無線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

1、1第1章 無線通信收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)教學(xué)教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)本章在介紹無線通信收發(fā)機(jī)低噪聲放大微弱的接收信號(hào)、輸出足夠的發(fā)射功率、搬移信號(hào)的頻譜、調(diào)制各種載波等主要 功能和收發(fā)機(jī)的主要性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，闡述超外差式 、零中頻、低中頻、數(shù)字中頻等接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，最后介紹了集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。 教學(xué)教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)教學(xué)教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)掌握：超外差式、零中頻、低中頻、數(shù)字中頻等接收機(jī)的 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。了解： 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)、集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。 熟悉：發(fā)射機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、收發(fā)機(jī)的主要性能指標(biāo)、集成 收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 能力能力要求要求2本章目錄v第一節(jié) 概述v第二節(jié) 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)v第三節(jié) 無線通信發(fā)射機(jī)v第四節(jié)

2、 集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)v第五節(jié) 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)v第六節(jié) 集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 3知識(shí)結(jié)構(gòu) 無無線線 通通信信收收發(fā)發(fā)機(jī)機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)概述概述無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)無線通信發(fā)射機(jī)無線通信發(fā)射機(jī)集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)接收機(jī)的性能指標(biāo)接收機(jī)的性能指標(biāo)超外差式接收機(jī)超外差式接收機(jī)直接下變頻接收機(jī)直接下變頻接收機(jī)低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)鏡頻抑制接收機(jī)數(shù)字中頻接收機(jī)數(shù)字中頻接收機(jī)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗收發(fā)機(jī)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗收發(fā)機(jī)應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的收發(fā)機(jī)應(yīng)用于無線局域

3、網(wǎng)的收發(fā)機(jī)GSM收發(fā)機(jī)收發(fā)機(jī)發(fā)射機(jī)的主要結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)的主要結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)41.1 概述 收發(fā)機(jī)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。設(shè)計(jì)一個(gè)收發(fā)機(jī)，首先不僅要考慮頻譜、靈敏度、選擇性、功率、效率等性能指標(biāo)，還要考慮功耗、成本及電路復(fù)雜度等因素，再?zèng)Q定選用哪種結(jié)構(gòu)。（1）發(fā)射機(jī) 發(fā)射機(jī)射頻部分的功能是完成基帶信號(hào)對(duì)中頻載波的調(diào)制，將其上變頻至特定的RF頻段，對(duì)已調(diào)制的RF信號(hào)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(jī)前端的框圖發(fā)射機(jī)前端的框圖51.1 概述（2）接收機(jī) 接收機(jī)從空間中接收到微弱信號(hào)，通過射頻濾波器從眾多的電波中選出有用信號(hào)，并經(jīng)過低噪聲放大

4、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(hào)變?yōu)榛鶐盘?hào)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：接收機(jī)射頻前端框圖接收機(jī)射頻前端框圖61.2.1 接收機(jī)的性能指標(biāo) 接收機(jī)完成的主要功能是選出從天線接收的有用信號(hào)，下變頻放大到基帶后由解調(diào)器解調(diào)，實(shí)現(xiàn)頻帶信號(hào)到基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換。接收機(jī)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(jī)的主要性能指標(biāo)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(yīng)抑制；（6）互調(diào)分量抑制；（7）鄰道干擾抑制；（8）雜散輻射抑制。1.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)71.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)1.2.2 超外差式接收機(jī) 191

5、7年，阿姆斯特朗發(fā)明了超外差式接收機(jī)，如今這種經(jīng)典的接收機(jī)結(jié)構(gòu)仍廣泛的應(yīng)用在各種無線通信系統(tǒng)中。1.超外差接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 工作過程：從天線接收的信號(hào)經(jīng)過射頻帶通濾波器，濾去帶外干擾并壓縮鏡像信號(hào)后，經(jīng)低噪聲放大器線性放大后與本地振蕩信號(hào)進(jìn)行混頻，下變頻為一固定中頻信號(hào)，再通濾波、中頻放大后提取出有用信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。結(jié)構(gòu)如下：超外差接收機(jī)射頻部分的結(jié)構(gòu)框圖超外差接收機(jī)射頻部分的結(jié)構(gòu)框圖81.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)2.超外差接收機(jī)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(yīng)，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

6、生通道干擾，如下圖所示： 組合頻率引起的寄生通道干擾組合頻率引起的寄生通道干擾91.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)（2）鏡像頻率干擾 有用的射頻信號(hào)和鏡像頻率信號(hào)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(hào)的頻率濾除，這樣會(huì)降低中頻輸出的信噪比。從鏡像干擾產(chǎn)生的機(jī)理可知，消除鏡頻干擾最簡(jiǎn)單的辦法就是阻止鏡像頻率信號(hào)進(jìn)入下變頻器，而完成這個(gè)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： “鏡頻干擾鏡頻干擾”的產(chǎn)生的產(chǎn)生101.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)3.接收機(jī)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(hào)。因此，超外差接收機(jī)的一個(gè)重要問題是如何選擇合適的中頻頻率。

7、由鏡像原理可知，高的中頻使鏡像頻率遠(yuǎn)離有用信號(hào)，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(duì)帶寬變大，必然會(huì)降低相鄰信道的抑制能力。但是接收機(jī)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(jī)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(jī)對(duì)鏡像干擾的抑制要求和濾波器的可實(shí)現(xiàn)性。111.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)4.二次變頻超外差接收機(jī) 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(jī)的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖所示： 二次變頻超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖二次變頻超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)框

8、圖 二次變頻超外差接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是需要較多的分立元件，并且需要很多高頻濾波器進(jìn)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(xì)制定整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的頻率規(guī)劃。121.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)1.2.3 直接下變頻接收機(jī) 直接下變頻接收機(jī)也稱為零中頻接收機(jī)，其特點(diǎn)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(huì)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(hào)，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理。零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小功耗低，故易于單片集成。131.2 無

9、線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)1.2.4 低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu) 低中頻接收機(jī)是從零中頻接收機(jī)發(fā)展而來的，其結(jié)構(gòu)如圖所示： 低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu) 低中頻接收機(jī)通過正交下變頻器來抑制鏡像信號(hào)，但與零中頻接收機(jī)不同的是，下變頻后的信號(hào)處于比較低的中頻由于下變頻后的信號(hào)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。141.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)1.2.5 鏡頻抑制接收機(jī) 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(jī)。在完全理想的情況下，這兩種接收機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī) Weaver結(jié)構(gòu)鏡頻

10、抑制接收機(jī)結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)151.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)Hartley結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)頻譜搬移過程結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)頻譜搬移過程161.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)Weaver結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)頻譜搬移過程結(jié)構(gòu)鏡頻抑制接收機(jī)頻譜搬移過程171.2 無線通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)1.2.6 數(shù)字中頻接收機(jī) 將二次變頻超外差接收機(jī)拓?fù)浣Y(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(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖所示：數(shù)字中頻方案數(shù)字中頻方案 數(shù)字中頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)字中頻的使用避免了I和Q之間的不平衡，實(shí)現(xiàn)了完美的鏡像干擾抑制。而這種接收機(jī)的難點(diǎn)在于對(duì)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。

11、181.3 無線通信發(fā)射機(jī)1.3.1 發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)（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(jī)的主要結(jié)構(gòu) 發(fā)射機(jī)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(hào)到射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。發(fā)射機(jī)的方案相對(duì)接收機(jī)更為簡(jiǎn)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(gè)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(jìn)行調(diào)制，然后再將已調(diào)信號(hào)上變頻到發(fā)射的載頻上。191.3 無線通信發(fā)射機(jī)直接變換正交調(diào)制發(fā)射機(jī)直接變換正交調(diào)制發(fā)射機(jī)兩步變換正交調(diào)制發(fā)射機(jī)兩步變換正交調(diào)制發(fā)射機(jī)201.4

12、 集成收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 集成收發(fā)機(jī)包括了接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，下圖展示了一種超外差式收發(fā)機(jī)。超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu) 通常情況下，收發(fā)機(jī)只需一個(gè)本振，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)共用。同樣，天線也只需要一個(gè)。當(dāng)超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)工作在接收模式時(shí)，接收鏈路開通，而發(fā)射鏈路關(guān)閉；當(dāng)超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)工作在發(fā)射模式時(shí)，發(fā)射鏈路開通，而接收通路關(guān)閉。211.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī) 目前，單片集成收發(fā)機(jī)的研究熱點(diǎn)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。1.5.1 GSM收發(fā)機(jī)GSM系統(tǒng)主要參數(shù)系統(tǒng)主要參數(shù)221.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī) 下面簡(jiǎn)要介紹一個(gè)用0.25u

13、mCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的低功率GSM-900收發(fā)機(jī)。這種接收機(jī)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(jī)僅消耗19.5mA的電流，而發(fā)射機(jī)消耗55mA的電流，其結(jié)構(gòu)如圖所示：GSM收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖231.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)接收機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果接收機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果241.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)發(fā)射機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果發(fā)射機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果251.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)1.5.2 應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的收發(fā)機(jī) 目前無線局域網(wǎng)發(fā)展十分迅速，與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也有很多種，如IEEE802.11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的HiperLAN2

14、等。無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)比較無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)比較261.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī) 下面介紹一種典型的WLAN集成收發(fā)機(jī)，該芯片可以工作在5.15-5.35GHz和2.4-2.5GHz兩個(gè)頻段，采用0.25umCMOS工藝制造。接收機(jī)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(jī)框圖收發(fā)機(jī)框圖271.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī) 測(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果281.5 典型應(yīng)用的集成收發(fā)機(jī)1.5.3 應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗發(fā)射機(jī) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通

15、信技術(shù)、分布式智能信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。 WSN節(jié)點(diǎn)的重要特征就是低功耗、低成本和小體積，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于WSN的收發(fā)機(jī)的研究熱點(diǎn)主要基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（ZigBee)和UWB。291.6 集成收發(fā)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 高集成度：隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)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(shì)。 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(jī)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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在電池供電的限制條件要求收發(fā)機(jī)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(jī)走向商業(yè)應(yīng)用的基本要求。30本章小結(jié) 本章從