（电路与系统专业论文）基于80211b协议的无线局域网射频接收机系统及其芯片设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 快速发展的无线通信市场对射频接收机的需求量是非常巨大的。低功率，低成本的射频 接收机越来越受到市场的青睐。成功设计一个符合所有性能指标的接收机，不仅需要高性能 的制造工艺的支持，还需要在系统设计方面的突破，包括系统设计方法和系统结构设计，并 且需要配合相应的芯片实现。 本课题从无线通信标准出发，采用系统级设计技术对射频接收机的设计方法进行研究。 同时，我们以8 0 2 1 1 b 无线局域网射频接收机为实例，将系统性能指标合理的分配到射频接 收机的每个模块，最终完成整个系统设计，实现了系统仿真。在系统设计基础上，详细研究 了芯片的设计和实现。该设计采用了主流的t s m c0 1 8 u r nc m o s 工艺，实现低成本设计， 易于大规模生产。整个系统由射频前端模块和基带模块组成，仿真结果显示接收机灵敏度可 以达到8 0 d b m ，噪声系数低于6 6 d b ，整个系统的i i p 3 对应的输入功率为1 6 5 d b m 。 作为无线局域网接收机的组成部分，文章后续章节阐述了工作频率为2 4 g h z 低噪声放 大器和混频器的设计。 其中，第三章介绍了低噪声放大器的性能指标及输入阻抗匹配的结构。本( 次) 设计采 用源极电感反馈结构。最后给出了l n a 芯片版图和电路仿真结果：在2 4 g h z 频率上增益 为1 7 d b ，噪声为1 7 d b ，i i p 3 对应输入功率为一0 6 d b m 。芯片的输入电压为1 v ，功耗为8 m w 。 第四章介绍了混频器的基本原理和几种不同的电路结构，重点研究了差分平衡g i l b e r t 结构。通过对混频器噪声机理的分析，在原有的结构上增加了电流注入模块。最后给出了电 路的仿真结果，很好的符合系统设计要求。 【关键词】 无线局域n ( w l a n ) ，射频接收机( r er e c e i v e r ) ，c m o s ，低噪声放大器( l n a ) ， 混频器( m i x e r ) ，噪声系数( n f ) a b s t r a c l a b s t r a c t t h er a p i d l yg r o w i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm a r k e tc r e a t e sah i g hd e m a n df o rr a d i o f r e q u e n c y ( r f ) t r a n s c e i v e r s l o wc o s t ，l o wp o w e ra n ds m a l l f o r mf a c ta r et h ee s s e n t i a l r e q u i r e m e n t sf o rm o d e mr fr e c e i v e r s t oa c c o m p l i s has u c c e s s f u ld e s i g nm e e t i n ga l lt h e s e r e q u i r e m e n t s ，n o to n l ya d v a n c e dp r o c e s st e c h n o l o g ya n dc i r c u i td e s i g nt e c h n i q u e sa r ev i t a l ，b u t a l s oab r e a k t h r o u g ho ns y s t e ml e v e l ，b o t ht h es y s t e ml e v e ld e s i g nm e t h o d o l o g ya n dr e c e i v e r a r c h i t e c t u r e ，i sn e c e s s a r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s y s t e ml e v e ld e s i g nt e c h n i q u e sa r ee x p l o r et og e n e r a t eo p t i m i z e dr f s y s t e md e s i g ns t a r t i n gf r o mw i r e l e s sc o m m t m i c a t i o ns t a n d a r d s w ep r o p o s eam e t h o dt or a t i o n a l l y d i s t r i b u t es y s t e ms p e c i f i c a t i o n sa m o n gt h eb u i l d i n gb l o c k so far fr e c e i v e r ac m o sr e c e i v e rf o r w i r e l e s sl a na p p l i c a t i o ni s d e s i g n e d t od e m o n s t r a t et h e m e t h o d o l o g y t h er e c e i v e r i s i m p l e m e n t e dw i t hal o wc o s t , m a i ns t r e m n0 1 8 u mc m o st e c h n o l o g y t h ee n t i r es y s t e mi n c l u d e s t h er ff r o n te n da n db a s e b a n db l o c k s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t ei t ss e n s i t i v i t yi su pt o 一8 0 d b m n o i s ef i g u r ei sd o w nt o6 6 d ba n di i p 3i s 一1 6 5 d b m a sp a r to fw i f ir e c e i v e rd e s i g n ，t h el o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) a n dm i x e rh a v eb e e n d e s i g n e dw h i c ha r ew o r k i n ga t2 4 g h z i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h ed i s c u s s i o no fi n p u tm a t c h i n ga n dn o i s ep e r f o r m a n c e ，as o u r c e d e g e n e r a t i o ns t r u c t u r ei su s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es h o w na tl a s t i _ h ec i r c u i tw o r k sa t 2 4 g h za n da c h i e v e s1 7 d bg a i n ，1 7 d bn o i s ef i g u r e ( n f ) a n d - o 6 d b ml i p 3 - p o i n t t h ep o w e r c o n s u m p t i o ni so n l y8 r o w , f r o mt h e1 vp o w e rs u p p l y i nc h a p t e r4 t h eb a s i ct h e o r yo fm i x e rt o g e t h e rw i l ht h es t r u c t u r ei si n t r o d u c e d f i r s t l y , ad o u b l e - b a l a n c e dg i l b e r ts t r u c t u r ew i t hc u r r e n ti n j e c t i o ni su s e da c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so f m i x e rn o i s ea n dg a i n t h e n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es h o w n k e yw o r d s l w l a n ， r fr e c e i v e r ，c m o s ，l n a ，m i x e r ，n f i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：期：鲨垒：墨 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：纽逮立遗 导师签名：缝日 期：上4 j 第一章绪论 气。1 研究背景 第一章绪论 俸随着有线i 嘲络的广泛鹿用，以快捷高效，组网灵活为优势蛉无线网络技术正在高速发 展。无线通信是目前通信领域发展最快的分支之一，它使人们真正有可能实现随时随地获取 信息、保持数据秘语音的通信。从蜂窝电话、无线互联网接入到g p s 和r f i d 等，这些都 影响到人们的日常生活和工作方式。无线通信的移动性、高数据速率、低功耗和小型集成化 逐渐成为各大院校公司研究的热点。 针对不同的应用要求、应用领域和范丽，无线通信系统可相应地分为无线广域网 ( w w a n ) 、无线局域鄹( w l a n ) 邪无线个人网( w p a n ) ，现已基本形成在相应领域中 的通信标准：g p r s 3 g ( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a ) 、w l a n8 0 2 i l a ，b 幢和b l u e t o o t h ( 蓝牙) 。这些标准从覆盏范围、移动速率、数据传输遮攀以及系统的安全性和漫游等方面， 从不同的侧面覆盖了从家庭、办公室、大楼到城市乃至全球的各种范围中固定或移动的无线 数据、语音积多媒体通信的要求。虽然垦翦备网络之间还不能做刭无缝链接，但自动漫游将 是无线通信系统的最终目标。无线周域网是 t 算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专 业熊疫讲，无线弱域网蒯用了无线多蛙信遴的一辨有效方法来支持计算机之润的通信，劳为 通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。 本文的盈黪就是提供基于8 0 2 1 l b 的无线髑域疆接收规系统级秘模块的解决方案，势且 实现主要核心电路的设计。在无线标准和电路实现之间建立一座桥梁。尽管本文主要是关注 于8 0 2 1 1 b ( w i f i ) ，但是系统豹设计方法和电路携设计结构都是在其他无线通信系统孛可 以采用的。8 0 2 1 l b 标准，工作频率在2 4 g h z ，采用直接序列扩频( d s s s ) 技术和补偿编 码键控( c c k ) 调瓢方式。该标准可提供最高1 1 m b s 的数据速率。本次设计采用的是主漉的 0 18 啪c m o s1 2 艺来实现低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 、混频器( m i x e r ) 。 1 2 论文组织 本论文第二牵简要介绍短距离无线通信的各种标准，特男介绍了8 0 2 1 l b 标准。 第三章介纲了接收机的常用结构，本次设计采用直接变频结构。详细阐述了从系统要求 指标到接收机指标最后褥到每个模块的相应性能的系统设计方法。接下来的两章对低噪声放 东南大学硕士学位论文 大器和混频器进行研究，验证这两个模块符合系统设计的要求。对底层电路进行仿真，验证 系统设计的可实现性。 其中，第四章介绍了低噪声放大器的性能指标及输入阻抗匹配的结构。本次设计采用源 极电感反馈结构。通过噪声优化公式确定各个器件的参数，并给出了电路的仿真结果。l n a 电路c a d e n c e 仿真结果为：在2 4 g h z 频率上增益为1 7 d b ，噪声为1 7 d b ，i i p 3 三阶交调点 对应的输入功率为一0 6 d b m 。 第五章首先介绍混频器的基本原理和几种不同的电路结构，重点研究了差分平衡g i l b e r t 式结构。通过对混频器噪声机理的分析，在原有的结构上增加了电流注入模块。最后给出了 电路的仿真结果：在本振功率为0 d b m 时，增益超过2 0 d b ，单边带噪声系数为1 2 d b 。 2 第二章无限局域网介绍 第二章无线局域网介绍 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同的应用。目 前比较流行的有i e e e 8 0 2 1 1 标准( 包括i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 及i e e e 8 0 2 1 l g 等标准) 、 蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准以及h o m e r f ( 家庭网络) 标准等，表2 1 列出了现有各短距离无线接入技 术的性能比较。 b l u e t o o t h8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 1 ah o m e r f 频率( g h z )2 42 42 45 22 4 最高速率( m b p s ) 11 15 45 42 0 f d m 调制方式 g f s kc c k0 f d mf s k c c k 最远距离( m ) 1 0 1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 扩频方式f h s sd s s so f d mo f d m f h s s 表2 1 各短距离无线接入技术的性能比较 2 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 标准比i e e e 8 0 2 1 1 标准出现的晚，对于i e e e 8 0 2 1 1 来说它的出现不 是为了竞争而是相互补充。“蓝牙”是一种较先进的大容量近距离无线数字通信的技术标准， 其目标是实现最高数据传输速度1 m b p s ( 有效传输速率为7 2 1 k h p s ) 、传输距离为1 0 - 1 0 0 米。 蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备，“蓝牙”最大的优势还在于，在更新网络骨干时， 如果搭配“蓝牙”结构进行，使用整体网路的成本肯定比铺设线缆低。 2 2h o m e r f 技术 h o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e 8 0 2 1 1 与数字无绳电话标准的结合，旨在降低 语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 gh z 频带，能同步支持4 条高质量 语音信道。但目前h o m e r f 的传输速率只有1 m - 2 m b p s ，美国联邦通信委员会建议增加到 1 0 m b p s 。 3 东南人学颈学位论文 2 3i e e e 8 0 2 。1 1 标准 】 作为全球公认的局域网权威，i e e e8 0 2 工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领 域内独领风骚。这些协议包括了8 0 2 3e t h e m e t 协议、8 0 2 5t o k e nr i n g 协议、8 0 2 3 z i o o b a s e t 快避以太网协议。在1 9 9 7 年，经过了7 年的工作以后，i e e e 发布了8 0 2 1 1 协 议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。在1 9 9 9 年9 胃，他们又提 出了8 0 2 1 l b ”h i 曲r a t e ”协议，用来对8 0 2 1 1 协议进行补充，8 0 2 1 l b 在8 0 2 1 1 的1 m b p s 和 2 m b p s 速率f 又增3 n5 5 5 m b p s 和ll m b p s 弼个新的丽络吞吐速率，后来又演进到8 0 2 1l g 的 5 4 m b p s ，直至今日8 0 2 1 l n 的l0 8 m b p s 。 移动用户利用8 0 2 1 l b ，能够获得丽e t h e m e t 一样的性能、网络吞吐率、可用性。这个 基于橼准的技术使得管理受可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的网络，满足他 们的商业崩户和其他用户的需求。和其他i e e e8 0 2 标准一样，8 0 2 ，1 l 协议主要工作在1 s o 协议的最低两层上，也就是物理层和数字链路层( 见图1 ) 。任何周域网的应用程序、网络操 作系统或者像t c p i p 、n o v e l ln e t w a r e 都能谚在8 0 2 1 l 协议上兼容运行，就像他们运行在 8 0 2 3e t h e m e t 上一样。8 0 2 1 l b 的基本结构、特性和服务都在8 0 2 1 1 标准中进行了定义， 8 0 2 1 l b 协议主要在物理屡上进行了些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。 2 。3 1 工作方式 8 0 2 1 1 定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台p c 机器加上一块无线 网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点( a c c e s sp o i n t , a p ) ，它的作用是提供无线和有线 网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口( 8 0 2 3 接口) 构成，桥接软件符合8 0 2 1 d 桥接协泌。接入点就像是无线网络的个无线基站，将多个无 线的接入站聚合到有线的网络上。无线的终端可以是8 0 2 1 i p c m c i a 卡、p c i 接口、i s a 接 口的，或者是在非计算机终端上的嵌入式设祷。 8 0 2 1 1 定义了两种模式：i n f r a s t r u c t u r e 模式和a dh o e 模式，在i n f r a s t r u c t u r e 模式( 蹦2 1 ) 中，无线网络至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端站。这种 配置成为一个b s s ( b a s i cs e r v i c es e t 基本艘务集合) 。一个扩艘服务集合( e s se x t e n d e d s e r v i c es e o 是由两个或者多个b s s 构成的一个单一子阏。由于很多无线的使片 者需要访问 有线网络上的设备或服努( 文件服务器、打印机、互联网链接) ，他们都会采用这静 i n f r a s t r u c t u r e 模式。a n d h o c 模式( 图2 2 ) 又被称为点对点网络模式或i b s s ( 1 n d e p e n d e m b a s i c 4 第二章无限焉域网夯绍 s e r v i c es e t ) 模式。 图2 1i n f r a s t r u c t u r e 模式 f “3 2 3 2i e e e 8 0 2 1 1 物理层 l a m o p c - o m p t l l e r 圈2 , 2 a dh o e 模式 k a 甜o p 在8 0 2 1 1 最初定义的三个物瑗层包括了掰个扩散频谱技术和个红外传播援范，无线 传输的频道定义在2 4 g h z 的i s m 波段内，这个频段，在各个国际无线管理机构中，例如美 国的u s a ，欧洲的e t s i 和日本的m k k 都是非注册使用频段。这样，使闱8 0 2 1 l 的客户端 设备就不需要任何无线许可。扩散频谱技术保证了8 0 2 1 1 的设备在这个频段上的可用性和 可靠的吞吐量，这项技术还可以保证闻其他使用同一频段的设备不互相影响。 最初，8 0 2 11 无线标准定义的传输速率是1 m b p s 和2 m b p s ，可以使用f h s s ( f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) g ld s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 技术，需要指出的是，f h s s 5 东南大学硕士学位论文 和d h s s 技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备没有互操作性。 使用f h s s 技术，2 4 g h z 频道被划分成7 5 个1 m h z 的子频道，接收方和发送方协商一 个调频的模式，数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送，每次在8 0 2 11 网络上进行 的会话都可能采用了一种不同的跳频模式，采用这种跳频方式主要是为了避免两个发送端同 时采用同一个子频段。 f h s s 技术采用的方式较为简单，这也限制了它所能获得的最大传输速度不能大于 2 m b p s ，这个限制主要是受f c c 规定的子频道的划分不得小于1 m h z 。这个限制使得f h s s 必须在2 4 g h z 整个频段内经常性跳频，带来了大量的跳频上的开销。 和f h s s 相反的是，直接序列扩频技术将2 4 g h z 的频宽划分成1 4 个2 2 m h z 的通道 ( c h a n n e l ) ，临近的通道互相重叠，在1 4 个频段内，只有3 个频段是互相不覆盖的，数据就 是从这1 4 个频段中的一个进行传送而不需要进行频道之间的跳跃。为了弥补特定频段中的 噪音开销，一项称为”c h i p p i n g ”的技术被用来解决这个问题。在每个2 2 m h z 通道中传输的数 据中的数据都被转化成一个带冗余校验的c h i p s 数据，它和真实数据一起进行传输用来提供 错误校验和纠错。由于使用了这项技术，大部分传送错误的数据也可以进行纠错而不需要重 传，这就增加了网络的吞吐量。 2 3 3i e e e 8 0 2 1 l b 增强物理层 i e e e 8 0 2 1 1 b 在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在i e e e 8 0 2 1 1 协议的物理层增 加了两个新的速度：5 5 m b p s 和1 1 m b p s 。为了实现这个目标，d s s s 被选作该标准的唯一的 物理层传输技术，这是由于f h s s 在不违反f c c 原则的基础上无法再提高速度了。这个决 定使得8 0 2 1 l b 可以和1 m b p s 和2 m b p s 的8 0 2 1 1 d s s s 系统互操作，但是无法和1 m b p s 和 2 m b p s 的f h s s 系统一起工作。 最初i e e e 8 0 2 1 1 的d s s s 标准使用11 位的c h i p p i n g - b a r k e r 序列一来将数据编码并发送， 每一个11 位的c h i p p i n g 代表一个一位的数字信号1 或者0 ，这个序列被转化成波形( 称为一 个s y m b 0 1 ) ，然后在空气中传播。这些s y m b o l 以1 m s p s ( 每秒1 m 的s y m b o l s ) 的速度进行传 送，传送的机制称为b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f t i n gk e y i n g ) ，在2 m b p s 的传送速率中，使用了 一种更加复杂的传送方式称为q p s k ( q u a n d r a t u r ep h a s es h i f t i n gk e y i n g ) ，q p s k 中的数据传 输率是b p s k 的两倍，以此提高了无线传输的带宽。 在i e e e 8 0 2 1 1 b 标准中，一种更先进的编码技术被采用了，在这个编码技术中，抛弃了 原有的1 1 位b a r k e r 序列技术，而采用了c c k ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) 技术，它的核心 6 第二章无限局域网介绍 编码中有一个6 4 个8 位编码组成的集合，在这个集合中的数据有特殊的数学特性使得他们 能够在经过干扰或者由于反射造成的多方接受问题后还能够被正确地互相区分。5 5 m b p s 使 用c c k 串来携带4 位的数字信息，而1 1 m b p s 的速率使用c c k 串来携带8 位的数字信息。 两个速率的传送都利用q p s k 作为调制的手段，不过信号的调制速率为1 3 7 5 m s p s 。这也是 i e e e 8 0 2 1 1 b 获得高速的机理。表2 2 中列举了这些数据。 为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的传输速率，8 0 2 1 1 b 采用了动态速率调节技 术，允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。在理想状态 下，用户以1 1 m 的全速运行，然而，当用户移出理想的1 1 m 速率传送的位置或者距离时， 或者潜在地受到了干扰的话，这把速度自动按序降低为5 5 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 。同样， 当用户回到理想环境的话，连接速度也会以反向增加直至11 m b p s 。速率调节机制是在物理 层自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。 数据传送率编码长度 调制方式波串速率位数波串 1 m b p s 1 1b p s k1m s p sl 2 m b p s 1 1 q p s k 1m s p s2 5 5 m b p s8 ( c c k )q p s k 1 3 7 5m s p s 4 1 1 m b p s8 ( c c k )q p s k 1 3 7 5m s p s 8 表2 2i e e e 8 0 2 1lb 数据传送速率规范 2 3 4i e e e 8 0 2 1l b 射频性能指标瞳。3 1 工作频率：i e e e 8 0 2 1 l b 工作在2 4 g h z - - 2 4 8 3 5 g h z ，与b l u e t o o t h 共享信道。 信号抑止：信道抑制要求被定义为，对频率间隔2 5 m h z 信号功率抑制超过3 5 d b 。 灵敏度要求：当输入信号为7 6 d b m 时，误码率要小于1 0 。 具体性能参数见表2 3 工作频率2 4 2 4 8 3 5 g h z 调制方式 b p s k q p s k c c k 信道宽度信道个数 2 5 m h z 3 最大输入信号 一1 0 d b m ( r a t e - - - - 11 m b p s ) 邻近信道抑止 3 5 d b 灵敏度( 1 1 m b p s ) 7 6 d b m ( b e r = 1 0 5 ) 表2 3i e e e 8 0 2 1l b 射频性能指标 7 东南大学硕士学位论文 2 3 5 无线局域网的应用 无线局域网最直观的应用就是可以替代现存的有线以太网，无需布线、灵活移动、同等 的数据传输速率甚至更高、低建设成本和维护成本，这些优点使得其应用领域不断扩展。 基于无线局域稠具有的诸多优点，它可广泛应用于下剐领域； 1 接入网络信息系统：电子邮件、文件传输和终端仿真。 2 难以稚线豹环境：老建筑、布线困难或昂贵的瓣天区域、城市建筑群、控疑和工厂。 3 频繁变化的环境：频繁更换工作地点和改变位霞的零售商、生产商以及野外勘测、试 验、军事、公安和银行等。 4 使用便携式计算机等可移动设备进行快速网络连接。 5 用于诞距离信息的传输：如在林区进行火灾、病虫害落信息的传输；公安交通管理部 门进行交通管理等。 6 专门工程或高峰辩淘掰需鲍鞣时岗域网：学校、巍韭腱览、建设地点等人员流动较强 瓣地方；利用无线局域列迷彳：j ；信息的交流 零售商、空运和航运公司高峰对问所需黝额外工 作站等。 7 流动工作者可得到信息的区域：需要在医院、零售商店或办公室区域流动时得到信息 的医生、护士、零售商、白领工作者。 8 办公室和家庭办公室( s o h o ) 用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。 8 第三 畿无线局域髓射频接收机设计 第三章无线局域网射频接收机设计 3 。1 射频收发机概述闼 无线通信系统信号之间的传输需要发射机和接收桃。发射机射频部分的任务是完成基带 信号对载波的调翎，将冀变为通带信号并搬移到所需的频段土且有足够於功率发射。其结构 框图如图3 1 a 所示。发射机发射豹信号是处于菜一掊道内妁毫额大功率信号，应尽量减少 它对其他相邻信道的于摅，如图3 1 b 所示。发射机的主要指标是频谱、功率利效率。 ，传输信道 基带信号 率振信号相邻信道 图3 1 a 发射机方框图图3 1 b 信遂安排 接收机静蔚频部分与发射桃相反，觅翻3 2 a 所示，它要从众多豹电波中选出有用信号， 并敲大到解调器所要求的电平值后荐由解调器解调，将射频信号变为基带信号。由于传输路 径上的损耗和多径效应，接收机接收的信号是微弱且又变化的，并伴随着许多干扰，如图 3 ，2 b 所示。这些干扰信号强度往往远大于有用信号，因此接收机的主要指标是灵敏度和选择 性。 干扰 j 所需信道 图3 2 a 接收机方框图图3 2 b 信道选择 移动遴信的收发信机共用一根天线，天线与收发信祝闻必须有效地透行收发转换和隔 离。收发若分时进彳亍，贝l 天线共用嚣可戳楚一个转换开关；收发若频率不强每则天线共用器 必须具有良好的滤波，让发射信号对接受信号的于扰减少到最小。 为完成上述功能，在设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关键问题是： 9 东南大学硕士学位论文 1 、选择合适的调制和解调方法。一般应选用抗干扰性能好、频带利用率高及功率有效 性好的解调方式。 2 、接收机前端的线性动态范围。灵敏度的定义是接收机接收微弱的信号的能力，它不 仅取决于接收机前端的噪声系数。而且由于接收的信号强弱的变化和可能伴随强干扰信号， 导致恶化输出信噪比，降低灵敏度。因此要求有较大的线性动态范围。 3 、发射信号对相邻信道的干扰。 4 、天线转换器的损耗要小，隔离度要高。 3 2 射频接收机结构及工作原理介绍【5 。1 0 】 下面介绍接收机的几种主要结构方案和性能指标。实际中究竟采用哪种方案取决于系统 要求的性能指标以及实现的复杂程度和成本。 3 2 1 外差式接收机 1 、基本结构方案 外差式接收机射频部分的结构框图如图3 3 所示。图中，混频器( 图中用乘法器表示) 将信号频率0 ) r f 和本振频率国l o 混频后降为中频信号缈= c o r f 一缈l d ( 本振频率比射频 高时，则中频为缈伊= 0 ) r f c o l d ) 。 0c o s ( - 0 l 0 t 图3 3外差式接收机射频部分的结构方框图 采用此方案主要基于以下三方面的考虑。首先，中频比信号载频要低很多，在中频段实 现对有用信道的选择要比在载频段选择对滤波器q 值的要求低得多。第二，接收机从天线 上接收到的信号电平一般为1 2 0 1 0 0 d b m 。如此微弱的信号要放大到解调器可解调或a d 变换器可以工作的电平，一般要放大1 0 0 2 0 0 d b m 。为了放大器的稳定和避免振荡，在一 个频带内的放大器，起增益一般不超过5 0 6 9 d b 。采用外差式接收机方案后，将接收机的 总增益分散到了高频、中频和基带三个频段上，每级的增益相加就可以都到较高的值，而且 在中频和基带频段上做高增益的放大器容易和稳定得多。第三，在较低的固定中频上解调或 l o 第三章无线局域网射频接收机设计 a d 变换也相对容易。 在外差式接收机中，下变频器前面的高频放大器必颁是低噪声放大器( 1 0 wn o i s e a m p l i f i e r , 简称l n a ) ，因为变频器的噪声系数一般都较大，而前端的带通滤波器是无源滤波 器，有一顶的损耗，按多级线性系统级联的噪卢系数的公式得知，若无此低噪声放大器，则 整个系统的噪声系数将很大。而在变频器前引入具有一定增益的低噪声放大器可以减弱变频 器和后面的电路对整机的影响，从而对提高灵敏度有利。但l n a 的增益不宜太高，因为变 频器是非线性器件，进入它的信号太大，会产生众多非线性失真。l i m a 的增益一般不超过 2 5 d b 。 外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。这是因为变频器往往并不是一个理想的 乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号r o r f 和本振信号 r o z o ，以及混入干扰信号( 如频率为】与卯2 的干扰信号) 通过变频器非线性特性中的某一 高次方项组合产生组合频率，如1 p r o l o q r o r f 溅ip r o 。( m r o l 2 ) l ，若它们落在中频 频带内，就会形成对有用信号的干扰，通常就是所说的寄生通道干扰。而消除这些干扰的唯 一办法就是不、止它进入变频器，这就需要在变频器前面加滤波器滤除。 2 、二次变频方案 在超外差接收机结构中，为了解决中频选择中碰到的“灵敏度”和“选择性”的矛盾， 可以采用二次混频的方案，如幽3 - 4 所示。 埘加l f o z 0 2 图3 4 二次变频方案结构方框图 i 中频采用高中频值，以提高镜像频率抗拒比( 接收机抑制镜像频率干扰的能力) 。i i 中频采i 耳j 低中频值或直接变为基带信号。放大器、变频器和滤波器之间应很好的阻抗匹配， 才能保证有效地发挥滤波器的滤波性能。 3 2 2 镜频抑制接收机 前面介绍的外差式接收机是靠外接镜像抑制滤波器来滤除镜像频率干扰，而镜像抑制接 收方案( i m a g e - r e j e c tr e c e i v e r s ) 是采用改变电路结构来抑制超外差式接收机中的镜像频率干 1 l 东南大学硕士学位论文 扰。考虑到镜像频率国，卅和信号频率i 分别位丁本振频率吼。的两边，采用某些处理会对 它们产生不同的影响，基本方案如图3 5 所示，也称为h a r t l e y 结构。此方案中，用相互正 交的两个本振信号去与来自l n a 的射频信号湿颓，再将其中一路相移9 0 0 ，然后叠加，就 可以得到抑制镜像频率的中频信号。 y 匕j 伫1 s i nc o ， l - 眨 点坠一 图3 5h a r t l e y 结构镜像搀割接收机结掏枢图 酋先考虑相移9 0 0 的作用。从刚域上看，对于周期为t 的正弦信号，相移9 0 0 , 就是意味 着延时t 4 ，对予正频率镲号s i n o t 延时t 4 燮城c o s ( - 0 t ，c o s 耐延时t 4 燮成s i n c a t 。 相移9 0 0 的过程可以理解为相移后信号的频谱是像移前的信号频谱乘以函数的结果。对 于实数信号，捐移的过程对于正频率期负频率产生不同瓣相位变化。 在图3 5 所示的抑制镜像频率的外差式接收机中，假设射频输入信号为 v 口秘) = p 0c o s c o r o tt 镜像干扰信号为v j 。( t ) = c o s o ) f r a t 。这些输入信号与两个正交主e 交的本振信号c o s o ) z o t 与s i n c o c o t 相乘( 即混频) 并通过低通滤波器后，滤除高频分量，则 图3 5 中屹o ) 和o ) 分别为 喇= 等s i n ( 盱啪+ 等s i n ( c o z 。飞弦 = 孚e 。s 魄。一弦+ 等c 。s ( 吃。一 其中( c o m 一珊r ，) o ，闽此( f ) 相移9 0 0 后变为 “f ) 等c 。s ( 一) f 一孚c 。s ( o ) l o - - ( o i m v 将k ( 0 和p ) 相加后的输出为 2 第三章无线局域刚射频接收机设计 ( f ) = v f ，( f ) + ( f ) = p 知c o s ( o ) l d o ) r f ) 可以看出，镜像抑制混频的原理在丁有用射频信号和镜像干扰信号位于本振信号的两 边，它们和本振信号混频后取出的差拍信号频率，一个为正，一个为负。而9 0 0 相移对频率 为沏l 。一o - ) r f ) 0 的信号有不同的作用结果，叠加后即可抑制镜像干 扰。 这个方案要真正做到抑制镜像干扰的关键有两点。一是两条支路必须完全一致，其中包 括本振信号的幅度、混频器的增益、低通滤波器的特性都必须一致。二是正交要精确，即两 路的本振信号要精确地相位差而9 0 0 ，否则镜像频率不可能完全抑制。 3 2 3 数字中频接收机 在二次混频方案中，可以将第二次混频和滤波数字化。如图3 6 所示，第一次混频后的 信号经放大器放大直接进行a d 变换，然后采用两个正交的数字正弦信号做本振，采用数 字相乘和滤波后得到的基带信号。 一m 噩嘧 罾| 每 ii 幢日蛩7 岖茎卜毽薹p 图3 , 6 数字中频接收机的结构框图 采用数字混频的优点是，数字处理方法可以避免i q 两路的不一致。数字中频方案的难 点在于对a d 变换器的要求较高，主要体现在以下几个方面： 1 、由于i 中频相对比较高，因此要求a d 变换器的速度也很高。 2 、l 中频的信号虽然经过了放大，但幅度仍较小，这就要求a d 变换器有较高的分辨 率和较小的噪声。 3 、如果i 中频的滤波器不能很好的滤除镜像干扰和其他频率的干扰信号，为了防止由 互调失真等原因引起的对有用信号的影响，要求a d 变换器的线性度很高。 4 、要求a d 变换器有较大的动态范围，这是冈为接收到的有用信号电平可能因为传输 路径的衰弱和多径敛应而变化。 13 东南大学项上学位论文 a d 变换器约带宽庭秘 孛鞭嚣号一撵。 3 2 4 赢接变频接收机 让本掇频率等予载频，郄敬中灏国，= 0 ，就不存在镜像频率，也麟不会毒镜像频率子 扰。把载频盥接变频( d i r e c tc o n v e r s i o n ) 为基带的方案也称为零中频方案。 图3 7 为数字通信的敷接下变频方案的原理方框阁。畦i 于零中频倍号就是基带信号，而 在数字逶嫠篓基带蔫号鳇往帮是分或嗣籀秘越三交嚣路，黢滋整孛遥过嚣个正交静奉缀袋号， f 变频直接变为i q 两路成交基带信号。 坌 恻3 7 直接f 变频接收机结构框图 除了没谢镜像频率干扰外，直接f 变频的方案还有以下优点：接收机的射频部分只包含 了煮频低噪声教夫器帮混攘耧，壤盏不囊，翕予滤跫线瞧动态范戮静要求，露量交予没有撵 制镜频滤波器，也就不必考虑放大器和它的匹配问题：由于下交频器厨馘趋基带信号，闲此 不必采用专爝的中频滤波器来选择信遭，两只须用低邋滤波器束选择寄蠲信道，并用撼带液 失嚣藏大瓣可，嚣这夔毫路都莲穰窖墨集成魄。 与外莲式接收机胡嗽，零中频方案存在一些如下所述的闯霖。 1 、本攮泄漏 零中颧方案黯本攘频率帮信号频率稳嗣，蟊果交鞭嚣瓣奉强溃霉与鸯重簇浚墨之淘懿隔离 性能不够妤，本振信号就很容易从变颓器的射频端口输出，再通过高频放大器泄漏到天线， 辐射到空阍，形戒对邻道熟干扰。这在井麓式接收桃中辘不容易发生，翻为矫著式接收桃的 本掇频率帮信号额辜裰骜谈大，簸本摄频率帮落在蔫缀滤渡嚣静鞭带| 冀辨。 2 、l a n 偶次谐波爽j 慧干扰 两个鞭搴麴逅的干扰信号进入l n a ，出予l n a 伏安特性棼线性偶次项 l 起的茇额， l 辛 第三章无线局域网射频接收机设计 在直接变频方安中就可能因为混频器的不理想( r f 端口与i f 端口隔离不好) 而直通进入基 带信号，造成干扰。 3 、直流偏差 直流偏差是零中频方案特有的一种干扰，它是由自混频引起的。如上所述，如果由本振 泄漏的本振信号义从天线回到高频放大器，进入下变频器的射频端口，它和本振端口进入的 本振信号经混频，差拍为零频率，即为直流。同样，进入高频放大器的强干扰信号也会由于 变频器的各口隔离性能不好而漏入本振口，反过来它又和射频端口米强干扰经混频，差拍为 直流，见图3 8 。这些直流偏差在超外差式接收机中是不可能干扰有用信号的，冈为那时中 频不等于零。而在零中频方安中，将r f 信号转变为中频为零的基带信号，这些直流偏差就 叠加在基带信号上，而且这些直流偏著往往比射频前端的噪声还要犬，一方面使信噪比变差 而且这些大的直流偏差往往还可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。 低噪放 低噪放 图3 8 本振信号自混频和强干扰信号自混频 4 、噪声 有源器件内存在的l f 噪声伴随着频率的降低而增加，都集中在低频段。尤其场效应管 的1 f 噪声比较大。它对搬移到零中频的基带信号产生干扰，降低信噪比。一般直接变频接 收机的主要增益放在基带，前端射频部分的增益约为2 0 倍，因此有用信号经f 变频后的幅 度不会大，1 f 噪声的影响就更严重，因此采用零中频方案时，一般下变频器都设计成有 定的增益。 5 、i q 失配 零中频方案还有诸如两支路的匹配问题，低通滤波器的设计问题等都是需要考虑的。当 数字通信采用零中频方