（电磁场与微波技术专业论文）imtadvanced射频收发系统设计与实现.pdf

4 ： 扣7 毒 北京邮电大学硕士学位论文 i m t - a d v a n c e d 射频收发系统 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名穆建金 本人承担一切相关责任。 日期：型旦弓f ， 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： | 缸肩。 f 刈 i 适用本授权书。 日期：逆! ! ：主：丛 日期：童= _ ：d ，o 孑ff 北京邮电大学硕上学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 i i 八7 、 j 卜 一 气 j ， 北京邮电人学硕士学位论文 i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 摘要 在第三代移动通信网络逐渐普及，且其长期演进技术( l t e ) 日 趋成熟之际，为了满足人们对无线通信传输速率及通信业务越来越高 的要求，国际电信联盟制定了第四代移动通信技术即i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d ( i m t - a d v a n c e d ) 的标准化进程 表。标准中规定i m t - a d v a n c e d 系统的传输速率在高移动性下支持 10 0 m b p s ，低移动性下支持1 g b p s 。为了有效支撑i m t - a d v a n c e d 系 统对传输速率的要求，需要射频收发机支持更高的带宽，这也大大增 加了射频系统的复杂性，对射频电路设计提出了新的挑战。 本文根据国家“8 6 3 ”计划项目“宽带多通道射频收发系统”的 要求，针对单通道宽带射频收发系统进行深入研究，包括系统架构设 计、链路预算、系统指标仿真分析、器件选型及分析等。所设计的收 发系统工作在3 4 5 g h z ，带宽为i o o m h z ，采用零中频收发架构。发 射机主要包括调制器、衰减器、滤波器、预放、功放、锁相环等；接 收机主要包括环形器、低噪放、耦合器、解调器、可变增益放大器等。 本文对各电路模块进行具体功能分析，并结合项目指标进行部分电路 的设计与制作，包括锁相环电路、调制器、解调器、可变增益放大器 等，最后完成射频收发系统的硬件集成及性能指标的测试，并对测试 出现的问题如载波同步，v g a 带宽性能等提出解决方案，最终测试 结果达到预期的设计指标。 关键词：i m t - a d v a n c e d 、4 g 、射频、收发系统、零中频 i i i a 、 o ， 鼻 ， 一 、 p 一 北京邮电火学硕1 ：学位论文i m t - a d v a n c c d 射频收发系统设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f i m t - a d v a n c e dr ft r a n s c e i v e rs y s t e m a b s t r a c t 、e nt h e 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s u n i v e r s a la n dl o n gt e r me v o l u t i o nt e c h n o l o g yi sm a t u r e i no r d e rt o s a t i s f yp e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n do nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nr a t e sa n d s e r v i c e s t h ei n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ( i t u ) h a s p r o c e s s e dt h e s t a n d a r d i z a t i o nw o r ko ft h e4 吐1g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ( i m t - a d v a n c e d ) t h e d a t ar a t eo f i m t - a d v a n c e di s1o om b i t sf o rh i g ha n d1g b i t sf o rl o wm o b i l i t y , h i g h b a n d w i d t hs h o u l db ed e v e l o p e dt os u p p o r tt h eh i g hd a t ar a t e s ，w h i c h m a k et h er ft r a n s c e i v e rm o r ec o m p l i c a t e da n dc h a l l e n g i n g a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n t s o ft h e n a t i o n a l 8 6 3 p r o j e c t w i d e b a n dm u l t i c h a n n e lr ft r a n s c e i v e r t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e r e s e a r c ho ft h ew d e b a n ds i n g l ec h a n n e lr ft r a n s c e i v e r i ti n t r o d u c e s t h ew h o l es y s t e ms p e c i f i c a t i o n ，a n dd e t e r m i n e st h es y s t e ms t r u c t u r e ，l i n k b u d g e t ，d e v i c es e l e c t i o na n da n a l y s i s 。t h et r a n s c e i v e rs y s t e mw o r k sa t 3 4 5 g h z ，z e r o i fs y s t e ms t r u c t u r e ，a n dt h eb a n d w i d t hi s10 0 m h z t h e t r a n s m i t t e rc o n s i s t so fm o d u l a t o r , a t t e n u a t o r , f i l t e r , p r e a m p l i f i e r , p o w e r - a m p l i f i e r , p l l ，e t c ，t h er e c e i v e r c o n s i s t so fc i r c u l a t o r , l n a ， c o u p l e r , d e m o d u l a t o r , v g a ，e t c a c c o r d i n gt ot h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n ， t h ec i r c u i tm o d u l e ss u c ha sp l l ，m o d u l a t o r , d e m o d u l a t o r , v g aa r e d e s i g n e da n di n t e g r a t e di n t ot h ew h o l es y s t e m ，a n df i n a l l y , t h et e s tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h et r a n s c e i v e rc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t k e yw o r d s ： i m t - a d v a n c e d ，4 4r f , t r a n s c e i v e r , z e r o i f i i 北京邮电大学硕- i j 学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 ，卜 一 北京邮电大学硕士学位论文 i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 目录 第一章绪论1 1 1i m t - a d v a n c e d 研究背景1 1 2i m t - a d v a n c e d 研究现状1 1 2 1i m t - a d v a n c e d 进展时间表1 1 2 2i m t - a d v a n c e d 国内外研究进展【3 1 2 1 3 射频收发系统研究现状及发展趋势4 1 3 1 射频收发系统架构4 1 3 2 功率放大器相关技术5 1 3 4r f i c 。6 1 4 本文主要研究内容7 第二章射频收发系统原理概述8 2 1 发射机原理8 2 1 1 发射机架构分析8 2 1 2 发射机基本组成1 2 2 1 - 3 发射机指标解析13 2 2 接收机原理16 2 2 1 接收机架构分析1 6 2 2 2 接收机基本组成18 2 2 3 接收机指标解析2 0 2 3 本章小结：2 4 第三章i m ta d v a n c e d 发射机系统设计及仿真2 5 3 1 发射机系统指标分析2 5 3 1 1 系统载频选择2 5 3 1 2 系统输出功率分析2 6 3 1 3 无线带宽分析2 6 3 2 发射机架构设计一2 6 3 2 1 发射机架构的选择2 6 3 2 2 发射机系统设计2 7 3 3 发送链路预算2 7 3 4 发射机电路模块设计。2 8 3 4 1 1 0 调制器电路设计2 8 3 4 2 锁相环选型及电路设计3 0 3 5 发射机系统性能仿真3l 3 5 1 i q 发射信号时域及频域仿真分析3l 3 5 2 发射信号功率谱及发射通道增益3 3 3 5 3 邻信道泄露比a c l r 仿真分析3 3 3 5 4 带外杂散辐射3 4 3 6 本章小结3 4 第四章i m ta d v a n c e d 接收机系统设计及仿真3 5 4 1 接收机系统设计指标3 5 4 2 接收机架构设计3 5 4 2 1 直流偏移问题分析3 6 4 2 2i q 不平衡问题分析3 7 i i 北京邮电大学硕士学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 4 3 接收机链路设计3 8 4 4 器件选型与评估。3 8 4 4 1 可变增益放大器电路设计3 8 4 4 2i o 解调器选型及电路设计4 0 4 5 接收机系统性能仿真4 l 4 5 1 接收通道信号功率谱及增益4 1 4 5 2 系统噪声系数4 2 4 5 3 系统输入三阶交截点i i p 3 仿真分析。4 2 4 5 4 系统解调输出i q 信号时域及频域波形4 2 4 6 本章小结4 3 第五章i m ta d v a n c e d 射频收发系统性能测试4 4 5 1 系统测试平台4 4 5 1 1 发射通道测试平台4 4 5 1 2 接收通道测试平台4 4 5 2 发射机性能测试结果4 5 5 2 1 各种调制信号峰均功率比及c c d f 曲线测试4 5 5 2 2 发射信号功率谱及辐射杂散测试4 6 5 2 3 发射信号e v m 及星座图测试4 7 5 2 4 发射信号邻信道泄露比a c l r 测试4 8 5 2 5 锁相环电路测试4 9 5 3 接收机性能测试结果_ 5 1 5 3 1 系统增益及变化范围5 1 5 3 2 接收通道输出i q 信号时域及频域测试5 2 5 4 本章小结5 3 第六章总结与展望。5 4 奄参：秀；文献。5 5 致谢1 硕士期间发表论文2 i h 北京邮电火学硕：i ：学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 1 1i m t - a d v a n c e d 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 随着移动通信的快速发展，人们对无线通信的传输速率提出了越来越高的要 求。随着国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 对于 i m t - a d v a n c e d 系统全球标准化工作计划的逐步明确，i m t - a d v a n c e d 需要支持增 强的峰值速率以支持新的业务和应用，在高移动性下支持1 0 0 m b p s ，低移动性下 支持1 g b p s 1 1 。 为能有效支撑i m t - a d v a n c e d 系统对传输速率的要求，需要采用新的技术和 更宽的传输带宽，带宽的增大对射频系统的设计提出了前所未有的挑战，包括宽 带功率放大器的线性度、平坦度及工作效率，射频架构的简单化、小型化及可扩 展性，系统的功耗、灵敏度、非线性度、辐射杂散等性能，宽带调制解调电路的 幅度不平衡性及相位不平衡性等。因此，射频前端模块是传输速率能否有较大提 高，下一代宽带移动通信系统能否尽快成熟的瓶颈。 基于这样的背景，本文旨在研制出带宽超过1 0 0 m h z 、可应用于 i m t - a d v a n c e d 移动通信和宽带无线接入的射频收发系统。 1 2i m t - a d v a n c e d 研究现状 1 2 1i m t - a d v a n c e d 进展时间表 国际电信联盟无线电通信部门( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n r a d i o c o m m u n i c a t i o ns e c t o r ，i t u r ) 在2 0 0 8 年3 月发布了i m t - a d v a n c e d 标准的 进展时间表。2 0 0 8 年3 月到2 0 0 9 年1 0 月，完成无线接口技术议案的提交，由 提交方完善各自议案中的技术规范；2 0 1 0 年7 月，完成各提交议案的评估；2 0 1 0 年1 0 月，完成对评估结果的商议；2 0 1 1 年2 月，根据评估结果提出议案的改进 方案并实施。 北京邮电人学硕j j 学位论文 i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 s t e p si nr a d i oi n t e r f a c ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ： s t e pi ：l s b u a n e eo f t h ec i r c u l a ri o t t e r s t e p2 ：d e v e l o p c m e n to f c a n d i d a t er i i sa n ds r i i s s t e p3 ：r e c e p t i o no f t h ei u ta n ds r l ts u b m t s s i o n sa n d a c k n o 、l e d g e m e n to f r e c e i p t s t e p4 ：e 、a l u a t i o no f c a n d i d a t er j l la n ds r i i s b ye v a l u a t i o ng r o u p s s t e p5 ：r e j e wa n dc o o r d i n a t i o no f o u t s i d ee v a l u a t i o na c t i v i t i e s s t e p6 ：r e 、j e wt oa s s e s sc o m p l i a n c ew i t hm i n i m u mr e q u i r e m e n t s s t e p7 ：c o n s i d e r a t i o no f e v a l u a t i o nr e s u l t s c o l l s c n s u sb u i l d i n g a n dd e c i s i o n s t e p8 ：d c v c l o p n l c n to f r a d i oi n t e r f a c er e c o m m e n d a t i o n ( a l c r i t i c a lm i l e s t o n e sl nr a d i oi n t e r f a c ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ： f o ) ：i s s u e 跚i n , d t a t i o n t o p r o p o s e r i t sm a r c h 2 0 0 8( 2 ) ：c u t o f f f o re v a l u a t i o nr e p o r t t o i t uj u n e 2 0 l o ( 1 ) ：i t up r o p o s e dc u to f f f o rs u b m i s s i o n o c t o b e r2 0 0 9 ( 3 ) ：w p5 d d e c i d e s f r a m e w o r ka n d k e y o c t o b e r 2 0 1 0 o f c a n d i d a t er i tp r o p o s a l sc h a r a c t e r i s t i c so fr m t - a d 、a n c e dr i i sa n ds r m “l ：w p5 dc o m p l e t e sd e v e l o p m e n to fr a d i of e b r u a r y2 0 1 1 i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o nr e c o m m e n d a t i o n s 图1 - 1i m t - a d v a n c e d 进展时间表2 】 1 2 2i m t - a d v a n c e d 国内外研究进展 i t u r 作为管理和协调国际间无线电频谱和卫星轨道使用的组织，负责制定 并更新无线电规则和相关区域性协议，开展有关无线电通信事宜的研究并批 准相关建议书。2 0 0 7 年l o 月2 2 日至1 1 月1 6 日在瑞士日内瓦召开的世界无线 电大会( i t u rw o r l dr a d i o c o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c e2 0 0 7 ，w r c 0 7 ) ，为i m t 系统的频段划分提出建议，包括4 5 0 4 7 0 m h z 、6 9 8 8 6 2 m h z 、2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 和3 4 0 0 3 6 0 0 m h z 频段。其中6 9 8 8 6 2m h z 和3 4 0 0 3 6 0 0m h z 不是全球频段。 w r c 0 7 大会之后，i t u rw p 5 d 频率划分子工作组开始针对新分配频谱对 i t u rm 1 0 3 6 3 进行修订，为这些新频段制定频率划分方案，计划2 0 11 年2 月 完成m 1 0 3 6 3 的更新。除了在3 4 0 0 3 6 0 0 m h z 频段各国还没有明确研究方案外， 在4 5 0 。4 7 0 m h z 、6 9 8 8 6 2 m h z 、2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 频段以成为各国讨论的重点。 4 5 0 4 7 0 m h z 频段得到r c c 、a t u 、c i t e l 、a p t 、东欧和北欧等区域组织和国 家的支持。4 5 0 4 7 0 m h z 频段覆盖范围广，尤其适用于对农村或人烟稀少地区， 提供大范围覆盖。目前，全球在4 5 0 4 7 0 m h z 频段主要有c d m a 4 5 0 和对讲机等 系统。在此频段内，我国既安排了农村无线接入系统，也安排了中央党政机关、 军队、铁路、公安等部门专用通信和一些企事业单位的指挥调度系统，还有一些 2 些 给i m t 系统。 对于u h f 频段欧洲和美国已经开始规划和拍卖。美国2 0 0 8 年初完成了 7 0 0 m h z 频段的拍卖，a t & t 和v e r i z o n 得到了该频段大部分移动业务的运营许 可。欧洲也已经完成对7 9 0 8 6 2 m h z 频段的规划，预计近期欧洲国家将开始拍卖。 亚太地区至今仍在研究，尚未形成区域性方案。对于6 9 8 8 0 6 m h z 频段，w p 5 d 第五次会议中国提出了一种t d d 、f d d 混合方案，6 9 8 7 1 6 m h z 用于f d d 上行， 7 2 8 7 4 6 m h z 用于f d d 下行，7 4 6 8 0 6 m h z 用于t d d 模式。 对于2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 频段，2 0 0 2 年我国已经将此频段规划给i m t - 2 0 0 0t d d 系统使用，w r c 0 7 大会将此频段作为全球统一频段指定给i m t 系统。目前亚 太区域有多个国家已经部署t d d 系统，2 0 0 8 年1 0 月在我国的建议下，w p 5 d 接受2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 频段全频段划分给t d d 系统的方案。由于有些国家希望为 f d d 系统将来的部署保持一定的灵活性，因此w p 5 d 还在讨论灵活的f d d t d d 模式。 由于w p 5 d 计划2 0 1 1 年2 月完成i m t 频谱划分方案的制定工作，因此对于 所有频段的划分方案的讨论还会持续进行，各国家和区域组织都在针对性开展研 究。 i m t - a d v a n c e d 候选技术评估2 0 0 8 年10 月i t u rw p 5 d 第三次会议起草完 成了i m t - a d v a n c e d 空中接口技术评估方法( i t u rm 2 1 3 5 ) 和候选技术提案提 交模板( i t u rm 2 1 3 3 ) ，用以指导后续i m t - a d v a n c e d 候选技术提案的提交、评 估和技术建议的起草。针对后续的技术评估，在i t u rw p s d 共注册了1 2 个评 估组织，这些评估组将自愿选择对向w p 5 d 提交的候选技术提案进行评估。 北京邮电大学硕：卜学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 中国评估组( c h e g ) 成员单位包括：工业和信息化部电信研究院、东南大 学、中国移动、中国联合网通、中国电信、清华大学、北京邮电大学、国家无线 电监测中心、5 4 所、大唐移动、华为、中兴、上海贝尔阿尔卡特。c h e g 已经在 我国评估组成员范围开始仿真平台的搭建和校对工作，在w p 5 d 第五次会议上 中国建议各个评估组织校准仿真平台，并给出了c h e g 的校准结果。作为信息资 料，c h e g 的校准结果放在i t u ri m t - a d v a n c e d 主页上给其它评估组织参考， 但不强制要求其它外部评估组与之校准。 包括中国评估组在内，一些在i t u r 注册的评估组织开始根据i t u rm 2 1 3 5 中定义的评估方法准备i m t - a d v a n c e d 仿真评估平台，并开始评估组间的交流。 中国、韩国和芬兰认为目前m 2 1 3 5 规定的评估方法中存在一些笔误并缺少两个 信道模型的公式，w p 5 d 第五次会议相应对评估方法进行了修订。由于i t u 建 北京邮电大学硕上学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 案也没有广泛使用。 但是，将零中频架构用于基站接收机应该是大势所趋，因为以下诸多优点不 可能让业界熟视无睹：零中频接收机在系统中不存在中频( i f ) ，避免了镜像干扰， 节省了镜像滤波器的设计成本；同时，它免去了中频变频模块和中频带通滤波器， 大大简化了整个接收机的设计，节约了成本，易于高度集成化和小型化。业内厂 商a d i ，t i ，h i t t i t e 等有相关芯片支持零中频接收机方案。 1 3 2 功率放大器相关技术 功放处在基站发射通道前端，将信号进行功率放大，不过目前功放的效率一 直较低。在3 5 g h z ，输出功率大于1 0 d b m 情况下，一般功放效率只有1 0 , - - 2 0 ， 而大部分电能则作为热能耗散掉，并且为了提高输出功率，大部分功放均工作在 非线性临界状态，其引入的非线性会严重干扰带外信号，因此功放的线性化和效 率是功放发展必须解决的两大重点。 功放线性化技术 改善射频功率放大器线性度的线性化技术很多，目前已部分应用到现代无线 通信系统中。在各种线性化技术中，前馈线性化同时能够提供大宽带和良好的互 调失真压缩，但是具有较差的效率，且复杂而昂贵【5 】【6 】。后馈技术工作不稳定且 带宽受限【7 】。预失真技术具有稳定、高效、宽带宽与自适应等优势，有模拟射频 预失真和数字预失真两种类型。模拟射频预失真技术具有结构简单、成本低和线 性化适中等优点【8 】，然而，这种技术涉及到相当多的附加模拟硬件即需要使用较 多非线性器件，其特性较难控制，降低了改善的精度。数字预失真技术采用了复 杂的d s p 技术，提供了更好的互调失真压缩，尽管复杂，但性能更优。在各种 线性化技术中，数字基带预失真是性价比最高的一种，使用少量的模拟器件，实 现成本比前馈预失真技术低。这种技术在基带进行信号处理，不依赖于系统的工 作频率，它尤其适合于软件无线电【9 】。而且，自适应技术能够容易地应用到数字 预失真结构中。通常宽带射频功率放大器具有记忆效应，同时随输入信号不同， 非线性程度也不断发生变化。因此，自适应控制方法在改善预失真功放性能方面 是需要的。 功放效率提升技术 功放作为基站的核心部分，耗电量所占比重非常大，而现有射频功放效率低 下，致使整个基站的效率也被降低。为减小通信运营商的成本，倡导绿色通信， 节能减排的政策，要求提高p a 的效率。因此，研究解决功率放大器的效率问题 成为了当前研究的热点。针对效率的研究包括e 类放大器( 开关放大器) 、包络跟 踪技术、l i n c 技术和d o h e r t y 放大器等。d o h e r t y 放大器是提高放大器效率最有 5 北京邮电大学硕上学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计j 实现 前景的技术，因此对于d o h e r t y 放大器的研究具有非常良好的态势。 d o h e r t y 电路拓扑如图1 2 所示，包括主放大器和辅助放大器。两个放大器 并行连接，主放大器串接一条l 4 波长的微带线具有阻抗变换作用，辅助放大器 前1 4 波长线具有相位平衡作用。主功率放大器引入1 4 波长线的目的是在辅助 功放工作时，具有将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作时和后面 的电路组成的有源负载阻抗变低【i 们。当主放大器接近饱和时辅助放大器输出电 流，由此减小主放大器的输出阻抗，使其在达到饱和时输出更多的电流。主功放 工作在b 类或a b 类，辅助功放工作在c 类。 图1 - 2d o h e r t y 功放拓扑图 另外，在考虑高效率的同时，高功率和高线性度也是重要的指标，因此， d o h e r t y 功放模块和线性化技术，及g a n 等工艺的结合也是一个重要的发展趋势。 1 3 4r f i c r f i c 器件朝向集成度更高的方向发展，使一部手机中只含2 3 块i c 芯片。 提高r f i c 功能模块的集成度是实现低成本、小尺寸、低功耗和高性能的必要途 径，例如射频电路部分集成到一块芯片上，而基带部分中的信道编码器和算法处 理器也可能会集成在一块芯片上，其最终目标是实现一块芯片，即硅上蜂窝电话 机。 r f i c 的发展对半导体工艺也提出了更高的要求，从以前的c m o s ，b i c o m s ， s i ，s i g e 等工艺向更高功率，更高线性度和效率的g a a s ，g a n 等工艺发展。 另外，r fm e m s 是最近发展起来的一门新兴技术，将集成电路工艺与精密机械 加工相结合【l l 】。当前，利用m e m s 技术正在攻克通信系统前端器件如双工器、 转换开关、混频器、r f 放大器、i f 滤波器、本振、i f 放大器、v c o 和可调电 容。它的主要优点是低损耗、高效率和微型化。微机电结构未来的技术发展将把 高频s i g e 有源器件，先进的m e m s 器件和微机械器件集成在一块晶片上，从而 进一步缩小体积、减轻重量、降低成本，具有良好的性能。 6 北京邮电火学硕士学位论文l m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究了基于i m t - a d v a n c e d 技术的射频收发系统。在深入分析各种 收发系统架构的基础上，选择结构简单，性能良好的零中频收发结构，并根据项 目的具体指标要求，进行链路预算，器件的选型及分析，系统性能仿真分析及具 体电路的集成及测试。 第一章绪论主要介绍了i m t - a d v a n c e d 系统的研究背景及研究现状，并阐述 了射频收发系统关键技术及其发展趋势。 第二章主要阐述了收发机的基本原理，对超外差，零中频，数字中频等几种 收发架构进行分析比对；并分析了收发机中的常用组件，如功放，调制解调器， 滤波器，低噪放，衰减器等，对各个器件的功能及类型进行了简单描述；对收发 机的性能指标进行分析，阐述了各指标的具体物理意义。 第三章主要对射频发射机进行整体设计。首先具体分析了项目对发射机的指 标要求，并将指标映射到具体系统设计中；设计发射机的完整架构，并对发射机 进行链路预算；最后对所设计的系统进行指标仿真分析，包括增益、a c l r 、辐 射杂散等。另外，对于本文做的部分器件如i q 调制器，锁相环电路进行重点阐 述，包括原理图的设计及p c b 版图设计。 第四章主要对射频接收机进行整体设计。首先具体分析了项目对接收机的指 标要求，并将指标映射到具体系统设计中；设计接收机的完整架构，并详细阐述 了接收机的设计步骤，包括噪声系数、a d c 位数、v g a 动态范围等参数的确定， 根据具体系统进行链路预算分析；最后对所设计的系统进行指标仿真分析，包括 增益、噪声系数、i i p 3 等。另外，对于本文做的部分器件如i q 解调器，可变增 益放大器电路进行重点阐述，包括原理图的设计及p c b 版图设计。 第五章主要对设计的收发系统进行性能实测。首先搭建了收发系统测试的系 统平台，对于发射机，测试了信号峰均比，c c d f 曲线，a c l r ，e v m ，发射杂 散及本振相位噪声等性能指标；对于接收机，测试了增益，i q 时域波形等，测 试结果满足设计要求。 第六章是对全文的总结及展望 7 北京邮电大学硕上学位论文 i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 第二章射频收发系统原理概述 本章主要对射频收发系统的基本架构、组成模块、性能指标等进行详细阐述， 从原理上对收发系统进行全面分析，以便对后续章节的收发系统硬件设计提供理 论基础。 2 1 发射机原理 一个完整的无线发射机由三部分组成，如图2 1 所示。用户接口部分提供用 户数据和基带电路之间的接口，在这一层上，可以定义各种各样的服务；基带处 理部分对用户数据进行信源及信道编码，调制，成帧等物理层算法；最后一部分 就是射频部分，将基带处理电路生成的信号上变频到合适于无线信道传播的频 段【1 2 1 。 l 天线 乙匡圈叵丑霾 图2 - 1 无线发射机结构图 2 1 1 发射机架构分析 超外差式发射机 图2 - 2 超外差发射机结构 在这种发射机结构中，基带i q 信号通过两级或者更多级上变频操作变换到 载频上。第一级上变频操作通常采用正交上变频结构，生成的中频信号经过中频 滤波器后，与第二级本振混频，得到射频信号，混频后的结果由镜像抑制滤波器 抑制镜像信号和谐波成分，最后由功率放大器进行放大，并通过射频滤波器( 通 常为腔体滤波器) 滤波功放引入的非线性成分，送到天线进行发射，它的频域转 换示意图如图2 3 所示。 北京邮电人学硕士学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 负频率成分正频率成分 十 本振信号 一l 一釜二篓l ， l 一j 频率 t ， l 。o t 卜一 + f r 土j 鬻渊 一j 1 ”“” 图2 3 超外差发射机频域转换示意图 超外差式发射机的集成度受到镜像抑制滤波器的影响。为了不干扰其他信道 的信号，发射机对镜像信号应具有足够的抑制率，因此，这种结构对滤波器具有 很高的要求，一般不能将镜像抑制滤波器集成在芯片上。 直接上变频发射机 直接上变频发射机将基带i q 信号直接正交上变频到载波频段，在上变频过 程中不会产生镜像信号，从而避免了镜像抑制问题。这种发射机的系统结构如图 2 - 4 所示。 o 囤 图2 - 4 直接上变频发射机结构 从数字域来的基带信号经过模数变换和低通滤波后，由正交上变频器转换到 射频频段，然后由功率放大器进行放大，通过射频带通滤波器滤除谐波成分后， 经天线发射出去。这种发射机的频率转换示意图如图2 5 所示。从图中可以看出， 在完全理想的情况下，这种发射机不会产生镜像信号。虽然在实际电路中，由于 i q 两路支路不匹配的影响，该发射机也会产生一定大小的镜像信号，但这些镜 像信号的能量很弱，功率放大器后的射频带通滤波器可以抑制这些镜像信号。 9 日 母圆d l，o，l一 北京邮电大学硕士学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计! j 实现 上变频之前的功率谱密度 负频率成分正频率成分 ， ；、 本振 、 频率 上变频之后的功率谱密度 车 本振与基带信号混频 一、有用信号 频率 图2 5 直接上变频发射机频域转换示意图 在直接上变频发射机中，本振信号频率和有用信号频率完全相同，本振信号 和有用信号之间会产生互扰。一方面，本振信号经由衬底耦合等方式会泄露到射 频信号通道，叠加在频率完全相同的射频信号上，不可分离，直接干扰有用信号。 另一方面，射频信号经过功放后，成为一个强信号，该信号也会通过衬底耦合等 方式泄露到本地振荡器中，使本地振荡器产生频率牵引效应。为了减少本振信号 和射频信号之间的互扰问题，可以采用两种方法，一种是加大提供本地振荡信号 锁相环的环路带宽，使锁相环对外来干扰具有很好的抑制作用；另外一种方法是 采用与载波频率不同的本振信号，比较常见的是使本振信号频率仅为载波频率的 一半或者两倍，然后在调制器中倍频或者分频的方法来得到与载波频率相同的本 振信号。例如r f m d 的调制芯片r f 2 7 2 1 在内部集成了二分频的模块，可将本振 信号分频后与i q 信号进行混频。 数字中频发射机 数字中频发射机结构如图2 - 6 所示。它将d a c 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，再 经过混频及功率放大器，最后通过天线发射。 丫j o - - l 。固婚母圈曰9 、 由 i 伊q 图2 - 6 数字中频发射机结构 l o ， 北京邮电大学硕士学位论文i m t - a d v a n c e d 射频收发系统设计与实现 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p c b 板的布线，以及射频发射机的调制，简化发射机的设计。 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。 如果将中频频率进一步提高，直接变为载波频率，即将d a c 从中频搬移到 射频前端，并是软件无线电的思想，其结构如图2 7 所示。 髟7 r o 一一， 一日园l 。 l q 图2 - 7 软件无线电发射机结构 实现软件无线电需要硬件具有很高的处理速度，目前的数字处理器硬件水平 及d a c 的转换速率还无法完成处理射频所要求的运行速度。所以软件无线电尚 限于理想化的概念，真正实现还有待于数字处理器能力的提高。不过d a c 的转 换速率已经得到明显提高，m a x i m 发布的型号为m a x 5 8 8 1 ，m a x l 9 6 9 3 等d a c 芯片转换速率大于4 g s p s ，位数为1 2 位；a d i 发布的型号为a d 9 7 3 9