第1章无线通信中射频收发机结构及应用1

2019/8/161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2019/8/162一、课程内容简介㈠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2019/8/163一、课程内容简介㈡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2019/8/164一、课程内容简介(续)㈢主要参考书⑴《射频通信电路》（第二版），陈邦媛著，科学出版社，2006⑵《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2019/8/165一、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2019/8/1661．1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。功放发射天线中频变频基带信号调制2019/8/167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2019/8/168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。接收天线低噪声放大器中频变频基带信号解调图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2019/8/1691．2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。射频前端A/D和D/A数字处理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2019/8/1610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。频率综合器基带处理和媒体访问控制低噪声放大器功率放大器下变频器上变频器收发开关射频前端方框图1．1无线收发信机射频前端功能和特性2019/8/16113、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2019/8/1612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。频段频率范围主要应用V/UHF100~1000MHz低轨数据通信、遥测遥控、移动通信L1-2GHz低轨移动迪信、导航、气象和侦察S2-4GHz数据中继、测控C4-7GHz固定通信、广播电视X7-12GHz军事通信、资源卫星等Ku12-18GHz固定通信、移动通信、广播电视K18-27GHz固定通信、移动通信Ka27-40GHz固定通信、移动通信、卫星链路EHF40-60GHz固定通信、军事通信表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2019/8/16133．电磁频谱2019/8/16143．电磁频谱2019/8/1615射频(RadioFrequency)/微波(Microwave)无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。2019/8/16163．电磁频谱2019/8/16172019/8/16182．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2019/8/1619频带名称频率范围(GHz)频带名称频率范围(GHz)L带1.0～2.0S带2.0～4.0C带4.0～8.0X带8.0—12.0Ku带12.0～18.0K带18.0～26.5Ka带(毫米波)26.5～40.0Q带(毫米波)33.0～50.0U带(毫米波)40.0～60.0V带(毫米波)50.0～75.0E带(毫米波)60.0～90.0W带(毫米波)75.0～110.0F带(毫米波)90.0～140.0D带(毫米波)110.0～170.0G带(毫米波)140.0～220.0IEEE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2019/8/16201．3．2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：l0dt2019/8/16212．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。2019/8/16221．4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。带通滤波器1镜像抑制滤波器带通滤波器2带通滤波器低通滤波器解调器解调器本振低噪声放大器功率放大器下变频器上变频器RFIFIFLOLO开关超外差式收发机结构2019/8/16231．5．1GSM收发机1．5典型应用的集成收发信机GSM－900GSM－1800上行频率880～915MHz1710～1785MHz下行频率925.4～960MHz1805～1880MHz信道间隔200kHz200kHz多址方式TDMA/FDMTDMA/FDM双工方法FDDFDD每信道用户数88调制方式GMSK；BT=0.3GMSK；BT=0.3信道比特率270.833kb/s270.833kb/s表1．3GSM-900和GSM—1800的主要参数GSM-900和GSM—1800的主要参数2019/8/162490˚90˚1∕2移相器低通滤波器中频放大器71MHz匹配网络匹配网络匹配网络下变频器信道选择滤波器频带选择滤波器低噪声放大器接收机本振频带选择滤波器996～1057MHz上变频器低通滤波器移相器发射机本振890～915MHzIQ混频器驱动放大器天线共用器中频本振142MHzIQ功率放大器射频信号GSM收发机的结构框图1．5典型应用的集成收发信机2019/8/1625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2019/8/16261．5．2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2019/8/1627标准频段调制方式数据率HomeRF2.4GHzFH1～2Mb/sBluetooth2.4GHzFH1Mb/s802.112.4GHzFH/DS1～2Mb/s802.11b2.4GHzDS可达11Mb/s802.1lS2.4GHzOFDM可达54Mb/s802.11aa5GHzDMT/OFDM6～54Mb/sHiperLAN25GHzGMSK可达24Mb/s目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较2019/8/1628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)。