无线通信系统和收发信机结构

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

• 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
IF
----
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iC1 iC2
iC3 iC4
Q1 Q2
QQ43
RF+
vLO
IEE
IEE
i = iC1 + iC3 – iC2 + iC4 = iC1 – iC2 + iC3 – iC4
RF-
=
IEE
t-a--n-h--v--v--L--O------2–---V-v--T--R--F--------2-------------------------L-O--2+–VvTtRaFnh

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• 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
» 对于 GSM 系统，Q 9-----------M-----
-H----z-- = 4500
– 上变频：基带 射 频
xt
xt cos ct
Xj
cosct
c

c

c

c

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– 下变频：射频 基带
RF
IF
c – LO = IF
cosLOt
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c

c
IF
LO

LO

IF
LO
LO
IF
IF IF
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RF+IMG
– 镜像频率
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IF+Interference
cosLOt
– 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
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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

镜像抑制接收机
• Hartley image-reject receiver
vin
– 90 移相：Hilbert Filter
90
sin LO t
cosLO t
90 A B
C

vout
j

j
H = –j sgn
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机
»如果存在第二次变频，需要抑制第二镜频
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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。
cos LOt
yIt = xIt cos ct + xQtsinct yQt = xQtcosct – xI t sin ct
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无线接收机
• 接收机概述
LNA RF Filter 1
Mixer
IF AMP BB
RF Filter 2
IF Filter
Injectio n Filter
LO
– RF 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 (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
– 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 )
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混频：更数学地看问题
200 kHz
» 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
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。
xt
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

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 –射 述频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 概
c

c
LOIF LOIF
IF IF
IF IF LO
LO IF
IF
LO

LO

IF IF
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– 复混频 1
xt
yI t + jyQt
2-----L-O---–-----R--F-+-2----L-O-- = 2--2I-F-----IF=
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零中频接收机
• 最自然、最直接的实 现方法
2
tanh x x – x--3--+- -x-5 +
3
----10
(for small x)
sgn x
(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
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但是复信号可能只存在单边频率分量，例如
e–jct = cos ct – j sin ct
(3a)
e–jct + c
பைடு நூலகம்
(3b)
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• 混频：时域相乘 = 频域卷积 = 频谱搬移
»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
»» 抑通常制需要相较大邻的信增益道并实干现扰增益，控制提供选择性
»滤除混频器等产生的互调干扰 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
LPF
ADC
LPF
ADC
Offset
• 直流偏移的消除 (DC offset cancellation)
– 使用交流耦合 (AC-coupling)
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– 谐波混频 (Harmonic mixing)
xt
e–jLOt
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
yI t cosLO t
0 90
cosLO t
– sinLOt yQ t
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c

c
LO


LO IF
IF
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1
A j
– Weaver image-reject receiver
vin
A sin 1t cos 1t
B
C
sin cos2t 2t
D


vout

j
C 1
1
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j
B

2 IF1
j

2
1 1
D
---IF-
--
--
-
-
2
2
RF
---R-F--+----L-O-