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射频微电子学 第六章 收发机结构 Ch 6 2 of 39 通信机基本结构通信机基本结构射频级基本结构射频级基本结构 发射部分发射部分 接收部分接收部分 天线公用器天线公用器 本章本章主要内容主要内容 介绍发送 接收机的 介绍发送 接收机的 结构方案结构方案 主要指标主要指标 发送 接收机结构发送 接收机结构 Ch 6 3 of 39 完成基带信号对载波的完成基带信号对载波的调制调制通带信号 已调波 通带信号 已调波 将通带信号将通带信号搬移搬移到所需的频段到所需的频段上变频上变频 放大放大到足够的功率并发射到足够的功率并发射 不干扰相邻信道不干扰相邻信道限制频带限制频带 主要指标 主要指标 频谱频谱 功率功率 效率效率 产生正弦载波产生正弦载波 射频发射级的基本组成及完成功能射频发射级的基本组成及完成功能 Ch 6 4 of 39 从众多的电波中选出有用信号从众多的电波中选出有用信号选频 滤除干扰选频 滤除干扰 将微弱信号放大到解调器所要求的电平值将微弱信号放大到解调器所要求的电平值放大放大 将通带信号变为基带信号将通带信号变为基带信号解调解调 接收机的主要指标 接收机的主要指标 灵敏度灵敏度 选择性选择性 射频接收级的基本组成及完成的功能 Ch 6 5 of 39 选用合适的选用合适的调制和解调调制和解调方式 抗干扰性能好 频带利用率高 功率有效性好 方式 抗干扰性能好 频带利用率高 功率有效性好 接收机接收机选出选出有用信道有用信道抑制抑制干扰 难点 干扰 难点 已调信号载频高 信道窄已调信号载频高 信道窄 接收机的接收机的灵敏度和线性动态范围灵敏度和线性动态范围 发射机的发射机的高效率高效率不失真的不失真的功率放大器功率放大器 限制发射信号限制发射信号对相邻信道的干扰对相邻信道的干扰 天线天线收发转换器收发转换器的损耗小 隔离性好的损耗小 隔离性好 设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关键问题 Ch 6 6 of 39 变频器变频器功能 将接收到的射频不失真的功能 将接收到的射频不失真的降低降低为一个为一个固定固定的中频的中频 IF IF 关键部件 关键部件 下变频器下变频器 变频特点 变频特点 频率降低频率降低 频谱结构不变频谱结构不变 1 基本结构方案基本结构方案 接收机方案接收机方案 超外差式接收机超外差式接收机 Ch 6 7 of 39 频带与信道的区别 频带 频段 指一个特定标准的用户 允许进行通信的整个频谱范围 例如 GSM上行频带 890 915MHz 移动台 发 基站收 下行频带 935 960MHz 移动台收 基站发 信道 指系统中仅一个用户的带宽 例 如 GSM中为200kHz 经常使用术语 带宽选择 和 信道选 择 来分别表示抑制带外干扰和抑制信 道外干扰 通常是带内的 的操作 Ch 6 8 of 39 1 1 为了解决为了解决选择性选择性 结果 射频段结果 射频段选择信道非常困难选择信道非常困难要求滤波器要求滤波器Q值极高值极高 上行上行频带频带 890 890 915MHz 移动台发 基站收 下行 915MHz 移动台发 基站收 下行频带频带 935 935 960MHz 移动台收 基站发 每个 960MHz 移动台收 基站发 每个信道信道 200KHz 200KHz GSM通信系统通信系统 特点特点 信道带宽 远比 载频小 信道带宽 远比 载频小 射频段选择频带射频段选择频带降为中频 选择信道降为中频 选择信道 措施 措施 降低频率选信道 两个概念 降低频率选信道 两个概念 频带频带 信道信道 为什么为什么要将接收到的射频频率要将接收到的射频频率降低 降低 Ch 6 9 of 39 信道选择困难 对于GSM系统 高Q值的滤波器难以实现 举例 Ch 6 10 of 39 天线输入天线输入电平约为电平约为 100 120dBm 级 级 V 解调器输入解调器输入一般要求约一般要求约500mV 要求要求增益大于增益大于 100dB以上以上 总增益 射频增益 混频增益 中频增益总增益 射频增益 混频增益 中频增益 结果 结果 增益增益分散在各频段分散在各频段 易稳定 易稳定 中频中频频率低且固定频率低且固定 增益易大而稳定 增益易大而稳定 主要增益级主要增益级 3 3 在较低的固定中频上解调或A D变换也相对容易在较低的固定中频上解调或A D变换也相对容易 2 2 为使接收机达为使接收机达稳定的高增益稳定的高增益 Ch 6 11 of 39 收发机中混频的数学分析 发射和接收过程中的频率搬移都用混频来实现 混频的时域分析 输入信号与本地振荡信号 Local Oscillator 在时域相乘 例如 输入信号x t ARFcos RFt 载波c t ALOcos LOt 混频 cos cos 22 RFLORFLO RFLORFLO AAAA y tx tc ttt 和频 时现上变频 差频 实现下变频 Ch 6 12 of 39 收发机中混频的数学分析 混频的频域分析 实信号的Fourier 变换 总是得到双边谱 正负频率 分量同时存在 且互为共轭 即 正 余弦信号 但是复信号可能只存在单边频率分量 例如 Ch 6 13 of 39 混频 时域相乘 频域卷积 频谱搬移 对于上变频 基带 射频 卷积 Ch 6 14 of 39 下变频 射频 中频 基带 Ch 6 15 of 39 低噪声放大器低噪声放大器 射频放大射频放大 变频器变频器 频谱搬移频谱搬移 中频放大中频放大 选信道 主增益级选信道 主增益级 超外差接收机各级功能超外差接收机各级功能 Ch 6 16 of 39 收发机中混频的数学分析 混频的频域分析 实信号的Fourier 变换 总是得到双边谱 正负频率 分量同时存在 且互为共轭 即 正 余弦信号 但是复信号可能只存在单边频率分量 例如 Ch 6 17 of 39 下变频 射频 中频 基带 Ch 6 18 of 39 复习 射频发射级的基本组成及完成的功能 射频接收级的基本组成及完成的功能 设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关 键问题 收发机中混频的数学分析 超外差接收机各级功能 Ch 6 19 of 39 本次课内容 超外差式接收机存在的主要问题 两次变频超外差式接收机 零中频接收机结构以及存在的主要问题 低中频接收机结构以及存在的主要问题 其它接收机结构 Ch 6 20 of 39 IF 关键部件 关键部件 下变频器下变频器 1 基本结构方案基本结构方案 超外差式接收机存在的主要问题 Ch 6 21 of 39 超外差式接收机频谱转换图 镜像信号问题 镜频对下变频的影响 造成干扰 Ch 6 22 of 39 超外差式接收机存在的主要问题 镜像信号问题 镜像信号与本地振荡信号混频后所产生 的信号经中频滤波后 也位于中频频率 fIF处 该信号叠加在有用中频信号上 直接对有用中频信号造成干扰 并且不 可被清除 镜像信号的能量大小是不可预知的 在 比较差的接收环境中 镜像信号的能量 可能比有用信号的能量高几十分贝 Ch 6 23 of 39 超外差式接收机存在的主要问题 方案之一 下变频前抑制镜像信号 滤 波器 带通滤波器 通带中心频率与有用信号频率相同 而镜像频率位于阻带范围内 阻带衰减率就是对镜 像信号的抑制率 在恶劣接收环境中镜像信号的抑制率要达到60 70dB 高的品质因子 50甚至更高 很高的阶数 甚至 到6阶 难以集成 Ch 6 24 of 39 超外差式接收机存在的主要问题 中频频率的选择中频频率的选择 为了减轻对镜像抑制滤波器的 要求 可以将固定中频频率提 高 以加大镜像信号与有用信 号之间的频率间隔 减缓对滤 波器抑制率的要求 为了减轻对镜像抑制滤波器的 要求 可以将固定中频频率提 高 以加大镜像信号与有用信 号之间的频率间隔 减缓对滤 波器抑制率的要求 中频频率提高后 后续处理模 块 如模数变换器 的工作频 率就提高了 后续模块的设计 将变得比较困难 中频频率提高后 后续处理模 块 如模数变换器 的工作频 率就提高了 后续模块的设计 将变得比较困难 可以通过增加一级或者多级下 变频器将信号的频率进一步降 低 二次变频超外差式接收 机 但这会增加电路规模和 片外元件数目 提高系统成本 可以通过增加一级或者多级下 变频器将信号的频率进一步降 低 二次变频超外差式接收 机 但这会增加电路规模和 片外元件数目 提高系统成本 Ch 6 25 of 39 两次变频的结构 一次变频的超外差结构IF的选择过低 则镜频抑制 困难 如果过高 信道选择又很困难 高Q值 这个问题可以通过两次下变频来解决 以增加成本 和体积为代价 两次变频超外差式接收机两次变频超外差式接收机 Ch 6 26 of 39 两次变频接收机各节点的频谱 输入 频段选择滤波BPF1 LNA 镜像滤波 BPF2 降频第1次 信道滤波1 BPF3 信道滤波2 BPF4 中频放大 降频第2次 Ch 6 27 of 39 两次变频接收机举例 小灵通 PHS系统采用系统采用1 9GHz频段的微蜂窝技术 工作频率为 频段的微蜂窝技术 工作频率为 1895 1918 1MHz 带宽共 带宽共23 1MHz 频道间隔 频道间隔300KHz 故系统载频数为 故系统载频数为77个 个 Ch 6 28 of 39 小灵通接收发机芯片架构 Ch 6 29 of 39 超外差式接收机 Ch 6 30 of 39 零中频接收机结构零中频接收机结构 在零中频接收机中 有用信号被直接下变频到基 带 这样 镜像信号是有用信号本身 可以减轻 对镜像抑制的要求 但是并没有消除镜像抑制问 题 若射频信号仅和一个正弦本地振荡信号进行 混频 则下变频后信号的上下边带将叠加到一起 成为不可分离的 会影响接收机的性能 RFLO ff Ch 6 31 of 39 零中频结构 零中频结构 正交下变频结构 Ch 6 32 of 39 零中频结构存在的问题 零中频结构存在的问题 I Q支路不匹配支路不匹配 I Q两个支路存在幅度和相位不匹配 使得输 入到基带处理电路的I Q两路信号存在幅度和 相位偏差 这时基带处理电路并不能完全抑制 镜像信号 降低了接收机的性能 镜像信号就是有用信号本身 它们具有相同的 能量 接收机对镜像抑制的要求不像超外差结 构那么高 但高性能的零中频接收机仍然需要 25dB以上的镜像抑制率 这就对I Q支路的匹 配程度提出了要求 Ch 6 33 of 39 下变频器及后面各模块引入的直流失调 成分将直接叠加在有用信号上 对有用 信号造成干扰 这些直流失调成分的能量可能比有用信 号强很多 会淹没有用信号 并使得后 面的各级处理模块出现饱和 直流失调是阻碍零中频接收机广泛应用 的一个主要因素 零中频结构存在的问题 零中频结构存在的问题 DC 失调失调 Ch 6 34 of 39 零中频结构存在的问题 零中频结构存在的问题 DC 失调失调 本地振荡信号泄漏本地振荡信号泄漏 本地振荡信号通路与射频信号通路之间可以通过寄 生电容或者衬底等方式耦合 造成本地振荡信号泄 漏 泄漏到射频信号通路的信号与本地振荡信号频 率相同 经过下变频器混频后 转变为直流信号 叠加在有用信号上 对有用信号造成干扰 并且可 能使后面的处理模块出现饱和 本地振荡信号通路与射频信号通路之间可以通过寄 生电容或者衬底等方式耦合 造成本地振荡信号泄 漏 泄漏到射频信号通路的信号与本地振荡信号频 率相同 经过下变频器混频后 转变为直流信号 叠加在有用信号上 对有用信号造成干扰 并且可 能使后面的处理模块出现饱和 Ch 6 35 of 39 本地振荡信号泄漏举例本地振荡信号泄漏举例 假设接收机模拟前端的增益为100dB 其中前 面的低噪声放大器和下变频器的增益为20dB 本地振荡信号的幅度约为0 315V 0dBm信号 功率 本地振荡信号到低噪声放大器输入端泄漏的抑 制率约为60dB 则该泄漏信号与本地振荡信号 混频后在混频器输出端造成的直流失调约为 10mV 而混频器输出端的有用信号可能仅为 30uV 直流失调比有用信号强50dB 有用信 号完全淹没在直流失调成分中 后级低频处理 模块会再将基带信号放大70dB 10mV的直流 失调会使得后级模块出现饱和而不能工作 Ch 6 36 of 39 零中频结构存在的问题 零中频结构存在的问题 DC 失调失调 本地振荡信号泄漏本地振荡信号泄漏 本地振荡信号还可能泄漏到天线中并通过天 线辐射出去 这些辐射出去的信号会对其它 信道的信号造成干扰 而且辐射信号经接收 机周围的物体反射后 可能又返回到接收机 天线 会在混频器输出端直流失调成分 这 使得本地振荡信号泄漏对接收机性能的影响 更加严重 本地振荡信号还可能泄漏到天线中并通过天 线辐射出去 这些辐射出去的信号会对其它 信道的信号造成干扰 而且辐射信号经接收 机周围的物体反射后 可能又返回到接收机 天线 会在混频器输出端直流失调成分 这 使得本地振荡信号泄漏对接收机性能的影响 更加严重 Ch 6 37 of 39 零中频结构存在的问题 零中频结构存在的问题 DC 失调失调 射频信号到本地振荡信号通路的泄漏射频信号到本地振荡信号通路的泄漏 这些泄漏信号与射频信号频率相同 它们经 过下变频器混频后 也转变为直流信号 叠 加在有用信号上 对有用信号造成干扰 并 且也可能使后面的处理模块出现饱和 这些泄漏信号与射频信号频率相同 它们经 过下变频器混频后 也转变为直流信号 叠 加在有用信号上 对有用信号造成干扰 并 且也可能使后面的处理模块出现饱和 Ch 6 38 of 39 零中频结构存在的问题 零中频结构存在的问题 DC 失调失调 Ch 6 39 of 39 零中频结构存在的问题 零中频结构存在的问题 DC 失调失调 Ch 6 40 of 39 低中频接收机结构 便于集成 低成本 具有与零中频接收机类似的优点 便 于集成 成本低 电路简单 同时 避免了DC失调问题 RFLO ffIf Ch 6 41 of 39 低中频接收机结构 采用正交下变频 正交本地振荡信号组成一个只具 有正频率成分的复信号 LO f RF IM LO f RFIM IMRF Ch 6 42 of 39 低中频接收机结构 LO f RF IM LO f RFIM IMRF RF IM Ch 6 43 of 39 射频带通滤波器来抑制镜像信号 射频部分镜像抑制性能受限 解决方案 Ch 6 44 of 39 射频带通滤波器来抑制镜像信号射频带通滤波器来抑制镜像信号 LO f RF IM LO f RFIM IMRF RF IM 射频部分镜像抑制性能受限 解决方案 Ch 6 45 of 39 LO f RF IM LO f RFIM IMRF RF IM 利用一个无源多相滤波器来抑制位于正频率处的射 频信号和镜像信号 不需要很高的品质因子Q 适 合集成 并且对中频信号没有要求 射频部分镜像抑制性能受限 解决方案 无源多相滤波器来抑制镜像信号无源多相滤波器来抑制镜像信号 Ch 6 46 of 39 中频处理模块 方案一 复带通滤波器来抑制位于正频率处的镜像信号复带通滤波器来抑制位于正频率处的镜像信号 LO f RF IM LO f RFIM IM RF IM Ch 6 47 of 39 中频处理模块 复带通滤波器能抑制镜像信号和带外的其它 信号 降低了对模数变换器动态范围的要求 使得模数变换器很容易实现 复带通滤波器采用模拟电路实现 实现精度 不能准确控制 I Q失配 电路性能会受到 一定程度的影响 Ch 6 48 of 39 中频处理模块 方案二 先将中频信号转换到数字域 然后在数字部分将它和仅 具有正频率成分的振荡信号混频 经低通滤波后 得到 所需要的基带信号 LO f RF IM LO f RFIM IMRF RF Ch 6 49 of 39 中频处理模块 镜像抑制是在数字域进行的 可以准确控制实 现精度 减小I Q失配的影响 模数变换器之前仅有一抗混叠低通滤波器 对 镜像信号和带外信号仅有少量抑制 模数变换 器必须具有很宽的动态范围 会增加模数变换 器的实现难度 Ch 6 50 of 39 特点 特点 将第二次混频和滤波数字化将第二次混频和滤波数字化 优点 优点 可避免可避免I Q两路的不一致两路的不一致 难点 难点 对对A D变换器要求很高 转换速度高 较高的分辨率和较小的噪声 线性度很高 要求有较大的动态范围 变换器要求很高 转换速度高 较高的分辨率和较小的噪声 线性度很高 要求有较大的动态范围 数字中频方案数字中频方案 Ch 6 51 of 39 CC1020 Ch 6 52 of 39 用镜像抑制接收机抑制镜频 避免使用镜像滤波 Hartley结构 90 移相的作用 Hilbert 变换 sin t cos t cos t sin t 其它结构 镜像抑制接收机 I Ch 6 53 of 39 混频 时域相乘 频域卷积 频谱搬移 对于上变频 基带 射频 卷积 Ch 6 54 of 39 其它结构 镜像抑制接收机 I Hartley结构的数学解释 输入信号 A点的波形 90 移相之后 C点的波形 B点的波形 最终输出 cos cos inRFRFIMIM vtAtAt sin sin 22 LORF ARFLOLOIM AA vttt cos cos 22 LORF CRFLOLOIM AA vttt cos cos 22 LORF BRFLOLOI