通信射頻電路收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析課件

1、第二章 無線通信收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(書中第四章)電子科技大學 游長江無線通信系統(tǒng)基本模型信源發(fā)信機收信機信宿信道媒介干擾噪聲信道機發(fā)射端接收端無線發(fā)信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)無線收信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)調(diào)制中放/變頻功放模擬電路（RF ）待發(fā)基帶信號(BB)發(fā)射天線解調(diào)中放/變頻放大/選頻模擬電路（RF）輸出基帶信號(BB)接收天線 無線通信系統(tǒng)基本模型4.1 概述通信機基本結(jié)構(gòu)射頻級基本結(jié)構(gòu)發(fā)射部分接收部分天線公用器本章主要內(nèi)容：介紹發(fā)送、接收機的結(jié)構(gòu)方案主要指標完成基帶信號對載波的調(diào)制 通帶信號（已調(diào)波）將通帶信號搬移到所需的頻段上變頻放大到足夠的功率并發(fā)射不干擾相鄰信道限制頻帶主要指標：頻譜、功率、效率射頻發(fā)射機

2、的基本組成及完成功能：產(chǎn)生正弦載波射頻接收機的基本組成及完成的功能從眾多的電波中選出有用信號選頻、濾除干擾將微弱信號放大到解調(diào)器所要求的電平值放大將通帶信號變?yōu)榛鶐盘?解調(diào)接收機的主要指標：靈敏度、選擇性設(shè)計接收機和發(fā)射機的射頻部分時應(yīng)解決的關(guān)鍵問題 選用合適的調(diào)制和解調(diào)方式 抗干擾性能好、頻帶利用率高、功率有效性好 接收機選出有用信道抑制干擾 難點已調(diào)信號載頻高、信道窄 接收機的靈敏度和線性動態(tài)范圍 發(fā)射機的高效率不失真的功率放大器 限制發(fā)射信號對相鄰信道的干擾 天線收發(fā)轉(zhuǎn)換器的損耗小，隔離性好4.2.1 超外差式接收機 變頻器功能：將接收到的射頻不失真的降低為一個固定的中頻關(guān)鍵部件：下變

3、頻器變頻特點： 頻率降低 頻譜結(jié)構(gòu)不變4.2 接收機方案1. 單次變頻超外差接收機方案（1） 為了解決選擇性結(jié)果：射頻段選擇信道非常困難要求濾波器Q值極高上行頻帶: 890 915MHz（移動臺發(fā)、基站收）下行頻帶: 935 960MHz（移動臺收、基站發(fā)）每個信道: 200KHz GSM通信系統(tǒng)特點：信道帶寬遠比載頻小射頻段選擇頻帶降為中頻、選擇信道措施：降低頻率選信道為什么要將接收到的射頻頻率降低？兩個概念頻帶信道（2）為使接收機達穩(wěn)定的高增益天線輸入電平約為-100 -120dBm （ 級）解調(diào)器輸入一般要求約500mV要求增益大于100dB以上總增益射頻增益 混頻增益 中頻增益結(jié)果：

4、增益分散在各頻段，易穩(wěn)定 中頻頻率低且固定，增益易大而穩(wěn)定（主要增益級）（3）在較低的固定中頻上解調(diào)或A/D變換也相對容易 超外差接收機各級功能低噪聲放大器射頻放大變頻器頻譜搬移中頻模塊選信道、主增益級基本實現(xiàn)方法變頻功能頻譜搬移超外差接收機的主要缺點變頻器引入眾多的組合頻率干擾產(chǎn)生眾多組合頻率的原因？濾波器不理想非線性器件不是理想平方律特性產(chǎn)生組合頻率非線性器 件濾波器組合頻率當 小于中頻帶寬時，通過濾波器輸出 變頻器引起的寄生通道干擾非線性器 件濾波器當輸入端伴有干擾信號時輸入端沒有其它干擾信號組合頻率 通過濾波器輸出三階互調(diào)干擾鏡像頻率干擾重要的寄生通道干擾什么是鏡像頻率？后果如何？前端

5、濾波器濾除消除鏡像頻率干擾的方法：不讓鏡頻信號進入變頻器濾波器實現(xiàn)難點？射頻濾波器通帶做不窄解決方法: 提高中頻高中頻和低中頻的利弊高中頻鏡像頻率遠離有用信號，濾波容易優(yōu)點： 利于抗鏡頻干擾低中頻 相同Q值條件下，中頻濾波器窄帶優(yōu)點：利于選擇信道、穩(wěn)定的高增益兩者兼顧最佳方案超外差式二次混頻方案選擇中頻兼顧兩者例1：GSM下行頻段935-960MHz，若選fIF= 10MHz，試確定本振頻率及干擾鏡頻范圍。低本振情況解：高本振情況fRF位于頻段低端，fim位于頻段內(nèi)高端， fLO位于頻段內(nèi)。fRF位于頻段高端，fim位于頻段內(nèi)低端， fLO位于頻段內(nèi)。 從上可見,若選擇fIF=10MHz,無論

6、選擇高本振或低本振時, fim都位于有用信道之內(nèi),無法用BPF1濾掉,成為干擾信號。 若增大fIF至70MHz，則采用高本振或低本振，鏡頻都不會進入通信頻段，故可用BPF1濾除掉,從而消除鏡頻干擾。3.二次變頻超外差接收機方案中頻選擇原則II中頻采用低中頻值，利于提取有用信道 抑制鄰道干擾I 中頻采用高中頻值，以提高鏡象頻率抗拒比三個濾波器的功能、中心頻率與帶寬射頻濾波器I 中頻 濾波器II 中頻 濾波器總增益 低噪放增益 I中頻 增益 II中頻 增益（主要增益級）二次變頻超外差接收機實例4.2.2直接下變頻方案（零中頻方案） 方案特點：中頻為 方案優(yōu)點： 不存在鏡像頻率，無鏡頻信號干擾 可用

7、低通濾波器選擇信道 易解決匹配、線性動態(tài)范圍等問題直接下變頻方案存在的問題 1.本振泄露 關(guān)鍵原因: 本振頻率與信號頻率相同2. LNA偶次諧波失真干擾 兩個頻率相近的干擾非線性的偶次項引起的差頻 漏過、形成干擾3. 直流偏差 由本振泄漏引起的直流偏差 強干擾的自混頻引起的直流偏差4. 噪聲影響（1）信道間隔離度差(頻率竄透) RF= LO，大功率本振信號向天線端竄透，對附近鄰信道通信造成干擾; 混頻器各端口信號間相互竄透-自混頻,造成輸出信號直流漂移。零中頻(直接下變頻)接收機缺點（2）要求LO與RF同頻，且彼此之間的相位關(guān)系固定，從而需要載波提取與鎖相同步。（3）混頻器應(yīng)有較高的線性度。（

8、4）端口間隔離度要求高。一種改進方案(寬帶零中頻接收機) 借鑒二次外差式接收機抑制干擾能力強的特點，對零中頻接收方案的改進,應(yīng)用AFG（本振自鎖相）克服了直流漂移問題。BPFLNA本振2(LO2)/2 LPF LPFADCADC本振1(LO1)LPF另一種改進方案-低中頻接收機LNA本振(LO) BPF (2)LF Amp BPF(3)解調(diào)BPF(1)4.2.3 鏡頻抑制接收方案 特點：利用電路結(jié)構(gòu)形式改變 , 抑制鏡像頻率干擾輸出抑制了鏡像頻率實現(xiàn)鏡頻抑制的設(shè)計要求 利用帶通信號移相/2 (Hilbert變換的正交濾波)特性,實現(xiàn)鏡頻抑制。（1）兩條變頻支路特性完全一致(信號幅度、時延特性等

9、);（2）兩條變頻支路輸出信號精確正交。 實現(xiàn)兩條變頻支路輸出信號的精確正交,要求兩條支路的電性能完全一致性,硬件實現(xiàn)較困難！4.2.4 數(shù)字中頻方案 特點：將第二次混頻和濾波數(shù)字化 優(yōu)點：可避免I / Q兩路的不一致 難點：對A/D變換器要求很高轉(zhuǎn)換速度高、較高的分辨率和較小的噪聲 、線性度很高 、要求有較大的動態(tài)范圍。 數(shù)字中頻中頻接收機設(shè)計要點A. 注意ADC性能（1）為抑制鏡頻干擾，則中頻較高，要求ADC采樣頻率(速度)也很高;（2）ADC應(yīng)有較高的分辨率（bit數(shù)大）和低的轉(zhuǎn)換噪聲;（3）ADC線性度要求高;（4）ADC應(yīng)有較大的動態(tài)范圍;（5）ADC模擬帶寬應(yīng)滿足第一中頻的要求。B

10、. 注意DSP芯片性能 （1）運算速度; （2）運算字長; （3）穩(wěn)定性等。改進方案_全數(shù)字接收機(軟件無線電接收機)BPFLNA本振-/2 BPF BPFADCADCADCDSP ChipAGC電路 接收機接收的信號電平起伏很大，為得到穩(wěn)定的中頻輸出，接收機前端中都有AGC ( Automatic Gain Control) 電路。LNA變頻中放幅度檢測解調(diào)控制電路 中放輸出信號經(jīng)幅度檢測后與設(shè)定門限相比較，高過門限值控制放大器降低增益；反之，則控制放大器提高增益,從而保障輸出中頻信號幅度基本恒定。 AFC電路 中放輸出經(jīng)鑒頻器將偏離中頻的頻差轉(zhuǎn)換為電壓，然后去控制本振頻率減小差值，使中頻頻

11、率恒定。有利于減小中頻帶寬，提高靈敏度與選擇性;對零中頻接收機則可減小DC漂移的影響。 AFC現(xiàn)在多為PLL所取代。中放解調(diào)VCO LPF/放大鑒頻器 接收機接收的信號頻率隨時間變化，為得到穩(wěn)定的恒定中頻信號，接收機前端中有AFC ( Automatic Frequency Control) 電路。4.3 發(fā)射機方案 1. 直接變換法本振缺點: 發(fā)射頻率 本振頻率，發(fā)射的強信號會影響本振源調(diào)制和上變頻合一在發(fā)射頻率上調(diào)制改進2. 二次變頻法優(yōu)點: 較低頻率處調(diào)制容易，正交兩支路易一致缺點：對上變頻濾波器要求高特點: 在較低的頻率上調(diào)制，再上變頻到發(fā)射頻率4.4無線發(fā)射接收機的性能指標GSM系統(tǒng)

12、的主要性能 （1）發(fā)射頻率：移動臺發(fā)送 890915MHZ 基站發(fā)送 935960MHZ（6）信道比特率：42kbps（2）雙工間隔：45MHZ（3）載波信道間隔：200KHZ（4）多址方式：時分多址（TDMA）/頻分多址（FDMA）（5）調(diào)制方式：最小偏移調(diào)制（GMSK）1.發(fā)信機技術(shù)指標 （1）平均載頻功率（2）發(fā)信載頻包絡(luò)（3）射頻功率控制（4）射頻輸出頻譜（5）雜散輻射相對載波功率（dB）允許的最大電平調(diào)制譜性能相對載頻的偏移（KHZ）瞬態(tài)頻譜性能相對載頻的偏移（KHZ）100200250400600180040060012001800+0.53033545423dBm26dBm32d

13、Bm36dBm9KHZ1GHZ112.75GHZ935960MHZ250nW（36dBm）1W（30dBm）4PW（84dBm）例：移動臺 0.8W （29dBm） （6）互調(diào)衰減（7）相位誤差一個時隙內(nèi)，相位誤差的方均根應(yīng)不大于5，峰值小于20 （8）頻率精度0.1ppm（1107） 2. 接收機指標（1）靈敏度（2）阻塞和雜散響應(yīng)抑制（3）互調(diào)響應(yīng)抑制（4）鄰道干擾抑制（5）雜散輻射（1）靈敏度：靜態(tài)102dBm，BER105 （僅列舉一個數(shù)據(jù)）（2）阻塞： 113dBV（3）互調(diào)特性：70dBV（43dBm）（4）雜散抑制：70dBV（5）雜散發(fā)射：9KHZ1GHZ20nW（57dBm）

14、 112.75GHZ20nW（47dBm）3.系統(tǒng)指標分配與計算電路設(shè)計前，必須進行的三個方面的工作依據(jù):通信環(huán)境通信距離工作頻段調(diào)制方式等一系列因素a. 合理確定接收機發(fā)射機的整機指標 b. 將系統(tǒng)指標分配到各個單元模塊，定出單元模塊合理的指標值 分配原則: 根據(jù)各部件的物理可實現(xiàn)性， 根據(jù)每個部件的指標對整機的影響c. 在選定了各模塊的集成電路芯片后， 根據(jù)這些已定器件的指標驗證整機的指標性能是否合格 RF電路集成化是當今技術(shù)發(fā)展的趨勢和應(yīng)用要求。 任何基本電路（如放大器、混頻器等）當確定其性能優(yōu)良和可靠，便很快有集成化產(chǎn)品誕生。 全球每天都有成百上千的新型RFIC問世，并迅速應(yīng)用于移動通信等廣闊市場。4.5 集成化無線通信收/發(fā)系統(tǒng)MC3363 集成FM接收機芯片MC3363 集成FM接收機芯片內(nèi)