无线通信系统和收发信机结构
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» 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
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j c LO LO c LO j j
LO
j
j j
IF
IF
1
1
IF
IF
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 镜像抑制接收机
yI t + jyQ t
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
– sin LO t yQ t
c
c
LO IF
IF
LO
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
– 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
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混频：更数学地看问题
» 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
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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。
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• 直流偏移的消除 (DC offset cancellation)
– 使用交流耦合 (AC-coupling)
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
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– 谐波混频 (Harmonic mixing)
i = iC 1 + iC 3 – iC 2 + iC 4
• 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
(3a)
(3b) (2a) (2b) (1)
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
– 上变频：基带 射频 xt X j
x t cos c t cos c t
LO
IF IF
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 cos LO t
IF
IF+Interference
IF
LO
c
LOIF
LOIF
IF
c
LO IF
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– Weaver image-reject receiver A B C C vout sin 2 t cos 2 t D
1 1
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 – 射频信道选择的困难
H z -----------M --------- = 4500 » 对于 GSM 系统，Q 9
200 kHz
» 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 的选择 ( 模拟或数字滤波 ) 需要在较低的频率 ( 中频 ) 进行
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
– 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
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
– 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
cos LO t xI t yI t
x I t + jx Q t
yI t + jyQ t
cos c t – j sin c t
– sin LO t
xQ t
yQ t cos LO t
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
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
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
• 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
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)
RF
RF + LO ----------------------2
LO
IF/2
IF
– 本振与干扰的 2 次谐波相混频 RF + LO - = LO – RF = IF 2 LO – 2 -----------------------2 – 本振与干扰信号混频后经过二次失真 IF RF + LO ------- = IF 2 – -----------------------= 2 LO 2 2
c
c
c
c
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 c – LO = IF cos LO t
IF LO
IF
c
c
IF
LO IF
LO
《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
• 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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无线接收 机
• 接收机概述Baidu Nhomakorabea
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
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
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 镜像抑制接收机
IF
IF
LO
LO
IF IF
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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– 复混频 1
yI t cos LO t xt 0 90 cos LO t
xt e –j LO t
东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒, Nov-4, 2002
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概述
• 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
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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零中频接收机
• 最自然、最直接的实现方法
– 不存在镜像频率 – 不需要镜频抑制滤波器 – 信道选择只需低通滤波器
LNA
0 90
LPF
ADC
• 问题在于 0Hz 附近很不安全
– 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
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j c LO LO c LO j j
LO
j
j j
IF
IF
1
1
IF
IF
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 镜像抑制接收机
yI t + jyQ t
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
– sin LO t yQ t
c
c
LO IF
IF
LO
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
– 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
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混频：更数学地看问题
» 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
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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。
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• 直流偏移的消除 (DC offset cancellation)
– 使用交流耦合 (AC-coupling)
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
15 of 28
– 谐波混频 (Harmonic mixing)
i = iC 1 + iC 3 – iC 2 + iC 4
• 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
(3a)
(3b) (2a) (2b) (1)
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
– 上变频：基带 射频 xt X j
x t cos c t cos c t
LO
IF IF
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 cos LO t
IF
IF+Interference
IF
LO
c
LOIF
LOIF
IF
c
LO IF
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– Weaver image-reject receiver A B C C vout sin 2 t cos 2 t D
1 1
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 – 射频信道选择的困难
H z -----------M --------- = 4500 » 对于 GSM 系统，Q 9
200 kHz
» 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 的选择 ( 模拟或数字滤波 ) 需要在较低的频率 ( 中频 ) 进行
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
– 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
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
– 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
cos LO t xI t yI t
x I t + jx Q t
yI t + jyQ t
cos c t – j sin c t
– sin LO t
xQ t
yQ t cos LO t
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
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
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
• 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
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)
RF
RF + LO ----------------------2
LO
IF/2
IF
– 本振与干扰的 2 次谐波相混频 RF + LO - = LO – RF = IF 2 LO – 2 -----------------------2 – 本振与干扰信号混频后经过二次失真 IF RF + LO ------- = IF 2 – -----------------------= 2 LO 2 2
c
c
c
c
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 c – LO = IF cos LO t
IF LO
IF
c
c
IF
LO IF
LO
《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
• 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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无线接收 机
• 接收机概述Baidu Nhomakorabea
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
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
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 镜像抑制接收机
IF
IF
LO
LO
IF IF
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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– 复混频 1
yI t cos LO t xt 0 90 cos LO t
xt e –j LO t
东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒, Nov-4, 2002
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概述
• 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
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
13 of 28
零中频接收机
• 最自然、最直接的实现方法
– 不存在镜像频率 – 不需要镜频抑制滤波器 – 信道选择只需低通滤波器
LNA
0 90
LPF
ADC
• 问题在于 0Hz 附近很不安全