清华大学微电子学研究所
Mar. 10, 2010
射频前端系统结构
池保勇 清华大学微电子学研究所设计室
参考书：池保勇等编，《CMOS射频集成电路分析 与设计》， §7 与设计
提要
接收机射频前端的系统结构
超外差式接收机 镜像抑制接收机 零中频接收机 低中频接收机 低中 接收机 其它接收机结构
Naquist带通采样定理指出，一个中心频率为fc、带宽为Δf的 带通信号，可以用一个采样率为 带通信号，可以用 个采样率为fs > 2Δf的采样电路进行采样 ，而不损失任何信息 高线性度、高集成度、系统结构简单 引入很大的噪声，严重影响接收机的性能
超宽带接收机
超宽带：（瞬时带宽大于中心频率的20%或 者大于500MHz）
提高射频前端的二阶交调性能
通过自动校准来提高下变频器的二阶交调性能
存在的问题 直流失调（续） 存在的问题：直流失调（续）
原因之四： 之 1/f噪声
C CMOS OS工艺在低频下的1/f / 噪声很大
消除直流失调的措施
射频前端和后级的基带模块之间加入一个 截止频率很低的高通滤波器
消除直流失调的措施（续）
存在的问题 直流失调（续） 存在的问题：直流失调（续）
原因之一：本地振荡信号泄漏
本振信号通路与射频信号通路之间可以通过寄 生电容或者衬底等方式耦合 本振泄漏到天线中并通过天线辐射返回
存在的问题 直流失调（续） 存在的问题：直流失调（续）
原因之二：射频信号到本地振荡信号通路的 漏 泄漏
总结
接收机射频前端的系统结构
超外差式接收机 镜像抑制接收机 零中频接收机 低中频接收机 低中 接收机 其它接收机结构
发射机射频前端的系统结构
超外差式接收机存在的主要问题
中频频率选择： 为了减轻对镜像抑制滤波器的 要求 要求，可以将固定中频频率提 以将固定中频频率提 高，以加大镜像信号与有用信 号之间的频率间隔 减缓对滤 号之间的频率间隔，减缓对滤 波器抑制率的要求 中频频率提高后，后续处理模 块（如模数变换器）的工作频 率就提高了，后续模块的设计 将变得比较困难 可以通过增加一级或者多级下 变频 将信 的频率 变频器将信号的频率进一步降 步降 低（多级超外差式接收机）， 但这会增加电路规模和片外元 件数目，提高系统成本
超外差式接收机存在的主要问题
镜像抑制问题
镜像信号与本地振荡信号混频后所产生的信号经中频滤波 后 也位于中频频率fIF 处。该信号叠加在有用中频信号上 后，也位于中频频率 处 该信号叠加在有用中频信号上
，直接对有用中频信号造成干扰，并且不可被清除
镜像信号的能量大小是不可预知的，在比较差的接收环境 镜像信号的能量大小是不可预知的 在比较差的接收环境 中，镜像信号的能量可能比有用信号的能量高几十分贝 下变频前抑制镜像信号 镜像抑制滤波器 带通滤波器，通带中心频率与有用信号频率相同，而镜 带通滤波器 通带中心频率与有用信号频率相同 而镜 像频率位于阻带范围内，阻带衰减率就是对镜像信号的 抑制率 在恶劣接收环境中镜像信号的抑制率要达到60-70dB 高的品质因子（50甚至更高）、很高的阶数（甚至到6 阶），而且其中心频率还应是可调的难以集成
低中频接收机实例
提要
接收机射频前端的系统结构
超外差式接收机 镜像抑制接收机 零中频接收机 低中频接收机 低中 接收机 其它接收机结构
发射机射频前端的系统结构
超再生式接收机
结构简单 OOK调制 低速率 低功耗
超再生式接收机实例
超再生式接收机实例（续）
亚采样接收机 采样接收机
直流失调消除电路（1）
直流失调消除电路（ 直 消除 2）
消除直流失调的措施（续）
利用成熟的数字信号处理技术来确定直流失调的大小，并将 结果反馈回模拟前端来消除直流失调
TDMA系统中，接收机在某些时隙中处于空闲转态，利用空 系统中 接收机在某些时隙中处于空闲转态 利用空 闲时隙对直流失调进行采样并存储，在接收机工作时，将接 收到的基带信号和存储的直流失调信号相减 消除直流失调 收到的基带信号和存储的直流失调信号相减，消除直流失调
超外差式接收机存在的主要问题
相邻信道干扰问题 邻信道
中频信道选择滤波器
信道之间的频率间隔小 滤波器的转换带窄 高的品质因子（50） 大的阶数（8或者10） 难以集成
超外差式接收机存在的主要问题
缺点综述：
需要多个外接的高性能滤波器 采用外接滤波器，不仅降低了集成度，提高了 产品成本 而且由于采用外接元件 使整个系 产品成本，而且由于采用外接元件，使整个系 统的稳定性大大降低 驱动这些外部低阻抗的元件需要消耗很大的功 耗，工作频率越高，功耗越大 外接元件和集成芯片之间的隔离也是一个大的 外接元件和集成芯片之间的隔离也是 个大的 问题
发射机射频前端的系统结构
镜像抑制接收机
镜像抑制接收机：Weaver结构
正交Weaver接收机
镜像抑制接收机的镜像抑制率
两个支路的幅度不匹配与相位不匹配
I、Q支路不匹配校准
提要
接收机射频前端的系统结构
超外差式接收机 镜像抑制接收机 零中频接收机 低中频接收机 低中 接收机 其它接收机结构
超外差式接收机存在的主要问题
半中频问题：Half IF
产品实例
提供I、Q输出的超外差接收机
第二级变频器采用正交下变频结构 第 变 采 交 变 结构 基带处理电路可以采用复杂的调制、解调方案
提要
接收机射频前端的系统结构
超外差式接收机 镜像抑制接收机 零中频接收机 低中频接收机 低中 接收机 其它接收机结构
I、Q支路不匹配自动在片校准 支 自 在 校准
射频部分镜像抑制性能受限 －－解决方案（续）
射频带通滤波 器来抑制镜像 信号
射频部分镜像抑制性能受限 －－解决方案（续）
无源多相滤波 器来抑制镜像 信号
中频处理模块
复带通滤波器来抑制位于正频率处的镜像信号
复带通滤波器能抑制镜像信号和带外的其它信号 ，降低了对模数变换器动态范围的要求，使得模 数 换 很容 实现 数变换器很容易实现 复带通滤波器采用模拟电路实现，实现精度不能 准确控制，电路性能会受到 定程度的影响 准确控制，电路性能会受到一定程度的影响
集成度受到 镜像抑制滤 波器的影响
不干扰其它 信道的信号
直接上变频发射机
I、Q支路不匹配导致有限的镜像抑制率 本地振荡信号对射频信号的干扰以及频率牵引效应
加大提供本地振荡信号的锁相环的环路带宽，使锁相环对外来干扰 具有很好的抑制作用 采用与载波频率不同的本地振荡信号频率，通过倍频或者分频得到 与载波频率相同的本振
超宽带接收机：脉冲型
超宽带信号由受信息调制的短周期脉冲组成
超宽带接收机：多带型（MB-OFDM)
跳频来扩展频谱
提要
接收机射频前端的系统结构
超外差式接收机 镜像抑制接收机 零中频接收机 低中频接收机 低中 接收机 其它接收机结构
发射机射频前端的系统结构
超外差式发射机
超外差式发射机
存在的问题 直流失调（续） 存在的问题：直流失调（续）
原因之三：接收机射频前端的偶数阶非线性
偶数阶谐波
系统的传输特性
偶数阶交调
输入信号
存在的问题：直流失调（续）
二阶非线性：
低噪声放大器的二阶非线性造成的直流失调通过寄生 电容耦合或者衬底耦合泄漏到基带 下变频器的二阶非线性造成的直流失调则直接叠加到 基带信号上，下变频器的二阶非线性所造成的影响更 大 射频模块非线性所产生的谐波与本地振荡信号所产生 的谐波在下变频器中混频后，也会产生直流失调，但 由于谐波的频率越高 能量就越弱 由于谐波的频率越高，能量就越弱，一般可忽略这些 般可忽略这些 谐波所造成的直流失调的影响 二阶交调所产生的低频项可能与有用基带信号的频率 相同，而且也会随时间变化，一般的消除直流失调的 方法并不能消除这些低频项的影响
存在的问题 I、Q支路不匹配 存在的问题：
相位和幅度不匹配，镜像抑制性能下降 相位和幅度不匹配 镜像抑制性能下降
镜像信号是有用信号本身，镜像抑制率：>25dB 不匹配随时间的变化很缓慢：采用数字电路或模 拟电路对I、Q支路进行校准
存在的问题 直流失调 存在的问题：直流失调
下变频器及后面各模块引入的直流失调成 分将直接叠加在有用信号 分将直接叠加在有用信号上，对有用信号 对有用信号 造成干扰 这些直流失调成分的能量可能比有用信号 强很多，会淹没有用信号，并使得后面的 各级处理模块出现饱和 直流失调是阻碍零中频接收机广泛应用的 一个主要因素
发射机射频前端的系统结构
超外差式接收机
超外差式接收机是应用最广泛的 超外差式接收机是应用最广泛的一种系统 种系统 结构，它的基本原理是将从天线接收到的 高频信号经放大和下变频后转换为 固定 高频信号经放大和下变频后转换为一固定 的中频信号，然后进行进一步下变频或者 直接进行解调 直接进行解
锁相环为基础的发射机结构
锁相环为基础的发射机结构
PLL must tb be fast f t enough h to t follow f ll the th modulation, d l ti but also slow enough to suppress the high-frequency phase noise. noise A trade-off The reference frequency is constant
低频处理模块要能抑制位于正频率处的镜像信号
将镜像抑制问题由射频转移到比较低的中频，缓解了实 现压力高集成度 下变频后的信号不位于基带，避免了直流失调问题
射频部分镜像抑制性能受限因素
本振信号I、Q支路的幅度和相位不匹配 射频信号I、Q支路的幅度和相位不匹配