无线通信中射频收发机结构及应用课件.ppt
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1、2023/3/10,1,第一单元 射频和无线技术简介,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,2023/3/10,2,一、课程内容简介,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,2023/3/10,3,一、课程内容简介,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
2、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,2023/3/10,4,一、课程内容简介(续),主要参考书射频通信电路(第二版),陈邦媛著,科学出版社,2006 CMOS射频集成电路设计 Thomas H.Lee著,余志平 周润德等译,2006年,射频微电子学,2023/3/10,5,一、教学内容及时间安排11 无线收发信机射频前端功能和特性12 射频电路在系统中的作用与地位13 射频电路与微波电路和低频电路的关系131 频段划分132 电路的设计考虑14 集成收发系统结构15 典型应用的集成收发信机151 GSM收发机152 应用于无线局域网的收发机153 应用于
3、无线传感器网络的低功耗收发机154 应用于WCDMA16 无线通信及射频电路技术发展趋势17 射频电路基础171 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,2023/3/10,6,11 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。,2023/3/10,7,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
4、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。,11 无线收发信机射频前端功能和特性,2023/3/10,8,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。,图12接收机结构图,11 无线收发信机射频前端功能和特性,2023/3/10,9,12射频电路在系统中
5、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(AD)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。,射频通信系统示意图,11 无线收发信机射频前端功能和特性,2023/3/10,10,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
6、去。,射频前端方框图,11 无线收发信机射频前端功能和特性,2023/3/10,11,3、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110V220V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IEC6100044(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GBT13926492工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电
7、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。,13 射频电路与微波电路和低频电路的关系,2023/3/10,12,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VUHF、L、S、C、X、Ku、K、Ka、EHF等频段。卫星常用频段如表2所示。,表2 卫星频率常用频段,13 射频电路与微波电路和低频电路的关系,2023/3/10,13,3电磁频谱,2023/3/10,14,3电磁频谱,2023/3/10,15,射频(Radio Frequency)/微波(Microwave)无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。,202
8、3/3/10,16,3电磁频谱,2023/3/10,17,2023/3/10,18,2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45GHz(S频带)为射频频段。,13 射频电路与微波电路和低频电路的关系,2023/3/10,19,IEEE和工业用微波波段的定义,13 射频电路与微波电路和低频电路的关系,20
9、23/3/10,20,132 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:,2023/3/10,21,2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
10、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。,2023/3/10,22,14 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。,超外差式收发机结构,2023/3/10,23,151 GSM收发机,15 典型应用的集成收发信机,表13G
11、SM-900和GSM1800的主要参数,GSM-900和GSM1800的主要参数,2023/3/10,24,GSM收发机的结构框图,15 典型应用的集成收发信机,2023/3/10,25,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(Phase Shifter),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。152 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
12、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。,15 典型应用的集成收发信机,2023/3/10,26,152 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Prism Duette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
13、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。,15 典型应用的集成收发信机,2023/3/10,27,目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较,2023/3/10,28,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5.155.35GHz和2.42.5GHz两个频段,同时满足IEEE802.11 a/b/g 三种标准,采用0.25mCMOS工艺制造。中心频率为3
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