射频前端系统结构

射频前端系统结构清华大学微电子学研究所Mar.05,2014池保勇清华大学微电子学研究所设计室参考书：池保勇等编，《CMOS射频集成电路分析与设计》，§7提要接收机射频前端的系统结构超外差式接收机镜像抑制接收机零中频接收机低中频接收机其它接收机结构发射机射频前端的系统结构超外差式接收机超外差式接收机是应用最广泛的一种系统结构，它的基本原理是将从天线接收到的高频信号经放大和下变频后转换为一固定的中频信号，然后进行进一步下变频或者直接进行解调复信号概念复信号由两个实信号组成，这两个实信号可能是相关的，也可能不相关对于模拟电路中常用的正弦型信号前者在频域表示了一个正频率成分，而后者则表示了一个负频率成分。而我们常见的正弦型信号，则既含有正频率成分，也含有负频率成分()()()irxtxtjxt超外差式接收机的频域转换图超外差式接收机存在的主要问题镜像抑制问题镜像信号与本地振荡信号混频后所产生的信号经中频滤波后，也位于中频频率fIF处。该信号叠加在有用中频信号上，直接对有用中频信号造成干扰，并且不可被清除镜像信号的能量大小是不可预知的，在比较差的接收环境中，镜像信号的能量可能比有用信号的能量高几十分贝下变频前抑制镜像信号镜像抑制滤波器带通滤波器，通带中心频率与有用信号频率相同，而镜像频率位于阻带范围内，阻带衰减率就是对镜像信号的抑制率在恶劣接收环境中镜像信号的抑制率要达到60-70dB高的品质因子（50甚至更高）、很高的阶数（甚至到6阶），而且其中心频率还应是可调的难以集成超外差式接收机存在的主要问题中频频率选择：为了减轻对镜像抑制滤波器的要求，可以将固定中频频率提高，以加大镜像信号与有用信号之间的频率间隔，减缓对滤波器抑制率的要求中频频率提高后，后续处理模块（如模数变换器）的工作频率就提高了，后续模块的设计将变得比较困难可以通过增加一级或者多级下变频器将信号的频率进一步降低（多级超外差式接收机），但这会增加电路规模和片外元件数目，提高系统成本超外差式接收机存在的主要问题相邻信道干扰问题中频信道选择滤波器信道之间的频率间隔小滤波器的转换带窄高的品质因子（50）大的阶数（8或者10）难以集成超外差式接收机存在的主要问题缺点综述：需要多个外接的高性能滤波器采用外接滤波器，不仅降低了集成度，提高了产品成本，而且由于采用外接元件，使整个系统的稳定性大大降低驱动这些外部低阻抗的元件需要消耗很大的功耗，工作频率越高，功耗越大外接元件和集成芯片之间的隔离也是一个大的问题超外差式接收机存在的主要问题半中频问题：HalfIF产品实例提供I、Q输出的超外差接收机第二级变频器采用正交下变频结构基带处理电路可以采用复杂的调制、解调方案提要接收机射频前端的系统结构超外差式接收机镜像抑制接收机零中频接收机低中频接收机其它接收机结构发射机射频前端的系统结构镜像抑制接收机镜像抑制接收机：Weaver结构正交Weaver接收机镜像抑制接收机的镜像抑制率两个支路的幅度不匹配与相位不匹配I、Q支路不匹配校准提要接收机射频前端的系统结构超外差式接收机镜像抑制接收机零中频接收机低中频接收机其它接收机结构发射机射频前端的系统结构零中频接收机有用信号被直接下变频到基带镜像信号是有用信号本身，可以减轻对镜像信号的要求没有完全消除镜像信号问题：上下边带重叠正交下变频零中频接收机的系统结构频域转换示意图理想情况下，零中频接收机没有镜像抑制问题，不需要难以集成电路的滤波器下变频后工作频率很低，简化了后面电路模块集成度高、功耗低灵活性（可配置射频前端）射频带通滤波器滤除带外高频信号存在的问题：I、Q支路不匹配相位和幅度不匹配，镜像抑制性能下降镜像信号是有用信号本身，镜像抑制率：25dB不匹配随时间的变化很缓慢：采用数字电路或模拟电路对I、Q支路进行校准存在的问题：直流失调下变频器及后面各模块引入的直流失调成分将直接叠加在有用信号上，对有用信号造成干扰这些直流失调成分的能量可能比有用信号强很多，会淹没有用信号，并使得后面的各级处理模块出现饱和直流失调是阻碍零中频接收机广泛应用的一个主要因素存在的问题：直流失调（续）原因之一：本地振荡信号泄漏本振信号通路与射频信号通路之间可以通过寄生电容或者衬底等方式耦合本振泄漏到天线中并通过天线辐射返回存在的问题：直流失调（续）原因之二：射频信号到本地振荡信号通路的泄漏存在的问题：直流失调（续）原因之三：接收机射频前端的偶数阶非线性偶数阶谐波偶数阶交调输入信号系统的传输特性存在的问题：直流失调（续）二阶非线性：低噪声放大器的二阶非线性造成的直流失调通过寄生电容耦合或者衬底耦合泄漏到基带下变频器的二阶非线性造成的直流失调则直接叠加到基带信号上，下变频器的二阶非线性所造成的影响更大射频模块非线性所产生的谐波与本地振荡信号所产生的谐波在下变频器中混频后，也会产生直流失调，但由于谐波的频率越高，能量就越弱，一般可忽略这些谐波所造成的直流失调的影响二阶交调所产生的低频项可能与有用基带信号的频率相同，而且也会随时间变化，一般的消除直流失调的方法并不能消除这些低频项的影响提高射频前端的二阶交调性能通过自动校准来提高下变频器的二阶交调性能存在的问题：直流失调（续）原因之四：1/f噪声CMOS工艺在低频下的1/f噪声很大消除直流失调的措施射频前端和后级的基带模块之间加入一个截止频率很低的高通滤波器消除直流失调的措施（续）直流失调消除电路（1）直流失调消除电路（2）消除直流失调的措施（续）利用成熟的数字信号处理技术来确定直流失调的大小，并将结果反馈回模拟前端来消除直流失调TDMA系统中，接收机在某些时隙中处于空闲转态，利用空闲时隙对直流失调进行采样并存储，在接收机工作时，将接收到的基带信号和存储的直流失调信号相减，消除直流失调提要接收机射频前端的系统结构超外差式接收机镜像抑制接收机零中频接收机低中频接收机其它接收机结构发射机射频前端的系统结构低中频接收机的工作原理仅具有正频率成分的复本地振荡信号来将射频信号转换到一个较低的中频频域转换示意图低频处理模块要能抑制位于正频率处的镜像信号将镜像抑制问题由射频转移到比较低的中频，缓解了实现压力高集成度下变频后的信号不位于基带，避免了直流失调问题射频部分镜像抑制性能受限因素本振信号I、Q支路的幅度和相位不匹配射频信号I、Q支路的幅度和相位不匹配射频部分镜像抑制性能受限－－解决方案I、Q支路不匹配自动在片校准射频部分镜像抑制性能受限－－解决方案（续）射频带通滤波器来抑制镜像信号射频部分镜像抑制性能受限－－解决方案（续）无源多相滤波器来抑制镜像信号中频处理模块复带通滤波器来抑制位于正频率处的镜像信号复带通滤波器能抑制镜像信号和带外的其它信号，降低了对模数变换器动态范围的要求，使得模数变换器很容易实现复带通滤波器采用模拟电路实现，实现精度不能准确控制，电路性能会受到一定程度的影响中频处理模块（续）先将中频信号转换到数字域，然后在数字部分将它和仅具有正频率成分的振荡信号混频，经低通滤波后，得到所需要的基带信号镜像抑制是在数字域进行的，可以准确控制实现精度模数变换器之前仅有一抗混叠低通滤波器，对镜像信号和带外信号仅有少量抑制，模数变换器必须具有很宽的动态范围，会增加模数变换器的实现难度低中频接收机实例ISSCC’2010,23mWFullyIntegratedGPSReceiverwithRobustRejection,pp.68-69提要接收机射频前端的系统结构超外差式接收机镜像抑制接收机零中频接收机低中频接收机其它接收机结构发射机射频前端的系统结构超再生式接收机结构简单OOK调制低速率低功耗超再生式接收机实例ISSCC’2005超再生式接收机实例（续）亚采样接收机Naquist带通采样定理指出，一个中心频率为fc、带宽为∆f的带通信号，可以用一个采样率为fs2∆f的采样电路进行采样，而不损失任何信息高线性度、高集成度、系统结构简单引入很大的噪声，严重影响接收机的性能超宽带接收机超宽带：（瞬时带宽大于中心频率的20%或者大于500MHz）超宽带接收机：脉冲型超宽带信号由受信息调制的短周期脉冲组成超宽带接收机：多带型（MB-OFDM)跳频来扩展频谱提要接收机射频前端的系统结构超外差式接收机镜像抑制接收机零中频接收机低中频接收机其它接收机结构发射机射频前端的系统结构超外差式发射机超外差式发射机集成度受到镜像抑制滤波器的影响不干扰其它信道的信号直接上变频发射机I、Q支路不匹配导致有限的镜像抑制率本地振荡信号对射频信号的干扰以及频率牵引效应加大提供本地振荡信号的锁相环的环路带宽，使锁相环对外来干扰具有很好的抑制作用采用与载波频率不同的本地振荡信号频率，通过倍频或者分频得到与载波频率相同的本振锁相环为基础的发射机结构实现实例ISSCC’2011,FullyDigitalMultimodePolarTransmitterEmploying17bRFDACin3GMode,pp.376-677,fromInfineon锁相环为基础的发射机结构PLLmustbefastenoughtofollowthemodulation,butalsoslowenoughtosuppressthehigh-frequencyphasenoise.Atrade-offThereferencefrequencyisconstantJSSC,1997,pp.2048-2060总结接收机射频前端的系统结构超外差式接收机镜像抑制接收机零中频接收机低中频接收机其它接收机结构发射机射频前端的系统结构