第1章无线通信中射频收发机结构及应用.ppt

2019 12 19 1 第一单元射频和无线技术简介 理工大学通信工程学院 卫星通信系微波通信教研室 射频微电子学 第一次课 2019 12 19 2 一 课程内容简介 内容安排第一单元射频和无线技术简介2学时第二单元射频设计的基本概念10学时第三单元收发信机的组成及特点10学时第四单元低噪声放大器及混频器10学时第五单元振荡源6学时第六单元频综器10学时第七单元功率放大器8学时 射频微电子学 2019 12 19 3 一 课程内容简介 实施方法及考核讲课 讨论 自学 习题 专题仿真与专题讨论专题仿真 低噪声放大器设计 锁相环频率合成器环路滤波器的设计专题讨论 功率放大器线性化技术考核 平时综合成绩占40 考试成绩占60 射频微电子学 2019 12 19 4 一 课程内容简介 续 主要参考书 射频通信电路 第二版 陈邦媛著 科学出版社 2006 CMOS射频集成电路设计 ThomasH Lee著 余志平周润德等译 2006年 射频微电子学 2019 12 19 5 一 教学内容及时间安排1 1无线收发信机射频前端功能和特性1 2射频电路在系统中的作用与地位1 3射频电路与微波电路和低频电路的关系1 3 1频段划分1 3 2电路的设计考虑1 4集成收发系统结构1 5典型应用的集成收发信机1 5 1GSM收发机1 5 2应用于无线局域网的收发机1 5 3应用于无线传感器网络的低功耗收发机1 5 4应用于WCDMA1 6无线通信及射频电路技术发展趋势1 7射频电路基础1 7 1频带宽度表示法 第1章无线通信中射频收发机结构及应用 2019 12 19 6 1 1无线收发信机射频前端功能和特性无线通信收发信机中存在两种变换 在发射端 第一个变换是输入变换器 它把需要传递的信息变换成电信号 基带信号 第二个变换是发射机将基带信号变换成其频带适合在信道中有效传输的信号形式 已调信号 这个过程称为调制 2019 12 19 7 发送过程大致如下 1 调制 即将基带信号调制到通信载波上 在某些特殊应用领域还有一个对基带信号加密的步骤或其他步骤 2 中放变频 在这一步不但要对调制之后的信号进行放大 还要将信号变频到实际通信的频段 频道 3 功放 主要将发射信号的功率放大到满足通信 距离 的要求 4 发射天线 将信号有效地发射出去 除了发送功率 效率 之外 有时还有方向 以及电波传播方式的选择 1 1无线收发信机射频前端功能和特性 2019 12 19 8 对于发送系统硬件电路系统而言 最困难的部分就在于中放变频和功放 中放变频的难点主要在于变频系统方案的设计 好的系统方案设计可能产生的相关干扰较少 甚至还可能降低对参与变频的本地振荡信号的要求 图1 2接收机结构图 1 1无线收发信机射频前端功能和特性 2019 12 19 9 1 2射频电路在系统中的作用与地位对于接收链路来说 从天线接收下来的射频信号 首先经射频前端和其他模拟电路变换到低频的基带内 然后经模数 A D 转换器转换成数字信号 这些数字信号再经后面的数字信号处理电路完成解码和其他运算后送给相应的应用设备 射频通信系统示意图 1 1无线收发信机射频前端功能和特性 2019 12 19 10 射频前端指从天线到完成第一次频率变换所需要的电路 这些电路对射频信号进行处理 然后在下变频器中经过与本地产生的振荡信号进行混频 来将信号从射频载波变换到中频或者基带 发送信号时 同接收信号相反 需要将中频或者基带信号经上变频器变换到射频载波 经过功率放大器放大到一定的功率 然后经过天线发送出去 射频前端方框图 1 1无线收发信机射频前端功能和特性 2019 12 19 11 3 EFT的特性电感负载开关系统断开时 会在断开点处产生瞬态骚 EFT 脉冲组成 对110V 220V电源线的测量表明 这种脉冲群的幅值在100V至数千伏之间 具体大小由开关触点的机电特性 如触点打开的速度 触点断开时的耐压等 决定 脉冲重复频率在lkHz一1MHz 对单个脉冲而言 其上升沿在纳秒级 脉冲持续期在几十纳秒至数毫秒之间 标准IEC61000 4 4 1995 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 来模拟电快速脉冲群对电气和电子设备的影响 与其对应的国标是GB T13926 4 92 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性 电快速瞬变脉冲群要求 空调 预付费电能表 火灾报警器 加油机控制器等产品都已经引入了此标准 1 3射频电路与微波电路和低频电路的关系 2019 12 19 12 卫星频率 是指卫星用频设备使用的频率 卫星频率是无线电频谱中的一部分 主要使用V UHF L S C X Ku K Ka EHF等频段 卫星常用频段如表2所示 表2卫星频率常用频段 1 3射频电路与微波电路和低频电路的关系 2019 12 19 13 3 电磁频谱 2019 12 19 14 3 电磁频谱 2019 12 19 15 射频 RadioFrequency 微波 Microwave 无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波 2019 12 19 16 3 电磁频谱 2019 12 19 17 2019 12 19 18 2 微波和射频的定义当工作频率提高到接近1GHz或者更高 就会出现一些在低频下没有的现象 一般频率范围从1GHz到300GHz的电磁波称为微波 在此频段内的信号波长从1mm 对应于频率300GHz 到30cm 对应于频率1GHz 通常把从30GHz到300GHz的频率范围特称为毫米波 因为其波长是在毫米范围 人们则以0 3GHz到4 5GHz S频带 为射频频段 1 3射频电路与微波电路和低频电路的关系 2019 12 19 19 IEEE和工业用微波波段的定义 1 3射频电路与微波电路和低频电路的关系 2019 12 19 20 1 3 2电路的设计考虑1 低射频电路的设计考虑低射频电路中 可以忽略其电波的传播效应 设计过程考虑如下三个特点 电路的长度 远小于波长 即 传播延时趋近于零 即 麦克斯韦方程简化为低频下的定律 如基尔霍夫电压和电流定律 KVL和KCL 与欧姆定律 因此 在射频频率 当 传播延时近似为零 并且所有电路中的元件可以认为是集总的 设计过程包含三个步骤 2019 12 19 21 2 高射频和微波电路对于高射频和微波电路 其中可以有一个或几个集总元件 但至少要有一个分布式元件 对于分布电路 具有下述三个特点 1 必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念 2 电路要有大的电长度 物理长度与电路中信号传播的波长可比拟 3 信号传播延时不再可忽略 高射频和微波电路的设计过程如下 1 开始时进行直流电路设计 以建立稳定的工作点 2 利用电磁波测量器件各端口的反射和传输系数 3 设计匹配网络使器件与外界连接 如稳定性 增益等 2019 12 19 22 1 4集成收发系统结构射频电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求 任何基本单元电路 如放大器 混频器等 应当确定其性能优良和可靠 利用开关共用 个天线可以减小集成收发机的体积 出于这种考虑 开关在大多数的集成收发机中得到了应用 超外差式收发机结构 2019 12 19 23 1 5 1GSM收发机 1 5典型应用的集成收发信机 表1 3GSM 900和GSM 1800的主要参数 GSM 900和GSM 1800的主要参数 2019 12 19 24 GSM收发机的结构框图 1 5典型应用的集成收发信机 2019 12 19 25 这种接收机采用二次变频超外差式结构 中频为71MHz 包括滤波器在内的最差噪声系数为8 1dB 数字控制的总增益范围超过98dB 发射机采用直接变频结构 集成了 个移相器 PhaseShifter 发射的GMSK信号的平均均方根相位误差小于2 该收发机由2 5V电压供电 接收机仅消耗19 5mA的电流 而发射机消耗55mA的电流 1 5 2应用于无线局域网的收发机无线局域网 WLAN 是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 2 4GHz频段 5 0GHz频段 在无线的环境中实现便携式移动通信 1 5典型应用的集成收发信机 2019 12 19 26 1 5 2应用于无线局域网的收发机无线局域网 WLAN 是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 2 4GHz频段 5 0GHz频段 在无线的环境中实现便携式移动通信 Intersil公司新近推出的PrismDuette是双频带 5GHz 802 11a 和2 4GHz 802 11b 802 1lg 无线局域网解决方案 该网络能传输高达54Mbps数据率的视频 语音和数据 并且向下兼容现有的Wi Fi系统PrismDuette双频带芯片组的总体结构 它的核心由两大芯片ISL3690 高集成UHF2双频带零中频收发机 和ISL3890 集成基带处理器 媒体访问控制器BBP MAC 组成 实现全IEEE802 11a b S无线局域网MAC协议 1 5典型应用的集成收发信机 2019 12 19 27 目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较 2019 12 19 28 目前能提供全集成的无线局域网收发机芯片的厂商已不少 其技术日趋成熟 下面介绍一种典型的WLAN集成收发机 该芯片可以工作在5 15 5 35GHz和2 4 2 5GHz两个频段 同时满足IEEE802 11a b g三种标准 采用0 25mCMOS工艺制造 中心频率为3 8GHz的片上集成VCO和频率综合器的相位噪声为1 35rms 发射机在输出功率约为3dBm时 EVM值约为33dB 2 4GHz 而在输出约为7dBm时 EVM约为29dB 5GHz 接收机的噪声系数在2 4GHz下为3dB 在5GHz下为3 8dB 芯片总面积为25 2019 12 19 29 1 5 3应用于无线传感器网络的低功耗收发机无线传感器网络 WSN WirelessSensorNetwork 是当前实际上备受关注的 多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域 所谓无线传感器网络 是指由部署在监测区域内的大量廉价的小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感知 监测各种环境或目标对象信息 通过嵌入式系统对信息进行智能处理 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端 从而真正实现 无处不在的计算 理念 无线传感网络综合了传感技术 嵌入式计算技术 现代网络技术 无线通信技术 分布式智能信息处理技术等多个学科 是多学科交叉融合的产物 7 2 1直击雷 感应雷与浪涌 2019 12 19 30 1 5 4应用于WCDMAGSM的缺点是数据率低和频谱利用率低 这是第二代移动通信系统进一步发展的瓶颈 应运而生的是宽带码分多址接入系统 WCDMA 其突出优点是数据率高和频谱利用率高 可支持384Kbps到2Mbps不等的数据传输速率 在高速移动的状态 可提供384Kbps的传输速率 而在低速移动或是室内环境下 则可提供高达2Mbps的传输速率 WCDMA是由欧洲和日本发起的 其中每个5MHz信道只使用单路载波 码片率为4 096Mbps 数据传输速率为2Mbps 基于WCDMA的通用移动通信系统 UMTS UniversalMobileTelecommunicationSystems 是所谓的第三代 3G 移动通信系统 3G系统开展的业务定位为 提供多种类型 高质量多媒体业务 能实现全球性覆盖 具有全球漫游能力 与固定网络相兼容 并以小型便携式终端在任何时候 任何地点进行任何种类通信 这将给广大用户带来极大的便利 2019 12 19 31 无线通信及射频电路技术的发展趋势如下 1 高频率化 从高频 HF 甚高频 VHF 特高频 UHF 微波 MW 毫米波 MMW 至太赫兹 THz 达到增加有效通信带宽的目的 2 高速率化 这也要求射频电路技术能适应高速率的数据传输 以满足实时传输声音 数据 图像等多媒体大容量信息的需要 3 集成化和小型化 射频和数字部分能集成在同 块芯片 4 低功耗 便于携带 工作时间长和功能多是无线通信的一个发展方向 1 6无线通信及射频电路技术发展趋势 2019 12 19 32 5 数字化 软件化 软件无线电将会是无线通信的通用实现方式 故需要射频和数字硬件电路在不同频率 制式下实现无线通信系统之间的互连互通 一机多用 6 低价与人性化 集成收发机的发展趋势随着低压低功耗数模混合电路设计技术 片上系统 SoC 可编程片上系统 SoPC 可重构等技术的发展 以及CMOS GaAs InP等工艺特征尺寸的进 步降低和IC设计制造工艺的提高 单片集成收发机正朝着更高的集成度 更高的工作频率 更低的工作电压和功耗 更低的成本方向发展 高集成度 随着集成电路技术的进步 单片集成数字 模拟和射频功能成为了芯片的发展趋势 高工作频率 随着工艺特征尺寸的不断降低 器件的特征频率和最高振荡频率不断提高 使得集成收发机的工作频率越来越高 低工作电压和低功耗 低成本 1 6无线通信及射频电路技术发展趋势 2019 12 19 33 微波站 2019 12 19 34 无源中继站 实物照片 反射板式无源中继站Planereflectors 双抛物面无源中继站Parabolicreflectors 中继站 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 35 机载多普勒雷达 中国新型空警 2000预警 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 36 全球卫星导航和定位系统 无线电导航 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 37 一 军用雷达设备 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 38 国产JYL 1远程三坐标警戒引导雷达 jpg 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 39 2 圆锥扫描雷达的组成 圆锥扫描雷达组成方框图 2019 12 19 40 雷达系统原理图 1发射机2隔离器3天线收发转换开关4馈线波导5旋转关节6辐射器7天线反射器8混频器9可变衰减器10本地振荡器11中频接收机 2019 12 19 41 照相侦察卫星 美车锁眼 KH 12 卫星 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 42 北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统由空间段 地面段和用户段三部分组成 空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星 地面段包括主控站 注入站和监测站等若干个地面站 用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 43 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 44 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 45 从典型RF系统看本课程内容设置 无线通信系统原理框图 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 46 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 47 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 48 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 49 华为推出世界上最快的四核智能手机 华为腾飞D HuaweiD 四核 此款手机拥有1 2GHz 1 5GHz华为K3V2四核处理器 4 5英寸智能手机中最为紧凑的设计 扩大手机用户应用范围的Android4 0操作系统以及可节电高达30 的华为专有的电源管理系统 速度 长电池寿命 高品质视听能力 紧凑轻便的设计 华为腾飞P1S Huawei刷新了新的世界记录 成为了世界上最轻薄的智能手机 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 50 RF MW系统通常由这样几类装置组成 无源器件 完成微波信号和功率的分配 控制和滤波等功能的装置 没有进行微波能量与其他能量 如直流 的转换 如滤波器 双工器 耦合器等 有源器件 产生 放大 变换微波信号和功率的装置 一般要将微波能量与其他能量进行转换 正是上述装置构成了本课程内容 当然 RF MW应用还涉及其他重要方面 如电波传播 RF MW测量 RF MW仿真与计算等 尽管很重要 由于课时有限 本课程不讲 1 6 3射频技术的应用 2019 12 19 51 1 7 1频带宽度表示法绝对带宽 2相对带宽 为中心频率 1 7射频电路基础 2019 12 19 52 百分比法RBW和倍数法K都可以表示相对带宽 两者的转换关系为 例1 1一个射频低噪声放大电路的频率范围为 3 4GHz 4 2GHz 请计算绝对带宽BW 相对带宽RBW和倍数法表示的带宽K 并判断该放大电路是否属于宽带放大电路 解 绝对带宽BW为BW Hz 4 2GHz 3 4GHz 0 8GHz相对带宽RBW为 或者用分贝表示为 1 7射频电路基础 2019 12 19 53 1 5分贝的概念与应用1 6 1分贝的定义 2 电压 1 功率 2019 12 19 54 3 电流电流的单位有安 A 毫安 mA 微安 A 电压的分贝单位 dBA dBmA dB A 表示为 4 电场强度 V m mV m V m 电场强度的分贝单位 dBV m dBmV m dB V m 表示为 2019 12 19 55 5 功率密度 6 功率密度 2019 12 19 56 电平单位转换 电阻为75 50 电平单位转换 电阻为75 50 2019 12 19 57 dBm和毫瓦的换算 2019 12 19 58 学