無線通信收發(fā)機結(jié)構(gòu)

第1章無線通信收發(fā)機結(jié)構(gòu)教學重點本章在介紹無線通信收發(fā)機低噪聲放大微弱的接收信號、輸出足夠的發(fā)射功率、搬移信號的頻譜、調(diào)制各種載波等主要功能和收發(fā)機的主要性能指標的基礎上，闡述超外差式、零中頻、低中頻、數(shù)字中頻等接收機的結(jié)構(gòu)和特點，最后介紹了集成收發(fā)機的發(fā)展趨勢。

教學重點教學重點掌握：超外差式、零中頻、低中頻、數(shù)字中頻等接收機的結(jié)構(gòu)和特點。了解：典型應用的集成收發(fā)機、集成收發(fā)機的發(fā)展趨勢。熟悉：發(fā)射機的主要結(jié)構(gòu)、收發(fā)機的主要性能指標、集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

能力要求當前1頁，總共30頁。本章目錄第一節(jié)概述第二節(jié)無線通信接收機結(jié)構(gòu)第三節(jié)無線通信發(fā)射機第四節(jié)集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第五節(jié)典型應用的集成收發(fā)機第六節(jié)集成收發(fā)機的發(fā)展趨勢

當前2頁，總共30頁。知識結(jié)構(gòu)

無線通信收發(fā)機結(jié)構(gòu)概述無線通信接收機結(jié)構(gòu)無線通信發(fā)射機集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型應用的集成收發(fā)機集成收發(fā)機的發(fā)展趨勢接收機的性能指標超外差式接收機直接下變頻接收機低中頻接收機結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機數(shù)字中頻接收機應用于無線傳感器網(wǎng)絡的低功耗收發(fā)機應用于無線局域網(wǎng)的收發(fā)機GSM收發(fā)機發(fā)射機的主要結(jié)構(gòu)發(fā)射機的主要性能指標當前3頁，總共30頁?！?.1概述

收發(fā)機由發(fā)射機和接收機組成。設計一個收發(fā)機，首先不僅要考慮頻譜、靈敏度、選擇性、功率、效率等性能指標，還要考慮功耗、成本及電路復雜度等因素，再決定選用哪種結(jié)構(gòu)。（1）發(fā)射機發(fā)射機射頻部分的功能是完成基帶信號對中頻載波的調(diào)制，將其上變頻至特定的RF頻段，對已調(diào)制的RF信號放大，以足夠的功率饋入天線，經(jīng)天線有效的發(fā)射出去。其結(jié)構(gòu)如下圖：發(fā)射機前端的框圖當前4頁，總共30頁?！?.1概述（2）接收機接收機從空間中接收到微弱信號，通過射頻濾波器從眾多的電波中選出有用信號，并經(jīng)過低噪聲放大到解調(diào)器所要求的電平值后，再由解調(diào)器解調(diào)，將頻帶信號變?yōu)榛鶐盘?，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：接收機射頻前端框圖當前5頁，總共30頁。1.2.1接收機的性能指標接收機完成的主要功能是選出從天線接收的有用信號，下變頻放大到基帶后由解調(diào)器解調(diào)，實現(xiàn)頻帶信號到基帶信號的轉(zhuǎn)換。接收機的結(jié)構(gòu)有三類：超外差結(jié)構(gòu)；直接下變頻結(jié)構(gòu)，也稱為零中頻結(jié)構(gòu)；低中頻結(jié)構(gòu)。接收機的主要性能指標有：（1）高增益；（2）頻率選擇性；（3）隔離度；（4）靈敏度；（5）阻塞和雜散響應抑制；（6）互調(diào)分量抑制；（7）鄰道干擾抑制；（8）雜散輻射抑制?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)當前6頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)1.2.2超外差式接收機

1917年，阿姆斯特朗發(fā)明了超外差式接收機，如今這種經(jīng)典的接收機結(jié)構(gòu)仍廣泛的應用在各種無線通信系統(tǒng)中。1.超外差接收機的基本結(jié)構(gòu)工作過程：從天線接收的信號經(jīng)過射頻帶通濾波器，濾去帶外干擾并壓縮鏡像信號后，經(jīng)低噪聲放大器線性放大后與本地振蕩信號進行混頻，下變頻為一固定中頻信號，再通濾波、中頻放大后提取出有用信號進行解調(diào)。結(jié)構(gòu)如下：超外差接收機射頻部分的結(jié)構(gòu)框圖當前7頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)2.超外差接收機的干擾分析（1）組合頻率干擾在通信射頻電路中，通常是產(chǎn)生頻率容易，抑制不需要的頻率難。由于下變頻器的非線性效應，產(chǎn)生眾多組合干擾頻率，通常把這些組合頻率引起的干擾稱為寄生通道干擾，如下圖所示：

組合頻率引起的寄生通道干擾當前8頁，總共30頁。§1.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)（2）鏡像頻率干擾有用的射頻信號和鏡像頻率信號經(jīng)過下變頻后，頻譜交疊在一起，無法用中頻濾波器將干擾信號的頻率濾除，這樣會降低中頻輸出的信噪比。從鏡像干擾產(chǎn)生的機理可知，消除鏡頻干擾最簡單的辦法就是阻止鏡像頻率信號進入下變頻器，而完成這個功能的器件是下變頻器前的頻帶選擇濾波器。鏡像干擾的產(chǎn)生如下圖所示：“鏡頻干擾”的產(chǎn)生當前9頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)3.接收機的中頻選擇增大中頻頻率，可以更加有效地衰減鏡像頻率信號。因此，超外差接收機的一個重要問題是如何選擇合適的中頻頻率。由鏡像原理可知，高的中頻使鏡像頻率遠離有用信號，利于抑制頻率干擾和提高輸出中頻信噪比。但高中頻使具有相同Q值的中頻濾波器的絕對帶寬變大，必然會降低相鄰信道的抑制能力。但是接收機選擇有用信道而抑制鄰道干擾主要是依靠信道選擇濾波器，因此高的中頻降低了接收機的信道選擇性。因此，中頻的選擇考慮的是“靈敏度”和“選擇性”這一矛盾的折中。中頻值的選擇主要根據(jù)接收機對鏡像干擾的抑制要求和濾波器的可實現(xiàn)性。當前10頁，總共30頁。§1.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)4.二次變頻超外差接收機中頻選擇中遇到的“靈敏度”和“選擇性”的矛盾，催生了二次變頻超外差接收機的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖所示：二次變頻超外差接收機結(jié)構(gòu)框圖二次變頻超外差接收機的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)形式簡單、性能穩(wěn)定，缺點是需要較多的分立元件，并且需要很多高頻濾波器進行阻抗匹配。另外，由于采用了多次混頻，系統(tǒng)內(nèi)的頻率成分較多，需要仔細制定整個接收機系統(tǒng)內(nèi)部的頻率規(guī)劃。當前11頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)1.2.3直接下變頻接收機直接下變頻接收機也稱為零中頻接收機，其特點是讓本振頻率等于載頻，則載頻為零，于是不存在鏡像頻率，自然就不會有鏡像頻率干擾，其結(jié)構(gòu)如圖所示：直接下變頻方案的原理框圖該結(jié)構(gòu)消除了鏡像干擾問題，正交下變頻產(chǎn)生I和Q信號，以便對信號進一步處理。零中頻接收機結(jié)構(gòu)簡單、面積小功耗低，故易于單片集成。當前12頁，總共30頁。§1.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)1.2.4低中頻接收機結(jié)構(gòu)低中頻接收機是從零中頻接收機發(fā)展而來的，其結(jié)構(gòu)如圖所示：低中頻接收機結(jié)構(gòu)低中頻接收機通過正交下變頻器來抑制鏡像信號，但與零中頻接收機不同的是，下變頻后的信號處于比較低的中頻由于下變頻后的信號不再處于基帶，這樣就消除了直流失調(diào)和散射噪聲的影響。當前13頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)1.2.5鏡頻抑制接收機為了解決鏡像抑制濾波器難以集成的問題，Hartley和Weaver提出了鏡像抑制接收機。在完全理想的情況下，這兩種接收機結(jié)構(gòu)可完全消除鏡頻干擾，它們結(jié)構(gòu)如圖所示：Hartley結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機Weaver結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機當前14頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)Hartley結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機頻譜搬移過程當前15頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)Weaver結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機頻譜搬移過程當前16頁，總共30頁?！?.2無線通信接收機結(jié)構(gòu)1.2.6數(shù)字中頻接收機將二次變頻超外差接收機拓撲結(jié)構(gòu)中的第二次混頻和濾波數(shù)字化，便可得到數(shù)字中頻接收機，其結(jié)構(gòu)如圖所示：數(shù)字中頻方案數(shù)字中頻接收機的優(yōu)點是，數(shù)字中頻的使用避免了I和Q之間的不平衡，實現(xiàn)了完美的鏡像干擾抑制。而這種接收機的難點在于對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、分辨率、噪聲性能、線性度和帶寬等方面的性能要求很高。當前17頁，總共30頁?！?.3無線通信發(fā)射機1.3.1發(fā)射機的主要性能指標（1）平均載頻輸出功率；（2）射頻功率控制；（3）射頻輸出頻譜；（4）雜散輻射；（5）互調(diào)衰減。1.3.2發(fā)射機的主要結(jié)構(gòu)發(fā)射機的主要功能是通過調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波，來完成基帶信號到射頻信號的轉(zhuǎn)換。發(fā)射機的方案相對接收機更為簡單，其結(jié)構(gòu)大致可以分為兩種：一是直接變換法，即將調(diào)制和上變頻合二為一，在一個電路里完成。二是兩步法，即將調(diào)制和上變頻分開，先在中頻上進行調(diào)制，然后再將已調(diào)信號上變頻到發(fā)射的載頻上。當前18頁，總共30頁。§1.3無線通信發(fā)射機直接變換正交調(diào)制發(fā)射機兩步變換正交調(diào)制發(fā)射機當前19頁，總共30頁?！?.4集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集成收發(fā)機包括了接收機和發(fā)射機，下圖展示了一種超外差式收發(fā)機。超外差式收發(fā)機結(jié)構(gòu)

通常情況下，收發(fā)機只需一個本振，接收機和發(fā)射機共用。同樣，天線也只需要一個。當超外差式收發(fā)機結(jié)構(gòu)工作在接收模式時，接收鏈路開通，而發(fā)射鏈路關閉；當超外差式收發(fā)機結(jié)構(gòu)工作在發(fā)射模式時，發(fā)射鏈路開通，而接收通路關閉。當前20頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機

目前，單片集成收發(fā)機的研究熱點頻段主要集中于ISM頻及專用于GSM,TD-SCDMA,PHS,UWB等通信系統(tǒng)的頻段。1.5.1GSM收發(fā)機GSM系統(tǒng)主要參數(shù)當前21頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機下面簡要介紹一個用0.25umCMOS工藝實現(xiàn)的低功率GSM-900收發(fā)機。這種接收機采用二次變頻超外差式結(jié)構(gòu)，中頻為71MHz。由2.5V電壓供電，接收機僅消耗19.5mA的電流，而發(fā)射機消耗55mA的電流，其結(jié)構(gòu)如圖所示：GSM收發(fā)機的結(jié)構(gòu)框圖當前22頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機接收機的性能測試結(jié)果當前23頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機發(fā)射機的性能測試結(jié)果當前24頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機1.5.2應用于無線局域網(wǎng)的收發(fā)機目前無線局域網(wǎng)發(fā)展十分迅速，與之相關的標準也有很多種，如IEEE802.11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的HiperLAN2等。無線局域網(wǎng)標準比較當前25頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機

下面介紹一種典型的WLAN集成收發(fā)機，該芯片可以工作在5.15-5.35GHz和2.4-2.5GHz兩個頻段，采用0.25umCMOS工藝制造。接收機的噪聲系數(shù)在2.4GHz下為3dB，在5GHz下3.8dB。其結(jié)構(gòu)如圖所示：收發(fā)機框圖當前26頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機測試結(jié)果當前27頁，總共30頁?！?.5典型應用的集成收發(fā)機1.5.3應用于無線傳感器網(wǎng)絡的低功耗發(fā)射機無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是當前國際上備受關注的、多學科高度交叉的新興前沿熱點研究領域。無線傳感網(wǎng)絡綜合了傳感技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡技術、無線通信技術、分布式智能信息技術等多個學科，是多學科交叉融合的產(chǎn)物。

WSN節(jié)點的重要特征就是低功耗、低成本和小體積，目前國內(nèi)外應用于WSN的收發(fā)機的研究熱點主要基于IEEE802.15.4標準（ZigBee)和UWB。當前28頁，總共30頁?！?.6集成收發(fā)機的發(fā)展趨勢

高集成度：隨著集成電路技術的進步，單片集成數(shù)字、模擬和射頻功能成為了芯片發(fā)展的趨勢。高工作頻率：隨著工藝特征尺寸的不斷降低，器件的特征頻率和最高振蕩頻率不斷提高，使得集成收發(fā)機的工作頻率越來越高。低工作電壓和低功耗：隨著無線通信技術的進一步發(fā)展，在電池供電的限制條件要求收發(fā)機可以工作在更低的工作電壓下，消耗的功率越小越好。低成本：低成本是單片集成收發(fā)機走向商業(yè)應用的基本要求。當前29頁，總共3