无线通信系统和收发信机结构_TRxArch

《射频集成电路设计基础》讲义

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无线通信系统和收发信机结构

概述

混频：更数学地看问题 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

无线发射机

附录

镜像抑制混频原理推导 参考文献

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

• 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)

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

» 对于GSM 系统，» 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

– 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)

Q 900 MHz

200 kHz

----------------------≈4500=

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混频：更数学地看问题

• 实信号的Fourier 变换：正负频率分量同时存在且互为共轭，即

(1)

例如

(2a)(2b)

但是复信号可能只存在单边频率分量，例如

(3a)(3b)

x t ()X j ω()↔X j ω()X ∗j ω–()

=ωc t ()cos 12--ωωc +()δ1

2--ωωc –()

δ+↔ωc t ()sin j 2--ωωc +()δj

2

--ωωc –()

δ–↔e

j ωc t

–ωc t ()cos j ωc t ()sin –=e

j ωc t

–ωωc +()

δ↔

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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

x t ()

ωc t ()cos x t ()ωc t ()

cos ω

ωc

−ωc

ωc

−ωc

X j ω()

ω

ω

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– 下变频：射频→基带

LO

LO

ω

LO

IF IF

IF

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– 镜像频率

LO

LO

ω

LO IF IF

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– 复混频1

e

j ωLO t

–ω

−ωLO

c

c

ω

LO IF IF

x t ()

y I t ()jy Q t ()

+ωLO t ()

cos ωLO t ()

sin –y I t ()

x t ()

0°90°

ωLO t ()

cos y Q t ()

I: In-phase, 同相Q: Quadrature, 正交

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– 复混频2

ωc t ()cos j ωc t ()

sin –ω

LO

c

ω

LO

y I t ()jy Q t ()

+

LO y I t ()

x I t ()

y Q t ()

x I t ()jx Q t ()+x Q t ()

y I t ()x I t ()ωc t ()cos x Q t ()ωc t ()

sin +=y Q t ()x Q t ()ωc t ()cos x I t ()ωc t ()

sin –=ωt ()

cos

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无线接收机

• 接收机概述

– 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

– 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

BB

LO

LNA

RF Filter 2

IF Filter Injection Filter RF Filter 1

Mixer

IF AMP