（通信与信息系统专业论文）基于ofdm技术的无线通信系统射频电路设计与硬件实现.pdf

多j 一 b j ， 。 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文基寺。f d m 技术的羌残也舌氛冼知坝电黼j - 跚知擦本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 直珏太堂图盘焦苤王堡盔= 焦旦堂焦途塞鲍筻理查选! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：1 言忽学院由考工社最 作者签名：陉各肆 学号： 2 1 2 0 0 r 6 2 7 了 日期：。洳时年f 月2g 日 i ： 一。， 学校代码：1 0 0 5 5 学号：2 1 2 0 0 5 0 2 7 5 论文题目： 基于o f d m 技术的无线通信系统射频电路 设计与硬件实现 r e s e a r c ha n dr fc i r c u i tr e a l i z a t i o no ft h eq u a d r a t u r e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no f h e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do no f d m 培养院系：信息技术科学学院通信工程系 一级学科：信息与通信工程 二级学科：通信与信息系统 论文作者：陈志魁 指导教师：吴虹副教授 南开大学研究生院 2 0 0 8 年5 月1 8 日 气? 拼： 。 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e 1 1 , 帚u 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 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3 6 0 锁相环芯片产生不同频率的本振信号实现 信号在不同频率上的发射和接收，在低噪声放大器电路中运用了m a x 2 3 7 1 芯片， 并采用a d 8 3 6 7 和a d 8 3 6 1 芯片作为自动增益控制电路来使系统的性能更加完善， 从而达到系统整体的要求目标。 关键词：正交频分复用调制解调低噪声放大自动增益控制射频系统 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t ho f d mt e c h n o l o g yw h i c h w o r k si nt h eu h f 厂v h fb a n di sa n a l y z e dc o n c r e t e l ya n dr e a l i z e di np r a c t i c eo nt h e p c b s t h et e c h n i q u e so fl n aa n da g ca r et h ee m p h a s i sh e r e t h et h e o r i e sa n dt h e r e l a t e dd e s i g n so ft h et w ot e c h n i q u e sa r ee x p l a i n e di nad e t a i l e dw a y a tt h es a m e t i m e ，t h en o i s ei n t e r f e r e n c ei nt h i ss y s t e mi sa l s oi n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e d b e s i d e s ， t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e do t h e rd e s i g n sa p p l i e di nt h i ss y s t e ms u c ha st h eq u a d r a t u r e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nc i r c u i t s ，f r e q u e n c ym i x t u r ec i r c u i t s ，p l lc i r c u i t sa n d s 0o n t h r o u g hr e v i s i n ga n do p t i m i z i n go ft h ec i r c u i t sc o n s e c u t i v e l ya n dt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yd e s i g n i n go nt h ep c b s ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e r fc i r c u i t si se n h a n c e da n d t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei sg r e a t l yr e d u c e d s ot h er e q u i r eo ft h ec i r c u i t p e r f o r m a n c ei n d e xh a sb e e nb a s i c a l l yr e a l i z e d i nt h a tw a y ，ag o o dp l a t f o r mi sb u i l t f o rt h ec o n n e c t i o n sw i t ho t h e rs u b s y s t e m s i nt h i ss y s t e m ，t w od i f f e r e n tp a t h so fb a s eb a n ds i g n a l sa r ec o n v e r t e dt od i f f e r e n t f r e q u e n c i e sw h i c ha r e2 2 5 m h za n d2 3 2 m h zr e s p e c t i v e l y w em a k et w oc i r c u i t st o m a k es u r et h es i g n a l sc a nb et r a n s m i t t e di nt w oi n d e p e n d e n tp a t h s t h u st h e p e r f o r m a n c eo ft h eo f d ms y s t e mc a nb et e s ti na b e t t e rw a y d u r i n gt h ed e s i g no ft h ep c b s ，t w i c ef r e q u e n c y c o n v e r s i o ni s a d o p t e d t h e m a x 2 4 5 0c h i pi su s e df o rt h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na tt h eb a s e b a n dw h i l et h ea d 8 3 4 2u s e da st h em i x e rf o rt h es e c o n df r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h e a d 4 3 6 0a p p l i e si nt h ep l lc i r c u i t st og e n e r a t ea n o t h e rd i f f e r e n tl o c a lo s c i l l a t i n g s i g n a lt om a k es u r et h es i g n a l sc a nb es e n ta n dr e c e i v e di nt w od i f f e r e n tp a t h s t h e m a x 2 3 7 1a n da d 8 3 6 7a r er e s p e c t i v e l yu s e da st h el n aa n da g cc i r c u i t st om a k e t h es y s t e mo p e r a t em o r er e l i a b l ya n da c h i e v eab e t t e rp e r f o r m a n c et om e e tt h e o b j e c t i v eo f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：o f d m ，q u a d r a t u r em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n , l n a ，a g c ，r f s y s t e m i i 第二节o f d m 系统的特点和关键技术2 第三节关于本文5 第二章o f d m 系统射频电路的设计7 第一节o f d m 系统二次变频结构的收发机设计7 第二节o f d m 系统正交调制解调模块9 2 2 1 正交调制解调概述9 2 2 2m a x 2 4 5 0 正交调制解调器及相关设计1 0 第三节o f d m 系统混频器的设计。1 5 第四节o f d m 系统锁相环频率合成电路的设计。2 0 第五节本系统其它相关电路及元件2 6 第六节本章小结2 8 第三章o f d m 系统低噪声放大器的设计2 9 第一节噪声的概念与分类2 9 第二节二端口网络噪声介绍3 1 第三节低噪声放大器的设计3 4 3 3 1 低噪声放大器的指标3 5 3 3 2 低噪声放大器的功率匹配和噪声匹配3 7 3 3 3 低噪声放大器的线性度性能4 l 第四节本系统低噪声放大器电路的设计4 4 3 4 1m a x 2 3 7 1 芯片介绍4 4 3 4 2 本系统低噪声放大器的电路设计4 5 i i i 目录 第五节m a x 2 3 7 1 的性能测试与本系统噪声系数指标4 9 3 5 1m a x 2 3 7 1 的性能测试4 9 3 5 2 本系统噪声系数指标与低噪声放大器的测量结果5 l 第六节本章小结5 4 第四章o f d m 系统自动增益控制的设计5 5 第一节自动增益控制的原理5 5 4 i 1 自动增益控制系统的概念5 5 4 1 2a g - c 电路的组成及工作原理5 7 4 1 3 自动增益控制系统的主要质量指标5 9 第二节o f d m 系统自动增益电路设计6 1 4 2 1a d 8 3 6 7 可变增益放大器介绍61 4 2 2a d 8 3 6 1 功率检测芯片介绍6 3 4 2 3 本系统的自动增益控制电路设计与测试结果6 5 第三节本章小结7 0 第五章总结与展望7 1 参考文献7 2 致谢7 4 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果7 5 i v 第一章引言 第一章引言 本文对基于0 f d m 无线通信系统的正交调制解调系统进行了详细的理论分 析和具体的硬件实现。并根据射频系统要求，采用收发不同频的两次变频的方 案，并通过不断地修改优化硬件电路，并采取射频电路p c b 板的电磁兼容设计， 提高了射频电路p c b 设计的可靠性，大大降低了电磁干扰，基本实现了电路的 性能指标，为最终和其它子系统连接奠定了较好的基础。 本系统采用了正交调制解调技术，两次混频技术，锁相环技术，自动增益 控制和低噪声放大器技术。使信号在射频收发的过程中的线性性，稳定性和提 高信噪比等方面得到进一步改善。 第一节o f d m 系统发展历史和现状 o f d m 的基本概念起源于二十世纪6 0 年代，19 6 6 年r w c h a n g 发表题为 s y n t h e s i s o fb a n d l i m i t e d o r h o g o n a ls i g n a l s f o rm u l t i c h a n n e l d a t a t r a n s m i s s i o n 的论文。文中叙述了在线性带限信道中，无i s i 和无l c l 同时传 输信息的原理。 、1 9 7 1 年，w e i n s t e i 和e b e r t 对o f d m 提出了利用离散傅立叶变换( d f t ) 实现 了o f d m 的方法。为了解决i s i 和i c i ，他们在时域上插入符号间保护间隔以 及加窗的方法，虽然该系统不是很完善，但却是o f d m 发展路途上的一个里 程碑l 。 19 8 0 年，p e l e d 和r u i z 引入了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的概念，解决了 正交性的问题。他们没有采用插入空保护间隔的办法，而是用o f d m 的循环延 伸填充了保护间隔。当c p 的时间比信道的脉冲响应时间长时，这样就可以在 信道上保持正交性： 高速数字信号处理芯片( d s p ) 的发展，使得o f d m 优越性更突出。d s p 与 f f t 技术的结合，使得o f d m 开始迅速发展并被广泛应用。傅立叶变换，逆变 换、m q k m 技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的 逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应 用。 第一章引言 第一个o f d m 技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波 传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展， 该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括：非对 称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 世 1 亍o 1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 l a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其中o f d m 调 制技术被采用为它的物理层标准。e t s i 的宽带射频接入网( b r a n ) 的局域网标 准也把o f d m 定为它的调制标准技术。 1 9 9 9 年1 2 月，包括e r i c s s o n ，n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国 际o f d m 论坛，致力于策划一个基于o f d m 技术的全球性单一标准。现在 o f d m 论坛的成员已增加到4 6 个会员，我国的信息产业部也己参加了o f d m 论坛。 2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线 城域网委员会提交了一份建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域 网的物理层( p h y ) 标准。随着i e e e 8 0 2 1 1 a 和b r a n h y p e r l a n 2 两个标准在局域 网的普及应用，o f d m 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出 重大贡献。 o f d m 正在凭借频谱利用率高、成本低等诸多技术优势，成为人们关注的 热点。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术 在移动通信领域将越来越得到广泛的应用3 1 。 第二节0 f i ) m 系统的特点和关键技术 o f d m 是一种特殊的多载波传输系统，之所以说特殊是因为它的各子载波 保持相互正交。多载波传输系统有传统的频分复用、3 d b 频分复用和o f d m 三 种不同的设置方案，如图1 1 所示。传统的频分复用是将频带划分成n 个不重 叠的子带，接收端用滤波器组进行分离，它简单直接，但各子信道之间要留有 保护频带，频谱利用率低，并且滤波器组的实现也较为复杂；3 d b 频分复用是 通过偏置q a m 技术实现，在3 d b 处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的；o f d m 的各子载波有1 2 的重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离 出来，避免使用滤波器组，同时使频谱效率提高近1 倍嵋儿驯。 2 第一章引言 3 d b 频分复用o f d m 图1 1 子载波频率设置 由于o f d m 系统具有多个正交的子载波，所以它同时具有多载波传输系统 的特性和由于正交性所带来的优点。 1 频带利用率高 o f d m 系统各个子载波之间的正交性，允许子信道的频谱相互重叠，可以 证明，只要相邻子载波的频率相差1 厂r ，就可以满足正交条件。而当各个子载 波在整个码元周期上是正交的时候，只要接收机用各子载波对接收信号在码元 周期t 上做相关积分，就可以无失真的恢复出各个子载波上的数据。o f d m 信 号的合成频谱非常近似于矩形，其频带利用率可以接近10 0 。 2 抗符号间的串扰( i s i ，i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 能力强 作为多载波系统，通过把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据 流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去 调制相应的子载波，达到构成多个低速率符号并行发送，使得每个子载波上的 数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来 的i s i ，减小了接收机内均衡的复杂度。 3 抗频率选择性衰落能力强 在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多 载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到衰落的影响。这样使窄带 干扰只能影响一部分子载波，因此o f d m 系统可以在某种程度上抵抗这种窄带 干扰，同时还可以通过纠错编码来迸一步解决问题。 4 系统结构简单，成本低 各个子载波之间的正交性使得这种正交调制和解调可以采用傅立叶逆变换 和正变换( i d f t d f t ) 方法来实现。对于n 很大的系统中，还可通过采用快速 傅立叶逆变换和正变换( i f f 聊f t ) 来实现。随着f p g a 与d s p 技术的发展，i f f t 第一章引言 和f f t 都是非常容易实现的【4 】。 但是也正是由于o f d m 系统内存在多个正交的子载波，而且其输出信号是 多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 1 易受频率偏差影响 由于无线信道存在时变性，在传输过程中出现的天线信号频谱偏移或发射 机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的 正交性遭到破坏，导致子信道间干扰( i c i ，i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，这种对频 率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 存在较高的峰值平均功率比 多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一 致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大 的峰值平均功率l 匕( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大 器的线性度提出较高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化， 从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 o f d m 系统的关键技术有以下几个方面： 1 调制解调中的i f f t 和f f t 的实现 o f d m 提出的初期，由于当时没有功能强大的半导体集成电路器件，所以 未能有效地实现这些想法。随着近年来数字信号处理技术、半导体技术的飞速 发展及大规模集成电路的应用，o f d m 进入实用化阶段。目前，利用d s p 和 f p g a 都可以实现i f f t 和f f t 的算法，为实现o f d m 系统提供了硬件上的支 持。如何设计出架构合理、高效实用的o f d m 调制解调系统，使其充分发挥其 技术优势，是系统的核心。 2 信道编码和交织 信道编码和交织是提高数字通信系统性能的有效方法，他们对衰落信道的 随机错误和突发错误有很好的纠错效果。在o f d m 系统中，如果信道衰落不是 太严重，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为o f d m 系 统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被o f d m 这种 调制方式本身利用。但是，o f d m 系统的结构却为在子载波间进行编码提供了 机会，编码可采用多种方法，如分组码、卷积码等。 3 时域和频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移敏感，时域和频率同步显得尤为重要。与其 4 第一章引言 他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段，主要包括帧同步、符号 同步、粗频偏和细频偏4 部分。从实现方法上可分为有导频和无导频两种方式， 前者利用插入占用固定频率的训练符号来实现各种同步功能，可靠性高但需要 一定的频率资源；后者是充分利用不占用固定频率的训练符号和循环前缀的相 关性来实现的，占用频域资源少，但算法相对较为复杂。 4 降低峰值平均功率比 由于o f d m 信号时域上表现为n 个正交子裁波信号的叠加，当这n 个信 号恰好峰值相加时，o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的 n 倍，这就要求发送端对高功率放大器( h p a ) 的线性度要求很高，接收端对前端 放大器以及a d 变换器的线性度要求也很高。因此，为了解决这一问题，人们 提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低o f d m 系 统p a p r 的方法哺7 1 。 第三节关于本文 本文的研究内容主要是在硬件上实现两路模拟基带信号到不同频率的射频 信号( 分别是2 2 5 m h z 和2 3 2 m h z ) 的转换，并形成一个完整的收发不同频的 电路系统。从而更好的试验o f d m 系统的性能。 本文在设计p c b 硬件电路系统过程中，采用了两次变频的技术，以 m a x 2 4 5 0 芯片为核心进行基带信号的调制解调，应用a d 8 3 4 2 芯片作为混频器 实现二次变频，系统分别采用1 5 0 m h z 晶振和a d 4 3 6 0 锁相环芯片产生不同频 率的本振信号实现信号在不同频率上的发射和接收，在低噪声放大器电路中运 用了m a x 2 3 7 1 芯片，并采用a d 8 3 6 7 和a d 8 3 6 1 芯片作为自动增益控制电路 来使系统的性能更加完善，从而达到系统整体的要求目标。 本文在这里将重点介绍低噪声放大器电路和自动增益控制电路的研究与设 计。引言部分以后结构构成如下： 第二章介绍了o f d m 系统射频电路的总体设计，内容包括o f d m 系统二 次变频结构的收发机设计，o f d m 系统正交调制解调模块的研究，o f d m 系统 混频器的设计，锁相环频率合成电路的设计以及本系统用到的其它相关电路及 元件。 第三章将重点介绍o f d m 系统低噪声放大器的设计，包括噪声的概念及分 5 第一章引言 类，经典的二端口网络噪声理论，低噪声放大器的设计理 以及本系统用到的低噪声放大器芯片m a x 2 3 7 1 的设计。 第四章将介绍o f d m 系统自动增益控制电路的设计， 原理，自动增益控制系统的主要质量指标，电路的基本特 益控制电路芯片a d 8 3 6 7 ，a d 8 3 6 1 的设计及测试。 第五章对全文进行了概括性总结，并结合项目的后续 的研究。 为使论文结构更加清晰，在每章结尾处设本章小结， 内容进行总结，以期为了解论文内容起到积极作用。 6 第二章o f d m 系统射频电路的设计 第二章0 f d m 系统射频电路的设计 本章将介绍o f d m 系统射频电路的主要模块设计。首先是o f d m 系统的 二次变频收发机的结构，然后重点介绍一些主要模块，包括调制解调电路，混 频器电路，锁相环电路和其他一些电路的设计。在每一部分，本章将分析其电 路的原理，并给出相关芯片的分析和本系统的最终设计方案。 第一节0 f d m 系统二次变频结构的收发机设计 根据本系统设计参数的要求，我们通过合理选择元件，采用收发不同频的 两次变频发射机和接收机的设计方案，分别实现系统在不同频率上的调制和解 调。具体功能如下： 2 2 5 m h z 发射机：基带信号通过m a x 2 4 5 0 正交调制成7 5 m h z 中频信号， 再通过a d 8 3 4 2 把7 5 m h z 中频信号和15 0 m h z 本振混频上变频到2 2 5 m h z 射 频信号，通过放大滤波送到功放。( 图2 1 ) 2 2 5 m h z 接收机：2 2 5 m h z 的接收射频信号经过低噪声放大器后，通过 a d 8 3 4 2 与15 0 m h z 本振混频下变频到7 5 m h z ，经滤波放大和自动增益控制后， 由m a x 2 4 5 0 解调出基带信号。( 图2 2 ) 2 3 2 m h z 发射机：基带信号通过m a x 2 4 5 0 正交调制成7 5 m h z 中频信号， 再通过a d 8 3 4 2 把7 5 m h z 中频信号和锁相环产生的15 7 m h z 本振信号混频， 上变频到2 3 2 m h z 射频信号，通过放大滤波送到功放。( 图2 3 ) 2 3 2 m h z 接收机：2 3 2 m h z 的接收射频信号经过低噪声放大器后，通过 a d 8 3 4 2 与锁相环产生的1 5 7 m h z 的本振信号混频，下变频到7 5 m h z 中频，经 滤波放大和自动增益控制后，由m a x 2 4 5 0 解调出基带信号。( 图2 4 ) 7 第二章o f d m 系统射频电路的设计 2 4 5 0 ，r n。人入 8 3 6 7 同珥禹占 a d 8 3 4 2 。， - o r f 、，3 l 7 丫 7 训 7 i 7 y y 1 5 0 m h z 图2 1 两次变频2 2 5 m h z 发射机设计方案 m a x 2 4 5 0 瓦丽 7 y a d 8 3 4 2 a g c 0 0 2 分频移i l 相网络 i - t1 5 0 m h z d l 低噪声l _ 一滤7 5 波m h 器z _ 夕 l l l - 11 放大器l -烀 l j 9 0 0 1 又。_ f 石 7 y ) ， 7 l 兰：j7 匕 1 5 0 m h z 图2 2 两次变频2 2 5 h h z 接收机设计方案 m a x 2 4 5 0 ，f 、。人久 、， 7 y l | 0 0 0a d 8 3 4 2 a d 8 3 6 7 li _ 一2 分频fz r 。1 2 3 2 m h zl卜、， 久 1 放t 夕 7 k y 7 划 b i1 5 0 m h z 卜 k o 9 0 丫 下 ii n r f 、，(! i l 1 5 7 9p zi 7 y y 锁相环h1 券 l ” 图2 3 两次变频2 3 2 1 吁i z 发射机设计方案 8 第二章o f d m 系统射频电路的设计 m a x 2 4 5 0 。， 、 。i 。1广_ 锁相环卜 1 0 m h z 7 、( ) ， 7 l 坐! j7 坠 晶振 图2 4 两次变频2 3 2 m h z 接收机设计方案 第二节0 f d m 系统正交调制解调模块 2 2 1 正交调制解调概述 在通信中，调制就是在传送信号的一方( 发送端) 将所要传送的信号( 它 的频率一般是较低的) “附加”在高频振荡上，再由天线发射出去。在接收信号 的一方( 接收端) 经过解调( 反调制) 的过程，把载波所携带的信号取出来， 得到原有的信号。把调制器和解调器组合在一起称为调制解调器。 本文采用的是目前应用最为广泛的正交调制解调【8 】。 从理论上讲，所有的已调信号都可以分为同相和正交两路，因此用正交调制 法可以实现几乎所有的调制方式。而目前我们正在研制的o f d m 通信系统基带部 分数模转换后的输出也是分为i 、q 两路，因此利用正交调制解调完全能够达到 低频基带信号调到高射频的要求。 图2 5i q 正交调制器原理 9 第二章o f d m 系统射频电路的设计 图2 5 给出了v q 正交调制器的原理，i q 正交调制器由两个混频器、一个 分相器、一个功率合成器四部分组成。其中i ( t ) 和q ( t ) 是正交基带调制信号， f c o 是射频本振信号，f o ( t ) 是己调射频信号。电路工作时，f 西先经分相器移相产 生正交本振信号f c o j ( t ) 彝lf c oo ( t ) ，然后分别与正交基带信号i ( t ) 和q ( t ) 相乘 后作代数( 加或减) 运算，低消无用边带信号，输出想要的边带信号，从而实 现单边带调制。解调过程和调制相反，载波恢复产生一个与发射载波同频同相 的信号经移相后分别与调制信号相乘，再经过低通后就能得到基带信号 下面我们举例来进一步说明它的原理。 设i ( t ) 、q ( t ) 为一般信号，f , o 一，( f ) = c o sc t ，z 。一d ( f ) = s i n 仞c t ，则 经过交调制后的信号 f o ( f ) = i ( t ) c o s c o 。t q ( t ) s i n 纹f ( 2 1 ) 经信道传输到接收端后， i ) = c o s c o 。t * f 0 ( f ) = c o s c o 。t * ( i ( t ) e o s c o 。t q ( t ) s i n 致f ) = i ( t ) e o s 2 ( 吃f ) 一q ( f ) c o s 敛f s i n 吐f ( 2 2 ) 111 = 寺，( f ) c o s 2 吐f 一寺q ( f ) s i n 2 吐f + 寺o ) q 7 ( f ) = s i n c o j * f o ( t ) = s i n c o 。t * ( i ( t ) c o sr o c t q ( t ) s i nc o 。t ) = i ( t ) s i nc o c tc o sc o 。t q ( t ) s i n 2 ( 啡f ) ( 2 3 ) = 丢，( ，) s i n 2 吐r 一丢q ( ，) c o s 2 吐r + 丢q ( ，) 经低通滤波器后，高频成分被滤掉，( f ) = 三，( f ) ，q ( f ) = 三q ( f ) 。 从以上推理可知：正交调制解调适合于所有信号。 2 2 2m a ) ( 2 4 5 0 正交调制解调器及相关设计 ( - - )m a x 2 4 5 0 介绍【9 】 1 0 第二章o f d m 系统射频电路的设计 m a x 2 4 5 0 是一个包含正交调制解调器、振荡器和8 分频器在内的单块集成 电路( 图2 6 ) 。它工作于+ 3 v 单端供电，电流仅仅5 9 m a ，解调器接收一个经放 大滤波后频率范围在3 5 m h z 8 0m h z 的中频信号，解调该信号成为同向和正交 基带信号，这两个信号具有5 1 d b 的电压转换增益。中频输入端到地连一个4 0 0q 电阻，用来匹配外部中频滤波器。基带输出是全差分的，并且有1 2 v 峰峰值信 号摆动。调制器接收差分i 和q 基带信号，基带信号振幅峰峰值最高可达到1 3 5 第二章o f d m 系统射频电路的设计 ( 6 ) ，q _ i n ( 7 ) 脚输入，最大输入电压为1 5 v p p ，最高频率为1 5m h z ，并 把它们上变频到中频。因为这些信号在芯片内部被偏置大约在1 5 v ，因此i 和 q 路信号应该被交流耦合到这些高阻抗端口( 差分输入阻抗大约是4 4 k f ) 。由 于自偏压设计仅产生很低的片内偏移，因此导致极好的载波抑制另外，差分数模 转换器无需交流耦合也可以被连接到m a x 2 4 5 0 ，前提是供给的共模电压范围保 持在1 2 5 v - 1 7 5 v 。对单端驱动， ii n 和q 烈经过耦合电容( o 1 f ) 与地 相连。 中频输出被设计为用来驱动一个高阻抗( 大于2 0 k f 2 ) ，比如一个中频缓冲 器或上变频混频器。i fo u t i fo u t 必须交流耦合到负载。低至2 0 0 q 的阻抗 可以以减少输出振幅来驱动。为了驱动单端负载，用交流耦合和等于i fo u t 端 负载的电阻性负载来连接i fo u t 。 3 、解调器部分。包括单端到双端差分变换器，两个g i l b e r t 单元乘法混频 电路，两级固定增益放大器。中频信号从i fi n ( 2 0 ) 管脚交流耦合输入，i fi n 通过一个4 0 0电阻接地，中频放大器增益为1 4 d b 。并将单端输入变为双端差 分输出，分别馈入i ，q 两路乘法混频器。乘法器使中频信号与正交l o 信号相 混频，产生基带i 和q 信号。乘法器的转换增益是1 5 d b 。解调输出的i ，q 两 路基带信号，送入基带信号放大器，分别从io u t ( 1 6 ) ，io u t ( 1 7 ) 和qo u t ( 1 4 ) ，qo u t ( 1 5 ) 脚双端输出。基带信号放大器的增益是2 1 d b 。 4 、本地振荡器： 本地振荡器部分是由一个发射耦合差分对构成。图2 7 画出了一个等效的 本地振荡电路示意图。一个外部l c 谐振回路决定振荡频率，谐振回路中的q 影响振荡器相位噪声。振荡频率是中频信号频率的两倍，所以正交相位发生器 可以使用两个闭锁器来产生精确的正交信号。 1 2 第二章o f d m 系统射频电路的设计 图2 7 本地振荡器等效电路 振荡器可以由一个外部源过驱动。这个源应该是交流耦合到t a n k t a n k 端，并能够提供2 0 0 m v r , - p 峰峰值电平。在t a n k 和翻脓之间要求一个电感( 典 型值2 2 # h ) ，在t a n k t a n k 端的差分输入阻抗是l o k f 2 。对于单端驱动， 从t a n k 到地间接一个旁路电容( 1 0 0 0 p f ) ，驱动源交流耦合到t a n k 端。 经过分析芯片的原理，本系统调制解调最终设计的电路如图2 8 所示， 匝留脚求希器堪罪器螺嫌妲国窨命陶。 第二章o f d m 系统射频电路的设计 第三节0 f d m 系统混频器的设计 本系统采用a d 8 3 4 2 芯片作为混频器进行上变频与下变频，首先我们对它 的原理进行描述，然后给出本系统混频器的设计方案。 ( 一) 混频器芯片a d 8 3 4 2 总体介纠1 o 】 a d 8 3 4 2 是一种高性能，宽带有源混频器。它非常适用于接收通道，这种 通道要求在所有的端口都有一个宽的带宽、很低的相互调制干扰及噪声。 在射频频率为2 3 8m h z 时，a d 8 3 4 2 提供了一个典型的3 7 d b 变频增益， 内部集成的l o 驱动器提供了一个5 0 欧姆的输入电阻，这样就可降低外部本振 驱动电平，有助于使外部的器件数量减到最小。 差分高阻抗宽带r f 端口能够非常容易地实现和有源设备、无源滤波器的 互接。r f 输入端口可以接收的输入信号最大峰峰电压1 6 v 或者8 d b m ( 相对 于5 0 欧电阻) 在p l d b 。 开环差分输出提供一个非常好的平衡性，能够用在一个差分滤波器或者中 频放大器，例如a d 8 3 6 9 或者a d 8 3 5 1 。这些差分输出端口也能够通过一个匹 配网络或者一个转换器转换为单端信号。当以v p o s 的供电电压为中心时，输 出电压的摆幅可达蛰j - q - 2v 。 l 、电路描述 a d 8 3 4 2 有源混频器最适合工作于输入频率从直流附近到5 0 0 m h z 的情况 下。它有一个差分、高阻抗r f 输入，该输入可以在外部进行匹配，r f 输入单 端或差分驱动都可。l o 输入是一个单端5 0 q 输入。i f 输出是差分集电极开路。 混频器电流可以通过外部电阻被调整从而达到优化增益性能、减少互调干扰、 降低工作消耗功率的目的。图2 9 给出了混频器的基本模块，包括l o 缓冲器， r f 电压到电流的转换器，偏置单元以及混频核心。 e x t e r n a l b i a s v p d c r e s i s t o rp w d n 图2 9a d 8 3 4 2 简化原理图 c o m m 图2 1 0a d 8 3 4 2 简化原理图 第二章o f d m 系统射频电路的设计 r f 电压到r f 电流的转换通过一个电阻性的差分对实现。为了驱动这个单 端口，r f c m 引脚应该交流接地而r f i n 则交流耦合到信号源。r f 输入也可以 由差分驱动。电压到电流转换器驱动由四个晶体管开关核的发射器，同时这个 开关核也被一个由l o 输入端输入并被放大了的本地振荡信号驱动。在外部l o 信号与开关核心之间有三个限制的增益级。第一级是把单端l o 驱动转换成正 常的差分驱动。然后差分驱动经过后面另外两个增益级，从而确保一个受限的 信号可以驱动开关核心。这样驱动开关核仅需一个较低l o 驱动，同时能维持 较好的干扰和压缩性能。这三个l o 增益级的输出驱动着混频核心内部的四个 晶体管以本地振荡频率的速率进行整流。混频核心的输出直接由它的开路集电 极得到。开路集电极的输出在i f 频率具有高阻抗。混频器的转换