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1、第一章第一章 无线通信收发机结构无线通信收发机结构无线通信系统基本模型无线通信系统基本模型无线通信系统基本模型无线通信系统基本模型信源信源发信机发信机收信机收信机信宿信宿信道媒介信道媒介干扰噪声干扰噪声信道机信道机发射端发射端接收端接收端无线发信系统无线发信系统无线发信系统无线发信系统基本结构基本结构基本结构基本结构无线收信系统无线收信系统无线收信系统无线收信系统基本结构基本结构基本结构基本结构调制调制中放中放/ /变频变频功放功放模拟电路（模拟电路（RF ）待发基带待发基带信号信号(BB)发射天线发射天线解调解调中放中放/变频变频放大放大/ /选频选频模拟电路（模拟电路（RF）输出基带输出基
2、带信号信号(BB)接收天线接收天线 无线通信系统基本模型无线通信系统基本模型& 1.1 概述概述 发送系统任务是完成基带信号对载波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。以足够的功率有效地发射出去。 RF系统主要性能指标系统主要性能指标RFRF发送系统主要性能指标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频谱纯度：减少它对相邻信道的干扰频谱纯度：减少它对相邻信道的干扰频谱纯度：减少它对相邻信道的干扰2.发射功率：保证特定通信距离发射功率：保证特定通信距离发射功率：保证特定通信距离发射功
3、率：保证特定通信距离3.系统效率：减少系统功耗系统效率：减少系统功耗系统效率：减少系统功耗系统效率：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接收系统任务是是从众多电磁波中选出有用信接收系统任务是是从众多电磁波中选出有用信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。号，经变频、放大后解调出基带信号。号，经变频、放大后解调出基带信号。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。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选择性；减少其相邻信道的干扰选择性；
4、减少其相邻信道的干扰选择性；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灵敏度；保证特定通信距离和正确解调灵敏度；保证特定通信距离和正确解调灵敏度；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无线通信系统设计中关键技术问题（1 1 1 1）选用合适的调制方式与解调措施）选用合适的调制方式与解调措施）选用合适的调制方式与解调措施）选用合适的调制方式与解调措施; ; ; ;（2 2 2 2）足够的选择性与灵敏度）足够的选择性与灵敏度）足够的选择性与灵敏度）足够的选择性与灵敏度; ; ; ;（3 3 3 3）高效率功率放大器）高效率功率放大器）高效率功率放大器）高效率功
5、率放大器; ; ; ;（4 4 4 4）发射信号的优良频谱纯度）发射信号的优良频谱纯度）发射信号的优良频谱纯度）发射信号的优良频谱纯度( ( ( (特性特性特性特性););););（5 5 5 5）良好的天线效率）良好的天线效率）良好的天线效率）良好的天线效率; ; ; ;（6 6 6 6）天线及收发信道间隔离度）天线及收发信道间隔离度）天线及收发信道间隔离度）天线及收发信道间隔离度。RFRF接收系统主要性能指标接收系统主要性能指标无线接收机的主要性能指标要求1、高增益（高灵敏度）长传输距离5、高动态范围（抗阻塞）增大覆盖面3、高选择性（邻道抑制能力）提高频率资源利用率4、低失真（线性：通带平
6、坦；非线性：杂散抑制）6、高隔离度（收发双向）2、低噪声高质量（抑制内外噪声）& 1.2 无线接收系统无线接收系统 无线接收系统设计考虑无线接收系统设计考虑选择性考虑选择性考虑1.1.1.1.选出有用信号选出有用信号选出有用信号选出有用信号( ( ( (较容易较容易较容易较容易););););2.2.2.2.抑制干扰和无用信号抑制干扰和无用信号抑制干扰和无用信号抑制干扰和无用信号( ( ( (困难困难困难困难) ) ) )。 900MHz GSM 900MHz GSM 900MHz GSM 900MHz GSM通信，信道间隔通信，信道间隔通信，信道间隔通信，信道间隔200KHz200KHz20
7、0KHz200KHz，对选频，对选频，对选频，对选频滤波器要求较高。若中频选取不当，很难抑制镜滤波器要求较高。若中频选取不当，很难抑制镜滤波器要求较高。若中频选取不当，很难抑制镜滤波器要求较高。若中频选取不当，很难抑制镜像干扰！像干扰！像干扰！像干扰！Desired Signal Channel灵敏度考虑灵敏度考虑1.1.1.1.接收微弱信号的能力接收微弱信号的能力接收微弱信号的能力接收微弱信号的能力; ; ; ;2.2.2.2.线性动态范围线性动态范围线性动态范围线性动态范围。 空间信号不但微弱，而且路径多样性，其信空间信号不但微弱，而且路径多样性，其信空间信号不但微弱，而且路径多样性，其信
8、空间信号不但微弱，而且路径多样性，其信号大小起伏变化。号大小起伏变化。号大小起伏变化。号大小起伏变化。超外差式接收机超外差式接收机单次变频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两次变频超外差式接收机零中频接收机零中频接收机低中频接收机低中频接收机镜频抑制接收机镜频抑制接收机全数字接收机全数字接收机 无线接收系统结构无线接收系统结构超外差接收机：基本思想：先将射频信号搬到中频段进行处理，然后将处理后的信号再变到低频段超外差接收机的主要优点：1、解决了载频泄露产生的影响2、中频放大易于实现高增益、低噪声和良好的频带特性3、易于实现自动增益控制（AGC）超外差接收机的主要问题：1
9、、引入了镜像频率干扰2、增加了设备的复杂性镜频干扰：镜频计算：镜像频谱只能靠接收机射频输入滤波器滤除。中频滤波器不能抑制镜频干扰。滤波器设计难度：过渡带难度系数 其值越小越难中频选择问题：中频过低，难以滤除镜频。中频过高，难以滤除邻频。镜频过渡带镜频滤波难度中频滤波难度抑制镜频和抑制邻频矛盾的解决方案：1、采用多级变频 先将射频信号变到频率较高的第一中频（镜像抑制）， 然后在将信号变到频率较低的第二中频（邻频抑制）。 2、采用镜频抑制变频电路例：例：GSMGSM下行频段下行频段935-960MHz935-960MHz，若选，若选f fIFIF= = 10MHz10MHz，试确定本振频率及干扰镜
10、频范围。，试确定本振频率及干扰镜频范围。低本振情况低本振情况低本振情况低本振情况解：高本振情况解：高本振情况解：高本振情况解：高本振情况f f f fRFRFRFRF位于频段低端，位于频段低端，位于频段低端，位于频段低端，f f f fimimimim位于频段内高端。位于频段内高端。位于频段内高端。位于频段内高端。f f f fRFRFRFRF位于频段高端，位于频段高端，位于频段高端，位于频段高端，f f f fimimimim位于频段内低端。位于频段内低端。位于频段内低端。位于频段内低端。 从上可见从上可见从上可见从上可见, , , ,若选择若选择若选择若选择f f f fIFIFIFIF=
11、10MHz,=10MHz,=10MHz,=10MHz,无论选择高本振或低本无论选择高本振或低本无论选择高本振或低本无论选择高本振或低本振时振时振时振时, f, f, f, fimimimim都位于有用信道之内都位于有用信道之内都位于有用信道之内都位于有用信道之内, , , ,无法用无法用无法用无法用BPF1BPF1BPF1BPF1滤掉滤掉滤掉滤掉, , , ,成为成为成为成为干扰信号。干扰信号。干扰信号。干扰信号。 若增大若增大f fIFIF至至70MHz70MHz，则采用高本振或低本振，则采用高本振或低本振，镜频都不会进入通信频段，故可用镜频都不会进入通信频段，故可用BPF1BPF1滤除掉滤
12、除掉, ,从而消除镜频干扰。从而消除镜频干扰。课堂练习：推导镜频范围课堂练习：推导镜频范围两级变频超外差接收机 高第一中频有利于镜频抑制，有好的信道选高第一中频有利于镜频抑制，有好的信道选高第一中频有利于镜频抑制，有好的信道选高第一中频有利于镜频抑制，有好的信道选择性择性择性择性; ; ; ; 低第二中频有利于低第二中频有利于低第二中频有利于低第二中频有利于IFAIFAIFAIFA的稳定性和降低对解的稳定性和降低对解的稳定性和降低对解的稳定性和降低对解调器的要求。调器的要求。调器的要求。调器的要求。二次变频超外差式接收机特点二次变频超外差式接收机特点1.1.第一中频第一中频第一中频第一中频IF
13、1IF1IF1IF1尽量高尽量高尽量高尽量高以便于抑制镜像干扰。以便于抑制镜像干扰。以便于抑制镜像干扰。以便于抑制镜像干扰。2.2.第二中频第二中频第二中频第二中频IF2IF2IF2IF2尽量低尽量低尽量低尽量低以便于抑制邻道干扰和以便于抑制邻道干扰和以便于抑制邻道干扰和以便于抑制邻道干扰和降低解调器难度。降低解调器难度。降低解调器难度。降低解调器难度。3.3.信道增益的大部分由信道增益的大部分由信道增益的大部分由信道增益的大部分由IFAIFAIFAIFA2 2 2 2完成。完成。完成。完成。二次变频超外差式接收机设计原则二次变频超外差式接收机设计原则零中频接收机零中频接收机数字零中频接收机零
14、中频接收的优点：1、高频载频反向泄漏造成不稳定直流输出 元器件的非理想性、空间辐射等1、简单、低成本2、无镜像干扰零中频接收的缺点：2、高频放大器增益不可能很高，滤波效果也不好。3、高增益低频放大器相对频带很宽，级联工作不理想 （ AC耦合、通频带、噪声）镜像抑制接收机设输入信号为上支路：滤波后：希尔伯特变换（-90度相移）后：镜像抑制原理镜像抑制原理下支路：滤波后：上下支路信号相加后：设镜像信号为上支路：滤波后：希尔伯特变换（-90度相移）后：镜像抑制原理镜像抑制原理下支路：滤波后：上下支路信号相加后为零（两支路相互抵消）多级变频和镜像抑制变频的比较1、多级变频第一变频主要解决镜像抑制问题，
15、第二变频主要解决邻频抑制问题。只要方案设计适当，可达到很高指标。2、镜像抑制变频从理论上讲可以不用前置滤波器，镜像抑制依靠上下支路的一致性抑制镜频（幅度一致和相位一致）。一般能提供20dB左右的镜像抑制。更高的指标需要配合前置滤波器和多级变频。&1.3 &1.3 无线发射系统无线发射系统 无线发射系统设计考虑无线发射系统设计考虑一、频谱纯度一、频谱纯度 必须满足必须满足ITUITU频谱管理规定及通信标准，避频谱管理规定及通信标准，避免对其他信道的干扰。免对其他信道的干扰。二、功率二、功率 一定的传送距离就要求发射信号必须达到一定的传送距离就要求发射信号必须达到一定的功率。一定的功率。三、效率三
16、、效率 系统效率非常重要系统效率非常重要, ,特别是移动终端设备。特别是移动终端设备。无线发射系统效率包括：无线发射系统效率包括：无线发射系统效率包括：无线发射系统效率包括：（1 1 1 1）功率放大器的效率）功率放大器的效率）功率放大器的效率）功率放大器的效率; ; ; ;（2 2 2 2）天线的发射效率）天线的发射效率）天线的发射效率）天线的发射效率; ; ; ;（3 3 3 3）信道中信号传输效率）信道中信号传输效率）信道中信号传输效率）信道中信号传输效率( ( ( (匹配匹配匹配匹配, , , ,线路损耗等线路损耗等线路损耗等线路损耗等) ) ) )。 无线发射系统结构无线发射系统结构
17、一、直接调制发射机一、直接调制发射机 调制和上变频合二为一的发射机调制和上变频合二为一的发射机调制和上变频合二为一的发射机调制和上变频合二为一的发射机BPFPA本振本振1(LO1)BB1.1.结构简单结构简单结构简单结构简单; ; ; ;2.2.收收收收/ / / /发同机时发射开断切换发同机时发射开断切换发同机时发射开断切换发同机时发射开断切换,PA,PA,PA,PA工作会对工作会对工作会对工作会对LOLOLOLO产产产产生负载牵引生负载牵引生负载牵引生负载牵引- - - -改进方法改进方法改进方法改进方法( ( ( (两两两两VCO);VCO);VCO);VCO);3.3.调制信号带宽及发
18、射频谱特性不易控制调制信号带宽及发射频谱特性不易控制调制信号带宽及发射频谱特性不易控制调制信号带宽及发射频谱特性不易控制, , , ,发射发射发射发射信号容易干扰其他信道。信号容易干扰其他信道。信号容易干扰其他信道。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特点 直接调制发射机为早期经典发射系统方案直接调制发射机为早期经典发射系统方案直接调制发射机为早期经典发射系统方案直接调制发射机为早期经典发射系统方案, , , ,主要用于主要用于主要用于主要用于AMAMAMAM、ASKASKASKASK等简单调制方式通信等简单调制方式通信等简单调制方式通信等简单调制方式通信, , , ,要求线
19、性功放要求线性功放要求线性功放要求线性功放, , , ,导致发射效率低，可导致发射效率低，可导致发射效率低，可导致发射效率低，可能发生频率牵引，邻道抑制不好。近年来随着技术的进步，复能发生频率牵引，邻道抑制不好。近年来随着技术的进步，复能发生频率牵引，邻道抑制不好。近年来随着技术的进步，复能发生频率牵引，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杂调制方式已能直接由杂调制方式已能直接由杂调制方式已能直接由LOLOLOLO产生，使这种方案焕发新春。产生，使这种方案焕发新春。产生，使这种方案焕发新春。产生，使这种方案焕发新春。IQ信源信源处理处理DSPLO/2PA匹配网络匹配网络直
20、接调制数字发射机直接调制数字发射机直接调制数字发射机特点直接调制数字发射机特点1.1.1.1.无镜像干扰无镜像干扰无镜像干扰无镜像干扰, , , , 无中频干扰无中频干扰无中频干扰无中频干扰; ; ; ;2.2.2.2.难以消除载漏、本振牵引现象难以消除载漏、本振牵引现象难以消除载漏、本振牵引现象难以消除载漏、本振牵引现象; ; ; ;3.3.3.3.两路电特性不一致时达不到预期效果。两路电特性不一致时达不到预期效果。两路电特性不一致时达不到预期效果。两路电特性不一致时达不到预期效果。 二、间接调制发射机二、间接调制发射机 调制和上变频分开的发射机调制和上变频分开的发射机调制和上变频分开的发射
21、机调制和上变频分开的发射机- - - -在较低中频上完在较低中频上完在较低中频上完在较低中频上完成信号调制成信号调制成信号调制成信号调制, , , , 再将已调信号上变频至再将已调信号上变频至再将已调信号上变频至再将已调信号上变频至RFRFRFRF频段。频段。频段。频段。间接调制发射机特点间接调制发射机特点1.1.克服直接调制发射机的缺点克服直接调制发射机的缺点克服直接调制发射机的缺点克服直接调制发射机的缺点( ( ( (负载牵引负载牵引负载牵引负载牵引, , , ,效率不高效率不高效率不高效率不高,et al);,et al);,et al);,et al);2.2.两次上变频降低了滤波器要
22、求，有助于两次上变频降低了滤波器要求，有助于两次上变频降低了滤波器要求，有助于两次上变频降低了滤波器要求，有助于复杂调制复杂调制复杂调制复杂调制; ; ; ;IQ信信 源源处理处理DSPDSPIFLOIFLO/2/2IFAIFA上变频上变频RFPRFPRFLORFLOPAPA3. 3. 3. 3. 存在变频组合干扰存在变频组合干扰存在变频组合干扰存在变频组合干扰; ; ; ;4. 4. 4. 4. 结构复杂。结构复杂。结构复杂。结构复杂。 间接调制数字发射中增加了一个中间接调制数字发射中增加了一个中间接调制数字发射中增加了一个中间接调制数字发射中增加了一个中频，两路正交调制频，两路正交调制频，
23、两路正交调制频，两路正交调制(I/Q)(I/Q)(I/Q)(I/Q)支路电特性易支路电特性易支路电特性易支路电特性易于做到一致。于做到一致。于做到一致。于做到一致。发射机的方案设计很大程度上依赖于数字处理的输出方式，大致分为两种。1、基带调制（I/Q信号为数字基带信号）基带调制的主要问题是基带信号的低频频响，一般需要直流耦合，电路设计困难。由于数字调制一般是双边带调制，因此采用直接调制比较方便。2、中频调制（I/Q信号为数字中频信号）中频I/Q信号分为两种，其调制方法有所不同两路中频信号为：继续变频需要进行单边带调制，直接变频方案实现比较困难，一般要求I/Q信号的带宽相对较小，中频载波相对较高
24、，模拟调制后需要滤波。两路中频信号为：由于Q路信号为I路信号的希尔伯特变换，因此，用正交调制器可以直接进行单边带调制。这样，直接变频方案比较简洁。但注意实际上由于器件的非理想性，镜频抑制也只能做到20dB左右。1.4 集成收发系统结构 集成收发机包括了接收机和发射机，下图展示了一种超外差式收发机。超外差式收发机结构 通常情况下，收发机只需一个本振，接收机和发射机共用。同样，天线也只需要一个。当超外差式收发机结构工作在接收模式时，接收链路开通，而发射链路关闭；当超外差式收发机结构工作在发射模式时，发射链路开通，而接收通路关闭。1.5 典型应用的集成收发机 目前，单片集成收发机的研究热点频段主要集
25、中于ISM频及专用于GSM,TD-SCDMA,PHS,UWB等通信系统的频段。1.5.1 GSM收发机GSM系统主要参数1.5 典型应用的集成收发机 下面简要介绍一个用0.25umCMOS工艺实现的低功率GSM-900收发机。这种接收机采用二次变频超外差式结构，中频为71MHz。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，其结构如图所示：GSM收发机的结构框图1.5 典型应用的集成收发机接收机的性能测试结果1.5 典型应用的集成收发机发射机的性能测试结果1.5 典型应用的集成收发机1.5.2 应用于无线局域网的收发机 目前无线局域网发展十分迅速，与之相关的标
26、准也有很多种，如IEEE802.11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的HiperLAN2等。无线局域网标准比较1.5 典型应用的集成收发机 下面介绍一种典型的WLAN集成收发机，该芯片可以工作在.15-5.35GHz和2.4-2.5GHz两个频段，采用0.25umCMOS工艺制造。接收机的噪声系数在2.4GHz下为3dB，在5GHz下3.8dB。其结构如图所示：收发机框图1.5 典型应用的集成收发机 测试结果1.6 集成收发机的发展趋势 高集成度：随着集成电路技术的进步，单片集成数字、模拟和射频功能成为了芯片发展的趋势。 高工作频率：随着工艺特征尺寸的不断降低，器件的特征频率和最高振荡频率不断提高，使得集成收发机的工作频率越来越高。 低工作电压和低功耗：随着无线通信技术的进一步发展，在电池供电的限制条件要求收发机可以工作在更低的工作电压下，消耗的功率越小越好。 低成本：低成本是单片集成收发机走向商业应用的基本要求。
