（通信与信息系统专业论文）mimo无线通信系统射频前端的实现.pdf

摘要 摘要 无线通信技术的发展日新月异，需要传输的数据量也越来越大。m i m o 技术 是在发射端通过多个发射天线发送信号，在接收端使用多个接收天线接收信号的 无线通信技术。m i m o 技术作为一种多天线技术，充分利用了通信系统中存在的 多径因素，在不增加所占用的信号带宽的前提下，显著增加了系统容量，使无线 通信的性能改善几个数量级，将成为很多未来的无线通信系统中的重要部分。 射频前端是无线通信系统中的重要模块，它的性能直接影响到通信系统的整 体性能。随着通信技术的不断发展，对射频系统要求也越来越高。无线移动终端 射频系统一般由接收机和发射机两部分构成。目前常见的接收机前端结构有超外 差、零中频、低中频、镜像抑制等基本结构，数字中频接收机也开始逐步得到应 用。发射机的结构大致可看作与接收机相反的过程。m i m o 无线通信系统要求射 频前端实现多通道的收发，每个通道收发机的设计仍然遵循通常收发机的设计概 念。 本文研究了基于m i m o 技术的无线通信系统射频前端收发机的设计。本收发 机应用于4 x 4 的m i m o 系统，工作于时分双工方式。本文首先简要介绍了常见的 几种收发机的基本结构和主要参数，根据实际需求本设计方案采用了零中频结构。 选定基本结构后本文对方案中的设计指标进行了说明和分析。接着利用a d s 软件 对收发机的增益、噪声系数、频谱、输出功率等各项性能进行仿真，对各个模块 进行参数分配。在理论上验证了方案的可行性后，根据选定的芯片，按照射频电 路设计的要求完成了硬件电路的设计和制作。最后，对m i m o 无线通信系统射频 前端收发机进行调试和测试，并对测试结果进行理论分析，对设计调试中的问题 进行总结。 关键词：m i m o ，收发机，零中频，a d s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ed a t a n 1 0 吼tw en e e dt r a n s f e ri sg e t t i n gb i g g e ra n db i g g e r t h em i m ot e c h n o l o g y i sa 、 证e l e s sc o m m _ u i l j c a 五0 nt e c h n o l o g yw h i c hs e n d s as i g n a lt h r o u g hm u l t i p l et r a n s m i t t i n g a n t e n n a sa tt h et r a n s m i t t i n ge n d ，a n dr e c e i v e sas i g n a lt h r o u g hm u l t i p l er e c e i v i n g 锄1 t e 玎n a sa tt h er e c e i v i n ge n d i tc a nt u r nt h em u l t i p a t hf a d i n g f a c t o re x i s t i n gi n 仃a d i t i o h a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n t ot h ep e r f o r m a n c ew h i c h i si nf a v o ro fc u s t o m e r s c o 埘吼l l n i c a t i o n i ta l s oc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb y s e v e r a lo r d e r so fm a g n i t u d e sw i t h o u tw i d e n i n gt h es i g n a lb a n d w i d t h i tw i l lp l a y a n i m p o r t a n tr o l ei nm a n yf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r ff r o i l ：t - e t a di sa l li m p o r t a n tm o d u l ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c h d i r e c t l ya f f e c t st h ek e yp a r a m e t e r so f t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a s t h ec o m m u n i c a t i o n t ec ：1 1 i l o i o g yi sd e v e l o p i n gc o n t i n u o u s l y ，t h er e q u i r e m e n tt or fs y s t e m si sr i s i n g a nr f s y s t e mi naw i r e l e s sm o b i l et e r m i n a li sm a d eu po f at r a n s m i t t i n gp a r ta n dar e c e i v i n g d a r tn o r m a l l y a tp r e s e n t , s o m eb a s i cs t r u c t u r e s ，s u c h a ss u p e r h e t e r o d y n e ，z e r o 。l t ， l o w i f ，曲a g e r e j e c t i o r t , a r eo f t e nu s e di nr e c e i v e rd e s i g n i n g t h ed i g i t a l i fr e c e i v e ri s a l s ob e i n ga p p l i e dt ot h ed e s i g n i n gg r a d u a l l y t h es t r u c t u r eo f at r a n s m i t t e rc a nb es e e n a st l l er e v e r s eo far e c e i v e r am i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e q u t r e st h e r e a l i z a t i o no fm u l t i p l et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gc h a n n e l f o rr ff r o n d e n d t h e d e s i g n i n gf o re a c ht r a n s c e i v e r s t i l lo b e y st h ed e s i g nc o n c e p t so fan o r m a lt r a n s c e l v e r 1 h sd i s s e f t a t i o nr e s e a r c h e st h ed e s i g nf o ra l lr f f r o n t - e n dt r a n s c e i v e rm aw i r e l e s s c o m m u i l i c a t i o ns y s t e mb a s e do nm i m ot e c h n o l o g y t h i si r a n s c e i v e r i sa p p l i e dt oa4 4m i m os y s t e m ，a n dw o r k si nf d dm o d e t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e ss e v e r a ln o r m a l b a s i cs 缸u c t l 】i i e sa n dm a i np a r a m e t e r so f t r a n s c e i v e r sb r i e f l ya tt h eb e g i n n i n g a c c o r d i n g t 0 也ea 曲l a id e m a n d ，t h i sp r o j e c ta d o p t st h ez e r o i fs t r u c t u r e a f t e rt h es e l e c t i o nf o r b a s i cs t n l c m 】r e t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l a i n sa n da n a l y z e st h ed e s i g np a r a m e t e r sm t h e p r o j e c t t h e nt h ep e r f o r m a n c e so ft h et r a n s c e i v e r ：g a i n , n o i s e f i g u r e ，f r e q u e n c y s p e c t r u r i i s ，o u t p u tp o w e f ，a n d s oo r ba r es i m u l a t e di nt h es o f t w a r ea d s ，a n dt h e 一! 塑! ! ! ! ! 星! p a r a m e t e r sa r ed i s t r i b u t e dt oe a c hm o d u l e a f t e rv e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c t i nt h e o r y ，b a s e do nt h ec h o s e nc h i p s ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so fr fc i r c u i t sd e s i g n f i n a l l y ，t h er ff r o m e n dt r a n s c e i v e r sf o rt h em i m o w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ed e b u g g e da n dt e s t e d , a n dt h et e s t i n gr e s u l t sa r e a n a l y z e d ，a n dt h ep r o b l e m sw h i c ha r i s e na tw o r ka r es u m m e du p k e y w o r d s ：m i m o ，t r a n s c e i v e r ，z e r o i f ，a d s i i i 图目录 图1 1 图2 1 图2 2 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 - 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 _ 4 图目录 n x m 的m i m o 收发机框图3 超外差式接收机7 零中频接收机8 h a r r r i ，e y 接收机一1o w e a v e r 接收机。1o 典型发射机结构框图1 1 零中频发射机1 1 本振信号自混频和强干扰信号自混频1 2 零中频收发机1 3 1 d b 压缩点示意图1 7 三阶交调节点示意图1 8 s f d r 和b d r 示意图19 接收机系统仿真框图2 3 接收链路增益预算。2 4 接收链路噪声系数2 5 接收链路噪声功率2 6 频带选择性仿真框图2 7 接收机频带选择性。2 7 接收机信道选择性。2 8 接收机输入输出频谱厶2 9 发射机仿真框图。3 0 发射机输出双边带频谱3 0 发射机输出单边带频谱3 2 h f a 3 4 2 4 增益和噪声系数图3 4 低噪放模块电路原理图3 4 a d 8 3 4 7 内部原理框图3 5 基于a d 8 3 4 7 的混频和a g c 电路图3 6 v i 图目录 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 l p f 电路图3 7 l p f 幅频响应曲线3 7 基于a d 8 0 6 2 的运放电路3 8 基于h f a 3 9 2 5 的功放电路3 9 电源电路4 0 a d 8 3 4 9 内部框图一4 1 基于a d 8 3 4 9 的调制电路4 2 微带线4 4 收发电路p c b 版图4 6 收发电路p c b 板照片4 8 接收机在a g c 控制下的输出功率5 0 接收机平坦度5 0 接收机输出信噪比51 发射机输出双边带频谱5 2 发射机输出单边带频谱。5 3 发射机平坦度5 3 m i m o 射频前端照片5 5 v n 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：鱼i 曲垦 e ll l ：户7 年y 月刁日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二牡导师签名糊 i il l ：川年【月。7 日 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是通信领域的研究热点，发展迅速。至今己经经历了三代发展历程， 每一代的发展都基于技术的突破和观念的创新。下一代移动通信系统( 4 g ) 需要 在有限的频谱下提供尽可能高的传输速率。在理想情况下，m i m o 技术可以随着 天线数目的增大而线性增大信道容量，极大地提高了频谱利用率，是未来移动通 信系统中的关键技术之一。 射频前端作为移动通信系统的关键组成部分，为通信系统提供传输信息与无 线信道的接口，一直是系统研究和开发的重点之一。移动终端对于射频前端的要 求不仅包括体积小、重量轻、电路结构紧凑，而且要求低工作电压、低功耗，这 都需要特殊设计手段和专门的调试经验。未来无线通信系统的分布式接入和宽带 等特征更对射频系统和电路的设计提出了更高的要求。 1 1 无线通信发展概况和现状 无线通信( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) ，是利用电磁波的辐射和传播，经过空 间传送信息的通信方式。无线通信领域的基本发展要回溯到2 0 世纪初期。从2 0 世纪早年开始，无线工程师们已经走过了很长一条道路，到现在经历了三代移动 通信系统的发展。这三代系统中，第一代主要采用模拟和频分多址( f d m a ) 技术， 第二代主要采用数字式时分多址( t d m a ) 和码分多j a i ：( c d m a ) 技术。目前正步入能 够提供高速的数据传输和多媒体业务的第三代移动通信( 3 g ) 时代。随着用户需求 的日益增加，3 g 在全球的研究和发展越来越广。而此时，下一代移动通信 ( b 3 g b e y o n d3 们g e n e r a t i o n 4 g ) 的研究开发工作已经逐渐展开，成为无线通信发展 又一个新的热点l l j 。 影响现代无线通信发展的一个重要因素，就是不可再生的频谱资源。随着 i n t e m e t 和多媒体等高速数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代移动通信 系统( 即：b 3 g 4 g 系统) 需要在有限的无线频率资源范围内，提供比现有的第二代 移动通信( 2 g ) 系统和第三代移动通信( 3 g ) 系统更高的传输速率，更大的覆盖范围， 更稳定的性能，而且还要能够满足各种业务的传输要求。 电子科技大学硕士学位论文 第一代系统( 1 0 )第二代系统( 2 g )第三代系统( 3 g ) 时间 1 9 8 4 19 9 6 1 9 9 2 0 0 1 模拟移动电话语音数高速数据宽带视频多 业务数字语音消息 据 媒体 宏蜂窝，微蜂窝，微微宏蜂窝，微蜂窝，微微 结构宏蜂窝 蜂窝，无线本地环路 蜂窝，无线本地环路 模拟调频 数字调制、c d m a 、使 c d m a 、可能与t d m a 无线技术 用t d d 和f d d 的 结合或者与t d d 和 f d d f d m a t d m a f d d 结合 频段 8 0 0 m h z8 0 0 + 19 0 0 m h z2 g h z 最大信息 9 6 k b i t s sl7 0 k b i t s s2 f b i t s s 传输速率 a m p s ，t a c s ， c d m ai s 9 5 ，c d m a 2 0 0 0 实例 e t a c s g s m d c s - 1 9 0 0 ，u s w c d m a n m t 4 5 0 9 0 0 ，n m t t d m ai s - 13 6 ，p a c st c s c d m a 表1 1 三代移动通信系统的特点 1 2m i m o 技术概述和研究现状 在理想的无线信道中，接收信号只包括一条直接的路径，因而在接收端可以 完美重现传输信号。在实际陆地移动系统中，由于移动台处于城市建筑群或地形 复杂的区域内，其天线将接收来自多条路径的信号，再加上移动台本身的运动， 使得移动台和基站之间的无线信道多变并且难以控制。 m i m o 是能够有效提高衰落信道容量的新技术。在无线信道中，多径传输会 引起衰落，通常被视为应该避免的有害因素。而对于m i m o 系统而言，多径则是 一个可以加以利用的有利因素。m i m o 是指在发射端和接收端分别使用多个发射 天线和接收天线，而传统的通信系统是单进单f l s ( s i s o ) 系统，基于发射分集和接 收分集的多进单出( m i s o ) 方式和单进多出( s l m o ) 方式也是m i m o 的一部分睇j 。 2 第一章绪论 t r a n s m i t t e r 图1 - 1n m 的m i m o 收发机框图 如果一个系统的发射天线之间的距离、接收天线之间的距离足够大，天线之 间的相关性很小，可以认为各个发射天线到各个接收天线之间的传播信号是互相 独立的，从而在发射端与接收端之间构筑多条相互独立的通道，进而构成理想 m i m o 信道。 系统容量是判定通信系统性能的重要标准。对于发射天线数为n ，接收天线 数为m 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，则信道容量 c 近似为： c = m i n ( m , n ) b l 0 9 2 ( p 2 ) ( 1 - 1 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m , n ) 为m ，n 的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线 数的增加而线性增加。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量， 在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提耐引。 m i m o 系统和传统的单天线技术，具有很多优点。传统的通信系统中，多径 效应会造成码间干扰，m i m o 可以降低这种干扰。而且m i m o 利用多径效应，充 分地利用频谱资源，大大提高了整个系统的容量，增加了空间分集增益。 m i m o 技术以来最早于1 9 0 8 年由m a r c o n i 提出，至今已经历了一百年的发展。 1 9 9 6 年贝尔实验室的g j f o s h i n i 提出了b l a s t 系统，1 9 9 8 年t a r o k h 等提出了空 时编码，此后对m i m o 技术的研究广泛开展来。作为无线通信领域智能天线技术 的重大突破，m i m o 技术能够不受s h a n n o n 理论容量的界限，在不增加系统带宽 电子科技大学硕士学位论文 的前提下成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率，一直以来都是无线通信领域 研究的热点。国内外的很多科研单位和机构都在这方面投入了大量的研究工作。 目前，m i m o 技术已进入一个相对成熟的发展阶段，在无线接入系统、无线局域 网、b 3 g 等商用无线通信产品和网络中得到了广泛的应用。普遍认为，m i m o 技 术将是新一代无线通信系统必须采用的关键技术【4 1 。 1 3 射频技术发展现状 射频技术的应用极为广泛，遍布各个领域。除了手机、传呼机这些最为人所 知的无线通信产品外，i 讧技术在无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、全球 定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、射频标签i d ) 、家庭卫星网络( h o m e s a t e l l i t en e t w o r k ) 、卫星直播电视等。对于现代的多种尖端科技，r f 技术都是其 中重要的一部分。w l a n 工作于9 0 0 m h z 和2 4 g h z 频段，讲求便携性与重构性。 r fi d 与w l a n 频率范围相同，重点要求低功耗低成本。g p s 系统工作于1 5 g h z 以下，目前为汽车制造厂家广泛考虑。h s n 则在1 0 g h z 频段，与有线电视竞争。 无线移动通信的信道在实际应用中是极为恶劣的，这对射频前端的设计提出 了非常苛刻的性能指标要求，要通过复杂的电路设计来达到对信号选择性好、低 噪声、高动态范围以及低功耗的要求。射频电路设计成为移动通信机设计的主要 难点之一，射频电路的设计问题在很大程度上还依赖于工程师的调试和经验。国 内外研究人员也不断地从系统结构、工艺技术、高度集成等方面对射频前端系统 不断进行改进。这其中尤以接收机的发展最具代表性。以初期超外差结构的发展 作为开端，射频前端已经经历了很多变化。许多研究人员主要致力于低中频和直 接变频射频前端的研究，以实现低的功率和紧凑的电路结构。射频收发机集成电 路，要求电路设计和系统结构方面的专业技术的结合，而且还要对于不同的应用 选择合适的处理技术。 如今无线通信应用的两个主要方向包括移动电话和w l a n 。近些年来，高集 成度、低成本的片上集成是发展的一个趋势。直接变频和低中频结构对于解决无 线应用的超高集成度、低功耗、低成本问题具有很强的竞争力。如果成功应用， 直接变频是目前所能达到的最紧凑的实现方式。随着无线技术需要的增加，同时 半导体工艺技术的日渐成熟，直接变频在未来无线通信中将有良好的应用。 4 第一章绪论 1 4 本文的主要内容 本文所要做的工作是针对于4 x 4 的m i m o 无线通信系统，设计并调试符合 其工作要求的射频前端，具体工作包括了射频前端中接收机和发射机的分析设计、 仿真、测试。 在本章中首先概括介绍了m i m o 技术及其研究现状，并介绍了射频技术的发 展现状。 第二章介绍了目前常用的几种收发结构，经过比较和综合考虑，确定本收发 系统所采用的基本结构为零中频结构，并就采用的结构进行进一步的分析。然后 对射频前端收发机的主要技术指标的理论进行了阐述和分析，并结合所采用的结 构确定本收发系统的主要指标。 在定下了基本结构和指标要求后，接下来的第三章利用射频仿真软件a d s 对收发机进行了系统仿真，分析仿真结果，得到了理论上的参数，对整个方案进 行预先的论证。 第四章中则根据选定的方案和集成芯片，以各个功能模块为单位，进行射频 电路的设计，说明射频p c b 设计应注意的问题，并给出了本设计的电路原理图和 p c b 版图。 在第五章中，对已经硬件实现的射频收发机进行测试，记录了实际收发机的 各项参数，并对测试结果进行分析。 电子科技大学硕士学位论文 第二章收发机的基本结构和指标 任何通信系统，按照最简单的形式，要包含一个发射机，一条信号通道，一 个接收机。这样一个系统的性能很大部分基于它的每个模块和给定的信号通信链 路的响应。虽然信道的影响由射频信号的频率和信号传播的物理媒介的特性决定， 而发射机和接收机的性能却是可以改变的。发射机和接收机的电性能决定和限制 了通信链路的质量和范围。适当的拓扑结构、半导体工艺和基于合理系统参数的 设计，这些能够使收发机甚至整个系统在性能、成本等方面产生巨大的不同。 2 1 收发机基本机构 射频系统按照不同的标准可划分成不同的部分。按照信号走向来分，射频系 统通常可分为发射和接收两大部分，其中发射部分主要包括调制器、上变频器、 功率放大器，接收部分主要包括低噪声放大器、下变频器、解调器。而频率合成 器是收、发部分的公共部件。除了以上提到的这些外，其它如滤波器、衰减器、 匹配网络等无源部件也是射频系统不可缺少的。 在很多射频系统中，接收机和发射机的结构基本对称，可以把发射看作是接 收的逆过程，因此在以下小节中重点分析了接收机的几种主要结构。 2 1 1 接收系统 目前，无线通信的应用越来越广泛。接收机作为通信系统的重要组成部分， 正面临着高工作频率、高集成度、低电压、低功耗、低价格的挑战。目前常见的 接收机前端结构有超外差、零中频、低中频、宽带中频和镜像抑制接收机等。超 外差式接收机是技术最成熟、大多数接收系统中最常用的结构。这几种接收机结 构都有各自的优缺点。在选择时，复杂度、成本、功率损耗和外部元件数量等都 是需要着重考虑的因素。 2 1 1 1 超外差式接收机 6 第二章收发机的基本结构和指标 超外差式接收机是传统的接收机结构，该结构自1 9 1 7 年由a r m s t r o n g 发明， 该结构中使用了中频，因此又称为中频接收机。它具有成熟的理论基础和实践背 景，获得了非常广泛的应用。超外差接收机有一次变频和二次变频。一次变频结 构需要考虑灵敏度和选择性之间的折中。如果中频高，镜像离有用信号的频带远， 通过普通的带通滤波器就可以将其抑制掉。但是信道选择滤波器就要求具有非常 高的q 值，而具有很高q 值的滤波器是很难设计的。如果中频低，信道选择滤波 器的要求就很宽松，但是镜像抑制的难度就提高了。实际上，二次变频结构可以 减轻灵敏度和选择性之间的矛盾。 图2 1 超外差式接收机 二次变频结构指的是射频信号在进入接收机之后经过两次频率搬移。射射频 信号首先下变频到第一中频，这个中频足够高，进行镜像抑制较为容易。然后再 下变频到低得多的第二中频，使得信道选择较为容易。这种方案能够非常方便地 改变频率，从而实现很大的动态范围、良好的灵敏度和镜像抑制，能够满足各种 应用的要求。不过在设计时，两个中频的频率直接与接收机的诸项性能相关，因 此确定适当的频点非常关键。 超外差接收机性能非常优异，但是这种结构使用了非常多的分立器件，集成 度很低，很难整合到芯片内部，也导致其成本高于其他结构。其实际的接收机也 仍存在镜像信号。镜像信号干扰的产生，主要是由于在外差式接收机中，所使用 的下变频混频器会产生对称于本振输出频率的两侧、距离一个中频频带处的信号， 以相同的转换响应降频至中频频带，因此对于有用的信号在中频频段造成干扰。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 2 零中频接收机 零中频( z e r o i f ) 接收机又叫直接变频( d i r e c t c o n v e r s i o n ) 接收机。该结构中， 本振信号与射频信号频率相同，射频信号和本振信号混频后直接下变频到基带( 中 频为零) ，生成的基带信号通过基带低通滤波器选择得到所要的信道。直接变频接 收机跳过了中频，不需要中频滤波器，大大提高了集成度：镜像信号就是接收信 号本身，不再受镜像问题的困扰；而且由于信号下变频到了基带，因此可以使用 低通滤波器代替带通滤波器来选择信号，从而简化了滤波器的设计【5 儿6 1 。零中频 需要的外部元件数量少，结构简单，功耗低，近年来发展迅速，成为接收机设计 的主要选择之一。 图2 2 零中频接收机 在零中频接收机中，对镜像信号的抑制是通过正交下变频器来实现的，所以 抑制率取决于正交下变频器的两条支路的匹配程度。零中频接收机对失配是非常 敏感的，失配包括幅度和相位的失配，导致对镜像信号的抑制率下降。 零中频接收机的另一个问题是直流偏移( d co f f s e t ) 。由于芯片的隔离度有限， 而且射频信号和l o 信号也可通过空中泄露。泄漏到r f 信号通道的l o 信号从输 入端口进入下变频器与l o 自身混频，泄露到l o 信号通道的r f 信号跟随l o 信 号进入下变频器后与r f 自身混频，这些都将产生一个直流偏移。它叠加在基带 信号上，影响信噪比。而且如果直流偏移能量很大，还可能导致后面的器件饱和， 影响接收机的正常工作【7 1 。 8 第二章收发机的基本结构和指标 2 1 1 3 低中频接收机 零中频接收机的直流偏移和1 f 噪声都存在于低频，为了避开它们的干扰， 可以将接收的信号变频到一个较低的中频，而不是基带，这样就把零中频结构中 低频部分的干扰和需要的信号从频谱上分开了，这种结构称为低中频接收机。与 超外差式接收机相比，低中频接收机不需要高频的带通滤波器，集成度好，功耗 低；与零中频接收机相比，它消除了直流偏移等低频干扰。因此成为接收机设计 的选择之一。 s i n o i t 图2 - 3 低中频接收机 低中频体系结构适于集成，而且对信号处理的要求相对较低，但镜像干扰抑 制功能( 约4 0 d b ) 有限。在信号路径中实现非对称多相滤波器以加强镜像干扰抑制， 这会产生插入损耗和引起噪声增加。如果没有适当的预滤波，模数转换应用时， 会导致信号处理的速度加快，电流消耗增加。另外，还需要良好相位噪声的可变 高频本振，这也为合成器的设计增加了难度。 2 1 1 4 镜像抑制接收机 超外差接收机的镜像信号虽然可以通过镜像抑制滤波器滤除，但镜像抑制滤 波器必须工作于射频段，而且滤波器需要良好的截止特性。这对滤波器q 值的要 求非常苛刻。为了在保证镜像抑制的情况下使接收机更加简单，可以改变接收机 9 电子科技大学硕士学位论文 的拓扑结构。镜像抑制接收机有两种不同的抑制技术。即使不使用镜像抑制滤波 器，接收机结构本身也能对镜像信号进行一定的抑制。 一种类型的镜像干扰结构是h a r t l e y 结构，在正交下变频后，使用r c 移相网 络将两路信号中的一路移相9 0 度。在输出端通过相加或相减消除镜像信号，得到 需要的信号。 r 图2 - 4 h a r t l e y 接收机 另一种类型的镜像抑制技术是w e a v e r 结构。在w e a v e r 结构中，首先正交混 频得到输出，并使用另一对混频器将其下变换到最终的中频。通过两次正交混频， 在相加处所需信号同相，而镜像信号反相。所以，镜像信号得到了有较好的抑制。 2 1 2 发射系统 图2 - 5w e a v e r 接收机 发射机是无线通信系统的重要子系统。在任何一个无线系统，信号被生成并 经由天线发射。生成射频信号的这部分就是发射机。发射机的具体参数取决于它 l o 第二章收发机的基本结构和指标 的不同应用。射频前端发射机最基本的就是调制电路和功放电路。 l 0 1l 0 2 图2 6 典型发射机结构框图 发射机一般包括振荡器、调制器、上变频器、滤波器、功率放大器。一个简 单的发射机可以只有一个振荡器，而一个复杂的发射机可以包括一个锁相环振荡 器或合成器以及上述器件。信息经过调制，可以是调幅、调频、调相，或者数字 调制，然后上变频到更高的频率。利用功率放大器来增加输出功率，然后通过天 线发射出去。振荡器也可以改用使用高精度和稳定度晶振源的频率合成器。 发射机可以和接收机结合组成收发机。这种情况下，需要使用双工器来分开 发射信号和接收信号。双工有时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种。低功 率无线通信系统常采用t d d ，高功率无线通信系统则常采用f d d 。f d d 要占用两 个波段，一个接收波段，一个发射波段。在设计系统电路时需要考虑双工器的损 耗和隔离度瞵j 。 图2 7 零中频发射机 2 1 3 本设计采用的收发结构 电子科技大学硕士学位论文 超外差式收发机是一种经典的接收结构，其发展已经进入极其成熟的阶段， 但是传统超外差结构模拟分离元件多占用p c b 板面积太大，成本高，集成度相对 较低。镜像干扰问题处理复杂。另外，这种复杂的多次变频采用较多窄带滤波， 在信道中引入幅相畸变，增加了成本和体积。 零中频的结构非常简洁，不存在镜像干扰问题，降低了对滤波器的要求，提 高了系统的集成度，降低了收发机成本【9 儿1 0 】。从简化模拟电路设计、提高接收机 整体集成度以及减少功耗和节约成本的角度来看，零中频技术是一种极佳的选择。 当然，零中频结构也存在可能会影响系统性能的问题，比如本振泄漏、直流 偏移、闪烁噪声和i q 失配等i l 。 直流偏移是零中频接收机最大的问题。接收机容易由于自混频产生额外的直 流漂移，再经过每级的放大，使后级电路饱和，有用信号被湮没，导致接收机不 能工作。 ( a ) 本振信号自混频 、l ( b ) 强干扰信号自混频 图2 8 本振信号自混频和强干扰信号自混频 减弱直流偏移干扰有多种方法，一种是将需要发射的基带信号经过适当的编 1 2 第二章收发机的基本结构和指标 码并选择合适的调制方式，使接收并经下变频后的基带信号在直流附近的能量尽 量减少，这时就可以用交流耦合的方法来消除直流偏移而不损失信号能量。但缺 点是要用到大电容，增加了体积。 零中频结构的发射机架构与接收机类似，只是信号的传递方向相反。信号直 接从基带转换成射频信号。直调方案只要一个p l l 振荡源，结构简单，缩小尺寸， 简化设计。基带信号经过数模变换之后，将i q 两路基带模拟信号通过u q 正交 调制器直接调制为2 4 g h z 射频信号。 b p f 图2 9 零中频收发机 直接调制发射机的拓扑结构比较简单，集成度高。但它有一个明显的缺点： 发射通带信号的中心频率与本振信号的频率相同，而且经过功率放大器后的r f 信号是强信号，在泄露或反射回来后，容易牵引本振频率，引起本振频率的不稳 定，会对发射机的各项性能指标造成不良影响n 2 1 。但该方案简单易行，可以节省 成本，易于调试。 电子科技大学硕士学位论文 综合以上考虑，零中频结构在应用上虽然仍存在很多需要解决的问题，但是 由于其具有相当高的整合度且符合低功耗低成本的考虑，仍然具有较高的竞争力。 因此本m i m o 系统射频前端的收发通道采用了零中频的结构。 2 2 射频前端主要技术指标 一个射频系统有多项指标，在设计时首先考虑主要的技术指标，然后整体关 注其他指标。例如收发机首先要确定接收灵敏度、发射功率等符合要求，然后关 注邻道选择性、交调抑制等指标。本节提出了本射频前端收发机的技术指标，并 结合这些参数的概念对其进行分析。 2 2 1 本设计中收发机的指标 根据本m i m o 通信系统的要求，制定的收发机的指标如下： 接收机指标： 载频 单天线接收灵敏度 接收机整机噪声系数 接收机动态范围 系统最大增益 系统带宽 带内平坦度 基带输出电平 发射机指标： 载频 单天线最大发射功率 系统带宽 带内平坦度 本振抑制 2 4 5 g 8 0 d b m ( 输出信噪比18 d b ) 6 d b 6 0 ( 1 b 8 0 d b 1 0 m h z n n 口 m 2 1 2 f r e q = 5 ，0 0 0 m h z d b m ( v o u l i ) - - 2 3 7 8 l l 1t o 12345b78口1 0 f r e q ，g h z ( b ) i 路输出信号频谱 f m 3 p 腓 5 0 c0 m h z v o u_ q ) = - 2 3 7 8 i t l 34567e91 0 f r e q g h z q 路输出信号频谱 图3 - 8 接收机输入输出频谱 仿真是在理想状况下进行， q 两路的设置一样，因而两路的幅度也一样。 在实际电路中由于各种原因，比如元器件的离散性，p c b 的布线、焊接，接口的 反射等， q 信号的幅度是有些微差别的。 3 2 发射机的系统设计和仿真 3 2 1发射机的系统框图 射频发射机的作用是将基带信号转换射频信号，并放大到足够的功率发射出 去，使其能够传送到目的地。发射机主要包括调制部分和功放部分，原理其实并 不复杂，但是其设计由于各方面的原因而变得复杂。发射机的功率放大器成本高 昂，功耗很大。发射机在无线通信终端的成本和直流功率损耗上占了很大的比重。 零中频接收机的直流偏移和本振自接收是个需要重点考虑的问题。零中频发 射机自身并不存在直流偏移的问题，但发射机本振信号泄漏出去，再通过天线被 接收机接收，这会造成接收机的直流偏移，因此在设计发射机部分时应该仔细考 虑，尽量减少本振泄漏。零中频发射机发射的应该是个单边带信号，但是正交调 制过程中，基带 q 两路信号的幅度和相位会有少许的不平衡，以及本振信号也 可能有一定的相位偏差，这些问题都会造成载波和边带的不完全抑制，导致误码 率的增加。 本设计发射系统的总框图： 2 9 电子科技大学硕士学位论文 m = x e r a lm i x l s i d e b j m l d = b a t h i m a g e r e f = l o _ r e l l = 3 2 2 发射机性能仿真 l or e j l = l or e 口= 3 7 国 r fr e j = c o n y g 卸恻b p d a 一- 6 , o ) s ”= p o a a r ( 0 0 ) $ 2 2 - - o 1 0 s 3 3 = o 图3 - 9 发射机仿真框图 a 8t e r m 3 n u r n = 2 z = 5 0 0 h m 发射机最主要的指标是功率和频率。在该发射系统中，输入的基带信号为 0 d b m ，预计发射峰值功率要求能够达到2 0 d b m 。 对发射机输入单独的i 路信号进行谐波仿真，输入信号频率为i m h z ，信号 电平为0 d b m ，输出频谱如图3 1 0 ： 雪 ； i 口 f m 4 r = 2 i 4 9 g h z r r l 4d b r n ( v o u t ) = 17 3 9 d 1r j i c i l o j o e 口 l m zi i m 3 l f r e q = 2 4 4 9 g h zl f r e q = 2 4