无线发射机
• 直接上变频 (Direct-conversion)
I
0 LO
90 Q
PA
Matching Network
2
2
RF -----R--F----+---------L--O--
LO
IF/2 IF
2
– 本振与干扰的 2 次谐波相混频
2LO
–
2
-----R---F----+---------L---O2
=
LO – RF
=
IF
– 本振与干扰信号混频后经过二次失真
2LO – -----R---F----+2---------L---O- = 2---2--I-F- = IF
概述
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• 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
yIt + jyQt
cosct – j sinct
xIt
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cos LO t yIt
– sin LO t
LO
c
LO IF IF
xQt
yQt
cos LOt
yIt = xItcos ct + xQt sinct yQt = xQt cosct – xIt sinct
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=
IEE
tanh
-v---L---O-----2–----V-v---TR----F-------2
–
tanh --v---L---O------2+---V--v--T-R----F------2
RF-
tanhx x – x---3- + -x---5- + 3 10
(for small x)
《射频集成电路设计基础》讲义
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
东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒, Nov-4, 2002
xt
e–jLOt
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
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yIt cos LOt
0 90
cosLO t
– sin LOt yQt
c
c
LO
LO IF IF
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– 复混频 2
xIt + jxQt
sgnx
(for large x)
– 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
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
镜像抑制接收机
• Hartley image-reject receiver
90 A
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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接收机的首选。
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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)
– 使用交流耦合 (AC-coupling)
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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
– 谐波混频 (Harmonic mixing)
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iC1 iC2
iC3 iC4
Q1 Q2 RF+
Q3 Q4
vLO
IEE
IEE
i = iC1 + iC3 – iC2 + iC4 = iC1 – iC2 + iC3 – iC4
– sin LO1 t
– sin LO2t
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
yQ1t cos LO2 t
yQ2t
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，相邻信道的干扰较
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• 偶次失真与半中频 (Half-IF) 干扰
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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-IF 问题
-----I-F-
-----I-F-
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
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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
cos LO2t
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
yI1t
yI2t
择信道。
xt
cos LO1 t
与零中频接收机相比，直流漂
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
1
– Weaver image-reject receiver
A j
vin
sin 1 t cos 1t
A B
C
sin 2 t cos 2t
vout
D
j
C 1
1
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j
B
2 IF1
j
2
1 1
D
2 IF1
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
C
vin
sin LOt
cos LO t
vout
B
– 90 移相：Hilbert Filter 90
j
j
H = –j sgn
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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
c
c
LO
LO
IF IF
j LO
j
LO
j j
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jj1源自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 > 概述
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混频：更数学地看问题
• 实信号的 Fourier 变换：正负频率分量同时存在且互为共轭，即
xt Xj
Xj = X–j
(1)
例如
cosct -21- + c + -12- – c
(2a)
sinct -2j- + c – -2-j – c
• 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
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• 中频 (Intermediate Frequency)
» 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 )
– LNA
» 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
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– 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
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无线接收机
• 接收机概述
LNA
Mixer
IF AMP BB
RF Filter 1
RF Filter 2
IF Filter
Injection Filter
LO
– RF Filter 1