2__通信射频电路_收发系统结构

第二章无线通信收发系统结构(书中第四章)电子科技大学游长江无线通信系统基本模型信源发信机收信机信宿信道媒介干扰噪声信道机发射端接收端无线发信系统基本结构无线收信系统基本结构调制中放/变频功放模拟电路（RF）待发基带信号(BB)发射天线解调中放/变频放大/选频模拟电路（RF）输出基带信号(BB)接收天线•无线通信系统基本模型发送系统任务是完成基带信号对载波的调制，并将其变频至特定的通信频段，再以足够的功率有效地发射出去。•RF系统主要性能指标RF发送系统主要性能指标1.频谱纯度：减少它对相邻信道的干扰2.发射功率：保证特定通信距离3.系统效率：减少系统功耗接收系统任务是是从众多电磁波中选出有用信号，经变频、放大后解调出基带信号。对于单机收发系统，当共用天线时，收发信道必须有良好的隔离度。1.选择性；减少其相邻信道的干扰2.灵敏度；保证特定通信距离和正确解调。•无线通信系统设计中关键技术问题（1）选用合适的调制方式与解调措施;（2）足够的选择性与灵敏度;（3）高效率功率放大器;（4）发射信号的优良频谱纯度(特性);（5）良好的天线效率;（6）天线及收发信道间隔离度。RF接收系统主要性能指标&2.1无线接收系统•无线接收系统设计考虑•选择性考虑1.选出有用信号(较容易);2.抑制干扰和无用信号(困难)。900MHzGSM通信，信道间隔200KHz，要求选频滤波器要有较高Q值。若中频选取不当，很难抑制镜像干扰！DesiredSignalChannel•灵敏度考虑1.接收微弱信号的能力;2.线性动态范围。空间信号不但微弱，而且路径多样性，其信号大小起伏变化。•超外差式接收机单次变频超外差式接收机两次变频超外差式接收机•零中频接收机•低中频接收机•镜频抑制接收机•全数字接收机•无线接收系统结构LNA本振(LO)BPF(2)IFAmpBPF(3)解调BPF(1)RFIFRFLOLO1.BPF1作频带选择,BPF2作信道选择,实现二者分离;2.合理分配系统增益,放大器稳定性好.3.适用于信号载频远高于中频频率的情况;4.在较低固定中频上放大，ADC和解调较容易。单次变频超外差式接收机特点单次变频超外差式接收机缺点1.镜像干扰;选择IFB/2和镜像抑制滤波器;2.组合干扰;减小混频器非线性为主-寄生通道干扰;3.存在选择性和灵敏度之间矛盾.•单次变频超外差式接收机LNA本振(LO)BPF(2)IFAmpBPF(3)解调BPF(1)RFIFRFLOLO例：GSM下行频段935-960MHz，若选fIF=10MHz，试确定本振频率及干扰镜频范围。945~9702955~980LORFIFimRFIFfffMHzfffMHz低本振情况925~9502915~940LORFIFimRFIFfffMHzfffMHz解：高本振情况fRF位于频段低端，fim位于频段内高端。fRF位于频段高端，fim位于频段内低端。从上可见,若选择fIF=10MHz,无论选择高本振或低本振时,fim都位于有用信道之内,无法用BPF1滤掉,成为干扰信号。若增大fIF至70MHz，则采用高本振或低本振，镜频都不会进入通信频段，故可用BPF1滤除掉,从而消除镜频干扰。•二次变频超外差式接收机1IF2IFRF1IF1LOLNA本振1(LO1)BPF(2)IF1Amp(1)BPF(3)解调BPF(1)本振2(LO2)IF2Amp(2)2LO课堂练习：推导镜频范围高第一中频有利于镜频抑制，有好的信道选择性;低第二中频有利于IFA的稳定性和降低对解调器的要求。二次变频超外差式接收机特点1.第一中频ωIF1尽量高以便于抑制镜像干扰。2.第二中频ωIF2尽量低以便于抑制邻道干扰和降低解调器难度。3.信道增益的大部分由IFA2完成。二次变频超外差式接收机设计原则ωLO=ωRF，从而将调制的RF信号直接变频到基带信号，不存在镜像干扰。•零中频(直接下变频)接收机BPFLNA本振π/2LPFLPF限幅检测限幅检测零中频(直接下变频)接收机特点（1）集成化（2）无镜频干扰（1）信道间隔离度差(频率窜透)ωRF=ωLO，大功率本振信号向天线端窜透，对附近邻信道通信造成干扰;混频器各端口信号间相互窜透-自混频,造成输出信号直流漂移。零中频(直接下变频)接收机缺点（2）要求ωLO与ωRF同频，且彼此之间的相位关系固定，从而需要载波提取与锁相同步。（3）混频器应有较高的线性度。（4）端口间隔离度要求高。一种改进方案(宽带零中频接收机)借鉴二次外差式接收机抑制干扰能力强的特点，对零中频接收方案的改进,应用AFG（本振自锁相）克服了直流漂移问题。BPFLNA本振2(LO2)π/2LPFLPFADCADC本振1(LO1)LPF另一种改进方案-低中频接收机LNA本振(LO)BPF(2)LFAmpBPF(3)解调BPF(1)RF0IFRFLOLO•镜频抑制接收机Hartley镜频抑制接收机()RFVt()AVt()BVt()CVtBPFLNA本振π/2BPF2BPF2π/2()cos()cosRFRFRFimimimVtVtVtVt()sin()sin()22()cos()cos()22imRFALORFLOimimRFBLORFLOimVVVtttVVVttt实现镜频抑制的设计要求0,0LORFLOim()cos()cos()22()()()cos()imRFCLORFLOimIFCBRFLORFVVVtttVtVtVtVt利用带通信号移相π/2(Hilbert变换的正交滤波)特性,实现镜频抑制。（1）两条变频支路特性完全一致(信号幅度、增益、时延特性等);（2）两条变频支路输出信号精确正交(参见pp151中图4.2.14变换频谱图)。+-本振-п/2BPF2BPF2π/2VRFVIFWeaver镜频抑制接收机实现两条变频支路输出信号的精确正交,要求两条支路的电性能完全一致性,硬件实现较困难！•数字中频接收机将第二次变频数字化，避免了实现两路模拟信道一致性的困难。BPF1LNA本振-п/2BPF3BPF3ADCADC本振LO1BPF2ADCDSPChip•数字中频中频接收机设计要点A.注意ADC性能（1）为抑制镜频干扰，则中频较高，要求ADC采样频率(速度)也很高;（2）ADC应有较高的分辨率（bit数大）和低的转换噪声;（3）ADC线性度要求高;（4）ADC应有较大的动态范围;（5）ADC模拟带宽应满足第一中频的要求。B.注意DSP芯片性能（1）运算速度;（2）运算字长;（3）稳定性等。•全数字接收机(软件无线电接收机)BPFLNA本振-п/2BPFBPFADCADCADCDSPChip•AGC电路接收机接收的信号电平起伏很大，为得到稳定的中频输出，接收机前端中都有AGC(AutomaticGainControl)电路。LNA变频中放幅度检测解调控制电路中放输出信号经幅度检测后与设定门限相比较，高过门限值控制放大器降低增益；反之，则控制放大器提高增益,从而保障输出中频信号幅度基本恒定。•AFC电路中放输出经鉴频器将偏离中频的频差转换为电压，然后去控制本振频率减小差值，使中频频率恒定。有利于减小中频带宽，提高灵敏度与选择性;对零中频接收机则可减小DC漂移的影响。AFC现在多为PLL所取代。中放解调VCOLPF/放大鉴频器接收机接收的信号频率随时间变化，为得到稳定的恒定中频信号，接收机前端中有AFC(AutomaticFrequencyControl)电路。&2.2无线发射系统•无线发射系统设计考虑一、频谱纯度(IMn,ACPR)必须满足ITU频谱管理规定及通信标准，避免对其他信道的干扰。二、功率一定的传送距离就要求发射信号必须达到一定的功率。三、效率系统效率非常重要,特别是移动终端设备。无线发射系统效率包括：（1）功率放大器的效率;（2）天线的发射效率;（3）信道中信号传输效率(匹配,线路损耗等)。•无线发射系统结构一、直接调制发射机调制和上变频合二为一的发射机BPFPA本振1(LO1)BB1.结构简单;2.收/发同机时发射开断切换,PA工作会对LO产生负载牵引-改进方法(两VCO);3.调制信号带宽及发射频谱特性不易控制,发射信号容易干扰其他信道。直接调制发射机特点直接调制发射机为早期经典发射系统方案,主要用于AM、ASK等简单调制方式通信,要求线性功放,导致发射效率低，可能发生频率牵引，邻道抑制不好。近年来随着技术的进步，复杂调制方式已能直接由LO产生，使这种方案焕发新春。IQ信源处理DSPLOп/2PA匹配网络直接调制数字发射机直接调制数字发射机特点1.无镜像干扰,无中频干扰;2.难以消除载漏、本振牵引现象;3.两路电特性不一致时达不到预期效果。二、间接调制发射机调制和上变频分开的发射机-在较低中频上完成信号调制,再将已调信号上变频至RF频段。间接调制发射机特点1.克服直接调制发射机的缺点(负载牵引,效率不高,etal);2.两次上变频降低了滤波器要求，有助于复杂调制;IQ信源处理DSPIFLOп/2IFA上变频RFPRFLOPA3.存在变频组合干扰;4.结构复杂。间接调制数字发射中增加了一个中频，两路正交调制(I/Q)支路电特性易于做到一致。RF电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求。任何基本电路（如放大器、混频器等）当确定其性能优良和可靠，便很快有集成化产品诞生。全球每天都有成百上千的新型RFIC问世，并迅速应用于移动通信等广阔市场。&2.3集成化无线通信收/发系统•MC3363集成FM接收机芯片•典型的集成无线通信收/发机芯片•MC3363集成FM接收机芯片内部结构1个LNA、2个混频器、多级放大器、比较器、2个本振、解调器、静噪电路等。LNA工作到450MHz(VHF频段);12dB输出信噪比时，输入灵敏度为0.3uV;60dBAGC。•MC3363集成FM接收机芯片功能WideInputBandwidth–200MHzUsingInternalLocalOscillatorWideInputBandwidth–450MHzUsingExternalLocalOscillatorRFAmplifierTransistorMutingOperationalAmplifierCompleteDualConversionLowVoltage:VCC=2.0Vto6.0VdcLowDrainCurrent:ICC=3.6mA(Typical)atVCC=3.0V,ExcludingRFAmplifierTransistorExcellentSensitivity:Input0.3mV(Typical)for12dBSINADUsingInternalRFAmplifierTransistorDataShapingComparatorReceivedSignalStrengthIndicator(RSSI)with60dBDynamicRangeLowNumberofExternalPartsRequired•MC3363集成FM接收机芯片应用1•MC3363集成FM接收机芯片应用2•MC3363集成FM接收机芯片应用3工作频率达到1GHz，其最大输出功率10dBm。•MC13175集成FM/AM发射机芯片UHFCurrentControlledOscillatorUsesEasilyAvailable3rdOvertoneorFundamentalCrystalsforReferenceFewerExternalPartsRequiredLowOperatingSupplyVoltage(1.8to5.0Vdc)LowSupplyDrainCurrentsPowerOutputAdjustable(Upto+10dBm)DifferentialOutputforLoopAntennaorBalunTransformerNetw