无线通信收发机结构

法，即将调制和上变频合二为一，在一个电路里完成。二是
两步法，即将调制和上变频分开，先在中频上进行调制，然 后再将已调信号上变频到发射的载频上。
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§1.3 无线通信发射机
直接变换正交调制发射机
两步变换正交调制发射机
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§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。
Hartley结构镜频抑制接收机频谱搬移过程
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§1.2 无线通信接收机结构
Weaver结构镜频抑制接收机频谱搬移过程
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§1.2 无线通信接收机结构
1.2.6 数字中频接收机 将二次变频超外差接收机拓扑结构中的第二次混频和滤 波数字化，便可得到数字中频接收机，其结构如图所示：
数字中频方案
数字中频接收机的优点是，数字中频的使用避免了I和Q 之间的不平衡，实现了完美的镜像干扰抑制。而这种接收机 的难点在于对模数转换器的速度、分辨率、噪声性能、线性 度和带宽等方面的性能要求很高。
无线局域网标准比较
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§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5.15-5.35GHz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3.8 dB。其结构如图所示：
收发机框图
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发射机前端的框图
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§1.1 概述
（2）接收机 接收机从空间中接收到微弱信号，通过射频滤波器从 众多的电波中选出有用信号，并经过低噪声放大到解调器 所要求的电平值后，再由解调器解调，将频带信号变为基 带信号，其结构如下图所示：
接收机射频前端框图
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§1.2 无线通信接收机结构
1.2.1 接收机的性能指标 接收机完成的主要功能是选出从天线接收的有用信号，下 变频放大到基带后由解调器解调，实现频带信号到基带信号的 转换。接收机的结构有三类：超外差结构；直接下变频结构， 也称为零中频结构；低中频结构。 接收机的主要性能指标有：（1）高增益；（2）频率选择 性；（3）隔离度；（4）灵敏度；（5）阻塞和杂散响应抑制 ；（6）互调分量抑制；（7）邻道干扰抑制；（8）杂散辐射 抑制。
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§1.2 无线通信接收机结构
1.2.2 超外差式接收机 1917年，阿姆斯特朗发明了超外差式接收机，如今这种 经典的接收机结构仍广泛的应用在各种无线通信系统中。 1.超外差接收机的基本结构 工作过程：从天线接收的信号经过射频带通滤波器，滤 去带外干扰并压缩镜像信号后，经低噪声放大器线性放大后 与本地振荡信号进行混频，下变频为一固定中频信号，再通 滤波、中频放大后提取出有用信号进行解调。结构如下：
超外差接收机射频部分的结构框图
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§1.2 无线通信接收机结构
2.超外差接收机的干扰分析 （1）组合频率干扰 在通信射频电路中，通常是产生频率容易，抑制不需要 的频率难。由于下变频器的非线性效应，产生众多组合干扰 频率，通常把这些组合频率引起的干扰称为寄生通道干扰， 如下图所示：
组合频率引起的寄生通道干扰
WSN节点的重要特征就是低功耗、低成本和小体积，目 前国内外应用于WSN的收发机的研究热点主要基于IEEE 802.
15.4标准（ZigBee)和UWB。
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§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
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应用于无线局域网的收发机
应用于无线传感器网络的低功耗收发机
§1.1 概述
收发机由发射机和接收机组成。设计一个收发机，首先不仅 要考虑频谱、灵敏度、选择性、功率、效率等性能指标，还要考 虑功耗、成本及电路复杂度等因素，再决定选用哪种结构。 （1）发射机 发射机射频部分的功能是完成基带信号对中频载波的调制， 将其上变频至特定的RF频段，对已调制的RF信号放大，以足够的 功率馈入天线，经天线有效的发射出去。其结构如下图：
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§1.3 无线通信发射机
1.3.1 发射机的主要性能指标 （1）平均载频输出功率；（2）射频功率控制； （3）射频输出频谱；（4）杂散辐射；（5）互调衰减。 1.3.2 发射机的主要结构
发射机的主要功能是通过调制、上变频、功率放大和滤
波，来完成基带信号到射频信号的转换。发射机的方案相对 接收机更为简单，其结构大致可以分为两种：一是直接变换
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§1.5 典型应用的集成收发机
测试结果
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§1.5 典型应用的集成收发机
1.5.3 应用于无线传感器网络的低功耗发射机 无线传感器网络（WSN）是当前国际上备受关注的、多学 科高度交叉的新兴前沿热点研究领域。无线传感网络综合了 传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术、
分布式智能信息技术等多个学科，是多学科交叉融合的产物。
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。
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本章小结
本章从系统的角度介绍了收发信机几种常用的方案，从 而明确了组成接收、发射机射频前端的基本部件。同时本章又 列举了接收发射机的基本指标，让读者比较全面的了解系统的 特性，这对后面具体电路分析与设计具有指导意义。 本章在介绍无线通信收发机低噪声放大微弱的接收信号 ，输出足够的发射功率，搬移信号的频谱，调制各种载波等主 要功能和收发机的主要性能指标的基础上，阐述超外差式、零 中频、低中频、数字中频等接收机、发送机的结构和特点，最 后介绍了几种典型的现代无线通信集成收发机芯片及集成收发 机的发展趋势。
要是依靠信道选择滤波器，因此高的中频降低了接收机的信
道选择性。因此，中频的选择考虑的是“灵敏度”和“选择 性”这
一矛盾的折中。中频值的选择主要根据接收机对镜像干扰的
抑制要求和滤波器的可实现性。
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§1.2 无线通信接收机结构
4.二次变频超外差接收机 中频选择中遇到的“灵敏度”和“选择性”的矛盾，催 生了二 次变频超外差接收机的出现，结构如图所示：
“镜频干扰”的产生
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§1.2 无线通信接收机结构
3.接收机的中频选择 增大中频频率，可以更加有效地衰减镜像频率信号。因 此，超外差接收机的一个重要问题是如何选择合适的中频频 率。由镜像原理可知，高的中频使镜像频率远离有用信号，
利于抑制频率干扰和提高输出中频信噪比。但高中频使具有
相同Q值的中频滤波器的绝对带宽变大，必然会降低相邻信 道的抑制能力。但是接收机选择有用信道而抑制邻道干扰主
直接下变频方案的原理框图
该结构消除了镜像干扰问题，正交下变频产生I和Q信号， 以便对信号进一步处理。零中频接收机结构简单、面积小功耗 低，故易于单片集成。
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§1.2 无线通信接收机结构
1.2.4 低中频接收机结构 低中频接收机是从零中频接收机发展而来的，其结构如 图所示：
低中频接收机结构
低中频接收机通过正交下变频器来抑制镜像信号，但与 零中频接收机不同的是，下变频后的信号处于比较低的中频 由于下变频后的信号不再处于基带，这样就消除了直流失调 和散射噪声的影响。
二次变频超外差接收机结构框图
二次变频超外差接收机的优点是电路结构形式简单、性能 稳定，缺点是需要较多的分立元件，并且需要很多高频滤波器 进行阻抗匹配。另外，由于采用了多次混频，系统内的频率成 分较多，需要仔细制定整个接收机系统内部的频率规划。
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§1.2 无线通信接收机结构
1.2.3 直接下变频接收机 直接下变频接收机也称为零中频接收机，其特点是让本 振频率等于载频，则载频为零，于是不存在镜像频率，自然 就不会有镜像频率干扰，其结构如图所示：
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§1.2 无线通信接收机结构
1.2.5 镜频抑制接收机 为了解决镜像抑制滤波器难以集成的问题，Hartley和 Weaver提出了镜像抑制接收机。在完全理想的情况下，这两 种接收机结构可完全消除镜频干扰，它们结构如图所示：
Hartley结构镜频抑制接收机
Weaver结构镜频抑制接收机
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§1.2 无线通信接收机结构
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§1.2 无线通信接收机结构
（2）镜像频率干扰 有用的射频信号和镜像频率信号经过下变频后，频谱交 叠在一起，无法用中频滤波器将干扰信号的频率滤除，这样 会降低中频输出的信噪比。从镜像干扰产生的机理可知，消 除镜频干扰最简单的办法就是阻止镜像频率信号进入下变频 器，而完成这个功能的器件是下变频器前的频带选择滤波器。 镜像干扰的产生如下图所示：
GSM收发机的结构框图
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§1.5 典型应用的集成收发机
接收机的性能测试结果
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§1.5 典型应用的集成收发机
发射机的性能测试结果
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§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，与之相关的标准也有很 多种，如IEEE802.11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的 HiperLAN2等。
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
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§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GSM900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：
掌握：超外差式、零中频、低中频、数字中频等接收机的 结构和特点。 了解： 典型应用的集成收发机、集成收发机的发展趋势。 熟悉：发射机的主要结构、收发机的主要性能指标、集成 收发系统结构。
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本章目录
第一节 概述
第二节 无线通信接收机结构
第三节 无线通信发射机 第四节 集成收发系统结构 第五节 典型应用的集成收发机 第六节 集成收发机的发展趋势
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。
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§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中于ISM频
第1章 无线通信收发机结构
本章在介绍无线通信收发机低噪声放大微弱的接收信号、 输出足够的发射功率、搬移信号的频谱、调制各种载波等 主要 功能和收发机的主要性能指标的基础上，阐述超外差 式 、零中频、低中频、数字中频等接收机的结构和特点， 最后介绍了集成收发机的发展趋势。
教学 重点
能力 教学 要求 重点
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知识结构
概述 接收机的性能指标 超外差式接收机 无线通信接收机结构 无 线 通 信 收 发 机 结 构 直接下变频接收机 低中频接收机结构
镜频抑制接收机
数字中频接收机 无线通信发射机 发射机的主要性能指标 发射机的主要结构 集成收发系统结构 GSM收发机 典型应用的集成收发机 集成收发机的发展趋势