无线通信系统和收发信机结构.ppt

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1、射频集成电路设计基础讲义,东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒,Nov-4,2002,无线通信系统和收发信机结构,Q 概述Q 混频：更数学地看问题Q 无线接收机*超外差(Super-heterodyne)结构*零中频接收机*镜像抑制接收机*低中频结构*二次变频宽中频接收机,Q 无线发射机Q 附录*镜像抑制混频原理推导,Q 参考文献,1 of 28概述接收机或发射机是一个系统，系统级的设计和优化具有更重要的意义决定总体大小、功耗、性能协调各电路模块，确保达到指标收发机(Transceiver)结构对电路设计的影响片外元件的数量和种类电路的复杂度各级电路的工作频率、增益、噪声系数、线性度、功耗

2、收发机结构对集成度和成本的影响PCB 线路的复杂度片外元件，尤其是高 Q 值滤波器、谐振器的费用元件安装(焊接)的成本电路调试的费用,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 概述,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 概述,2 of 28,中频(Intermediate Frequency),我们已经知道了无线通信中使用高频载波来传输信号的必要性，现在来看一下 接收信号时降低频率的必要性射频信道选择的困难,即使可以达到这么高的 Q 值，滤波器通带内的损耗和带外(相邻信道)的衰减 也将带来极大的问题数字信号处理技术可以实现近乎理想的滤波器，但是直接在射频频率进行数 模转换并

3、不现实因此，射频滤波器只能用作整个系统频段的选择，滤除频段外的干扰，信道 的选择(模拟或数字滤波)需要在较低的频率(中频)进行中频频率的选择镜像频率和镜频抑制(Image Rejection)邻信道干扰和选择性(Selectivity)避开其它干扰(如某些时钟和参考信号及其谐波频率),200 kHz,对于 GSM 系统，Q 9-M-H-z-=4500,3 of 28,混频：更数学地看问题,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题,(1),(2a),(2b),但是复信号可能只存在单边频率分量，例如,(3a),(3b),实信号的 Fourier 变换：正负频率分量同时

4、存在且互为共轭，即xt Xj Xj=Xj例如,2,11,2,cosct-+c+-c,j,j,22,sin ct-+c-c,ejct,=cos ct j sin ct,c,ejct+,4 of 28,混频：时域相乘=频域卷积=频谱搬移,上变频：基带 射频,xt,cosct,xt cos ct,c,c,c,c,Xj,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题,5 of 28,下变频：射频 基带,cosLOt,LO,LO,LO,LO,IF,IF,RF,IF,c,c,IF,c LO=IF,IF,IF,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题,6

5、 of 28,镜像频率,cosLOt,LO,LO,c,c,LO,IF,IF,RF+IMG,IF+Interference,IFIF,LOIF,LOIF,IF,IF,LO IF,IF,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题,7 of 28,复混频 1,ejLOt,LO,c,c,LO IF,IF,xt,yI t+jyQt,cosLO t,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题,LO,sint,yI t,xt,090,cosLO t,yQ t,I:In-phase,同相Q:Quadrature,正交,8 of 28,复混频 2,cosc

6、t j sin ct,LO,c,LO IF,IF,yI t+jyQt,LO,cost,sinLO t,yI t,xI t,yQ t,xIt+jxQt,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 混频：更数学地看问题,xQ t,yIt=xIt cos ct+xQtsinctyQt=xQtcosct xI t sin ct,cosLO t,9 of 28,无线接收机,接收机概述,BB,在不造成接收机线性度恶化的前提下提供一定的增益，抑制后续电路噪声射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 无线接收机,LORF Filter 1选择工作频段，限制输入带宽，减少互调(IM)失真抑制杂散(

7、Spurious)信号，避免杂散响应减小本振泄漏，在 FDD 系统中作为频域双工器LNA,LNA,RF Filter 2,IF FilterInjection Filter,RF Filter 1,Mixer,IF AMP,通常需要较大的增益并实现增益控制,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 无线接收机,10 of 28,RF Filter 2,抑制由 LNA 放大或产生的镜像干扰进一步抑制其它杂散信号减小本振泄漏Mixer下变频器接收机中输入射频信号最强的模块，线性度极为重要，同时要求较低的噪声Injection Filter滤除来自本振的杂散信号IF Filter抑制相邻信道

8、干扰，提供选择性滤除混频器等产生的互调干扰如果存在第二次变频，需要抑制第二镜频IF Amplifier将信号放大到一定的幅度供后续电路(如模数转换或解调器)处理,11 of 28,超外差(Super-heterodyne)结构,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 超外差(Super-heterodyne)结构,使用混频器将高频信号搬到一个低得多的中频频率后再进行信道滤波、放大和 解调解决了高频信号处理所遇到的困难。依靠周密的中频频率选择和高品质的射频(镜像抑制)和中频(信道选择)滤 波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范 围，因此长久以来成为了高性能

9、接收机的首选。多次变频为了获得更高的灵敏度和选择性，有时需要通过 2 次或更多次变频，在多个中 频频率上逐步滤波和放大。本振频率的选择本振频率可以高于(High-side Injection)或低于(Low-side Injection)信号频率，这 取决于所引入镜像干扰的大小和振荡器设计的难易程度。一般来说低频的振荡 器可以获得更好的噪声性能，但是较小的变频范围。,12 of 28,偶次失真与半中频(Half-IF)干扰,本振与干扰的 2 次谐波相混频,本振与干扰信号混频后经过二次失真,LO,IF,RF,-2,如果超外差接收机的射频放大器、混频器等电路存在二次失真，将会引起所谓 的 Half

10、-IF 问题IFIF,-2,RF+LO,-2,IF/2,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 超外差(Super-heterodyne)结构,RF+LO,2,2LO 2,-=LO RF,=IF,2,2LO-,RF+LO,IF,-=22,-=IF,13 of 28,零中频接收机,最自然、最直接的实现方法不存在镜像频率不需要镜频抑制滤波器信道选择只需低通滤波器问题在于 0Hz 附近很不安全直流偏移(DC offset)低频噪声(1/f noise)直流偏移的成因元件失配电路的非线性(IP2)自混频(Self-mixing),Offset,LO Leakage,ADC,射频集成电路设计基

11、础 无线通信系统和收发信机结构 零中频接收机,LNA,LPF,LPF,090,ADC,14 of 28,直流偏移的消除(DC offset cancellation),使用交流耦合(AC-coupling),射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 零中频接收机,15 of 28,谐波混频(Harmonic mixing),偏移量的估算和扣除(TDMA 系统)提高电路的 IP2(差分结构)DSP 补偿,RF-,Q3,IEE,iC1iC2iC3iC4Q1Q2Q4RF+vLOIEE,x3x5,-,(for small x),tanh x x+310 sgn x,(for large x),

12、i=iC1+iC3 iC2+iC4=iC1 iC2+iC3 iC4,LORF,2VT,LORF,2VT,v v 2 v,+v 2,tanh-tanh-,=IEE,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 零中频接收机,16 of 28,镜像抑制接收机,Hartley image-reject receiver,90 移相：Hilbert Filter,90,A,B,C,sin LO tcosLO t,vin,vout,90,j,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制接收机,j,H=j sgn,LO,c,c,LO,LO,LO,17 of 28j,j,IF,IF,j,j

13、,j,j,1,1,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制接收机,IF,IF,18 of 28,Weaver image-reject receiver,2,cos t,A,Csin 2t,sin 1t cos 1t B,D,vin,vout,j,j,j,j,A,B,1,1,C,D,1,1,IF1,IF1,IF2,IF1+2,2,2,2,2,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制接收机,19 of 28,低中频结构,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 低中频结构,具有与零中频结构类似的优点，同时避免了 DC 附近的问题要求很高的镜频抑制比，需

14、要结合使用抑制镜频的变频结构和额外的镜 频抑制措施镜频陷波滤波器(notch filter)多相滤波器(poly-phase filter)数字滤波,20 of 28,二次变频宽中频接收机,第一本振为固定频率，整个信号 频段被搬移到第一中频；第二本 振可变，完成调谐功能；第二中 频为 0 中频，使用低通滤波器选 择信道。与零中频接收机相比，直流漂 移和本振泄漏都可以获得较为满 意的解决。固定频率的第一本振和低频的 第二本振使振荡器和频率合成器 的相位噪声可以获得改善。,但是第二本振频率较低，要获得大变频范围较为困难。同时由于第一中频处 没有信道选择滤波，所有信道均被放大后进行第二次变频，相邻信

15、道的干扰较 为严重，因此对动态范围要求有所提高。最后，该结构使用两次复混频，镜频干扰基本解决。,cosLO1 t sin LO1 t,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 二次变频宽中频接收机,yI1 t,xt,yQ1 tcosLO2 t,LO2,sint,I2,yt,yQ2 t,LO2,cost,21 of 28,LO1,RF,RF,LO1,IF1,IF1,LO2,LO2,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 二次变频宽中频接收机,IF2,22 of 28,无线发射机,直接上变频(Direct-conversion),结构简单功放对本振形成干扰(LO pulling

16、or injection locking)本振频率可以通过加减一个偏移量来获 得，从而避免 LO pulling,I,0,90Q,Matching Network,PA,LO,f,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 无线发射机,1,f,fLO=f1f,23 of 28,超外差式,I,Q,90,PA,LO2功放与本振之间具有良好的隔离度第一本振频率较低，可以达到较高的调制质量复杂度较高直接数字调制,0LO1,Frequency Synthesizer,Baseband Digital Signal,PA,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 无线发射机,24 of 28

17、,附录一：镜像抑制混频原理推导,Hartley 结构,90,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导,A,B,C,LPFsin LOt cos LOtLPF,vin,vout,vinIF,=ARF cosRF t+AIMG cos IMGt，不失一般性，假设 LO RF 即=RF LO=LO IMG,于是图中 A 点和 B 点的信号分别为,ARFAIMG,22,vA=-sin LOt RFt+-sin LOt IMGt,ARF,2,AIMG,2,=-sin IFt+-sin IF t,this step is important!,射频集成电路设计基础 无线通信系

18、统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导,25 of 28,最后在输出端有,由于镜像干扰所得到的中频信号被抵消了。,vB=-cos LOt RFt+-cosLOt IMGt,=-cosA 点的信号经过 90 相移以后在 C 点变成,vC,2,ARFAIMG,2,=-cos IFt-cosIFt,vout,=vC+vB=ARF cos IFt,26 of 28,Weaver 结构,LPFsin 1t cos 1tLPF,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导,2,cos t,A,B,Csin 2t,D,vin,vout,假设 IF1=RF 1=1 IMG，IF=IF

19、1 2=RF 1 2，且1 2，vin=ARF cosRF t+AIMG cos IMGt，则在 A 点和 B 点,ARF,2,AIMG,2,vA=-sin IF1t+-sin IF1t,vB,ARF,2,AIMG,2,=-cos IF1t+-cosIF1 t,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 镜像抑制混频原理推导,27 of 28,在 C 点和 D 点有,我们看到由镜像干扰所得到的中频信号,号的中频则顺利通过。在输出信号中仍然有镜像干扰引起的分量,ARF,4,ARF,4,AIMG,4,AIMG,4,vC=-cosIF1 2 t+-cosIF1+2 t+-cosIF1 2 t-

20、cosIF1+2 t,ARF,4输出信号为,ARF,4,AIMG,4,AIMG,4,vD=-cosIF1 2 t+-cosIF1+2 t+-cosIF1 2 t+-cosIF1+2 t,vout,ARF,2,IF,AIMG,2,IF1,2,+t,t+-cos,=vD vC,=-cos,A,IMG,4,-,-,cosIF1 2 t 受到了抑制，而有用信,A,IMG,2,-,-,cosIF1+2 t，但它的频率比中频 IF1 2 高，若本振频率选择适当，这一分,量可以被滤除因为这一结构实际上进行了两次变频，输入信号中在 22 RF+21 频率附近 的干扰经过第一次变频后被搬移到 22 RF+1，从

21、而成为第二次变频时的镜像干扰，因此必须在第二次变频前予以滤除,28 of 28,参考文献,射频集成电路设计基础 无线通信系统和收发信机结构 参考文献,1Behzad Razavi,RF Microelectronics,Chapter 5.2Shahriar Mirabbasi and Ken Martin,“Classical and Modern Receiver Architectures”,IEEE Communications Magazine,pp.132-139,Nov.2000.3T.Lee,The Design of CMOS Radio Frequency Integrated Circuits,Chapter 18.,