（电磁场与微波技术专业论文）基于零中频方案的双频双模rf收发模块.pdf

摘要 第三代移动通信系统因其超大的网络容量、良好的抗干扰性能和低功率的环 保特性而倍受移动用户和运营商的青睐，而众多的第三代移动通信技术标准和各 个集团的利益纷争又使得各家运营商不可能选择统一的第三代无线通信技术标 准，所以初期的第三代移动通信的网络必然是一个融合多种技术标准的混合网 络。目前c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 技术标准是被国际电联接受，并已经实现商用 网络的两个主流第三代移动通信无线接口标准。2 0 0 5 年中国将开始发放3 g 网络 运营牌照，c d m a 2 0 0 0 网络和w c d m a 网络都会出现在中国的运营商网络中， 可以兼容这两种系统的多模终端将给用户和运营商带来极大的实惠和方便。本论 文主要研究用于移动终端的、可兼容收发c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 两种标准信号 的双频双模r f 收发模块，采用了零中频框架的实现方案。本课题作为国家“8 6 3 ” 计划“宽带多频多模射频技术”项目( 2 0 0 2 a a l 2 3 0 4 2 ) 的一部分，完成了从天线 入口端到基带单元之间全部的发射和接收链路的设计、仿真和硬件实现。 本文首先讨论了双频双模r f 收发模块的实现方案，对比了几种常用的系统 设计方案，详细论述了各种方案的优缺点，并论证了采用零中频方案的可行性； 然后根据3 g p p 和3 g p p 2 中相关的标准，设计了整个双模系统并规划了各主要 部件的参数，用a d s 软件分别对发射链路和接收链路的性能进行了仿真。本文 详细叙述了系统中的各部分硬件实现方案，包括射频l n a 和m i x e r 、p l l 、滤 波器、放大器以及模式控制的开关电路等，给出了部分单元电路的原理图和电路 板图；文章最后对研制的基于零中频框架的c d m a 2 0 0 0 w c d m a 双勉承模r f 收发信机进行了测试，测试结果表明系统的噪声系数、e v m 等指标均达到了预 定的设计要求。 【关键词】多频多模c d m a 2 0 0 0w c d m a 软件无线电零中频射频收发信机 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n so nt h ed u a l - m o d e a n dd u a l b a n dt r a n s c e i v e rr f m o d u l eb a s e do nz e r o i ft e c h n o l o g y m s e e c a n d i d a t e ：j i a n gz h e n s u p e r v i s o r ：p r o f z h ux i a o w e i p r o f z h o uj i a n y i t h et h i 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 ns y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ei n t e r e s t e db y s u b s c r i b e r sa n ds e r v i c ep r o v i d e r sb e c a u s eo fi t ss u p e r - c a p a c i t y , l o wp o w e r , a n dh i g hp e r f o r m a n c e o fa n t i - j a m m i n g s i n c et h e r eh a v eb e e ns om a n yp r o t o c o l sa n dm a n ys e r v i c ep r o v i d e r s ，i ti s i m p o s s i b l ef o rt h ew o r l dt oa d o p to n l yo n eo ft h o s es t a n d a r d s w c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n ds o m e o t h e rm o d e sw i l lb eu s e dt oc o v e rt h el a n dc o m b i n e dw i t he a c ho t h e r i n2 0 0 5 ，c h i n ai sg o i n gt o p r e p a r ei t s3 gw i r e l e s sn e t w o r k c h i n ah a st h el a r g e s tg s m n e t w o r ka n dc d m ai s 一9 5n e t w o r k ， s oi ti sp o s s i b l ef o rc h i n a3 gn e t w o r kt oa d o p tb o t hw c d m aa n dc d m a 2 0 0 0s t a n d a r d s ，a n di t w o u l db ep r o f i t a b l et ob o t hs u b s c r i b e r sa n ds e r v i c ep r o v i d e r s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c h t od e s i g nat r a n s c e i v e rb a s e do nz e r o i ft e c h n o l o g y ，w h i c hc a nb ec o m p a t i b l et ow c d m a ， c d m a 2 0 0 0s y s t e m s a st h ep a r to ft h e “8 6 3 ”k e yp r o j e c t ：w i d e b a n dm u l t i m o d ea n dm u l t i b a n d r ft e c h n o l o g y , t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e dt h es i m u l a t i o na n dh a r d w a r ed e s i g n i n go ft h em u l t i m o d e a n dm u l t i b a n dr ft r a n s c e i v e rm o d u l et h a tc o v e r st h ec h a n n e lb e t w e e nt h ea n t e n n aa n dt h e b a s e b a n d f i r s t l y , s o m es c h e m e so f s o f t w a r er a d i oa r ed i s c u s s e d ，a n ds e v e r a lr e a s o n sc a m eu pw i t ht o p r o v et h ez e r o i fs c h e m er e a l i z a b l ea n da s c e n d a n t 1 1 1 er ft r a n s c e i v e rm o d u l ei sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n se s t a b l i s h e db y3 g p pa n d3 g p p 2 t h er e s u l t so fa d ss i m u l a t i o n h e l pt oa s s i g nt h ek e yp a r a m e t e r sa m o n gs t a g e so ft h es y s t e m 1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew h o l e s y s t e ma n dc i r c u i td e s i g ni n d e t a i li n c l u d i n gr fs w i t c h ，l o wn o i s ea m p l i f i e r s ，f i l t e r , i q m o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o r i nt h i sp a p e r , s o m es c h e m a t i cd i a g r a m sa n dp c bp i c t u r e sa r e p u b l i s h e d f i n a l l y ，t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tp e r f o r m a n c e so fn o i s ef i g u r eo re v m c o u l ds a t i s f y t h er e q u i r e m e n t s 【k e yw o r d s m u l t i - m o d ea n dm u l t i b a n d ，c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，z e r o 一1 f ，s o f tr a d i o ，r f t r a n s c e i v e r 东南大学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： 蔓址日期：埤舟镧 东南大学学位论文使用授权声明 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：堇盔： 导师签名：日 期扣蹄；归 第一章绪论 1 1 项目背景 第一章绪论 从1 9 9 5 年至今，中国使用移动通信业务的用户数量迅猛增长，截至2 0 0 4 年底，中国移动用户数已 超过3 3 亿；与此同吐中国移动运营商的网络也得到了极大的发展，中国移动和中国联通分别建成了全 球最大的g s m 和c d m ai s 9 5 无线通信网络。随着无线数据业务的增长，现有的窄带无线通信网络将 无法满足用户的需求，必将逐步向第三代移动通信网络演进吵；兹，。东西 中国目前存在中国移动，中国联通，中国电信和中国网通4 大运营商，在众多利益集团的斗争中， 2 0 0 5 年中国政府极有可能发放多张3 ( 3 运营牌照。中国联通目前已经建成了较大规模的c d m a 2 0 0 01 x 网络，所以c d m a 2 0 0 0e v d o e v d v 无线网络将成为其进军3 g 系统的必然趋势；中国移动有着全球 最大的g s m 网络，因为w c d m a 核心网络m a p 协议与g s m 核心网络协议的兼容性，所以p w c d m a 网也会是其经营3 g 网络的必然选择。不论中国网通和中国电信是否选择t d s c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和 w c d m a 移动通信网络必将成为中国主要的第三代移动通信网络之一。 无论是对于3 g 网络的运营商或是3 g 网络的使用者，能够在不同制式的通信网络中均能使用的移 动终端都对他们有着极大的诱惑。对于移动用户而言，有了多模式的手机就可以根据自己的具体需要选 择价格低、服务好的移动运营商而不用受到网络制式的限制；对于运营商而言，不需要担心因为采用了 某种制式的无线接口标准而损失了部分用户，他们只需要集中精力做好无线覆盖和业务的开发即可。目 前中国联通已经推出了“世界风”手机，可以让用户自由的漫游于联通的g s m 和c d m a 网络中。可见 有了多模式的终端，运营商之间的技术壁垒降低了，对二者来说，多模的手机是一个双赢的选择。国家 8 6 3 计划“宽带多频多模射频技术”项目( 2 0 0 2 a a l 2 3 0 4 2 ) 正是应这种需要而产生的，本文的课题“基于 零中频方案的双频双模收发模块”是这个项目的部分，完成从基带处理到天线间的整个r f 收发链路。 1 2 第三代移动通信系统简介 第三代移动通信系统( 以下简称3 g ) 的前身为f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) ，它是工作 在2 g h z 频段上，最高速率可以到2 mb i t s 的宽带移动通信系统。它将比第二代移动通信系统有着更高 的频谱利用率，并可以更加灵活的引入新的业务。3 g 系统是一个全球无缝覆盖系统，一改现有第二代 移动通信系统中按照地区或国家划分覆盖范围的情况。第二代移动通信系统主要以提供话音业务为主， 只能支持较低数据速率的业务( 1 0 0 k 2 0 0 k b i t s ) ，g s m 系统演进到最高阶段也只能提供3 8 4 k b i f f s 的数 据速率；而3 g 系统的业务能力将比第二代有明显的改进，它能支持从话音到分组数据到多媒体业务， 并能根据具体的业务需要提供必要的带宽1 7 】【1 8 1 | 1 9 3 。1 9 9 9 年i t u 赫尔辛基会议上主要确定了五种r 厂r 方案： c d m a d s 一欧洲和日本的u t r a w - c d m a ； c d m am c 一美国的c d m a 2 0 0 0m c ； c d m a 丁d d 一欧洲的u t r a t d d 和中国的t d s c d m a ； t d m as c 一美国的u w c 1 3 6 ；d e c t ； t d m am c 一欧洲的d e c t 系统。 上述方案中最主要最有希望得到广泛应用的还是w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 技术。 1 2 1c d m a 2 0 0 0 移动通信系统 i m t - 2 0 0 0 中提出的c d m a 2 0 0 0 技术标准是从1 s 9 5 系列c d m a 标准演化发展而来的，c d m a 2 0 0 0 的核心网络信令协议与北美地区窄带c d m a 的l s 。4 1 网络标准兼容。这种方式有利于经营i s - - 9 5 a b 网络运营商升级它们自身的网络。起初c d m a 2 0 0 0 的标准工作分为两个阶段，第一阶段中c d m a2 0 0 0 的扩频码速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，载波带宽为1 2 5 m h z ，静态最高数据速率为1 4 4 k b p s ；第二阶段中 东南火学硕 学位硷文 c d m a 2 0 0 0 采用3 载波方式，5 m h z 带宽，静态最高数据速率达到2 m b p s 。但随着c d m a 无线通信技 术的发展，出现了c d m a 2 0 0 01 x e v 技术，它可以在单载波情况下( 带宽1 2 5 m h z ) 提供峰值速率为 2 4 m b p s 的高速数据业务，该性能甚至超过了3 载波调制技术。韩国是使用c d m a 技术最为广泛的国 家之一，目前韩国的c d m a 用户已经超过3 6 0 0 万，其中e v d o 用户超过7 7 0 万，比重超过2 0 ，因 此目前e v d o 和e v d v 技术是c d m a 2 0 0 01 x 的主要发展方向。 c d m a2 0 0 0 标准主要由3 g p p 2 组织制订，网络的基站之间需要严格的同步，因此需要角g p s 时 钟系统。它支持第三代无线智能网( w i n ) 业务以及i t u 和其他国际标准组织定义的业务。它的无线 接口信道分配如下：；、t0 i oj 表l 。lc d m 五2 0 0 0 无线接口信道分配表 信道类型最火数目备注 前向导频信道 1 前向信道 发送分集导频信道1 前向信道 辅助导频信道前向信道 辅助发送分集信道前向信道 同步信道 1 前向信道 寻呼信道 7 前向信道 广播信道前向信道 快速寻呼信道 3 前向信道 公共功率控制信道前向信道 公共指配信道 前向信道 前向公共控制信道前向信道 前向专用控制信道1 前向业务信道前向信道 前向基本信道1 前向业务信道前向信道 前向补充码分信道( r c l ，2 ) 7 前向业务信道前向信道 前向补充信道( r c 3 5 ) 2 前向业务信道 前向信道 反向导频信道 1 反向信道 接入信道 l 反向信道 增强接入信道 1 反向信道 反向公共控制信道 1 反向信道 反向专用控制信道 1 反向信道 反向基本信道 1 反向信道 反向补充码分信道( r e1 ，2 ) 7 反向信道 反向补充信道( r c 3 ，4 ) 2 反向信道 1 2 2w c d m a 无线系统 w c d m a 最早是欧洲提出的宽带c d m a 技术，它与后来日本提出的宽带c d m a 技术基本相同， 双方的标准化组织进一步融合形成了欧目统一的第三代移动通信无线接口建议w c d m a ，开始它的码 片为4 0 9 6 m c h i p s ，后由于o h g 组织的建议，扩频码速率定为3 8 4 m c h i p s 。w c d m a 技术体制的核心 网可以基于t d m 、a t m 和1 p 技术，可演变成全1 p 的网络结构，并保持着与g s m g p r s 网络的兼容 性。w c d m a 移动性管理机制的核心技术是m a p 技术和g p r s 隧道技术。w c d m a 的空中接口信号 带宽为5 m h z ，采用卷积码和t u r b o 码的编码方式，支持异步或者同步的基站运行模式，并采用了开环 发射分集和闭环发射分集技术，提高了u e 的接收性能。截至2 0 0 4 年底，全球w c d m a 用户将达到1 4 0 0 万。w c d m a 无线接口信道分配如下j 2 第一章绪论 表1 2 w c d m a 无线接口信道分配耙 逻辑信道类型信道名称立r 下行 广播控制信道( b c c h ) 下行 寻呼控制信道( v c c h ) 下行 专用控制信道( d c c h )双向 控制信道( c c h )公用控制信道( c c c h ) 双向 共享信道控制信道( s h c c h ) 双向仃1 d d o d m a 专用控制信道( o d c c h ) 双向 o d m a 公用控制信道( o c c c h ) 双向 专用业务信道( d t c h )双向 业务信道( t c l q lo d m a 专用业务信道( o d t c h ) 双向 公用业务信道( c t c h l 双向 1 2 33 g 移动通信系统相关参数和指标 第三代移动通信系统中，不论是c d m a 2 0 0 0 标准还是w c d m a 标准都采用了最新的无线通信技术， 如智能天线技术，多用户检测技术等，使得第三代移动通信技术的指标比第二代移动通信技术有了很大 的提高，但两者还是有一定的区别，下表中列出了两种体制中的和终端相关参数和指标： 表1 - 3c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 无磊接口指标【5 1 序号参数 c d m a 2 0 0 0w c d m a 1 信道带宽( h z ) n x l 2 5 mh z5 mh z 2码片速率n x1 2 2 8 8 m ( c h i p s ) 3 8 4 m ( c h i p s ) 3 多址方式 d s m c c d m ad s c d m a 4双工方式f d df d d t d d 5 核心网 a n s l 4 lm a p 6 帧长( m s ) 2 01 0 7扩频码 7 1 前向w a l s h ( 信道化卜m 序列( 区分小区)w a t s h ( 信道化) + g o l d 序列( 区分小区) 7 2 反向 w a l s h ( 信道化) + m 序列( 区分用户)w a l s h ( 信道化) + g o l d 序列( 区分用户) 8调青4 方式 8 1 数据调制q p s k f b p s kq p s k b p s k 8 2 扩频调制 q p s k o q p s kq p s k 9相干解调 9 1 前向 公用导频信道 专用导频信道 9 2 反向专用导频信道专用导频信道 1 0功率控制开环功控+ 快速闭环功控 开环功控+ 快速闭环功控 1 1 基站同步方式 同步 异步或者同步( 可选) 1 2最小输入信号 一1 0 4 d b m 1 1 7 d b m 1 3最大输出功率2 1 士2d b m2 3d b m 1 4最小输出功率曼- 5 0d b m9 5 0d b m * 8 8 5 k h z 4 2 d b c 3 0 k h z 士5 m h z 3 3 d b c 1 5邻道抑制 士1 9 8 m h z 5 4 d b c 3 0 k h z 士l0 m h z 4 3 d b c 3 东南大学硕上学位论文 1 3 软件无线电技术发展 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 概念是j o em i t o l a 于1 9 9 1 年提出的，指可重新编程或类型可以重构的 无线电系统。s d r 论坛定义了终极软件无线电( u s r ) ，这种系统可以接收完全可编程的业务和控制信 息，并支持大范围内的频率、空中接口和应用软件。用户能够在几毫秒内就从一个空中接口格式切换到 另一个空中接口格式，并能利用g p s 系统实现定位，利用智能卡的存储技术接收卫星信号或本地广播 电视信号。1 1 罗j 、弋只代i 第三代移动通信系统中的对全球无缝覆盖的要求和设备提供商对低成本产品的追求推动了软件无 线电技术的发展，因为只有使用s d r 技术才能够用较低的成本实现多频段多模式的移动通信终端和网 络设备的要求，而且运用软件无线电技术建设起来的移动通信网络具有良好的兼容性，不需要向现在进 行网络升级时几乎要对整个系统进行更换，网络的自适应能力使得不需要再针对每一种新标准就要构建 一种新的网络，减少了网络数量。 1 3 1 软件无线电中射频前端结构 软件无线电系统的终极目标是能够发射和接收任何频率、电平、带宽和调制技术的信号，当然这需 要很长的时间去实现，就目前的情况而言，比较流行的做法是采用数字中频和零中频的体系框架。传统 的射频前端包括很多器件，如双工器，滤波器，低噪声放大器，上下混频器，本振信号源，功率放大 器等。软件无线电系统中的射频前端包括了传统中的部分内容，并对它们做了基于软件技术的控制和处 理，从而获得比传统射频前端更好的性能。它们的结构根据不同的技术系统各有区别，主要的框架如下： 软件无线电射频发射机链路 软件无线电射频接收机链路 图1 1 软件无线电射频前端系统结构图 基于零中频技术方式的软件无线电体系结构简单，适合集成电路实现，无需中频滤波器，可以有效 地抑制镜像频率信号。虽然目前的零中频方式还有很多缺陷，如直流偏移和i q 支路不平衡等，但零中 频体系所提供的灵活性使得它在很多情况下是最具有吸引力的射频前端实现方式。单级转换可以根据系 统带宽的要求和多种操作模式的要求，对宽带信号进行上下变频处理，同时由于零中频结构简单，减 少了模拟器件的数量，可以降低功耗、滤除噪声并减少失真。关于零中频技术的详细分析将在第二章中 的发射链路设计和接收链路设计中详细阐述。 数字中频方案是宽带中频带通采样软件无线电机构，常用于接收系统中，它先采用1 次混频将无线 信号从灯频段下变频到中频，然后用高速a d c 进行采样，将信号转化为数字信号，在数字域中进行 数字下变频处理和滤波再解调出基带l q 信号。数字中频结构是上述软件无线电结构中较为容易实现 的，对a d c 、滤波器和混频器的要求都相对较低，同时对后续d s p 的处理速度的要求也不高，但这种 4 第一章绪论。 方案中有较多的模拟器件，在高功率模式下可能会有更多的杂散信号，系统的可扩展性、灵活性也较差。 在多种无线接口模式情况下，射频链路越简单，系统响应越容易预测，因此对于不同的系统，需要 根据信道间距、频率规划、杂散响应和总增益等多方面因素综合考虑，一般情况下，信道间9 0 d , 用数字 中频系统结构比较好，可以用较窄的带宽对信号进行滤波。 1 3 2 软件无线电中的数字前端结构 在软件无线电系统框架结构中，数字前端主要完成信号的模数或数模转换，数字信号的上下变频 和数字信号滤波等功能。它将模拟的无线信号转换成数字信号，并对所需要的信号进行处理，通过数字 滤波器滤除邻道干扰。数字前端是射频与基带处理之间的桥梁。在软件无线电系统中的数字前端功能比 传统的数字接收机的功能又有所增强。例如，传统的数字接收机的模数接口速率是固定的，在软件无线 电中，收发信机的目标不是某个具体的空中接1 2 ，它必需能够处理不同的主时钟速率；并且考虑到移动 台和基站运行是互相独立的，建立通信链路时，必须要求同步。软件无线电中采用了多速率滤波技术， 对信道和采样速率进行滤波，它的基本思想是滤波和整数倍的采样速率转换在一个级联结构中分段实 现，这样可以降低对乘法器速率要求和硬件的复杂度。 2 0 0 3 年1 2 月份，德克萨斯州部分地区的农村运营商m i d - - t e xc e l l u l a r ，证实他们将成为美国公用 无线网络中第一个使用s d r 技术的运营商；同年1 月f c c 做出决定：签发对软件无线电技术规则制定 提议的备忘录。软件无线电技术因其灵活简单的结构，必将在未来的无线通信技术中得到广泛应用。 1 4 课题的主要内容及安排 根据对全球和中国的第三代移动通信市场的分析和预测，我们认为未来的覆盖全球的3 g 网络必将 是一个多种模式并存的混合网；并且在第三代无线通信标准中的c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 两种制式由于 其支持的厂家众多，必将成为未来移动通信网络中主要采用的无线接口标准。因此研制能够兼容这两种 模式，可以在这两种无线接口下都能实现通信的移动终端是很有意义和实用价值的一个项目。 本课题的任务就是根据这个需求研制应用于移动终端的c d m a 2 0 0 0 厂w c d m a 兼容的双模无线收发 模块，频段分别在8 0 0 m h z ( c d m a 2 0 0 0b a n d 0 ) 和2 g h z ( c d m a 2 0 0 0b a n d 6 w c d m a ) 采用了零中 频的系统框架。要求模块的相关指标均能够达到3 g p p 和3 g p p 2 标准的要求。 设计中，首先对c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 两种无线技术标准进行了研究，分析并整理了c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 在移动终端的无线接口上的指标，并参照在不同频段上的双模终端标准对系统的参数和指 标进行了分配。 然后利用a d s 等e d a 软件对整个零中频的双频双模系统结构和模块参数进行仿真，验证方案的 可行性。根据整个系统的结构，设计硬件电路，包括芯片选型，设计芯片外围电路和匹配，芯片测试， 模块调试等。 本论文共分为4 章，分别从项目背景，系统结构，硬件设计和系统调测4 个方面介绍了整个项目的 发展情况，各章节具体分配如下： 第一章为绪论，概述了项目背景，简单介绍了c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 系统的相关标准，介绍了本 论文中涉及到的相关软件无线电的概念，并对项目实施意义和可行性进行了分析。 第二章为系统方案设计，分别介绍常用的发射链路系统和接收链路系统设计中采用的系统结构和方 案，对比了几种常用方案的优缺点，根据本项目的具体情况，论述了课题采用零中频技术的可实施性。 第三章为收发信机电路设计与仿真，主要根据3 g p p 和3 g p p 2 的相关标准和指标对系统中各模块 的性能进行了仿真，说明了电路设计方案的可行性，然后介绍了发射链路和接收链路的具体硬件电路模 块设计，对系统中的关键部分作了详细的描述。 第四章为测试结果，给出了根据3 g p p 和3 g p p 2 相关测试标准进行的对发射链路和接收链路分别 测试的结果，验证了本文系统设计的可行性。 5 东南大学硕士学位论文 第二章系统方案设计 传统的无线收发信机可分为独立的发射链路和接收链路，发射链路中包括调制器、滤波器、混频器、 放大器和双工器，接收链路包括低噪声放大器、滤波器、混频器和解调器等多种独立器件，本章就本文 系统中的相关发射链路和接收链路的系统结构及其相关部件分别进行了表述。 2 1 常用发射链路设计方案 在无线通信系统中，发射链路主要完成无线信号的调制，上变频，滤波和信号功率放大等几项功能。 一般情况下，发射链路的设计需要和接收链路的设计综合起来考虑，以便共享一些硬件资源。目前，发 射链路的设计方案主要有下面两种： 2 1 1 直接变换法 直接变换法是将调制和上变频合在一起，在一个电路里完成；信号直接从基带被调制到r f 频带， 输出载波频率和本振频率相同，拓扑结构比较简单，便于集成。直接变换法的系统结构如图所示1 3 l ： t 图2 1 直接变换正交调制发射机框图 直接变换法有一定的缺点，由于发射信号是以本振频率为中心的通带信号，经功率放大或发射后的 强信号会泄露或反射回来影响本振，牵引本振频率。特别是在为了节省能源，需要频繁的接通断开功率 放大器，产生的干扰更大，本振频率不稳，会直接影响到发射机的各项性能指标。改进的方法可以让本 振频率和调制的载频不同，如下图所示，两个较低的本振频率0 9 和0 3 ，合成为，4 - 缈，以此新的频率 作为载频，这样，由于发射的频率和本振频率相差很远，不易发生强信号对本振频率的牵引。 图2 2 改进的直接变换发射机框图 2 1 2 二次变频调制器 二次变频调制器将调制和上变频分开，先在较低的中频上进行调制，然后将已调信号上变频搬移到 发射信号的载频上。 这种方案本振频率和发射载波的频率不同，功放和本振源之间有良好的隔离度，可以减弱直接变换 法的缺点；而且i q 调制可以在较低的中频上进行，能实现较好的相位平衡和幅度平衡特性。但是该方 6 。第二章系统方案设计 案需要较多的器件，系统比较复杂，成本较高；特别是在第二次上变频后必须采用滤波器滤除另一个不 要的边带，为了达到发射机的性能指标，对这个滤波器要求比较高。二次变频调制器的系统结构如下图 所示： 2 1 3 数字 ， f 讨测 相绨也， 随着数字信号处理技术和高速a d c d a c 芯片的发展，中频调制器也可以用数字可编程逻辑电路 实现，这就是最近较为流行的数字中频发射方案。在数字中频方案中，i q 调制是在数字域中进行的， 可以获得良好的幅度和相位平衡性，有很好的e v m 指标1 1 1 】1 1 2 】13 1 。 数字上变频 弱 一c o s c o ，f s a 黼姻 图：数字中频发射链路结构图 数字中频调制方式在多载波调制技术中应用比较广泛，因为它可以方便的在数字域中进行多载波调 制，再在模拟域中进行上变频处理，得到较好质量的信号。 。 2 2 常用接收链路设计方案 2 2 1 超外差接收方案 超外差( s u p e rh e t e r o d y n e ) 体系结构自1 9 1 7 年由a r m s t r o n g 发明以来，已被广泛采用。在此结构 中，由天线接收的无线信号经过射频带通滤波器( r fb p f ) 、低噪声放大器( l n a ) 和镜像干扰抑制滤波器 o rf i l t e r ) 后，进行第一次下变频，产生固定频率的中频o f ) 信号；然后中频信号经过带通滤波器( i fb p f ) 将邻近的频道信号去除，再进行第二次下变频得到所需的基带信号。低噪声放大器( l n a ) 前的射频带通 滤波器衰减了带外信号和镜像干扰；第一次下变频之前的镜像干扰抑制滤波器用来抑制镜像干扰，将其 衰减到可接受的水平。使用可调的本地振荡器( l 0 1 ) ，全部频谱被下变频到一个固定的中频。下变频后 的中频带通滤波器用来选择信道，称为信道选择滤波器。此滤波器在确定接收机的选择性和灵敏度方面 起着非常重要的作用。第二次下变频是进行正交解调，以产生同相( 】) 和正交( q ) 两路基带信号。下图是 超外差接收系统的射频部分： 7 乐南大学颐上学位论文 图2 5 超外差接收机结构 超外差体系结构被认为是最可靠的接收机拓扑结构，因为通过适当地选择中频和滤波器可以获得极 佳的选择性和灵敏度。由于有多个变频级，直流偏差和本振泄漏问题不会影响接收机的性能。但镜像于 扰抑制滤波器和信道选择滤波器均为高q 值带通滤波器，它们只能在片外实现，从而增大了接收机的 成本和尺寸。目前，要利用集成电路制造工艺将这两个滤波器与其它射频电路一起集成在一块芯片上存 在很大的困难。因此，超外差接收机的单片集成因受到工艺技术方面的限制而难以实现。 2 2 2 数字中频接收方案 数字中频方案采取了和超外差结构类似的双本振结构，即先在模拟域中先将射频信号下变频到较低 的中频频段上，然后通过采样将模拟域中的信号转变到数字域中，再在数字域中进行下变频处理，将信 号解调到基带。它与超外差接收机结构具有一定的相似性，由于采用了两级滤波和放大，系统在很宽的 频带范围内有良好的信道选择性和灵敏度的特点，同时避免了对正交解调器的要求也不高。与超外差结 构不同的是，数字中频方案把a d c 的位置从基带前提前到中频部分，第二本振输出的不是一个模拟信 号而是一个数字序列，减少了具有非线性特性的模拟器件的数量，避免了影响混频器性能线性和频率稳 定度、边带、相噪和温漂等因素。下图是数字中频解调系统结构框图， ， i 图2 6 数字中频接收机结构图 数字中频方案的主要优点是： ( 1 ) 使用数字中频对信号进行i q 解调可以精确的做到q 路的9 0 度相移，并且i q 两路上增益相 等，所以极大地克服了模拟1 q 解调的幅度和相位不平衡性。 ( 2 ) 由于使用了数字电路，克服了模拟混频电路非线性的影响，减少了非线性交调产生的干扰。 ( 3 ) 使用数字电路设计解调器和滤波器简化了系统电路设计。 这种方案的难点是对a d c 的要求较高：由于中频频率较高，要求a d c 有高采样频率和高输入带 宽；为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 c 的线性度很高；为克服接收到的有 用信号的信道衰落和多径效应，要求a d c 有较大的动态范围。同时采样后高速的数字流对后续的数字 信号处理也造成了不小的压力。 2 2 3 零中频接收系统结构 零中频接收系统也称为直接变换结构或者z i f 结构，它与超外差结构相比少了一级变频器，从整个 系统而言可以比超外差结构节省1 3 的部件数量。由于零中频接收机系统r f 信号载波频率与本振信号 源输出的频率相同，因此混频后没有镜像频率分量，同时不需要片外高q 值带通滤波器，可以实现单 8 第二章系统方案设计 片集成，从而受到广泛的重视。下图是零中频接收机的系统结构框图： ， i 1 p _ _ 1 广叫：= r _ ，1 f i 曼q 兰型l i 数字信号源 广_ 1 l s i l lc o t t 阢 一巨习卜 图2 7 直接下变频接收机结构图 零中频系统结构较超外差接收机简单许多。接收到的射频信号经滤波器和低噪声放大器放大后，与 互为正交的两路本振信号混频，分别产生同相和正交两路基带信号。零中频系统中本振信号频率与射频 信号频率相同，混频后直接产生基带信号，只需要低通滤波器和基带放大器对解调出来的信号进行处理。 零中频接收机最吸引人之处在于下变频过程中不需经过中频，且镜像频率即是射频信号本身，不存 在镜像频率干扰，原超外差结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器均可省略。这样一方面取消了外部元 件，有利于系统的单片集成，降低成本。另一方面系统所需的电路模块及外部节点数减少，降低了接收 机所需的功耗并减少射频信号受外部干扰的机会。 近几年，又发展出了一种新的接收系统方案一近零中频接收系统。这主要是为了解决零中频系统中 宽带正交本振较难实现的问题和自混频引起的d c 偏移问题。近零中频体制采用的是接近于零频，但不 是零的频率，不仅保持了零中频系统集成度高的优点，而且消除了直流偏移的重要问题。由于近零中频 系统采用不是0 h z 的频率，因而较零中频系统更容易实现载波的恢复，但它也会有镜像频率干扰问题。 近零中频接收机的有用信号和镜像频率信号都落在基带内，并且距离很近，不能采用传统的滤波器消除 带外信号，必须采用镜像抑制滤波器滤出镜像信号。近零中频系统比较适合频谱在直流附近的线性调制 方案如g m s k 系统等。 2 3 本文系统采用方案及相关接口 本文是设计一个能在多个模式和多个频段下的无线收发系统，简单的多频多模无线通信系统结构如 下所示1 1 2 】1 3 】： 图2 8 多频多模系统结构图 通过上面对发射链路和接收链路各种结构的比较，我们可以发现用零中频结构实现多频多模系统通 信是一个比较合适的方法。如果用超外差和数字中频系统结构来实现多模式的通信系统，在r f 部分势 必要增加多种的中频滤波器和中频放大器，这种方式增加了模拟器件的数量，使得系统链路的噪声和损 耗都有所增加，而采用零中频系统，只需要在基带部分增加不同的低通滤波器，实现起来比带通滤波器 简单而且精度高，并且成本低。 9 东南大学硕士学位论又 -_-_-_，_-一_-_-，_一。一 当然，任何事物都有其相对的优势和劣势，我们在利用零：芦频结构简单，成本低的优点的同时，也 要面对零中频技术的缺陷。零中频结构存在以下些问题： a 本振泄露 零中频方案的本振频率与信号频率相同，如果变频器的本振口与射频口之问的隔离性能不好，本振 信号就很容易从变频器的射频口输出；再通过高频放大器泄露到天线，辐射到空间，会对邻道产生干扰。 这在超外差接收机中不易发生，因为外差式接收机的本振频率和信道频率相差很大，一般本振频率都落 在前级滤波器的频带以外。 b l n a 偶次谐波失真干扰 由于零中频接收机将r f 信号直接解调到基带，中间没有中频滤波器，因此当两个频率相近的干扰 信号进入l n a 后，由于l n a 伏安特性非线性的偶次项引起的差频f 1 f 2 和f 2 f 1 ，在直接变频方案中就 可能会因为混频器的不理想( r f 口与i f 口隔离不好) 而直通进入基带信号，造成干扰。同时r f 信号 的二次谐波与本振信号的二次谐波混频的信号也可以直接到达基带。二次或偶次谐波失真将解调出信号 中的任意幅度调制，因此信号幅度的变化( 如衰落引起的) 将会在接收机的输出中出现杂散项。二阶失 真通常用i p 2 表示。 c 直流偏差 直流偏差是零中频方案中特有的一种干扰，它是由自混频引起的。当本振泄露的信号又从天线回到 高频放火器，进入变频器后又和l o 信号混频，差拍为直流。在零中频方案中，此直流信号直接叠加在 基带信号上，由于此直流信号往往比较大，会造成基带放大器的饱和，所以往往导致所需信号功率较小， 信噪比差。同时由于移动性，接收机的天线阻抗随着接收机所处环境的不同也会变化。在移动台运动时， 从该天线反射的l o 信号也可能随着时间变化而变化，因而导致d c 偏置也随着时间和环境的变化而变 化，从而导致对接收机产生更难消除的干扰。 d 闪烁噪声 有源器件内存在的l f 噪声随着频率的降低而增加，且大都集中在低频频段上。场效应管的l f 噪 声比较大，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 带级，前端射频部分的增益约为2 0 d b ，有用信号经下变频后的幅度不会大，1 f 噪声的影响就更严重。 根据噪声系数公式 肚曩+ 等 在超外差接收系统中，整机的噪声系数主要集中在第一级上，而在零中频系统中，由于第二级( 基 带) 增益很大，导致了第二级的噪声系数对整机的影响也很大。 虽然零中频体系有着上述的一些缺陷，但随着电子技术的发展和集成度的提高和采用适当的调制解 调方法可以改善甚至消除这些因素的影响。全差分电路结构的集成芯片可以较好的抑制偶次谐波的失 真：同时由于c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 都是信号频谱很宽的扩频信号，因此在解调器输出端加一个高通 滤波器就可以改善直流偏差和低频噪声的影响，其中最简单的方法就是交流耦合的方法。在器件选择和 电路设计时还要将链路增益合理分配，尽量选择i p 2 和i p 3 高的器件，使电路的动态范围加大，保证在 正常信号的情况下，各级增益放大器和解调器都不会出现饱和或者失真的情况。通过这些方法，零中频 结构的性能可以得到显著提高，因此本文决定采用零中频的体系结构，本文设计的双频双模无线通信系 统结构框图如下图所示： 第二章系统方案设计 图2 9 双频双模r f 收发系统图 在本方案中，采用了通用的宽带调制器和宽带解调器，节省了电路板的空间和成本，用双工器、模 式开关和滤波器将c d m a 2 0 0 0 的信号链路和w c d m a 的信号链路分开，通过基带控制产生不同模式下 需要的本振信号源，完成信号的调制和解调。 在设计无线收发信机的系统时，我们要考虑很多指标，特别是由于本文系统是双频双模的收发系统， 需要分别考虑c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 中的相关无线设计指标。 在设计发射链路时，我们要考虑的主要技术指标有以下几个： a 平均载频功率 平均载频功率是指发信机输出的平均载波峰值功率。根据不同的应用( 如移动台的车载