（电磁场与微波技术专业论文）基于认知的无线通信系统射频前端分析与设计.pdf

摘要 目前，随着无线通信用户数量的不断上升，无线频谱资源已经成为一种极为稀缺的资 源，然而频谱的利用率又相对较低，这就形成频谱利用率较低与需求不断增长的矛盾。为了 缓解这个矛盾，学术界提出认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念。基于认知的无线射频前 端的设计是认知无线通信实现的关键技术之一。 由于基于认知的无线射频前端要处理的是很大带宽的射频信号，直接将a d 变换置 于天线端的理想认知无线电解决方案目前还不可行，将认知宽带的射频信号转换为可数字 化的中频信号是认知无线通信得以实现的关键。 论文首先概述了认知无线电产生背景和基本原理，并对i e e e 8 0 2 2 2 作了介绍； 接收机部分采用近年来通行的单中频结构来设计数字接收机射频前端，通过基于 i e e e 8 0 2 2 2 系统的接收机设计来说明整体系统的设计原理，并通过芯片选型和电路设计完 成接收机射频前端的设计工作。在本章最后，使用a d s 软件验证了系统设计； 发射机部分采用零中频结构来设计数字发射机射频前端，通过基于i e e e 8 0 2 2 2 系统的 发射机设计来说明整体系统的设计原理。提出了使用a d 9 7 7 7 十a d 8 3 4 9 组成的零中频直接 上变频结构。在本章最后，通过对系统仿真的分析，验证了直接上变频系统的可行性； 文章最后谈论了认知认知宽带无线通信的发展前景，以及认知宽频带射频前端设计 技术的意义。 关键词：认知无线电，射频前端，单中频，零中频 a b s t r a c t w i t ht h en u m b e ro fu s e r so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n c r e a s i n g ，w i r e l e s s s p e c t r u m r e s o u r c e sh a v eb e c o m ev e r ys c a i c 宅a tt h es a m et i m et h ee f f i c i e n c yo ft h es p e c t r u mu t i l i z a t i o ni s r e l a t i v e l yl o w , i n o r d e rt oa l l e v i a t et h i sc o n t r a d i c t i o n ，r e s e a r c h e rs u g g e s tc o g n i t i v er a d i o ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) c o n c e p t f r e q u e n c yf r o n t e n dd e s i g nb a s e do nc o g n i t i v er a d i oi so n eo ft h ek e yt e c h n i q u eo ft h e r e a l i z a t i o no fc o g n i t i v ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t h e s i sp r o v i d e sa no v e r v i e wo fc o g n i t i v er a d i ob a c k g r o u n da n dr a t i o n a l e ，a l s oi n t r o d u c e s i e e e 8 0 2 2 2 ； r e c e i v e rp a r to ft h et h e s i ss u g g e s ts i n g l e i fr ff r o n t - e n dt od e s i g nt h es t r u c t u r eo f f r o n t - e n dd i g i t a lr e c e i v e r , i l l u s t r a t et h eo v e r a l lr e c e i v e rs y s t e md e s i g np r i n c i p l e st h r o u g ht h e d e s i g no fi e e e 8 0 2 2 2 一b a s e ds y s t e m ，a n dc o m p l e t er ff r o n t - e n dr e c e i v e rd e s i g nw o r kt h r o u g h t h ec h i ps e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g n f i n a l l yi nt h i sc h a p t e r , u s ea d ss o f t w a r et ov e r i f yt h e s y s t e md e s i g n ； t r a n s m i t t e rp a r to ft h ep a s s a g es u g g e s tz e r o - i fr ff r o n t - e n dt od e s i g nt h es t r u c t u r eo f f r o n t e n dd i g i t a lt r a n s m i t t e r , i l l u s t r a t et h eo v e r a l lt r a n s m i t t e rs y s t e md e s i g np r i n c i p l e st h r o u g h t h ed e s i g no fi e e e 8 0 2 2 2 一b a s e ds y s t e ma n ds u g g e s tt h ec o m p o s i t i o no ft h ea d 9 7 7 7a n d a d 8 3 4 9c h i p sd i r e c tc o n v e r s i o nz e r o - i fs t r u c t u r e f i n a l l yi nt h i sc h a p t e r , v e r i f yd i r e c t l yt h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mt h r o u g ht h ea n a l y s i so fs y s t e ms i m u l a t i o n ； a tl a s t ，t h ea r t i c l et a l k e da b o u tt h ep r o s p e c t so fc rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd e v e l o p m e n t ， a sw e l la ss i g n i f i c a n c eo fc o g n i t i v e - w i d e b a n dr ff r o n t - e n dd e s i g n k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，r ff r o n t e n d ，s i n g l e i f , z e r o i f 论文独创性声明 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，也不包含为获得南京邮电大学 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感谢。 学位论文作者签名：日期： 学位论文版权使用授权声明 本学位论文作者完全了解南京邮电大学有关保留、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于南京邮电大学。 南京邮电大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权南京邮电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适用本授权书。 学位论文作者签名： 日期： 指导老师签名： 日 期： 南京邮i u 大学硕 ：研究生论文 1 1 认知无线电简介 第一章绪论 第一章绪论 目前随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源变得越来越稀缺。人们通过 采用链路自适应技术、多天线技术等先进的无线通信理论和技术，努力提高频谱利用效 率。但在同时却发现全球授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段的频谱利用率 极低。掘研究表明，在任一时刻，人们所用到的频谱只占所有可用频谱的2 - - 6 i l j 。 频谱并不是真的匮乏，而是我们没有一种在满足现行授权频谱用户要求的同时，对频谱 访问进行智能管理的技术。因此近年来，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的频谱 共享技术受到了人们的广泛关注。认知无线电( c o g n i t i v e r a d i o ，c r ) 作为一种智能的频 谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算 法，实时自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许 在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用，这将大大降低频谱和带宽限制对无线技 术发展的束缚。因此这一技术被预言为未来最热门的无线技术。 1 1 1 认知无线电技术发展概述 早期设计的无线电都是静态的，通信只能在指配的专有频段上工作，使用专有的调 制解调器、信道协议等。为实现多种通信标准共存，出现了采用可编程软件的自适应无 线电技术，如软件定义无线电( s d r ) 技术，可在有限的预定义的频段之间切换。这种 系统相当灵活但缺乏智能。近些年为解决无线频谱资源紧张的问题，出现了许多先进的 无线通信理论和技术。如链路自适应技术、多天线技术等。这些技术虽能提高频谱效率， 但仍受限于香浓定理。美国联邦通信委员会( f c c ) 的大量研究表明，一些非授权频段， 如工业、科学和医用频段以及适于陆地移动通信的2 ghz 左右的授权频段过于拥挤，而 有些授权频段却经常空闲【2 l 。于是人们想到，如果系统能自动感知所处的频谱环境，通 过智能的学习来实时调整适应调制、编码、信道协议和带宽等传输参数，或者再利用原 有指定频段之外的空闲频段，实现多维空蒯上频谱的接入，这样无疑能极大提高频谱利 i、 用率。于是一种革命性的智能频谱共享技术认知无线电( c r ) 的最初设想产生了。 自1 9 9 9 年“软件无线电之父”j o s e p hm i t o l ai i i 博士首次提出了c r 的概念并系统地阐述 l 南京邮i 乜人学顾- j - g f 究生论文第一章绪论 了c r 的基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了c r 的定义，其中比较 有代表性的包括f c c 和著名学者s i m o nh a y k i n 教授的定义。f c c 认为：“c r 是能够基 于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电。”s i m o nh a y k i n 则从信号处理的角度 出发，认为：“c r 是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技 术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( 比如传输功率、载波频率和调制技术等) ， 使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地 点通信高度可靠；有效利用频谱资源。”概括来说，认知无线电具有检测、适应、学习、 机器推理、最优化、多任务以及并发处理应用的性能【2 1 。具体而言，认知无线电可完成 频谱的快速搜索，并对当地环境的改变作出快速的物理层反应并进行功率控制；还可与 多种无线电技术进行协作：具有高层上的频谱礼节和谈判协议；不同的无线电链路可以 同时发生；可在目标频带中转向任意可用的信道；实现信道共享和功率控制协议，以适 应多个不同类型网络共享频谱的情况；实现自适应的发射带宽、数据比特以及纠错策略， 以获得最好的吞吐量：实现自适应天线导向以集中发射功率从而最大化接收信号强度。 认知无线电的思想已在无线通信的许多领域得到了应用。如工作于5 g h z 频段的i e e e 8 0 2 1 l a 网络采用了动态频率选择( d f s ) 和发送功率控制( t p c ) 机制，避免对雷达信 号产生干扰；高速下行分组接入( h s d p a ) 和c d m al xe v - d o 网络采取认知调制过程， 通过确认用户需要的服务，识别用户工作的最佳环境，进而设定最有效的调制方案、数 据速率及发送功率等，以满足用户的q o s 等需求【8 】。 1 1 2c r 的频谱政策和标准化工作进展 c r 技术从本质上撼动了一直以来的静态频谱分配策略，它的实现需要频谱管理政 策的支持。2 0 0 2 年1 2 月，f c c 规定非授权设备应具备能够识别未占用频段的能力；2 0 0 3 年1 1 月，f c c 提出新的量化和管理干扰的指标值干扰温度的概念，以扩展移动和 卫星频段的非授权操作；同年1 2 月f c c 成立了c r 工作组，明确表示支持c r 并修正 了美国的电波法；2 0 0 4 年5 月，f c c 又建议非授权无线电可在电视广播频段内操作。 这一系列政策的支持给c r 技术的研究提供了发展条件。在频谱政策管制部门的带动下， 一些标准化组织接纳了c r ，并先后制定了一系列标准以推动该技术的发展。2 0 0 4 年1 1 月ie ee8 0 2 2 2 工作组f 式成立，这是第一个世界范围的基于认知无线电技术的空中接 ： 口标准化组织。与此同时，专门成立了致力于解决共存问题的i e e e8 0 2 1 6 h 工作组，可 以使w i m a x 适用于u h f 电视频段，利用认知无线电技术使8 0 2 1 6 系列标准可以在免 2 南京邮l 乜火学顾i 1 ：研究生论文第一章绪论 许可频段获得应用。为了进一步研究认知无线电，i e e e 于2 0 0 5 年成立了i e e e l 9 0 0 标 准组，进行与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。 1 2i e e e8 0 2 2 2 介绍 8 0 2 2 2 协议决定了多个设备之间的协同操作。协议交互发生在协议的每一层。其中 8 0 2 2 2m a c 和物理层协议栈对于所有被支持的服务都是相同的。8 0 2 2 2 中m a c 层的中心 目的是共享无线信道资源。m a c 协议定义了如何和何时初始化在信道上的传输。由于用 户驻地设备与一个或更多的基站竞争容量，所以m a c 协议应该有效地管理竞争和资源分 配。物理层可细分为一个会聚子层和一个物理媒体( p m d ) 子层。p m d 是物理层的主要部 分。就像m a c 层的会聚层，物理层的会聚层能自适应映射m a c 层的特定需要到通用的 p m d 服务。 由于8 0 2 2 2 系统中的点到多点无线设备使用的是电视频段，在该频段范围内基站和用 户之间可以在短距离环境和无视线路径环境下通信，该频段的无线电波有很强的穿透性， 即使在基站和用户被部分或完全阻挡的情况下仍然可以互相通信。不过在这种情况下会 导致信号严重衰弱并且存在多径效应，影响通信质量。为了与原来电视频道的主用户共 存，8 0 2 2 2 系统的物理层和m a c 层协议应该允许基站根据感知结果，动态调整系统的功率 或者工作频率，还应包括降噪机制，这样可以避免对原来电视频道的主用户造成干扰。为了 保证在授权业务不受影响的前提下实现系统操作，8 0 2 2 2 空中接口需要有较强的自适应性 和可扩展性。自适应性是指对于特定传输参数的修改和用户驻地设备参数的更新与软件 下载。自适应性应该包括速率和功率的自适应性。可扩展性是指系统的操作参数可变， 如比特速率、信道带宽、覆盖程度、部署等。可扩展性包括带宽可扩展性和链路对称可 扩展性。 1 2 1 物理层 8 0 2 2 2 基站和用户驻地设备问的通信机会也就是信道空闲的出现是随机的，并且会影 响物理层和m a c 层的架构设计。此时物理层需要在较低的复杂度下提供高性能可靠通 信。8 0 2 2 2 物理层在调制和编码方面具有高度的可扩展性。用户驻地设备到基站有着不 同的距离，从而导致的不同的信噪比。基站可以通过动态调整调制和编码方式来解决，这样 提高了系统效率。为了使认知无线电对授权业务地增加链路的吞吐量，可以在较低的发射 南京邮| u 大学硕l ：研究生论文 第一章绪论 功率和灵活的调制机制之间进行折衷。为此8 0 2 2 2 定义了功率控制的动态范围为以3 0 d b 为中心，上下浮动l d b 。动态频率选择( d f s ) 是实现共存时其物理层需要考虑的另一因素。 不仅体现在较短时间内调整操作频率，而且体现在如何调整频率以达到节能的目的。当考 虑对电视频带和其他授权用户的邻信道干扰时，w r a n 系统只能被限制在很小的一部分 信道上操作。8 0 2 2 2 必须包含占用信道的可扩展性，至少需要适应现存的6m h z 、7m h z 、 8m h z3 种不同的电视带宽。从调制的观点考虑，只要产生干扰便可以释放其中任何一个 被干扰的信道，使得每个电视频道可以变得独立。这时w r a n 系统可以考虑占用不止一个 电视信道来增加链路容量。 1 2 2 m a c 层 为了能及时对外界环境的变化如主用户的出现做出响应，基于认知无线电的8 0 2 2 2 m a c 层需要具有高度的动态性能。除了提供媒体接入控制、鲁棒数据传输等传统业务能 力，8 0 2 2 2m a c 层还需要提供一套传统标准所没有的全新的功能，其中包括频谱的分布式 感知和频谱的动态管理等，以实现与广播电视共享频谱。 ( 1 ) 接入初始化 在任何m a c 协议中，初始化都是以及自身的干扰最小，有效的传输功率控制( t p c ) 非 常重要。8 0 2 2 2 标准支持链路间的功率控制，允许用户驻地设备的功率减小到一个可靠的 可维持链路通信的最低等级。为了尽可能必要的，而且一般依靠中心基站进行。但在 w r a n 中并不是这样的，8 0 2 2 2 中的用户驻地设备启动时，首先需要花一定的时间扫描所 有的电视频段从而建立一个标识，即每个信道占用情况映射图，用来表示是否探测到主用 户信号。该信息将随后被传送给基站。8 0 2 2 2 不像现存的无线技术，用户驻地设备没有利 用预判决信道技术去寻找基站。8 0 2 2 2 可能会利用信道融合技术，将多个空闲信道结合在 一起，从而提高性能，但这样一来基站的同步任务将大大增加。 ( 2 ) 感知管理和频谱管理 为了使8 0 2 2 2 系统不对主用户业务造成破坏性干扰，基站需引导相关用户驻地设备 在带内或带外进行周期感知测量活动。其中带外测量对应于其他所有未受影响的信道， 带内测量涉及基站用于同用户驻地设备通信的信道以及受该通信影响的邻近信道。在带 4 南京i i i l lj ! l 火学硕：1 - t o f 究生论文第一章绪论 内测量时，基站必须停止信道中的一切数据传送，而在带j , t , n 量中不需要。8 0 2 2 2 设备需要 通过基站的动态控制在较低的信噪比下以非相干的方式感知信号，从而确定主用户的存 在。但是在带内感知时，基站无法和用户驻地设备通信，因此感知时间越长对通信性能损害 越大。另外，基站并不需要每个用户驻地设备都进行相同的感知活动，它可以使用一些智能 的综合算法将感知任务分配到各个用户驻地设备，一旦得到足够的感知数据，那么基站通 过将它们进行融合从而获得整个蜂窝单元的频谱占用图，并采取适当的步骤改变相关的 用户驻地设备的操作参数，如操作频率和功率等级，来解决潜在的干扰问题。8 0 2 2 2 的 m a c 层设计中感知管理还需要考虑感知的测量持续时间、感知的测量频率以及采用设 备等等。8 0 2 2 2 还综合了管理频谱的功能，比如切换信道、挂起重启信道传输、终止重 启信道操作等，以保证主用户业务得到保护和实现有效共存。 ( 3 ) 传播延迟 另一个重要的问题是m a c 层设计必须能够支持传播延迟。如8 0 2 2 2 系统试图在离 发送基站1 0 0 k m 范围内提供服务，其环形传播延时将超过3 0l as 。这使得m a c 层需要补 偿由不同用户驻地设备所引发的不同传播延迟。这种大的延迟将阻碍有效接入，有效接入 在各种业务共存时特别重要。 1 3 主要内容和设计目标 目前，射频前端技术仍面临许多挑战，如功耗、体积和成本的限制，还有高速和数 字处理，近期内满足频段采样的芯片尚无法实现，即使能生产，其功耗、动态范围和价 格也无法满足要求。认知宽带射频前端研究不是很多，公开发表的文献资料中论述更多 的是调制解调、信源信道编码等的通信理论和数字信号的调制格式识别与信号处理算法 的研究。有关射频前端研究的文献报道，主要集中在零中频结构或低中频结构实现上。 本文结合国内外的研究成果，结合目前的器件水平，运用a d s 软件仿真，建立了一 个通用化、标准化、模块化的认知宽带射频前端系统，实现了认知宽频带的综合化射频 系统仿真。 主要内容安排如下： 第一章综述认知无线电的发展历程，介绍i e e e 8 0 2 2 2 的标准，提出主要的技术指标； 第二章介绍基于认知的无线收发机的架构，通过比较分别选择单中频结构来设计数 1 字接收机射频前端，在发射机中使用零中频结构来设计数字发射机射频前端以期达到性 能和成本两方面的综合效果： 气 南京邮电火学硕二 ：研究生论文第一章绪论 第三章对a g i l e n t 公司的a d s ( a d v a n e ed e s i g ns y s t e m ) 软件进行了介绍，并详细 列出了a d s 软件仿真器的功能及其应用对象； 第四章介绍了认知数字接收机射频电路的设计方法和参数要求。通过基于 i e e e s 0 2 2 2 系统的接收机设计来说明整体系统的设计原理，并通过芯片选型和电路设计 完成接收机射频前端的设计工作。在本章最后，使用a d s 软件验证系统设计，结果表明设 计的认知宽带射频接收系统符合了设计要求： 第五章介绍了认知数字发射机射频电路的设计方法和参数要求。通过基于 i e e e 8 0 2 2 2 系统的发射机设计来说明整体系统的设计原理。并提出了使用a d 9 7 7 7 十 a d 8 3 4 9 组成的零中频直接上变频结构。在本章最后，通过对系统仿真的分析，验证了直 接上变频系统的可行性： 第六章对本论文的工作进行了总结，并确定今后的研究方向。 6 南京邮电大学硕士研究生论文第二章基于认知的数字收发机射频前端架构设计 第二章基于认知的数字收发机射频前端架构设计 对于数字收发机来说，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。 2 1 宽带数字接收机射频前端架构设计7 基认知的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。 一 ( 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【3 1 ： a t 苣n a 图2 1 超外差接收机的结构框图 7 南京邮i u 大学硕：i j 研究生论文 第二章綦于认知的数7 收发机射勃! 前端架构设计 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 z 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 e 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，直接将己调载波信号变为i f = o 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 1 。 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f 交形式后，正交通道幅度和相位不匹配 8 南京i l i b l 【l 大学硕j i ：珂f 究生论文第二章基十认知的数字收发机射频前端架构设计 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8 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 噪纠羽。 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，还有一种结构一单中频结构。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 毫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丁信号，在宽带a d c 心频率固定的高 性能抗混叠滤波器滤除带外无用信号，并可在中增益控制，获得最大信号增益， 减轻带内信号过载的可能性0 】。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 南京邮i u 大学颂二i j 研究生论文第二章基于认知的数! 收发机射频前端架构议计 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。 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，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。 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，本和功耗。中频的 选择也要自由得多了【l l l 。 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 c s d cz i 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 元件数最多是 成本最高是 需要两级i f 滤波器是 l 需要两级镜像滤波器是 需要半中频散抑制是是 1 0 南京邮i u 大学顾二i ：研究生论文第二章桀于认知的数! 弘收发机射频前端架构设计 频率规划复杂是 占用大面积电路板是 需要高性能的a d c是 动态范围最低是 难以处理基带的直流偏移是 i q 调制容易相互偏离 是 非线性失真影响灵敏度是 l o 泄露难以消除是 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f 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f 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。 南京邮 u 大学硕- j ：4 0 f 究生论文第二章基于认知的数字收发机射频前端架构设计 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刀 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。基本点路山收发开关( x x i 器) 、射频( 中频) 带通滤波器、放大器、混频器、本振、自动增益控制电路等组成 【13 1 。如图2 4 所示。 a t e n a 图2 _ 4 超外差发射机结构 在超外差发射机中，滤波后的f 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 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 1 2 ， 南京i l l , i l l 人学硕j l j 研究生论文第二章基于认知的数字收发机射频前端架构设计 段。下图是这种结构的原理框图： e d 噜t i n n a b p f 3 瓜 p l l 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 i 和第一本振l o ) 。从上图中可以看到，单中频发射机只有一个混频器。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、f q 调制后，进行d a c 转换，变成中频模拟信掣1 5 1 。 数字中频部分 ；鬣拟射频部分 南京i i i l i l t 2 , 大学硕二 ：研究生论文第二章基于认知的数字收发机射频前端架构设计 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f q 不平衡，对系统造成的不良影n l 自j ；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开发改进，模拟射频部分与超外差收发机相同， 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f q 信号经过d a 转换变为模拟f q 信号， 模拟f 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i j i 端仅需本振和锁相环，f 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。 1 4 南京邮电大学硕士研究生论文第二章基于认知的数字收发机射频前端架构设计 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 考察方面理想情况双中频上变单中频上变零中频上变数字上变 性能局高高两高 复杂度低非常高高低低 成本低非常高高低中等 灵活性高低低高 两 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 3 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。 南京邮也大学碗：i 研究生论叟第= 章a d s 系统设计软件简舟 第三章a d s 系统设计软件简介 a g i l e n t 公司的a d s ( a d v a n c e d e s i g n s y s t e m ) 软件是一款功能强大的综合性 电路仿真软件，它不仅能够仿真线性和非线性部件，而且还能够仿真模拟和数字 系统。与此同时，它还具有强大的部件模型库，极大的丰富了设计内涵。简化了 的电路和系统建模过程。形式多样的图形展示功能，为用户提供了快捷、舒适、 友好的界面。 3 1a d s 软件基本介绍 3 1 1a d s 软件项目创建界面 当你生成、仿真及分析以达成自己的设计目标时，a d s 使用项目自动组织和 存储数据。一个项目包括电路原理图、布局图、仿真、分析和你创建的设计的输 出信息，这些信息通过一些链接可以加到其他设计或项目中。 使用主窗口可以创建和打开项目。当运行a d s 时会显示下面窗口，如图2 - 1 所示。 “o m l3 y s t m n t ) ! w9 “! “- 。，! ! 呵nc 岫蚋 口_ 口口当西! 毫 口 n e o n v b “ “ s h “m c i a h 一e j f l a l u m o t m m t u m 翻曲n & d a t i 一? 3 w m 。s c h 明l 疵& h 帆d d 目i g 阽一一o w t w b p 卸n * d 一r m d e s i r u l e a m c | i e r d a t a 一一m m t 【 h r a m i f y h b - 脚h _ m i 岫 h m 批枷l h n 俨“虹m 舯n 蛐y “q 耐h 日t 帅 图3 - 1a d s 项目创建窗口 南京邮i 匕大学硕：l ：研究生论文第三章a d s 系统设计软件简介 3 1 2 使用a d s 软件的设计 a d s 软件使用设计来存储达到用户设计目标生成的原理图和布局图信息。 一个软件可以由单个的原理图或布局图组成，或者它可以由多个作为单个设 计包含的内部子网络原理图或布局图组成。项目中所有设计都可以直接从主窗口 或从一个设计窗口内打开。 在一个设计窗口中用户可以： 错误! 未找到引用源。创建和修改电路图和布局图； 错误l 未找到引用源。添加变量和方程； 错误! 未找到引用源。放置和修改元件、封装及仿真控制器； 错误l 未找到引用源。指定层及显示参数； 错误! 未找到引用源。使用文本和说明插入注释； 错误! 未找到引用源。由原理图生成布局图( 及从布局图到原理图) 创建一个设计和布局图的基本步骤如图2 2 所示： p l a c er o t a t ec o n n e c td e f i n e c o m p o n e n t + c o m p o n e n t 叫 c o m p o n e n t + p a r a m e t e r s 卜a d dp o r t s 3 2a d s 仿真器及功能 g e n e r a t er e p o r t s 图3 2 创建设计和布局图的基本步骤 a d s 提供可以添加和配置的控制器来仿真、最优化及检测用户的设计。以下 简要介绍a d s 的各个不同仿真器及其功能。 ( i ) d cs i m u l a t i o n 直流仿真是所有仿真的基础，它可执行电路的拓扑检查以及直流工作点的分 析。 ( 2 ) a cs i m u l a t i o n 南京邮l 乜大学硕i l ：研究生论文第三章a d s 系统设计软件简介 交流仿真能获取小信号传输参数，如电压增益，电流增益，线性噪声电压， 电流。在设计无源电路和小信号有源电路如l n a 时，此仿真器十分有用。 ( 3 ) s p a r a m e t e rs i m u l a t i o n 微波器件在小信号时，被认为工作在线性状态，是一个线性网络；在大信号工 作时，被认为工作在非线性状态，是一个非线性网络。因此，通常采用s 参数分 析线性网络，谐波平衡法分析非线性网络。 s 参数是入射波和反射波建立的一组线性关系，在微波电路中通常用来分析 和描述网络的输入特性。s 参数中的s l l 和s 2 2 反映了输入输出端