无线通信中射频收发机结构及应用

表1．3GSM-900和GSM—1800的主要参数
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1．5
频带选择 滤波器
典型应用的集成收发信机
信道选择滤波器 匹配 网络
下变频器 射频信号 低噪声 放大器
I 71 MHz 90˚
中频放大器 移相器
1∕2
中频本振 142 MHz
接收机 本振 天线共用器
996～1057 MHz 混频器 移相器 上变频器 低通滤波器
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2．高射频和微波电路
对于高射频和微波电路，其中可以有一个或几个集总元件，但至 少要有一个分布式元件。
对于分布电路，具有下述三个特点： 1.必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念； 3.信号传播延时不再可忽略。 高射频和微波电路的设计过程如下： 1.开始时进行直流电路设计，以建立稳定的工作点；
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一、课程内容简介(续)
射频微电子学
㈢主要参考书 ⑴《射频通信电路》（第二版），陈邦媛著， 科学出版社，2006 ⑵《CMOS射频集成电路设计 》Thomas H.Lee 著，余志平 周润德等译 ，2006年
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第1章 无线通信中射频收发机结构及应用 一、教学内容及时间安排
GSM－900 GSM－1800
1710～1785 MHz 1805～1880MHz 200kHz TDMA/FDM FDD 8 GMSK；BT=0.3 270.833 kb/s
GSM收发机
上行频率 下行频率 信道间隔 多址方式 双工方法 每信道用户数 调制方式 信道比特率
880～915 MHz 925.4～960MHz 200kHz TDMA/FDM FDD 8 GMSK；BT=0.3 270.833 kb/s
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1．1
无线收发信机射频前端功能和特性
对于发送系统硬件电路系统而言，最困难的部分就在于中放变 频和功放。中放变频的难点主要在于变频系统方案的设计，好 的系统方案设计可能产生的相关干扰较少，甚至还可能降低对 参与变频的本地振荡信号的要求。
基带信号 解调 低噪声放 大器 接收天线
中频变 频
低射频电路中，可以忽略其电波的传播效应。设计过程考虑如下三 个特点：
电路的长度／远小于波长，即； 传播延时趋近于零，即；
td 0
l
麦克斯韦方程简化为低频下的定律，如基尔霍夫电压和电流定 律(KVL和KCL)与欧姆定律。因此，在射频频率，当，传播延时近似 为零，并且所有电路中的元件可以认为是集总的。设计过程包含三 个步骤：
EHF
3．电磁频谱
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3．电磁频谱
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射频(Radio Frequency)/微波(Microwave) 无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。
Βιβλιοθήκη Baidu
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3．电磁频谱
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1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
2学时 10学时 10学时 10学时 6学时 10学时 8学时
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一、课程内容简介
射频微电子学
㈡实施方法及考核 讲课、讨论、自学、习题、专题仿真与专题讨论 专题仿真： 低噪声放大器设计；锁相环频率合成器环路滤波器 的设计 专题讨论： 功率放大器线性化技术 考核：平时综合成绩占40%，考试成绩占60%
X带
K带 Q带(毫米波) V带(毫米波) W带(毫米波) D带(毫米波)
8.0—12.0
18.0～26.5 33.0～50.0 50.0～75.0 75.0～110.0 110.0～170.0
G带(毫米波)
140.0～220.0
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1．3．2
电路的设计考虑
1．低射频电路的设计考虑
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目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较
标 HomeRF Bluetooth 准 频 段 调制方式 FH FH 数 据 1 Mb/s 率 2.4GHz 2.4GHz 1～2Mb/s
802.11 802.11b
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1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
IEEE和工业用微波波段的定义
频带名称 L带 频率范围(GHz) 1.0～2.0 频带名称 S带 频率范围(GHz) 2.0～4.0
C带
Ku带 Ka带(毫米波) U带(毫米波) E带(毫米波) F带(毫米波)
4.0～8.0
12.0～18.0 26.5～40.0 40.0～60.0 60.0～90.0 90.0～140.0
Q
90˚
驱动放大器
功率放大器
低通滤波器 匹配 网络 发射机本振 890～915 MHz 频带选择 滤波器 匹配 网络
I
Q
GSM收发机的结构框图
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1．5
典型应用的集成收发信机
这种接收机采用二次变频超外差式结构，中频为71MHz，包括 滤波器在内的最差噪声系数为8.1dB，数字控制的总增益范围超过 98dB。发射机采用直接变频结构，集成了—个移相器(Phase Shifter)，发射的GMSK信号的平均均方根相位误差小于2。该收发 机由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。 1．5．2 应用于无线局域网的收发机 无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。
2．微波和射频的定义
当工作频率提高到接近1GHz或者更高，就会出现一些在低频 下没有的现象。一般频率范围从1GHz到300GHz的电磁波称为微波。 在此频段内的信号波长从1mm(对应于频率300GHz)到30cm(对应于 频率1GHz)。通常把从30GHz到300GHz的频率范围特称为毫米波(因 为其波长是在毫米范围)。人们则以0.3GHz到4～5GHz(S频带)为射 频频段。
下变频器 带通 滤波器1 低噪声 放大器 开关 功率放大器 带通 滤波器 上变频器 本振 镜像抑制 滤波器
IF
带通 滤波器2
解调器
LO LO
RF
IF
低通 滤波器
解调器
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超外差式收发机结构 22
1．5 1．5．1
典型应用的集成收发信机 GSM-900和GSM—1800的主要参数
射频前 端 A/D和 D/A 数字 处理
射频通信系统示意图
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1．1
无线收发信机射频前端功能和特性
射频前端指从天线到完成第一次频率变换所需要的电路，这些 电路对射频信号进行处理。然后在下变频器中经过与本地产生 的振荡信号进行混频，来将信号从射频载波变换到中频或者基 带。发送信号时，同接收信号相反，需要将中频或者基带信号 经上变频器变换到射频载波，经过功率放大器放大到一定的功 率，然后经过天线发送出去。
1． 1 1． 2 1． 3 1 ． 3 ．1 1 ． 3 ．2 1． 4 1． 5 1 ． 5 ．1 1 ． 5 ．2 1 ． 5 ．3 1 ． 5 ．4 1． 6 1． 7 1 ． 7 ．1
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无线收发信机射频前端功能和特性 射频电路在系统中的作用与地位 射频电路与微波电路和低频电路的关系 频段划分 电路的设计考虑 集成收发系统结构 典型应用的集成收发信机 GSM收发机 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 应用于WCDMA 无线通信及射频电路技术发展趋势 射频电路基础 频带宽度表示法
下变频器 低噪声 放大器 收发 开关
频率综合器
基带处理 和媒体访 问控制
功率放大器
上变频器
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射频前端方框图 10
1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
3、EFT的特性
电感负载开关系统断开时，会在断开点处产生瞬态骚（EFT)脉 冲组成。对110V／220V电源线的测量表明，这种脉冲群的幅值在 100V至数千伏之间，具体大小由开关触点的机电特性(如触点打开 的速度，触点断开时的耐压等)决定，脉冲重复频率在lkHz一1MHz。 对单个脉冲而言，其上升沿在纳秒级，脉冲持续期在几十纳秒至 数毫秒之间。 标准IEC61000－4－4(1995)《电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》 来模拟电快速脉冲群对电气和电子设备的影响，与其对应的国标 是GB／T13926．4－92《工业过程测量和控制装臵的电磁兼容性－ 电快速瞬变脉冲群要求》。 空调、预付费电能表、火灾报警器、加油机控制器等产品都已 2016/4/14 11 经引入了此标准。
V/UH 100~1000M F Hz L S C 1-2GHz 2-4GHz 4-7GHz
X
Ku
7-12GHz
12-18GHz
军事通信、资源卫星等
固定通信、移动通信、广播电视
K
Ka
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18-27GHz
27-40GHz 40-60GHz
固定通信、移动通信
固定通信、移动通信、卫星链路
12 固定通信、军事通信
1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
卫星频率，是指卫星用频设备使用的频率：卫星频率是无线电频谱中的一部分，主要 使用V／UHF、L、S、C、X、Ku、K、Ka、EHF等频段。卫星常用频段如表2所示。 表2 卫星频率常用频段
频段
频率范围
主要应用 低轨数据通信、遥测遥控、移动通 信 低轨移动迪信、导航、气象和侦察 数据中继、测控 固定通信、广播电视
2.电路要有大的电长度，物理长度与电路中信号传播的波长可比拟；
2.利用电磁波测量器件各端口的反射和传输系数；
3.设计匹配网络使器件与外界连接，如稳定性、增益等。
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1．4
集成收发系统结构
射频电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求，任何基 本单元电路(如放大器、混频器等)应当确定其性能优良和可靠。 利用开关共用—个天线可以减小集成收发机的体积，出于这种考 虑，开关在大多数的集成收发机中得到了应用。
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1．5 1．5．2
典型应用的集成收发信机
应用于无线局域网的收发机
无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。 Intersil公司新近推出的Prism Duette是双频带 (5GHz(802.11a)和2.4GHz(802.11b、802.1lg))无线局域网解决方 案，该网络能传输高达54Mbps数据率的视频、语音和数据，并且 向下兼容现有的Wi-Fi系统PrismDuette双频带芯片组的总体结构。 它的核心由两大芯片ISL3690(高集成UHF2双频带零中频收发机)和 ISL3890(集成基带处理器/媒体访问控制器BBP/MAC)组成，实现全 IEEE802.11a/b/S无线局域网MAC协议。
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1．1
无线收发信机射频前端功能和特性
发送过程大致如下。 (1)调制：即将基带信号调制到通信载波上，在某些特殊 应用领域还有一个对基带信号加密的步骤或其他步骤。 (2)中放变频：在这一步不但要对调制之后的信号进行放 大，还要将信号变频到实际通信的频段(频道)。 (3)功放：主要将发射信号的功率放大到满足通信 (距离) 的要求。 (4)发射天线：将信号有效地发射出去，除了发送功率 (效率)之外，有时还有方向，以及电波传播方式的选择。
图1－2接收机结构图
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1．1
无线收发信机射频前端功能和特性
1．2射频电路在系统中的作用与地位 对于接收链路来说，从天线接收下来的射频信号，首先 经射频前端和其他模拟电路变换到低频的基带内，然后 经模数(A／D)转换器转换成数字信号，这些数字信号再 经后面的数字信号处理电路完成解码和其他运算后送给 相应的应用设备。
5
1．1 无线收发信机射频前端功能和特性 无线通信收发信机中存在两种变换。在发射端，第一 个变换是输入变换器，它把需要传递的信息变换成电 信号 — 基带信号；第二个变换是发射机将基带信号变 换成其频带适合在信道中有效传输的信号形式 — 已调 信号，这个过程称为调制。
发射天线 基带信号 调制 中频变 频 功放
射频微电子学
第一次课
卫星通信系微波通信教研室
理工大学通信工程学院
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一、课程内容简介
㈠内容安排 第一单元 射频和无线技术简介 第二单元 射频设计的基本概念 第三单元 收发信机的组成及特点 第四单元 低噪声放大器及混频器 第五单元 振荡源 第六单元 频综器 第七单元 功率放大器
射频微电子学