2.4 GHz短距无线通信系统射频模块的设计

计算机绘制出波特图，如图 3 所示. 从图中可以看
l2
东南大学学报（ 自然科学版）
第 34 卷
出，在开环增益幅度大于或等于 0 db 时，所有频率 均不满足相位条件，环路的相位裕量在 0 ~ 80 之 间，由此判断该锁相环闭环时绝对稳定.
该锁相环频率合成器的输出频率为 2 290 ~ 2 500 MHZ；相位噪声指标（ 经 LMX3l62 片内的倍 频及放大后闭环测得）为 - 70 dbc / HZ@ l0 kHZ， - 86dbc / HZ@ l00 kHZ.
射频模块中采用了数字式电荷泵型频率合成 器［3］. 如图 l 所示，该频率源由集成在 LMX3l62 内 部的 PLL、外接的 l0 MHZ 的参考晶振、环路滤波器 和 VCO 组成. VCO 输出频率范围为 l l45 ~ l 250 MHZ（l / 2 本振频率）. 对于电荷泵型的频率合成 器，选用三阶环路滤波器，电路如图 2 所示.
Design of 2. 4 Ghz RF module for short-range wireless communications
Zhang Hua Zhao Hongxin Hong Wei
(State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 2l0096, China)
HbFP 0420 双极晶体管来设计 LNA，并分别按最
小噪声系数、最佳增益设计 LNA 的输入、输出匹配
电路. LNA 由 LMX3l62 内部的稳压器提供 + 2. 7 V
的稳压电源. 经调试该 LNA 在 2. 4 ~ 2. 5 GHZ 的频
率范围内可获得 l2 db 的增益、l. 5 db 的噪声系
数，带内增益起伏小于 0. 5 db.
l. 3. 2 镜像抑制滤波器与混频器
为了进一步抑制镜像频率，选用 MURATA 的
DFC22R44P084LHA 陶瓷带通滤 波 器 作 为 下 变 频
之前的镜像抑制滤波. 它在中心频率为 2 442 MHZ
处的 3 db 带 宽 为 84 MHZ，插 入 损 耗 为 2 db.
l + j!#3 ）
（l）
式中，时间常数 #l ，#2 ，#3 分别为
#lwenku.baidu.com
=
R2
Cl C2 Cl + C2
（2）
#2 = R2 C2
（3）
#3 = R3 C3
（4）
式中，K$ 为鉴相灵敏度；KV 为 VCO 的电调灵敏度；
N 为主分频比；! 为频率；Cl ，C2 ，C3 和 R2 ，R3 如图 2
所示. 根据环路的各种参数确定开环传递函数，用
特图法主要是根据开环传递函数的幅相特性曲线
关系来判别环路闭环时的稳定性，是一种使用较多 而又切实可行的方法［5］. 这种方法也就是在开环
传递函数的幅度大于或等于 l 时，环路是否满足相
位条件（ 相位条件为 - #）. 本文合成器中，开环传
递函数在频域内可表示为
T（ j!） =
- K" K（V l + j!#2 ）#l !2 Cl N（l + j!#l ） #2（l
收发信机设计在开环模式下收发数据，PLL 锁 定在收发所需频率的半频率点上，这种方法的优点 是降低了系统的功耗. 在开环模式工作时，收发数
第l 期
张 华，等：2. 4 GHZ 短距无线通信系统射频模块的设计
ll
图 !" 2. 4 GHZ 收发信机射频前端原理框图
据的时隙内 PLL 会脱锁，这期间未锁定的 VCO 会 有频漂，然而经实测表明，该射频前端在收发时隙 内的频率漂移为 l0 kHZ / 25 ms，远远小于 2. 4 GHZ ISM 频带各种协议规定的 50 kHZ / 25 ms，通常可以 忽略不计.
Gl
Gl G2
（5）
式中，NF（i i = l，2，…）为各级的噪声系数；G（i i =
l，2，…）为各级的增益. 由式（5）可知第 l 级网络
的噪声系数对整机噪声系数的影响最大. 因此基于
接收灵敏度的要求，在接收机前端采用低噪声放大
器（ LNA）以 增 强 接 收 机 性 能. 采 用 Agiient 的
Abstract : This paper presents the design of an RF front-end module for a short-range Wireless communication transceiver that operates in the 2. 4 to 2. 5 GHZ ISM freguency band. The module is composed of LNA, up/doWn converter, PLL synthesiZer and RF / IF filter. All the circuits have been integrated to one 97 mm X 66 mm PCB. The design of RF front-end circuits is given on the basis of theoretical analysis and simulation. The test results that output signal spectrum of transmitting path and demodulated signal of receiving path shoW that the RF module can be applied for short-range Wireless communication systems, such as Bluetooth or IEEE802. llb WLAN,etc. Key words: Wireless spread spectrum communicationgRF front-endgtransceivergsimulate and test
第 34 卷第 l 期 2004 年 l 月
东 南 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版 ）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY（ NaturaI Science Edition）
VoI. 34 No. l Jan. 2004
2. 4 GHZ 短距无线通信系统射频模块的设计
实验证明该 PLL 本振源能很好地锁定. PLL 的
鉴相频率设计值为 500 kHZ，由于本系统以跳频方
式工作，频率合成器在要求的频率范围内以 500
kHZ 的最小频率间隔跳频工作. 这样合成频率经倍
频后输出到发射通道或接收通道的本振信号频率
步进为 l MHZ.
对于锁相环稳定性的判别，方法有许多种. 波
带宽为 l. 5 MHZ，最小插入损耗为 3 db. 在初步中
作为低功耗、低成本、短距离的无线通信和接 入技术，蓝牙、HomeRF、Upbanded DECT 和无线局 域网（ WLAN）等正在快速发展，其目的是提供一种 方便高效及支持高质量话音和数据传输的无线通 信网络，实现个人信息终端的智能互联，组建个人 化信息网络. 这类无线通信网络一般都采用 2. 4 ~ 2. 5 GHZ ISM 频段、时分双工（ TDD）的工作方式、 跳频扩频（ FHSS）技术和高斯频移键控 GFSK（ 或 FSK）调制［l］. 作者设计并研制了一种应用于此类 无线通信系统的射频前端模块.
接收部分采用外差接收机结构，它将由天线接
收来的 2. 4 ~ 2. 5 GHZ 的微波信号经低噪声放大器
放大后与频率源输出的可变本振信号混频，下变频
至 ll0 MHZ 的固定中频信号，然后进行鉴频解调输
出.
l. 3. l 低噪声放大器
根据级联网络噪声系数公式
NF
=
NFl
+ NF2 - l + NF3 - l + …
图 #" 适用于电荷泵型锁相环路的无源三阶环路滤波器
根据三阶环路滤波器的理论［4］，可 以 算 出 工 作在 l l45 ~ l 240 MHZ 频率范围内本振源的环路 滤波器元件值，再经实验调试得到如下结果：
Cl = 220 pF，R2 = 3. 6 k!，C2 = 0. l "F R3 = 36 k!，C3 = 22 pF + 220 pF
1 射频前端的设计与实现
采用 NS 公司的 LMX3l62 单片集成电路研制
收稿日期：2003-04-2S. 作者简介：张 华（l974—），男，博士生；洪 伟（ 联系人），男，
博士，教授，博士生导师，weihong@ ccem. edu. cn.
了适用于上述无线通信系统的射频前端［2］. 如图 l 所示，整个射频前端由本振、发射机和接收机 3 个 模块组成. VCO 输出的调频信号经倍频后输出射 频信号，然后经过放大器至天线输出；同时将天线 接收的射频信号送至低噪声放大器放大，经镜像抑 制带通滤波器送入混频器，由混频器输出的中频信 号经中频带通滤波器滤波后再输入中频放大器，放 大后的中频信号经过 RC 滤波器输出至限幅器限 幅后送入鉴频器（ 外部槽路）解调，最后解调出来 的信号经有源低通滤波器输出至基带电路. 频率合 成器提供的本振信号经倍频，并放大到合适的功率 电平后为发射和接收通道共享. 1. 1 频率合成器
VCO 输出的 GFSK 调制信号被送入 LMX3l62 内 部 的 倍 频 器 倍 频，再 经 缓 仲 放 大 器 后 由 LMX3l62 的 TXout 端输出频率为 2. 4 ~ 2. 5 GHZ，信 道间隔为 lMHZ 的射频信号. TXout 端外接 LC 高通 滤波或输出阻抗匹配电路，滤除各次谐波和杂波分 量. 对于蓝牙等应用低功率模式，所要求的发射功 率为 0 dbm，而实验测得 TXout 管脚处的输出功率为 - 7 dbm. 考虑到若外接收 / 发开关和信道选择带 通滤波器等有 3 db 左右的插损，则需有一个增益 为 l0 db 左右的放大器以保持输出功率有足够的 余量. 可采用 Agiient 的 HbFP 0420 双极晶体管 组成的 2. 4 GHZ 单级放大器，其电源由 LMX3l62 内部的稳压器输出提供. 1. 3 接收通道
图 3 锁相环路的波特图
1. 2 发射通道 对于发射链路，起初 VCO 精确地工作在 PLL
锁定的载波频率上；当基带数据加到 VCO 的调制 输入（ MOD In）端时 PLL 脱锁，这时基带信号直接 调制 VCO. 在基带数据加到调制器之前，须利用高 斯脉仲整形滤波器平滑脉仲波形，对于本方案高斯 滤 波 由 基 带 电 路 完 成，这 就 是 高 斯 频 移 键 控 （ GFSK）调制［6］，对应于 l Mbit / S 的速度发送二进 制数据. 此外 VCO 的调制输入（ MOD In）端所加基 带信号的幅度可以通过电阻分压网络来调整，以获 得所需的频率偏移. 这种发射机采用的是基于 PLL 的直接 VCO 频率调制发射机结构［7］.
LMX3l62 内的混频器可获得 l7 db 的增益，噪声系
数为 ll. 8 db，输出三阶交截点（ OIP3）为 7. 5 dbm.
l. 3. 3 IF SAW 和 RC 滤波
为了获得良好的信道选择性，选用 MURATA
的 SAFUll0. 0MSA45T 声表面波（ SAW）滤波器作
为中频滤波，它在中心频率为 ll0 MHZ 处的 3 db
张 华 赵洪新 洪 伟
（ 东南大学毫米波国家重点实验室，南京 2l0096）
摘要：主要介绍一种工作在 2. 4 ~ 2. 5 GHZ ISM 频段的短距离无线通信收发信机射频前端模块. 该模块由低噪声放大器（ LNA）、上 / 下变频器、锁相环（ PLL）频率合成器以及射频 / 中频滤波器等 构成，并集成在一块 97 mm X 66 mm 的 PCB 板上. 文中在理论分析和仿真基础上对射频前端电路 进行了设计和研制. 发射通道输出信号频谱和接收通道解调信号的测试结果表明，该射频模块可 应用于蓝牙或 IEEES02. llb 无线局域网等短距离无线通信系统. 关键词：无线扩频通信；射频前端；收发信机；仿真与测试 中图分类号：TN925 +. 92；TN929. 54 文献标识码：A 文章编号：l00l - 0505（2004）0l-00l0-05