东南大学射频讲议——收发信机——【射频精华】
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– 射频信道选择的困难
» 对于GSM系统，Q ≈ 9-2--00--00--M--k--HH--z-z----=----4500 » 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
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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
x(t) ↔ X(jω)
(1)
X(jω) = X∗(–jω)
例如
Βιβλιοθήκη Baidu
cos(ω ct) ↔ -12-δ(ω + ω c) +--12δ(ω – ω )c
(2a)
sin(ω ct) ↔--2jδ(ω + ω c) – --2jδ(ω – ω )c
yI(t) = xI(t) cos(ω ct) + x Q(t) sin(ω ct)
ω
yQ(t) = xQ(t) cos(ω ct) – x I(t) sin(ω ct)
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
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无线接收机
• 接收机概述
» 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
概述
1 of 28
• 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
• 收发机结构对集成度和成本的影响
LNA
Mixer
IF AMP
BB
RF Filter 1
RF Filter 2
IF Filter
Injection 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
−ωc
0
ωc
ωIF
−ωLO
0
ωLO
IF
cos( ωLOt )
−ωIF 0
ωLO
ω
−ωLO
0 ωIF
ω
−ωIF 0 ωIF
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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 > 混频：更数学地看问题
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– 镜像频率 RF+IMG
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IF+Interference
(2b)
但是复信号可能只存在单边频率分量，例如
e–jωct = cos(ω ct) – j sin(ω ct)
(3a)
e–jωct ↔ δ(ω + ωc)
(3b)
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
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• 混频：时域相乘 = 频域卷积= 频谱搬移
– 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)
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
– 上变频：基带→ 射频
x(t)
X(jω) 0
cos( ωc t ) ω
−ωc
−ωc
0
ωc
ω
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x(t) cos(ωct)
0
ωc
ω
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
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– 下变频：射频→ 基带 RF
ωc – ωLO = ω
IF
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 )
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
– 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
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– 复混频2
xI(t) + jxQ(t)
yI(t) + jyQ(t)
cos(ω ct) – j sin(ω ct)
xI(t)
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cos( ωLOt ) yI(t)
−
–sin(ωLOt)
−ωLO
0
ωc
ω
xQ(t)
cos( ωLO t)
yQ(t)
−ωLO −ωIF 0 ωIF
» 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 » 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
yI(t) + jyQ(t)
x(t)
–jωLOt
e
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
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yI(t) cos( ωLOt )
0° 90°
cos( ωLO t)
–sin (ωLOt) y (t) Q
−ωc
0
ωc
ω
−ωLO
0
ω
−ωLO −ωIF 0 ωIF
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−ωc
0
ωc
−ωLO+ωIF ωLO−ωIF
ωIF ωIF
cos( ωLOt )
−ωIF 0 ωIF ωLO ω
−ωLO −ωIF 0 ωIF
−ωLO
0
ωLO
ω
−ωIF 0 ωIF
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– 复混频1
x(t)
» 对于GSM系统，Q ≈ 9-2--00--00--M--k--HH--z-z----=----4500 » 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
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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
x(t) ↔ X(jω)
(1)
X(jω) = X∗(–jω)
例如
Βιβλιοθήκη Baidu
cos(ω ct) ↔ -12-δ(ω + ω c) +--12δ(ω – ω )c
(2a)
sin(ω ct) ↔--2jδ(ω + ω c) – --2jδ(ω – ω )c
yI(t) = xI(t) cos(ω ct) + x Q(t) sin(ω ct)
ω
yQ(t) = xQ(t) cos(ω ct) – x I(t) sin(ω ct)
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无线接收机
• 接收机概述
» 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
概述
1 of 28
• 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
• 收发机结构对集成度和成本的影响
LNA
Mixer
IF AMP
BB
RF Filter 1
RF Filter 2
IF Filter
Injection 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
−ωc
0
ωc
ωIF
−ωLO
0
ωLO
IF
cos( ωLOt )
−ωIF 0
ωLO
ω
−ωLO
0 ωIF
ω
−ωIF 0 ωIF
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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 > 混频：更数学地看问题
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– 镜像频率 RF+IMG
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IF+Interference
(2b)
但是复信号可能只存在单边频率分量，例如
e–jωct = cos(ω ct) – j sin(ω ct)
(3a)
e–jωct ↔ δ(ω + ωc)
(3b)
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• 混频：时域相乘 = 频域卷积= 频谱搬移
– 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)
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
– 上变频：基带→ 射频
x(t)
X(jω) 0
cos( ωc t ) ω
−ωc
−ωc
0
ωc
ω
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x(t) cos(ωct)
0
ωc
ω
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
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– 下变频：射频→ 基带 RF
ωc – ωLO = ω
IF
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 )
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
– 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
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xI(t) + jxQ(t)
yI(t) + jyQ(t)
cos(ω ct) – j sin(ω ct)
xI(t)
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cos( ωLOt ) yI(t)
−
–sin(ωLOt)
−ωLO
0
ωc
ω
xQ(t)
cos( ωLO t)
yQ(t)
−ωLO −ωIF 0 ωIF
» 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 » 通常需要较大的增益并实现增益控制
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yI(t) + jyQ(t)
x(t)
–jωLOt
e
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
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yI(t) cos( ωLOt )
0° 90°
cos( ωLO t)
–sin (ωLOt) y (t) Q
−ωc
0
ωc
ω
−ωLO
0
ω
−ωLO −ωIF 0 ωIF
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−ωc
0
ωc
−ωLO+ωIF ωLO−ωIF
ωIF ωIF
cos( ωLOt )
−ωIF 0 ωIF ωLO ω
−ωLO −ωIF 0 ωIF
−ωLO
0
ωLO
ω
−ωIF 0 ωIF
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x(t)