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



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• 偶次失真与半中频 (Half-IF) 干扰
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 -----2 IF -----2
iC1
Q1 RF+ Q2
iC2
iC3
Q3
iC4
Q4 RF-
= iC 1 – iC 2 + iC 3 – iC 4 v LO – v RF 2 v LO + v RF 2 ------------------------------- = I EE tanh – tanh ------------------------------2 V 2 V T T


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• 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)
i = iC 1 + iC 3 – iC 2 + iC 4
• 收发机结构对集成度和成本的影响
– – – – 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

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• 中频 (Intermediate Frequency)
» 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
《射频集成电路设计基础》 讲义
无线通信系统和收发信机结构
Q 概述 Q 混频：更数学地看问题 Q 无线接收机 * 超外差(Super-heterodyne) 结构 * 零中频接收机 * 镜像抑制接收机 * 低中频结构 * 二次变频宽中频接收机 Q 无线发射机 Q 附录 * 镜像抑制混频原理推导
Q 参考文献
IF
IF
LO

LO
IF IF
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– 复混频 1
yI t cos LO t xt 0 90 cos LO t
xt e –j LO t



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j c LO LO c LO j j
LO
j


j j
IF

IF


1
1
IF

IF
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c

c

c

c

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– 下变频：射频 基带 RF c – LO = IF cos LO t I来自 LOIFc

c
IF
LO IF
LO
• 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 j X j = X – j 例如 1 1 - + c + -- – c cos c t -2 2 j j - + c – -- – c sin c t -2 2 但是复信号可能只存在单边频率分量，例如 e –j c t = cos c t – j sin c t e –j c t + c
yI t + jyQ t
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
– sin LO t yQ t
c

c
LO IF
IF
LO


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– 直流偏移 (DC offset) – 低频噪声 (1/f noise)
LPF
ADC
• 直流偏移的成因
– 元件失配 – 电路的非线性 (IP2) – 自混频 (Self-mixing)
LO Leakage Offset
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3 x5 + tanh x x – x + ---- ----3 10
IEE
vLO
(for small x) (for large x)
IEE
sgn 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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» 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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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。
– 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



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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 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
LO

c

y I t = x I t cos c t + x Q t sin c t
LO IF
IF

yQ t = x Q t cos c t – xI t sin c t
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LO

IF IF
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– 镜像频率 RF+IMG cos LO t
IF
IF+Interference

IF
LO
c
LOIF

LOIF
IF
c
LO IF
• 多次变频
为了获得更高的灵敏度和选择性，有时需要通过 2 次或更多次变频，在多个中 频频率上逐步滤波和放大。
• 本振频率的选择
本振频率可以高于 (High-side Injection) 或低于 (Low-side Injection) 信号频率，这 取决于所引入镜像干扰的大小和振荡器设计的难易程度。一般来说低频的振荡 器可以获得更好的噪声性能，但是较小的变频范围。



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镜像抑制接收机
• Hartley image-reject receiver
A B 90

vin
sin LO t cos LO t
C vout
– 90 移相：Hilbert Filter j 90 j

H = – j sgn
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– Weaver image-reject receiver A B C C vout sin 2 t cos 2 t D
1 1
– 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