无线通信系统接收机的结构和发展

无线通信系统接收机的结构和发展李晶[e-mail]2006.6.21PresentationTitle—2Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell引言无线通信系统发展发展以来,在演进过程中发展出了许多适合不同系统的接收机构架,许多理论上的接收机结构也逐渐应用于实际的项目中,但是其基本目地都是不变的:-----在充满各种不同电波的天空中,将属于自己的信号接收下来,经过接收机的将信号放大,滤波,变频,解调到原始的信号-----各种构架的提出也是为了能够降低接收机的复杂度,成本,功耗,适用元器件数目等方面考虑.这里主要了解以下几种主要的结构.超外差接收机(Heterodyne)零中频接收机(DirectConversion)低中频接收机(DualIF)中频采样接收机(IFSampling)PresentationTitle—3Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell超外差结构传统的接收机大多是超外差接收机,其结构包括发送和接收部分,结构如图所示:接收过程:在空间中接收属于自己的微小信号,经过放大处理,混频器作用使得接收信号降频到我们指定的信道中,在经过信道滤波,下变频变换到基带信号进行ADC采样发射过程:信号经过调制,放大,滤波,通过混频器将信号升频到一个指定频段,通过功放由天线发射到空中去.ComparePresentationTitle—4Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell接收机结构和发展-超外差接收系统A.天线接收到的RF信号通过预选滤波器-前置选择性滤波器(RFBPF)滤除频外干扰信号的信号B.通过低噪声放大器LNA对信号进行发大,并且不叠加大的噪声进来C.第二级镜像抑制选滤波器(IRFilter)滤除镜像频率中的干扰信号,将其衰减到可以接收的水平D.通过本地振荡器LO和混频器,将信号变换到指定的频道(中频)去.E.通过中频带通滤波器(信道选择滤波器),去掉无用的相邻频道和相隔频道.F.可变增益放大器,减小信号的失真,并且降低后级电路对动态范围的要求.G.模拟正交下变频器将中频信号变同相(I)和正交(Q)两路基带信号.经过ADC采样后变为基带数字信号,进行数字基带处理ÆÆÆÆÆÆÆÆ频谱变换分析PresentationTitle—5Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell接收机结构和发展-接收机频谱分析返回系统框图PresentationTitle—6Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell接收机结构和发展--超外差结构发射机结构ACTIVEMIXERIFAMPDifftoSEDACDAC-15dBm380MHzSAWPADRIVER-25dBm-10dB+10dB0to-20dB+15dB-15dBm-18dBmBANDFILTER-3dB-3dBm-5dBm380MHz1760+/-30MHz1580+/-30MHz1462.5+/-37.5MHzAD8345PA48dBAD836260dBRMSDetectorAD836260dBRMSDetectorADF4212L(Int-N)ADF4252(Frac-N)TxDAC+45dBmGain=10dBNF=12dBOIP3=20dBmP1dB=10dBmABCDEFG频谱变换分析PresentationTitle—7Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBellATxBandFTxBandGTxBandDCDCFFDCDCBTxBandDCDCCFFFIFIFIFTxBandDFIFTxBandETxBandLOIMAGEF注意这里的中频本振泄漏没有滤除接收机结构和发展--超外差结构发射机频谱变换PresentationTitle—8Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell1.镜像滤波器(imagerejectfilter)的设计:超外差接收机设计注意:镜像频率的产生:假如射频接收信号为RF=4000MHz,带宽为40MHz,接收中频为IF=140MHz那么需要的本振:LO=RF-IF=3860MHzRF信号经过混频器产生的信号有:F1=RF+LO=4000+3860=7860MHz上边带信号，通过低通消除F2=RF-LO=4000-3860=140MHz下边带信号，需要的信号考虑信号RF’=RF-2IF=3720MHz同样经过混频器产生的信号F1’=RF+LO=3720+3860=7580MHzF2’=RF-LO=3720-3860=140MHz接收机结构和发展—超外差接收机设计注意:镜像滤波器很明显RF’信号通过混频同样的到了140MHz的信号,与原信号发生了混叠.这个射频信号RF’与RF信号好像是中间隔着本振频率LO的一对对称信号,因此称为镜像频率.所以为了保证信号的正确接收,要在混频之前加镜像滤波器,滤除RF-2IF信号.LORFRF’IFIFPresentationTitle—9Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell接收机结构和发展—超外差接收机设计注意:镜像滤波器1.镜像滤波器的设计:PresentationTitle—10Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell为什么选择中频:中频多被用来作为发送和接收频率和传输频率的过渡,一般来讲,带外阻塞信号可以被天线自带的滤波器滤除,而中频的存在可以让使得信号被混到基带进行数字处理以前将带内阻塞信号滤除.同样,在发送端,中频常被用来滤除所有从基带转换到中频这个过程中可能产生的噪声.中频越高镜像抑制越易,单频道选择性较弱.反之亦然.如何考虑中频的选择:--镜像频率为RF-2IF*针对以上问题,提出了双中频结构(DualIFheterodyne)接收机,先将射频降到一个高的中频,然后在调制到一个低的中频,利用低中频的滤波器可以加强频道选择的效果.接收机结构和发展—超外差接收机设计注意:中频设计LORFRF’IFIF如果选用高中频的,镜像滤波容易实现,但是接收通道选择器滤波将在高中频进行,需要高Q值和高阶滤波器完成.◆如果选用低中频,虽然接收通道滤波器容易实现,但是因为镜像信号和接收信号相离的很近,镜像滤波器就需要高Q值和高阶滤波器来实现.◆PresentationTitle—11Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell超外差接收机设计注意:接收机结构和发展—超外差接收机设计注意:模拟变频3.模拟正交下变频器2.中频带通滤波器在超外差的构架中,中频带通滤波器可以有效的抑制功率信号泄漏到邻近通道,同时抑制邻近信道干扰本信道,也就是说带通滤波器特性直接决定了收发链路的邻近通道功率抑制(AdjacentChannelPowerRejection)与邻通道选择能力(ChannelSelectivity),所以要用特殊的元件,如声表滤波器.超外差接收机中中频IF通过正交变换将中频信号转换为基带信号,但是正交调制的关键是中频的本振信号相位完全正交,幅度平衡.否则将产生虚假信号,会产生幅度和相位误差.这个问题可以在中频采样中得到解决.PresentationTitle—12Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell采用超外差结构的另外一种实现方法是利用中频采样,传统的结构是在采样前先将信号混合到基带。中频采样接收机是将中频直接ADC采样,然后通过数字的方式产生正交本振信号(NCO产生),进行数字下变频(DDC).接收机结构和发展—中频采样接收机TXCompare数字上变频PresentationTitle—13Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell中频采样接收机-频谱特性ARxBandDCDCFreqTxBandPower(dBm)Out-of-BandBlockerIn-BandBlockersDesiredSignalTransmitSignalBRxBandDCDCFreqTxBandPower(dBm)Out-of-BandBlockerIn-BandBlockersDesiredSignalTransmitSignalC/DRxBandDCDFreqTxBandPower(dBm)In-BandBlockersDesiredSignalEDesiredSignalDCDFreqPower(dBm)LOLeakageFLO-FRFFLO+FRFFChannelSelectFilterDCDFreqPower(dBm)H2ndHarmonicDCDFreqPower(dBm)IDCDFreqPower(dBm)SAMPLINGCLOCKFIFFSFS-FIFFFTFS/2FLOAGC&NqyuistFilterBlockerIMDProductPresentationTitle—14Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell中频采样接收机-数字中频处理中频数字信号处理-工程应用:◆NCO:numericallycontrolledoscillator,产生数字载波样本信号,将采样信号搬移到零中频IFDSPNCOCIC抽取Anti-AliasingFilterFPGAADCCIC抽取FIR滤波FIR滤波数字基带处理◆CIC抽取:降低了速率,但是原则是抽取后频率为带宽2.2倍以上.◆FIR滤波:低通滤波.PresentationTitle—15Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell中频采样接收机-缺点和设计注意中频采样接收机缺点:因为ADC需要在越来越高的频率下工作,所以成本会提高,同时因为高速ADC也会引起功耗的提高.另外AD性能和动态范围要求提高.性噪比SNR非线性误差互调失真中频采样设计重点:ADC选择,带通采样ADC选择注意:采用中频采样结构优点:2.数字化之后,本振/混频/放大/滤波都仅仅是数字运算,不会产生谐波,互调等虚假信号.1.简化设计.混频器和双路ADC可以通过一个高速ADC实现模拟下变频和数字下变频的原理是一样的,但是模拟下变频中混频器的非线性和模拟本振的频率稳定度,相噪,温飘都是影响性能和不可彻底解决的问题,而这些在数字下变频中都不存在,全功率模拟带宽抗混叠滤波无杂散动态SFDRPresentationTitle—16Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell接收机结构和发展—数字上变频发射机发射端-数字上变频正交调制是一种常用的技术,在以往的通信中,一般都由模拟电路实现,由于很难保证两路载波的正交性,调制效果往往不理想,因此我们考虑用数字的方式进行正交调制.目前比较常用的数字上变频芯片(数字频率合成芯片)有ADI的AD9852,AD9856,AD9777,等32位直接数字频率合成器DDS正交数字上变频器件数字载频分别和IQ基带信号相乘在相加,即得到了数字中频信号DAC级联积分梳状滤波器(CIC)半带滤波器(HBF)采样率提高5~8倍滤除高频分量数字信号成型产生IQ两路数字载频,其频率可以由寄存器控制12bitDAC数字内插,过采样速度快TXPresentationTitle—17Allrightsreserved©2003,AlcatelShanghaiBell零中频接收机(也称直接转换型接收机或零差接收机),采用的是直接转化结构,如图所示这种接收机中LO与有用的RF信道频率相同,也就是说IF=0,即接收机IF从直流开始,这样放大和滤波都在直流处实现,而直流处只需要较低的功耗就可以获得在较高中频处相同的