量消除，并且送给天线最大的功率。 虽然这种方法一步到位，所需器件比较少，相对来说比较简单，但它的弊端 也很显然。其中一个明显的特点是：l o 的随机扰动，它是由p a 的放大引起的。 因为r f 信号是一个以l o 为中心频率的带通信号。当它被功率放大器放大后会 很强，当它被发射出去后会被反射回来，或者是被泄露回来，从而牵引l o 频率， 影响l o 的稳定。尤其是在经常开关频率放大器的情况下，这种扰动会更加明显。 如果l o 的稳定性较差，将会严重影响系统的正常工作。 2 2 2两步法 基 基 图2 1 0 两步变换正交调制发射电路图 这种方法分成两步，首先基带信号在比较低的频率上进行调制，经过一个带 通滤波器，再经过第二次混频产生需要发送出去的r f 信号。在图2 1 0 中，b p f l 的作用是滤除高频分量即中频信号的谐波，b p f 2 的作用是消去了不需要的边带。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 相对于直接变换法来说，这种方法的优点是调制是在相对较低的频率上进行 的，所以两路信号较能方便的达到一致，匹配的比较完美，可以使它们之间的相 互干扰降到很低。而且，为了阻止邻近信道产生的毛刺、噪声等各种干扰，可以 在前面的混频处加一个滤波器。 但是，这种方法需要在二次混频后加一个带通滤波器来消去无用的边带，并 且对这个滤波器的要求比较严格较难实现。鉴于此，在现实中，如果达到微波毫 米波等很高的频率时，一般用二次或者多次变频，而不用此种方法。 2 3 无线收发系统的性能指标 每个方案的研制都会有一些关键指标的限定，其中的很多还需要根据实际情 况进行一定的改进或折衷。无线收发系统也是同样的，它也有很多的指标，下面 我们就对其中的一些进行介绍。 2 3 1增益 增益在无线通信系统中是非常关键的，所以在开始设计时不可能忽略它的存 在，否则整个系统的设计将无法进行。 在接收系统中，前端天线接收到的信号的频率比较宽，这些信号在空中传输 的过程中不可避免的会受到各种干扰和衰减( 如多径衰减) ，导致到达天线的信号 衰减很多变得很微弱。为了使系统能正常的处理接收到的信号，必须使接收机产 生一定的功率来补偿这些损耗。也就是说，必须使信号功率大于噪声( 这些噪声包 括系统内部产生的噪声和从天线上接收进来的外部干扰噪声) 功率，才不至于使噪 声把信号掩盖。通常，从天线进入到系统内的信号大约在1 2 0d b m ，为了能使基 带部分能正常的处理信号，通常要求这些信号通过r f 系统到达基带处理部分的 功率约在0d b m ，因此就必须使r f 部分大约有1 2 0d b 的增益。可是这么大的功 率增益仅仅用一个功率放大器来实现是很不现实的，这是因为放大器的非线性特 点，如果增益太大，会使放大器变的不稳定，造成信号阻塞和失真。解决这个问 题的方法就是把整个增益分散到各个部分，r f 部分和基带部分，使它们的总体增 益能符合这个要求，但前提是必须符合每个器件的功率输入电平i l2 1 。发射机中也 是如此。 1 4 第二章无线收发系统的基础理论 2 3 2 噪声系数 噪声跟增益一样，也是一个对整个系统的功能起关键作用的指标。如果它太 大，将会恶化系统的性能，将会使信号产生损耗和衰减，甚至畸变