8.1 單片射頻發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

8.1單片射頻發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

8.1.1發(fā)射機(jī)的技術(shù)要求發(fā)射機(jī)的基本功能是以足夠的功率、合適的載波頻率、適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式及較高的功率效率將所需要傳輸?shù)幕鶐盘?hào)通過天線發(fā)射出去。發(fā)射機(jī)調(diào)制基帶信號(hào)，然后上變頻到載波頻率c（2fc，射頻），需要充分的功率放大，同時(shí)不能產(chǎn)生信號(hào)失真和鄰近信道干擾。為實(shí)現(xiàn)最好的設(shè)計(jì)，通常需要在各種不同的調(diào)制方案之間進(jìn)行權(quán)衡。調(diào)制方案主要分成兩大類：“恒定包絡(luò)”和“可變包絡(luò)”。恒定包絡(luò)具有恒定的已調(diào)信號(hào)振幅，可由非線性功率放大器放大，如高斯濾波頻移鍵控（GaussianFilteredFrequencyShiftKeying，GFSK）調(diào)制。可變包絡(luò)信號(hào)、振幅和相位都有變化，需要線性功率放大，如正交相移鍵控（QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK）。一個(gè)收發(fā)系統(tǒng)通常工作在時(shí)分雙工（TimeDivisionDuplex，TDD）或者是頻分雙工（FrequencyDivisionDuplex，F(xiàn)DD）方式。傳遞到天線的總平均功率應(yīng)該考慮到雙工器或射頻開關(guān)所造成的損耗。發(fā)射功率提高了輸出頻譜的噪聲基值，發(fā)射機(jī)噪聲的升高會(huì)引起接收機(jī)靈敏度的降低。一個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)應(yīng)同步實(shí)現(xiàn)。選擇合適的頻率，可以優(yōu)化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)并提高技術(shù)性能。選擇發(fā)射機(jī)體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮的主要技術(shù)指標(biāo)如下：1．發(fā)射（載波）頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性發(fā)射（載波）頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性基本上是由載波基準(zhǔn)頻率振蕩器決定的。不同應(yīng)用的無線收發(fā)系統(tǒng)有不同的要求。發(fā)射頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性可以用Hz或者頻率的百分比來表示。2．發(fā)射（載波）頻率捷變發(fā)射（載波）頻率捷變是指載波頻率快速改變的能力。對(duì)于多頻道發(fā)射這是一個(gè)重要的技術(shù)性能指標(biāo)。通常利用頻率合成器來設(shè)置和改變發(fā)射頻率，在整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)之中還需要利用寬帶技術(shù)以保證頻率的改變和調(diào)諧之間的同步。3．頻譜純度發(fā)射機(jī)除了產(chǎn)生載波信號(hào)及所需要的邊帶信號(hào)外，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些寄生信號(hào)。寄生信號(hào)通常是載波頻率的諧波成分。所有的放大器都可能產(chǎn)生諧波失真，如C類功率放大器就會(huì)產(chǎn)生大量的諧波成分。在發(fā)射輸出中除指定的發(fā)射載波頻率外，其他諧波頻率成分都需要通過濾波消除，以避免干擾。4．輸出功率發(fā)射機(jī)采用不同的調(diào)制方式，發(fā)射輸出功率的測(cè)量方法是不同的。如全載波AM（調(diào)幅）系統(tǒng)的發(fā)射功率是根據(jù)載波功率來確定的，調(diào)制后輸出信號(hào)功率大于未調(diào)載波功率。而在抑制載波AM系統(tǒng)中，采用峰值包絡(luò)功率（PEP）。FM（調(diào)頻）系統(tǒng)是一個(gè)恒定功率系統(tǒng)，F(xiàn)M發(fā)射通道的額定功率為輸出信號(hào)的總功率。對(duì)輸出功率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，一定要注意發(fā)射通道的占空系數(shù)（導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間），如許多雙向式語音通信系統(tǒng)的發(fā)射通道并不是在最大功率下連續(xù)工作的，但廣播發(fā)射機(jī)就是連續(xù)工作的，而且是在最大功率下一天24小時(shí)不停地運(yùn)行。5．功率效率功率效率是發(fā)射機(jī)的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。系統(tǒng)總功效（功率效率）等于輸出功率與主電源的輸入功率的比值。造成系統(tǒng)功率效率降低的主要因素是器件上的熱能消耗及電源中的功率損耗。器件上產(chǎn)生的熱能通常需要利用散熱片、風(fēng)扇，甚至在一個(gè)大功率發(fā)射系統(tǒng)中還需要利用水冷式方法對(duì)器件進(jìn)行散熱。所有這些措施都會(huì)增加系統(tǒng)的成本。6．調(diào)制系統(tǒng)的保真度對(duì)一個(gè)無線通信系統(tǒng)的基本要求是能夠?qū)υ蓟鶐盘?hào)實(shí)現(xiàn)正確還原。在發(fā)射機(jī)中，要求能夠以任何調(diào)制方式將任何基帶信號(hào)調(diào)制到載波上，而同時(shí)盡可能多地保留原始基帶信號(hào)不發(fā)生變化。由發(fā)射機(jī)所引起的任何失真（如調(diào)制失真、諧波失真和交調(diào)失真等）都有可能始終對(duì)信號(hào)的還原造成不良影響，因?yàn)橄到y(tǒng)的接收機(jī)是不可能完全消除這些失真的。還有一些其他的技術(shù)指標(biāo)如：信號(hào)的性質(zhì)（是語音信號(hào)，還是圖像信號(hào)；是模擬信號(hào)，還是數(shù)字信號(hào)；基帶信號(hào)所占的頻帶寬度）；發(fā)射機(jī)頻帶寬度，帶內(nèi)功率波動(dòng)；是否需要ALC（自動(dòng)電平控制）；發(fā)射機(jī)線性度要求；雙音輸入三階互調(diào)指標(biāo)；信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍等。在選擇發(fā)射機(jī)時(shí)也需要綜合考慮。8.1.2間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.1.1所示，可完成相應(yīng)的頻率上變頻處理和功率輸出。在圖8.1.1中，數(shù)字信號(hào)首先轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，由一個(gè)可變頻率（01）的本機(jī)振蕩器信號(hào)，通過第1級(jí)混頻器（Mixer）將信號(hào)變換為頻率固定的單邊帶中頻（01

）信號(hào)。然后，信號(hào)通過低通濾波器（LPF）以消除中頻信號(hào)諧波，隨后使用第2個(gè)混頻器將信號(hào)上變頻到01+02。由于第2個(gè)混頻器產(chǎn)生兩個(gè)邊帶，所以在混頻器輸出使用片外帶通濾波器（BPF），以濾除不需要的邊帶和其他毛刺。然后，信號(hào)被功率放大器（PA）放大并發(fā)射。圖8.1.1間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于恒定包絡(luò)調(diào)制和可變包絡(luò)調(diào)制。由于在中頻（幾百M(fèi)Hz）實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制，所以可以獲I和Q信號(hào)之間的完美匹配，同時(shí)只消耗很少的電流。為滿足頻譜純度要求，可以通過兩次濾波對(duì)毛刺和發(fā)射噪聲進(jìn)行抑制。間接調(diào)制避免了注入或本振牽引。間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用。存在的問題是：目前在射頻集成電路芯片上還不能集成外部帶通濾波器；另外，該結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)低相位噪聲鎖相環(huán)；而且，片內(nèi)濾波不能提供充分的毛刺抑制，并且對(duì)功率放大器的線性有高的要求；在中頻和射頻之間，實(shí)現(xiàn)高階低通濾波器是困難的，并可導(dǎo)致寄生信號(hào)（中頻的幾倍）不能完全被抑制。8.1.3直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.1.2所示，包括兩個(gè)射頻混頻器（Mixer）、一個(gè)帶有高頻本振的鎖相環(huán)和一個(gè)功率放大器（PA）?；鶐盘?hào)在同一級(jí)中實(shí)現(xiàn)調(diào)制和上變頻。由于可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鏡像干擾抑制，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以達(dá)到一個(gè)很高的集成度。因?yàn)闆]有中頻，所以在輸出端不存在與中頻相關(guān)的寄生信號(hào)。與間接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了更少的硬件。存在的問題是：工作在射頻頻率上的兩個(gè)混頻器需要消耗很大的電流；在高頻上很難獲得精確的正交相移，不能得到充分的鏡像干擾抑制；當(dāng)振蕩器和輸出處于同一頻率時(shí)，高頻載波饋通和注入牽引是兩個(gè)可能出現(xiàn)的問題。圖8.1.2直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.1.4偏移壓控振蕩器的直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過對(duì)兩個(gè)本振頻率（01和02）進(jìn)行混頻，可以減少本振牽引的影響。偏移壓控振蕩器（VCO）的直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.1.3所示。在這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，本振頻率是通過兩個(gè)較低頻率（01和02）混頻并濾波后得到的。除了沒有本振注入牽引的影響外，該方法具有與直接調(diào)制相同的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)注意選擇合適的本振頻率，以減少在輸出端產(chǎn)生的諧波。注意選擇連接在壓控振蕩器混頻器后面的帶通濾波器，以保證發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量。圖8.1.3偏移壓控振蕩器的直接調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.1.5基于鎖相環(huán)的直接調(diào)制壓控振蕩器發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鎖相環(huán)（PLL）可作為一個(gè)頻率乘法器，用于調(diào)頻和上變頻。在鎖定狀態(tài)，若鎖相環(huán)具有輸入頻率fref和反饋分頻器，則輸出頻率fout為

fout=Nfref

（8.1.1）式中，N為分頻器的分頻比，為了獲得上變頻調(diào)頻信號(hào)，可對(duì)fref進(jìn)行調(diào)制，或者讓分頻比N隨發(fā)射數(shù)據(jù)變化。一個(gè)基于鎖相環(huán)的直接調(diào)制壓控振蕩器發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.1.4所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，基帶數(shù)據(jù)直接調(diào)制壓控振蕩器（VCO）。首先，壓控振蕩器（VCO）由鎖相環(huán)控制以準(zhǔn)確地設(shè)置載波頻率，然后斷開鎖相環(huán)回路，基帶數(shù)據(jù)作為控制電壓直接加到壓控振蕩器（VCO）上。該方法的優(yōu)點(diǎn)是集成度高并且功耗低。因?yàn)閴嚎卣袷幤骺蓪?shí)現(xiàn)頻率變換和調(diào)制，所以需要的硬件更少。該方法的最大缺點(diǎn)是開路的壓控振蕩器會(huì)產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致輸出頻率的擾動(dòng)。該結(jié)構(gòu)也有注入鎖定現(xiàn)象，要求在壓控振蕩器和功率放大器（PA）之間高度隔離。圖8.1.4基于鎖相環(huán)的直接調(diào)制壓控振蕩器發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.1.6基于鎖相環(huán)的輸入基準(zhǔn)調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型的基于鎖相環(huán)的輸入基準(zhǔn)調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.1.5所示。如同直接調(diào)制發(fā)射機(jī)一樣，使用正交調(diào)制器，基帶信號(hào)首先變換為中頻。鎖相環(huán)用來把中頻信號(hào)上變頻到射頻，同時(shí)通過固有的鎖相環(huán)環(huán)路作用，降低了輸出信號(hào)的濾波要求。為了降低本機(jī)振蕩器（01）的高分辨率要求，反饋分頻器采用下變頻混頻器和低通濾波器形式。圖8.1.5基于鎖相環(huán)的輸入基準(zhǔn)調(diào)制發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率低且適于集成。由鎖相環(huán)提供的固有的窄帶濾波器取代了外部帶通濾波器。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只適于恒定包絡(luò)調(diào)制方案，由于需要兩個(gè)本機(jī)振蕩器（01和02），因此增加了額外的硬件。本振的注入牽引仍然是一個(gè)問題，這需要在本機(jī)振蕩器和PA之間進(jìn)行高度隔離。有很多方法可以產(chǎn)生調(diào)制基準(zhǔn)。其中一個(gè)例子就是環(huán)路自身使用正交調(diào)制，這樣做可以使信號(hào)的相位變化最小，這是因?yàn)殍b相器/鑒頻器輸入端施加有恒定的fref。由于CMOS技術(shù)的發(fā)展，在幾百M(fèi)Hz進(jìn)行直接數(shù)字合成（DDS）是可以實(shí)現(xiàn)的。由DDS產(chǎn)生輸入基準(zhǔn)頻率fref的基于鎖相環(huán)的發(fā)射機(jī)如圖8.1.6所示。高分辨率要求及轉(zhuǎn)換時(shí)間與寄生噪聲之間的權(quán)衡妨礙了該系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用。圖8.1.6由DDS產(chǎn)生輸入基準(zhǔn)頻率fref的基于鎖相環(huán)的發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.1.7基于N分頻的上變頻環(huán)路發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于N分頻的上變頻環(huán)路發(fā)射機(jī)可以達(dá)到高輸出頻率分辨率，而不會(huì)降低基準(zhǔn)頻率。如果利用發(fā)射數(shù)據(jù)改變分頻比，按照鎖相環(huán)方程式（8.1.1），即可以獲得調(diào)頻。在不降低鎖相環(huán)環(huán)路帶寬的情況下，可以通過使用相位注入、抖動(dòng)注入或噪聲整形技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)寄生噪聲性能。噪聲整形功能是通過使用-調(diào)制器獲得的?；贜分頻的上變頻環(huán)路發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.1.7所示。基帶數(shù)據(jù)首先經(jīng)高斯有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器濾波，然后，信號(hào)與信道選擇分頻值相加，后者用于設(shè)置載波頻偏。之后的信號(hào)作為-調(diào)制器的輸入，-調(diào)制器的輸出改變鎖相環(huán)的分頻比。從而通過改變分頻比獲得無寄生輸出信號(hào)。信號(hào)進(jìn)一步被放大，使輸出達(dá)到所需的功率電平。圖8.1.7基于N分頻的