第1章无线通信中射频收发机结构及应用1
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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。
2020/4/20
25
1．5 典型应用的集成收发信机
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。
F
Hz
信
L
1-2GHz
低轨移动迪信、导航、气象和侦察
S
2-4GHz
数据中继、测控
C
4-7GHz
固定通信、广播电视
X
7-12GHz 军事通信、资源卫星等
Ku 12-18GHz 固定通信、移动通信、广播电视
K
18-27GHz 固定通信、移动通信
Ka 27-40GHz 固定通信、移动通信、卫星链路
EHF 2020/4/20 40-60GHz
射频微电子学
第一次课
2020/4/20
卫星通信系微波通信教研室
理工大学通信工程学院
1
一、课程内容简介
射频微电子学
㈠内容安排
第一单元 射频和无线技术简介
2学时
第二单元 射频设计的基本概念
10学时
第三单元 收发信机的组成及特点 10学时
第四单元 低噪声放大器及混频器 10学时
第五单元 振荡源
6学时
第六单元 频综器
2020/4/20
18
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 C带 Ku带
Ka带(毫米波) U带(毫米波) E带(毫米波) F带(毫米波)
频率范围(GHz) 1.0～2.0 4.0～8.0
12.0～18.0 26.5～40.0 40.0～60.0 60.0～90.0 90.0～140.0
OFDM
DMT/OFDM
GMSK
数据率
1～2Mb/s
1 Mb/s
1～2Mb/s
可达 11Mb/s
可达 54Mb/s
11
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
V/UH 100~1000M 低轨数据通信、遥测遥控、移动通
2020/4/20
7
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
中频变 频
低噪声放 大器
接收天线
图1－2接收机结构图
2020/4/20
8
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。
频带名称 S带 X带 K带
Q带(毫米波) V带(毫米波) W带(毫米波) D带(毫米波)
频率范围(GHz) 2.0～4.0 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
2020/4/20
发射天线 功放
2020/4/20
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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。
19
1．3．2 电路的设计考虑
1．低射频电路的设计考虑
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：
l 电路的长度／远小于波长，即；
传播延时趋近于零，即； td 0
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：
收发 开关
低噪声 放大器
下变频器
基带处理 频率综合器 和媒体访
问控制
2020/4/20
功率放大器
上变频器
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。
2020/4/20
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。
基带信号 调制
中频变 频
1.开始时进行直流电路设计，以建立稳定的工作点；
2.利用电磁波测量器件各端口的Fra Baidu bibliotek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。
2020/4/20
21
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。
2020/4/20
带通 滤波器1
开关 功率放大器
低噪声 放大器
镜像抑制 滤波器
下变频器
IF
LO
带通 滤波器2
带通 滤波器
本振
LO
上变频器
RF
IF
低通 滤波器
解调器 解调器
超外差式收发2机2 结构
1．5 典型应用的集成收发信机
1．5．1 GSM收发机 GSM-900和GSM—1800的主要参数
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
射频前 端
A/D和 D/A
数字 处理
2020/4/20
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。
10学时
第七单元 功率放大器
8学时
2020/4/20
2
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%
2020/4/20
2020/4/20
26
目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较
标准 HomeRF Bluetooth 802.11 802.11b
802.1lS
802.11aa HiperLAN
2
频段 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz
2.4GHz
5GHz
5GHz
调制方式 FH FH
FH/DS DS
3
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
2020/4/20
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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
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 1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系 1．3．1 频段划分 1．3．2 电路的设计考虑 1．4 集成收发系统结构 1．5 典型应用的集成收发信机 1．5．1 GSM收发机 1．5．2 应用于无线局域网的收发机 1．5．3 应用于无线传感器网络的低功耗收发机 1．5．4 应用于WCDMA 1．6 无线通信及射频电路技术发展趋势 1．7 射频电路基础 1．7．1 频带宽度表示法
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。
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置的电磁兼容 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经
引202入0/4/了20 此标准。
混频器
Q
低通滤波器
驱动放大器
低通滤波器
匹配
网络
匹配
频带选择
网络
I
发射机本振 Q
890～915 MHz
滤波器
GSM收发机的结构框图
2020/4/20
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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。
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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；
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；
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：
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。
固定通12信、军事通信
3．电磁频谱
2020/4/20
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3．电磁频谱
2020/4/20
14
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。
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3．电磁频谱
2020/4/20
16
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1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
GSM－900 880～915 MHz 925.4～960MHz 200kHz TDMA/FDM FDD 8 GMSK；BT=0.3 270.833 kb/s
GSM－1800 1710～1785 MHz 1805～1880MHz 200kHz TDMA/FDM FDD 8 GMSK；BT=0.3 270.833 kb/s
表1．3GSM-900和GSM—1800的主要参数
2020/4/20
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1．5 典型应用的集成收发信机
频带选择 滤波器
匹配 网络
信道选择滤波器
射频信号 天线共用器
低噪声 放大器
接收机 本振 996～1057 MHz
下变频器
功率放大器
上变频器
移相器
90˚
71 MHz
中频放大器
移相器
90˚
1∕2
I
中频本振 142 MHz
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。
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1．5 典型应用的集成收发信机
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。
F
Hz
信
L
1-2GHz
低轨移动迪信、导航、气象和侦察
S
2-4GHz
数据中继、测控
C
4-7GHz
固定通信、广播电视
X
7-12GHz 军事通信、资源卫星等
Ku 12-18GHz 固定通信、移动通信、广播电视
K
18-27GHz 固定通信、移动通信
Ka 27-40GHz 固定通信、移动通信、卫星链路
EHF 2020/4/20 40-60GHz
射频微电子学
第一次课
2020/4/20
卫星通信系微波通信教研室
理工大学通信工程学院
1
一、课程内容简介
射频微电子学
㈠内容安排
第一单元 射频和无线技术简介
2学时
第二单元 射频设计的基本概念
10学时
第三单元 收发信机的组成及特点 10学时
第四单元 低噪声放大器及混频器 10学时
第五单元 振荡源
6学时
第六单元 频综器
2020/4/20
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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 C带 Ku带
Ka带(毫米波) U带(毫米波) E带(毫米波) F带(毫米波)
频率范围(GHz) 1.0～2.0 4.0～8.0
12.0～18.0 26.5～40.0 40.0～60.0 60.0～90.0 90.0～140.0
OFDM
DMT/OFDM
GMSK
数据率
1～2Mb/s
1 Mb/s
1～2Mb/s
可达 11Mb/s
可达 54Mb/s
11
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
V/UH 100~1000M 低轨数据通信、遥测遥控、移动通
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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
中频变 频
低噪声放 大器
接收天线
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。
频带名称 S带 X带 K带
Q带(毫米波) V带(毫米波) W带(毫米波) D带(毫米波)
频率范围(GHz) 2.0～4.0 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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发射天线 功放
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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。
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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
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：
l 电路的长度／远小于波长，即；
传播延时趋近于零，即； td 0
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：
收发 开关
低噪声 放大器
下变频器
基带处理 频率综合器 和媒体访
问控制
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功率放大器
上变频器
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。
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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。
基带信号 调制
中频变 频
1.开始时进行直流电路设计，以建立稳定的工作点；
2.利用电磁波测量器件各端口的Fra Baidu bibliotek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。
2020/4/20
带通 滤波器1
开关 功率放大器
低噪声 放大器
镜像抑制 滤波器
下变频器
IF
LO
带通 滤波器2
带通 滤波器
本振
LO
上变频器
RF
IF
低通 滤波器
解调器 解调器
超外差式收发2机2 结构
1．5 典型应用的集成收发信机
1．5．1 GSM收发机 GSM-900和GSM—1800的主要参数
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
射频前 端
A/D和 D/A
数字 处理
2020/4/20
射频通信系统示意图
9
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。
10学时
第七单元 功率放大器
8学时
2020/4/20
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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%
2020/4/20
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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
标准 HomeRF Bluetooth 802.11 802.11b
802.1lS
802.11aa HiperLAN
2
频段 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz
2.4GHz
5GHz
5GHz
调制方式 FH FH
FH/DS DS
3
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
2020/4/20
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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
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 1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系 1．3．1 频段划分 1．3．2 电路的设计考虑 1．4 集成收发系统结构 1．5 典型应用的集成收发信机 1．5．1 GSM收发机 1．5．2 应用于无线局域网的收发机 1．5．3 应用于无线传感器网络的低功耗收发机 1．5．4 应用于WCDMA 1．6 无线通信及射频电路技术发展趋势 1．7 射频电路基础 1．7．1 频带宽度表示法
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。
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置的电磁兼容 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经
引202入0/4/了20 此标准。
混频器
Q
低通滤波器
驱动放大器
低通滤波器
匹配
网络
匹配
频带选择
网络
I
发射机本振 Q
890～915 MHz
滤波器
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。
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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；
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；
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：
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。
固定通12信、军事通信
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。
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1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
GSM－900 880～915 MHz 925.4～960MHz 200kHz TDMA/FDM FDD 8 GMSK；BT=0.3 270.833 kb/s
GSM－1800 1710～1785 MHz 1805～1880MHz 200kHz TDMA/FDM FDD 8 GMSK；BT=0.3 270.833 kb/s
表1．3GSM-900和GSM—1800的主要参数
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1．5 典型应用的集成收发信机
频带选择 滤波器
匹配 网络
信道选择滤波器
射频信号 天线共用器
低噪声 放大器
接收机 本振 996～1057 MHz
下变频器
功率放大器
上变频器
移相器
90˚
71 MHz
中频放大器
移相器
90˚
1∕2
I
中频本振 142 MHz