基于无线通信射频收发机系统的设计

基于无线通信射频收发机系统的设计李夏 11720925 靳立兴 117209292011年11月20号摘要：近年来，射频(RF)无线通信技术的迅速发展增加了人们对低电压高性能射频前端的需求，无线通讯系统中的关键模块-RFIC 成为当前的研究热点，如：蜂窝式个人通信与基站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域网等。

经过三代移动通信的发展，通信系统发展成了支持多媒体的通信系统，系统的速度更快，误码率更低。

射频收发机是通信系统的前端部分，负责信号的接收和发射部分，是无线通信系统中不可缺少的一部分，它决定了通信距离和影响着通信质量通信系统的发展也带动了射频收发机的发展。

本论文探讨了收发机的基本结构，射频收发机的发展，然后介绍了射频收发机的一些关键指标，然后根据重要指标计算出射频系统的主要技术指标，最后仿真整个收发机的主要技术指标。

关键词：移动通信；射频收发机；系统指标RF transceiver system design based on wirelesscommunicationIn recent years，the rapid development of radio frequency (RF) wireless communication increase the RF front-end needs of low-voltage and high-performance.The key modules-RFIC of Wireless communication systems become research focus,such as cellular personal communications and base station, wireless access systems, Satellite Communications,GPS, wireless lan,etc. After the development of three generations of mobile communications, communications system developed into a multimedia communication system and the system has faster rate and lower BER. RFtransceiver which is front of the communication system is responsible for receiving and transmitting the signal part and that is an integral part the wireless communication system. RF transceiver determines the distance of communication and affects the communication s quality. The development of communication system has also led to thedevelopment of the RF transceiver. The paper discussed transceiver's basic structure and radio frequency transceiver's development and some key indicators. Then according to these important target, it has calculated the radio frequency system's major technique target. Finally it simulated entire transceiver's major technique target.Keywords: mobile communication RF transceiver system specifications1引言射频是指该频率的载波功率能通过天线发射出去(反之亦然)，以交变的电磁场形式在自由空间以光速传播，碰到不同介质时传播速率发生变化，也会发生电磁波反射、折射、绕射、穿透等，引起各种损耗。

在金属线传输时具有趋肤效应现象[1]。

该频率在各种无源和有源电路中R, L, C各参数反映出是分布参数。

因此说所谓射频RF （Radio Frequency)是指频率较高，可用于发射无线电频率，一般常指几十到几百兆赫的频段，即 VHF-UHF频段。

而更高的频率，则称为微波。

广义地说，在无线电频谱上微波是指频率为300MHz-300GHz的无线电波，其相应的波长范围是在lm—0.1mm。

一般更具体的指1—30GHz频段，即波长在厘米范围的厘米波。

频率更高的则称之为毫米波、亚毫米波段。

因而，移动通信中的CDMA, GSM等系统所采用的800MHz, 900MHz频段属于射频RF范畴，也即UHF频段(也可看作微波的低端);而第三代移动通信3G的工作频段就是在微波范围内。

射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。

有线电视系统就是采用射频传输方式的。

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场;交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。

在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波成为射频，英文缩写:RF将电信息源(模拟或数字的)用高频电流进行调制(调幅或调频)，形成射频信号，经过天线发射到空中;远距离将射频信号接收后进行反调制，还原成电信息源，这一过程称为无线传输。

无线传输发展了近二百年，形成了大量的用户和产品群，但是，由于气候的变化和地表障碍物的影响，不能传输完美的信息。

近代人类发明了廉价的高频传输线缆(射频线)，为了追求完美的信息传输质量，兼顾原有的无线设备，无线方式有线传输开始流行。

产生了射频传输这一概念。

如果你的信息源经过二次调制，用线缆传输到对端，对端用反调制将信息源还原后再应用，不管频率多低，也是射频传输方式，如果没有调制反调制过程，只是将信息源用线缆传送到对端直接使用，不管频率有多高，都是一般的有线传输方式[2]。

综观无线电频谱，频率从极低一直到非常高，波长从超长波一直到亚毫米波段再到光波、紫外，不同频段的无线电波其特性也截然不同。

我们必须了解这一点，并学会用不同的概念、技术和方法来处理问题。

在移动通信所工作的射频和微波频段，如果只沿用低频的概念和技术来研究和处理问题，必然是行不通。

射频电路最主要的应用领域就是无线通信，无线通信射频收发机包含了发射机电路、接收机电路以及通信天线。

2 射频集成电路的发展及研究前景近年来，通信技术以惊人的速度发展，而射频(RF)无线通信技术的发展显得尤为迅猛。

当今，射频无线通信技术已经被广泛应用于生活的各个方面，如：蜂窝式个人通信与机站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域网等。

随着多种无线通讯系统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关键模块—射频集成电路(RFIC)—成为当前的研究热点。

射频IC的优化设计，除了数字IC所要求的功耗、速度、产量外，还必须考虑系统部件的噪声、增益、线性度、最大功率传输等因素。

同时，由于激烈的市场竞争，通讯系统对射频IC的要求也越来越高，低成本、低功耗、高线性度、多功能等已经成为射频集成电路发展的趋势。

21世纪是信息技术高度发展的时代，以微电子为基础的电子技术是推动信息技术发展的物质基础。

集成电路是微电子的核心和主体，也是电子信息产业的基础[3]。

现代的无线通信系统中，由于 CMOS 工艺生产费用低，集成密度高，且静态时电路不存在直流电流，收发机的数字处理部分大多采用 CMOS 工艺实现。

但由于 CMOS 器件的跨导小，并且 CMOS 工艺实现的射频电路通常衬底的损耗较大，收发机的射频前端电路一般采用双极型工艺或砷化镓工艺。

而通常无线通信系统中的数字基带部分占芯片面积的 75％以上，考虑到集成度及成本等指标的要求，只有实现 CMOS 集成射频前端，才能最终实现无线通信系统的单片集成。

随着深亚微米 CMOS 工艺的不断进步和成熟，其沟道长度不断减小，截止频率 ft不断增加，深亚微米 CMOS 工艺其 MOSFET 的特征频率已经达到 50GHz 以上，再加上 CMOS 工艺与其他工艺相比具有工艺成熟、应用广泛、价格低、集成度高、功耗小等特点，用 CMOS 工艺设计射频集成电路 RFIC(radio frequency integrated circuits)已经成为近几年世界性范围内研究的热点，世界各国的研究人员在 CMOS 射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究。

美国许多成功的新兴集成电路无晶圆厂芯片设计公司(fabless)和众多的芯片设计start-ups 都比较集中在这一领域[4]。

在 5GHz 以下，基于 CMOS 工艺制造的硅射频集成电路，在性能各方面已经能与 GaAs RFIC 及锗硅 RFIC 一争高下，且在成本上具有明显的竞争优势，在无线通讯、卫星定位导航等领域得到了广泛应用。

利用 CMOS 工艺实现的 RFIC 在上世纪九十年代中期开始起步和发展，图1表示了 RF CMOS 器件按比例缩小后主要参数的变化。

图1 RF CMOS器件按比例缩小后的卞要参数变化随着器件特征尺寸的不断缩小，MO S器件的特征频率人、最高频率几a、和噪声性能等都有很大提高，可以获得很好的射频特性。

特别是跨入90 nm以后，RF CMOS器件已经可以工作在40GHz到100 GHz范围。

RF CMOS工艺既继承了数字CMOS工艺的功耗低、集成度高、成本低等众多优点，同时又显示出很好的射频特性，已开始应用十设计以往只能采用BiCMOS, GaAs和Site工艺实现的电路[5]。

当前，各种制作RFIC的工艺技术的竞争相当激烈，不同工艺适用十不同的场合，它们的比较结果可见图2。

图2 RFIC制作工艺比较RF CMOS技术的进步充分表明它已可以实现应用十宽带无线通信系统和高数据率交换装置的RFIC芯片。

特别是在通讯系统对RFIC不断提出低成本、低功耗、小尺寸、高集成度、高可靠性、多功能等要求的推动下，RF CMO S技术正成为RFIC制作的热门选择，是实现数字与射频系统单片集成的RF SOC芯片很有发展前途的技术。