电子科技大学通信射频电路 无线通信收发系统结构 3-6解读

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第一章 无线通信收发机结构
•本章内容
1.无线收、发信机的性能指标参数 2.无线收信机结构及特点 3.无线发信机结构及特点
4.集成无线收发机结构及特点 重点掌握无线通信收、发信机的典 型结构，主要性能(指标)参数及应用要 求。
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&1.1 无线收发机性能指标参数
发信机射频前端功能及性能参数
功能
完成基带信号对中频载波的调制，将其上变频至 特定的RF频段，对已调制的RF信号放大, 以足够的 功率馈入到天线,经天线有效地发射出去。
主要性能参数
① 频谱纯度: 减少它对相邻 信道的干扰 ② 发射功率: 保证特定通信 距离 ③ 系统效率: 减少系统功耗
超外差式发信机射频前端结构
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无线收信机射频前端功能及性能参数
功能
从复杂的电磁波谱中选择出微弱的有用信号，经 下变频、放大后, 解调出基带信号。 ① 选择性 : 消除 / 减少干扰信号 和寄生频率信号影响 ② 灵敏度 : 保证特定通信距离 和正确解调所要求的最小 输入信号强度 ③ 动态范围: 正确解调的输入 超外差式收信机射频前端结构 信号变化范围
主要性能参数
3 放大小信号过程中须做到低噪声，新引入的噪声将影 响收信机的接收灵敏度。
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无线收发机射频前端功能及指标参数
无线收发机射频前端功能
① 无线信息发射 ② 无线信息接收
无线收发机工作方式
半双工、全双工
主要性能参数
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 频谱纯度 发射功率 系统效率 选择性 灵敏度 动态范围
典型无线收发机结构
对于收发一体机，当其共用/复用天线 时，收发信道必须有良好的隔离度。
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&1.2 无线收信机结构及特点
1. 2. 3. 4. 5. 超外差式接收机(单次变频、两次变频) 零中频接收机 低中频接收机 镜频抑制接收机 全数字接收机
收信机的主要结构及特点
单次变频超外差式接收机
BPF (1) LNA
超外差原理由E.H.阿姆斯特朗于1918年提出!
RF
IF RF LO
LO
BPF (2) IF Amp BPF (3) 解调
本振(LO)
单次变频超外差式接收机结构框图
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单次变频超外差式接收机结构特点
1. BPF1作频带选择, BPF2作信道选择,实现 了频带选择和信道的分离; 2. 合理分配了系统增益, 降低了RF LNA的 增益要求,使RF LNA稳定性好. 3. 在较低固定中频上放大，ADC和解调较容 易。
BPF 1 LNA
RF
IF RF LO
BPF 2 IF Amp BPF 3 解调
LO
本振(LO)
单次变频超外差式接收机结构框图
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单次变频超外差式接收机结构缺点 1.存在组合干扰(寄生通道干扰)
混频器非线性导致产生各种组合频率信号
若组合频率分量落在中频带宽内,即形成干扰信号。
解决方法:减小混频器非线性
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单次变频超外差式接收机结构缺点（续） 2.存在镜像频率信号干扰 镜像频率
“镜频干扰”的产生 有用的射频信号和镜像频率信号经过下变频后， 频谱交叠在一起，无法用中频滤波器将干扰信号的 频率滤除，这样会降低中频输出的信噪比。 8
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例：一个单次变频超外差式接收机的镜像干扰问题
ƒR
A电台：14.09 MHz 100 W B电台：15.00 MHz 10 kW
预选器频响曲线
混频
滤波
中放
ƒI
解调
低放
喇叭
预选器
ƒLO
本振 LO
ƒIM=ƒR+2ƒI
ƒ1
ƒ2
ƒI = 455kHz
ƒIM
14.09 14.545 15.00
解决方法:阻止镜像频率信号进入下变频器 1. 使用镜频抑制滤波器： fIF=or>BW60dB/4 9 2. 选择高中频:将导致信道选择性变差
ƒR
ƒL
ƒ （MHz）
例：GSM下行频段935-960MHz，若选fIF= 10MHz，试确定本振频率及干扰镜频频段。 电子科技大学
解：高本振情况 f LO f RF f IF 945 ~ 970MHz
fim f RF 2 f IF 955 ~ 980MHz fRF位于频段低端，fim位于频段内高端。
低本振情况
f LO f RF f IF 925 ~ 950MHz fim f RF 2 f IF 915 ~ 940MHz
fRF位于频段高端，fim位于频段内低端。
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从上可见选择fIF=10MHz,无论选择高本振或低 本振时, fim都位于有用频带之内,无法用BPF1滤掉, 成为干扰信号!
若fIF增大至70MHz，则采用高本振或低本振， 镜频都不会进入通信射频频段，故可用BPF1滤除掉 ,从而消除镜频干扰。
GSM移动通信系统特点
下行频段935-960MHz （频带宽度：25MHz） 上行频段890-915MHz （频带宽度：25MHz） 收发双工间隔:45MHz
fI=22.5MHz（普遍采用）
BW=200KHz(信道带宽） 多址方式:FDMA/TDMA
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ƒR
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LNA
ƒIR ƒIR=ƒR-ƒL
IFA
ƒIR ADC
DSP
ƒR=935-960 MHz ƒC=890-915 MHz
终端
R
T
RF OSC ƒL
ƒL=912.5-937.5 MHz ƒIC
ƒC
PA
IFA ƒIC DSP ADC 信源
ƒC =ƒIC+ƒL
下/上变频
一个典型的GSM手机收发系统框图 单次变频超外差式接收机结构适用于信号载频 远高于中频频率的情况,存在选择性和灵敏度之间 矛盾。 12
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DCS1800/PCS1900 单次变频采样接收机实现 13 方案
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二次变频超外差式接收机
RF IF1
BPF (1) LNA BPF (2)
IF1 IF 2
IF1 Amp (1) BPF (3)
LO1
本振1 (LO1)
LO 2
本振2 (LO2)
IF2 Amp (2)
解调
二次变频超外差式接收机结构框图
二次变频超外差式接收机特点
1. 第一中频高有利于镜频抑制，频带选择性好; 2. 第二中频低有利于IFA稳定性，降低解调器技 术要求。
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CDMA-2100 2次变频中频采样接收机实现方案
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二次变频超外差式接收机设计原则
1. 第一中频ω IF1尽量高以便于抑制镜像干扰。 2. 第二中频ω IF2尽量低以便于抑制邻道干扰 （信道选择性好），降低解调器技术难度。 3. 信道增益的大部分由IFA2完成。
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零中频(直接下变频)接收机
LPF
限幅检测
本振 BPF LNA π/2 LPF
限幅检测
零中频接收机结构框图
零中频接收机特点
1. 结构简单。 2. ω LO=ω RF，从而将调制的RF信号直接变 频到基带信号，不存在镜像干扰; 17
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零中频接收机缺点
1. 信道间隔离度差(频率窜透)
ω RF=ω LO，大功率本振信号向天线端窜透，对 附近邻信道通信造成干扰(本振泄漏);
2. 自混频,造成输出信号直流漂移
低噪放
A B
低通滤波器
cos ωLO t
B
C
X
模数转换
本振泄漏
低噪放 A
（a） 低通滤波器
C X
模数转换
强干扰泄漏
cos ωLO t
（b）
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自混频产生的直流漂移机制
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零中频接收机缺点（续）
3. 1/f噪声效应严重 4. 存在LNA偶次谐波失真干扰 零中频接收机设计原则 1. 保证ω LO与ω RF同频，且彼此之间的相位 关系固定，需要载波提取与锁相同步。 2. 混频器应有较高的线性度。 3. 端口间隔离度要求高。
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低中频接收机方案
RF
IF RF LO 0
BPF (2) LF Amp BPF (3) 解调
BPF (1)
LNA
LO
本振(LO)
低中频接收机特点
1. 类似一次变频接收机，fIF低，可用交流耦合；
2. 端口间隔离度能够做得高。
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镜频抑制接收机（Hartley接收机）
利用带通信号移相π/2 (Hilbert变换 的正交滤波)特性,实现镜频抑制。
VA (t )
BPF2 π/2
VC (t )
VRF (t )
BPF LNA
本振 π/2 BPF2
VB (t )
Hartley镜频抑制接收机
VRF (t ) VRF cos RF t Vim (t ) Vim cos imt
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Vim VRF sin( LO RF )t sin( LO im )t 2 2 Vim VRF VB (t ) cos( LO RF )t cos( LO im )t 2 2 电子科技大学 VA (t )
LO RF 0 , LO im 0
VC (t ) VIF V VRF cos(LO RF )t im cos( LO im )t 2 2 (t ) VC (t ) VB (t ) VRF cos(LO RF )t
镜频抑制接收机设计原则
1. 两条变频支路特性完全一致(信号幅度、增益、 时延特性等);
2. 两条变频支路输出信号精确正交。 实现两条变频支路输出信号的精确正交,要求 两条支路的电性能完全一致性,硬件实现较困难！
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镜频抑制接收机（Weaver接收机）
Weaver镜频抑制接收机框图
Weaver结构镜频抑制接收机频谱搬移过程
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数字中频接收机
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将第二次变频数字化，避免了实现两路模拟 信道一致性的困难。
BPF3 本振 BPF 1 LNA 本振 LO1 BPF 2 AD C -п /2 BPF3 ADC ADC
数字中频接收机框图
DSP Chip
数字中频接收机设计原则
1. ADC性能 ① 为抑制镜频干扰，则中频较高，要求ADC 24 采样频率(速度)也很高
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数字中频接收机设计原则（续）
② ADC应有较高的分辨率（bit数大）和低的转换 噪声; ③ ADC线性度要求高; ④ ADC应有较大的动态范围; ⑤ ADC模拟带宽应满足第一中频的要求。
2. ① ② ③ DSP性能 运算速度; 运算字长; 稳定性等。
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CDMA2000-850MHz 2次变频接收机实现方案
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全数字接收机(软件无线电接收机)
BPF 本振 BPF ADC
LNA
ADC
-п /2 BPF ADC
DSP Chip
全数字接收机框图
接收机RF前端设计考虑
选择性考虑 1.选出有用信号(较容易);
2.抑制干扰和无用信号(困难)。
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接收机RF前端设计考虑（续）
900MHz GSM通信，信道间隔200KHz，要 求选频滤波器要有较高Q值。若中频选取不 当，很难抑制镜像干扰！
灵敏度考虑
1.接收微弱信号的能力; 2.线性动态范围。 空间信号不但微弱，而且路径多样性， 其信号大小起伏变化。
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&1.3 无线发信机结构及特点
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发信机的主要结构
1. 直接调制发射机 2. 间接调制发射机
直接调制发射机
调制和上变频合二为一的发射机
PA BPF BB
本振1 (LO1)
直接调制发射机框图
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直接调制发射机特点
1. 结构简单; 2. 收/发同机时发射开断切换,PA工作状态会对 LO产生负载牵引-改进方法(两VCO); 3. 调制信号带宽及发射频谱特性不易控制,发射 信号容易干扰其他信道。
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GSM 850MHz 直接调制发射机实现方案
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直接调制发射机特点（续）
直接调制发射机为早期经典发射系统方案,主要 用于AM、ASK等简单调制方式通信,要求线性功放, 导致发射效率低，可能发生频率牵引，邻道抑制不 好等缺点而少见应用。近年来随着技术的进步，复 杂调制方式已能直接由LO产生，使这种方案焕发新 春。
RFID应用的直接调制（BPSK）收发机框图
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直接调制数字发射机
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I
信源 处理
DSP
LO
PA 匹配网络
п/2
Q
直接调制数字发射机框图
直接调制数字发射机特点
1.无镜像干扰, 无中频干扰; 2.难以消除载漏, 本振牵引现象; 3.两路电特性不一致时达不到预期效果。
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间接调制发射机
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调制和上变频分开的发射机-在较低中频上完成 信号调制, 再将已调信号上变频至RF频段。