無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)課件

《射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》講義東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所陳志恒,Nov-4,2002無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)Q概述Q混頻：更數(shù)學(xué)地看問題Q無線接收機(jī)* 超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)* 零中頻接收機(jī)* 鏡像抑制接收機(jī)* 低中頻結(jié)構(gòu)* 二次變頻寬中頻接收機(jī)Q無線發(fā)射機(jī)Q附錄* 鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)Q參考文獻(xiàn)1PPT課件《射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》講義東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所1of28概述 ? 接收機(jī)或發(fā)射機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有更重要的意義– 決定總體大小、功耗、性能– 協(xié)調(diào)各電路模塊，確保達(dá)到指標(biāo)? 收發(fā)機(jī)(Transceiver)結(jié)構(gòu)對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響– 片外元件的數(shù)量和種類– 電路的復(fù)雜度– 各級(jí)電路的工作頻率、增益、噪聲系數(shù)、線性度、功耗? 收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)集成度和成本的影響– PCB線路的復(fù)雜度– 片外元件，尤其是高Q值濾波器、諧振器的費(fèi)用– 元件安裝(焊接)的成本– 電路調(diào)試的費(fèi)用射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>概述2PPT課件1of28射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>概述2of28中頻(IntermediateFrequency)我們已經(jīng)知道了無線通信中使用高頻載波來傳輸信號(hào)的必要性，現(xiàn)在來看一下接收信號(hào)時(shí)降低頻率的必要性– 射頻信道選擇的困難?? 即使可以達(dá)到這么高的Q值，濾波器通帶內(nèi)的損耗和帶外(相鄰信道)的衰減也將帶來極大的問題? 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近乎理想的濾波器，但是直接在射頻頻率進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并不現(xiàn)實(shí)? 因此，射頻濾波器只能用作整個(gè)系統(tǒng)頻段的選擇，濾除頻段外的干擾，信道的選擇(模擬或數(shù)字濾波)需要在較低的頻率(中頻)進(jìn)行– 中頻頻率的選擇? 鏡像頻率和鏡頻抑制(ImageRejection)? 鄰信道干擾和選擇性(Selectivity)? 避開其它干擾(如某些時(shí)鐘和參考信號(hào)及其諧波頻率)200kHz對(duì)于GSM系統(tǒng)，Q

9-----------M------H----z--=45003PPT課件射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>概3of28混頻：更數(shù)學(xué)地看問題 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題(1)(2a)(2b)但是復(fù)信號(hào)可能只存在單邊頻率分量，例如(3a)(3b)? 實(shí)信號(hào)的Fourier變換：正負(fù)頻率分量同時(shí)存在且互為共軛，即xt

Xj

Xj= X–j例如21 12cosct

---+c+---–cjj2 2sinct

---+c–---–ce–jct= cosct–jsinctce–jct

+

4PPT課件3of28混頻：更數(shù)學(xué)地看問題 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>4of28? 混頻：時(shí)域相乘=頻域卷積=頻譜搬移– 上變頻：基帶

射頻xtcosctxtcosctccccXj射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題5PPT課件4of28? 混頻：時(shí)域相乘=頻域卷積=頻譜搬移5of28– 下變頻：射頻

基帶cosLOtLOLOLOLOIFIFRFIFccIFc–LO = IFIFIF射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題6PPT課件5of28– 下變頻：射頻基帶cosLOt6of28– 鏡像頻率cosLOtLOLOccLOIFIFRF+IMGIF+InterferenceIF IFLOIFLOIFIFIFLOIFIF射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題7PPT課件6of28– 鏡像頻率cosLOtLOLO7of28– 復(fù)混頻1e–jLOtLOccLOIFIFxtyIt+jyQtcosLOt射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題LO–sin

tyItxt090cosLOtyQtI:In-phase,同相Q:Quadrature,正交8PPT課件7of28– 復(fù)混頻1e–jLOtLOc8of28– 復(fù)混頻2cosct–jsinctLOcLOIFIFyIt+jyQtLOcos

t–sinLOtyItxItyQtxIt+jxQt

射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題xQtyIt =xItcosct+xQtsinctyQt =xQtcosct–xItsinctcosLOt9PPT課件8of28– 復(fù)混頻2cosct–jsin9of28無線接收機(jī) ? 接收機(jī)概述BB? 在不造成接收機(jī)線性度惡化的前提下提供一定的增益，抑制后續(xù)電路噪聲射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線接收機(jī)LORFFilter1? 選擇工作頻段，限制輸入帶寬，減少互調(diào)(IM)失真? 抑制雜散(Spurious)信號(hào)，避免雜散響應(yīng)? 減小本振泄漏，在FDD系統(tǒng)中作為頻域雙工器LNALNARFFilter2IFFilterInjectionFilterRFFilter1MixerIFAMP10PPT課件9of28無線接收機(jī) ? 接收機(jī)概述BB? 在不造成接收? 通常需要較大的增益并實(shí)現(xiàn)增益控制射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線接收機(jī)10of28– RFFilter2? 抑制由LNA放大或產(chǎn)生的鏡像干擾? 進(jìn)一步抑制其它雜散信號(hào)? 減小本振泄漏Mixer? 下變頻器? 接收機(jī)中輸入射頻信號(hào)最強(qiáng)的模塊，線性度極為重要，同時(shí)要求較低的噪聲InjectionFilter? 濾除來自本振的雜散信號(hào)IFFilter? 抑制相鄰信道干擾，提供選擇性? 濾除混頻器等產(chǎn)生的互調(diào)干擾? 如果存在第二次變頻，需要抑制第二鏡頻IFAmplifier? 將信號(hào)放大到一定的幅度供后續(xù)電路(如模數(shù)轉(zhuǎn)換或解調(diào)器)處理11PPT課件? 通常需要較大的增益并實(shí)現(xiàn)增益控制射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>11of28超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)使用混頻器將高頻信號(hào)搬到一個(gè)低得多的中頻頻率后再進(jìn)行信道濾波、放大和解調(diào)解決了高頻信號(hào)處理所遇到的困難。依靠周密的中頻頻率選擇和高品質(zhì)的射頻(鏡像抑制)和中頻(信道選擇)濾波器，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的超外差接收機(jī)可以達(dá)到很高的靈敏度、選擇性和動(dòng)態(tài)范圍，因此長久以來成為了高性能接收機(jī)的首選。? 多次變頻為了獲得更高的靈敏度和選擇性，有時(shí)需要通過2次或更多次變頻，在多個(gè)中頻頻率上逐步濾波和放大。? 本振頻率的選擇本振頻率可以高于(High-sideInjection)或低于(Low-sideInjection)信號(hào)頻率，這取決于所引入鏡像干擾的大小和振蕩器設(shè)計(jì)的難易程度。一般來說低頻的振蕩器可以獲得更好的噪聲性能，但是較小的變頻范圍。12PPT課件11of28超外差(Super-heterodyne)12of28? 偶次失真與半中頻(Half-IF)干擾– 本振與干擾的2次諧波相混頻– 本振與干擾信號(hào)混頻后經(jīng)過二次失真LOIFRF-------2如果超外差接收機(jī)的射頻放大器、混頻器等電路存在二次失真，將會(huì)引起所謂的Half-IF問題IF IF-------2RF+LO------------------------2IF/2射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)RF+LO22LO–2------------------------- = LO–RF=IF22LO–------------------------RF+LOIF-

= 2 2-------- = IF13PPT課件12of28? 偶次失真與半中頻(Half-IF)干13of28零中頻接收機(jī) ? 最自然、最直接的實(shí)現(xiàn)方法– 不存在鏡像頻率– 不需要鏡頻抑制濾波器– 信道選擇只需低通濾波器? 問題在于0Hz附近很不安全直流偏移(DCoffset)– 低頻噪聲(1/fnoise)? 直流偏移的成因– 元件失配– 電路的非線性(IP2)自混頻(Self-mixing)OffsetLOLeakageADC射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>零中頻接收機(jī)LNALPFLPF090ADC14PPT課件13of28零中頻接收機(jī) ? 最自然、最直接的實(shí)現(xiàn)方法O14of28直流偏移的消除(DCoffsetcancellation)– 使用交流耦合(AC-coupling)射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>零中頻接收機(jī)15PPT課件14of28直流偏移的消除(DCoffsetcan15of28– 諧波混頻(Harmonicmixing)– 偏移量的估算和扣除(TDMA系統(tǒng))– 提高電路的IP2(差分結(jié)構(gòu))– DSP補(bǔ)償RF-Q3IEEiC1 iC2 iC3 iC4Q1 Q2 Q4RF+vLOIEEx3 x5----- ------(forsmallx)tanhx

x– + +3 10sgnx(forlargex)i=iC1+iC3–iC2+iC4=iC1–iC2+iC3–iC4LO RF2VTLO RF2VT

v –v 2

v+v 2tanh

--------------------------------

–tanh

--------------------------------=IEE射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>零中頻接收機(jī)16PPT課件15of28– 諧波混頻(Harmonicmixin16of28鏡像抑制接收機(jī) Hartleyimage-rejectreceiver– 90

移相：HilbertFilter90ABCsinLOtcosLOtvinvout90j射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制接收機(jī)jH =–jsgn17PPT課件16of28鏡像抑制接收機(jī) Hartleyimage-LOccLOLOLO17of28jjIFIFjjjj11射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制接收機(jī)IFIF18PPT課件LOccLOLOLO17of18of28– Weaverimage-rejectreceiver2cos

tACsin2tsin1tcos1t

BDvinvoutjjjjAB11CD11IF1IF1IF2IF1+22222射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制接收機(jī)19PPT課件18of28– Weaverimage-reject19of28低中頻結(jié)構(gòu) 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>低中頻結(jié)構(gòu)? 具有與零中頻結(jié)構(gòu)類似的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了DC附近的問題? 要求很高的鏡頻抑制比，需要結(jié)合使用抑制鏡頻的變頻結(jié)構(gòu)和額外的鏡頻抑制措施鏡頻陷波濾波器(notchfilter)多相濾波器(poly-phasefilter)– 數(shù)字濾波20PPT課件19of28低中頻結(jié)構(gòu) 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通20of28二次變頻寬中頻接收機(jī)第一本振為固定頻率，整個(gè)信號(hào)頻段被搬移到第一中頻；第二本振可變，完成調(diào)諧功能；第二中頻為0中頻，使用低通濾波器選擇信道。與零中頻接收機(jī)相比，直流漂移和本振泄漏都可以獲得較為滿意的解決。固定頻率的第一本振和低頻的第二本振使振蕩器和頻率合成器的相位噪聲可以獲得改善。但是第二本振頻率較低，要獲得大變頻范圍較為困難。同時(shí)由于第一中頻處沒有信道選擇濾波，所有信道均被放大后進(jìn)行第二次變頻，相鄰信道的干擾較為嚴(yán)重，因此對(duì)動(dòng)態(tài)范圍要求有所提高。最后，該結(jié)構(gòu)使用兩次復(fù)混頻，鏡頻干擾基本解決。cosLO1t–sinLO1t射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>二次變頻寬中頻接收機(jī)yI1txtyQ1tcosLO2tLO2–sin

tI2y tyQ2tLO2cos

t21PPT課件20of28二次變頻寬中頻接收機(jī)第一本振為固定頻率，整21of28LO1RFRFLO1IF1IF1LO2LO2射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>二次變頻寬中頻接收機(jī)IF222PPT課件21of28LO1RFRFLO122of28無線發(fā)射機(jī) 直接上變頻(Direct-conversion)– 結(jié)構(gòu)簡單– 功放對(duì)本振形成干擾(LOpullingorinjectionlocking)– 本振頻率可以通過加減一個(gè)偏移量來獲得，從而避免LOpullingI090QMatchingNetworkPALOf射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線發(fā)射機(jī)1ffLO=f1f23PPT課件22of28無線發(fā)射機(jī) 直接上變頻(Direct-co23of28? 超外差式IQ90PALO2– 功放與本振之間具有良好的隔離度– 第一本振頻率較低，可以達(dá)到較高的調(diào)制質(zhì)量– 復(fù)雜度較高? 直接數(shù)字調(diào)制0LO1FrequencySynthesizerBasebandDigitalSignalPA射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線發(fā)射機(jī)24PPT課件23of28? 超外差式IQ90PALO20Freq24of28附錄一：鏡像抑制混頻原理推導(dǎo) Hartley結(jié)構(gòu)90射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)ABCLPFsinLOtcosLOtLPFvinvoutvinIF= ARFcosRFt+AIMGcosIMGt，不失一般性，假設(shè)LO

RF即=RF–LO= LO–IMG,于是圖中A點(diǎn)和B點(diǎn)的信號(hào)分別為ARF AIMG2 2vA= ---------sinLOt–RFt+------------sinLOt–IMGtARF2AIMG2= –---------sinIFt+------------sinIFtthisstepisimportant!25PPT課件24of28附錄一：鏡像抑制混頻原理推導(dǎo) Hartle射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)25of28最后在輸出端有由于鏡像干擾所得到的中頻信號(hào)被抵消了。vB= ---------cosLOt–RFt+------------cosLOt–IMGt= ---------cosA點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)過90

相移以后在C點(diǎn)變成vC2ARF AIMG2= ---------cosIFt–------------cosIFtvout= vC+vB= ARFcosIFt26PPT課件射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡26of28Weaver結(jié)構(gòu)LPFsin1tcos1tLPF射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)2cos

tABCsin2tDvinvout假設(shè)IF1= RF–1=1–IMG，IF =IF1–2= RF–1–2，且1?2，vin=ARFcosRFt+AIMGcosIMGt，則在A點(diǎn)和B點(diǎn)ARF2AIMG2vA=–---------sinIF1t+------------sinIF1tvBARF2AIMG2= ---------cosIF1t+------------cosIF1t27PPT課件26of28Weaver結(jié)構(gòu)LPF射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)27of28在C點(diǎn)和D點(diǎn)有我們看到由鏡像干擾所得到的中頻信號(hào)號(hào)的中頻則順利通過。在輸出信號(hào)中仍然有鏡像干擾引起的分量ARF4ARF4AIMG4AIMG4vC=–--------cosIF1–2t+--------cosIF1+2t+-----------cosIF1–2t–-----------cosIF1+2tARF4輸出信號(hào)為ARF4AIMG4AIMG4vD=--------cosIF1–2t+--------cosIF1+2t+-----------cosIF1–2t+-----------cosIF1+2tvoutARF2IFAIMG2IF12+

tt+------------cos=vD–vC= ---------cosAIMG4-----------cosIF1–2t受到了抑制，而有用信AIMG2-----------cosIF1+2t，但它的頻率比中頻IF1–2高，若本振頻率選擇適當(dāng)，這一分量可以被濾除因?yàn)檫@一結(jié)構(gòu)實(shí)際上進(jìn)行了兩次變頻，輸入信號(hào)中在22–RF+21頻率附近的干擾經(jīng)過第一次變頻后被搬移到22–RF+1，從而成為第二次變頻時(shí)的鏡像干擾，因此必須在第二次變頻前予以濾除28PPT課件射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡28of28參考文獻(xiàn) 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>參考文獻(xiàn)[1] BehzadRazavi,RFMicroelectronics,Chapter5.[2] ShahriarMirabbasiandKenMartin,“ClassicalandModernReceiverArchitectures”,IEEECommunicationsMagazine,pp.132-139,Nov.2000.[3] T.Lee,TheDesignofCMOSRadioFrequencyIntegratedCircuits,Chapter18.29PPT課件28of28參考文獻(xiàn) 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信《射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》講義東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所陳志恒,Nov-4,2002無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)Q概述Q混頻：更數(shù)學(xué)地看問題Q無線接收機(jī)* 超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)* 零中頻接收機(jī)* 鏡像抑制接收機(jī)* 低中頻結(jié)構(gòu)* 二次變頻寬中頻接收機(jī)Q無線發(fā)射機(jī)Q附錄* 鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)Q參考文獻(xiàn)30PPT課件《射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》講義東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所1of28概述 ? 接收機(jī)或發(fā)射機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有更重要的意義– 決定總體大小、功耗、性能– 協(xié)調(diào)各電路模塊，確保達(dá)到指標(biāo)? 收發(fā)機(jī)(Transceiver)結(jié)構(gòu)對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響– 片外元件的數(shù)量和種類– 電路的復(fù)雜度– 各級(jí)電路的工作頻率、增益、噪聲系數(shù)、線性度、功耗? 收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)集成度和成本的影響– PCB線路的復(fù)雜度– 片外元件，尤其是高Q值濾波器、諧振器的費(fèi)用– 元件安裝(焊接)的成本– 電路調(diào)試的費(fèi)用射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>概述31PPT課件1of28射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>概述2of28中頻(IntermediateFrequency)我們已經(jīng)知道了無線通信中使用高頻載波來傳輸信號(hào)的必要性，現(xiàn)在來看一下接收信號(hào)時(shí)降低頻率的必要性– 射頻信道選擇的困難?? 即使可以達(dá)到這么高的Q值，濾波器通帶內(nèi)的損耗和帶外(相鄰信道)的衰減也將帶來極大的問題? 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近乎理想的濾波器，但是直接在射頻頻率進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并不現(xiàn)實(shí)? 因此，射頻濾波器只能用作整個(gè)系統(tǒng)頻段的選擇，濾除頻段外的干擾，信道的選擇(模擬或數(shù)字濾波)需要在較低的頻率(中頻)進(jìn)行– 中頻頻率的選擇? 鏡像頻率和鏡頻抑制(ImageRejection)? 鄰信道干擾和選擇性(Selectivity)? 避開其它干擾(如某些時(shí)鐘和參考信號(hào)及其諧波頻率)200kHz對(duì)于GSM系統(tǒng)，Q

9-----------M------H----z--=450032PPT課件射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>概3of28混頻：更數(shù)學(xué)地看問題 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題(1)(2a)(2b)但是復(fù)信號(hào)可能只存在單邊頻率分量，例如(3a)(3b)? 實(shí)信號(hào)的Fourier變換：正負(fù)頻率分量同時(shí)存在且互為共軛，即xt

Xj

Xj= X–j例如21 12cosct

---+c+---–cjj2 2sinct

---+c–---–ce–jct= cosct–jsinctce–jct

+

33PPT課件3of28混頻：更數(shù)學(xué)地看問題 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>4of28? 混頻：時(shí)域相乘=頻域卷積=頻譜搬移– 上變頻：基帶

射頻xtcosctxtcosctccccXj射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題34PPT課件4of28? 混頻：時(shí)域相乘=頻域卷積=頻譜搬移5of28– 下變頻：射頻

基帶cosLOtLOLOLOLOIFIFRFIFccIFc–LO = IFIFIF射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題35PPT課件5of28– 下變頻：射頻基帶cosLOt6of28– 鏡像頻率cosLOtLOLOccLOIFIFRF+IMGIF+InterferenceIF IFLOIFLOIFIFIFLOIFIF射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題36PPT課件6of28– 鏡像頻率cosLOtLOLO7of28– 復(fù)混頻1e–jLOtLOccLOIFIFxtyIt+jyQtcosLOt射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題LO–sin

tyItxt090cosLOtyQtI:In-phase,同相Q:Quadrature,正交37PPT課件7of28– 復(fù)混頻1e–jLOtLOc8of28– 復(fù)混頻2cosct–jsinctLOcLOIFIFyIt+jyQtLOcos

t–sinLOtyItxItyQtxIt+jxQt

射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>混頻：更數(shù)學(xué)地看問題xQtyIt =xItcosct+xQtsinctyQt =xQtcosct–xItsinctcosLOt38PPT課件8of28– 復(fù)混頻2cosct–jsin9of28無線接收機(jī) ? 接收機(jī)概述BB? 在不造成接收機(jī)線性度惡化的前提下提供一定的增益，抑制后續(xù)電路噪聲射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線接收機(jī)LORFFilter1? 選擇工作頻段，限制輸入帶寬，減少互調(diào)(IM)失真? 抑制雜散(Spurious)信號(hào)，避免雜散響應(yīng)? 減小本振泄漏，在FDD系統(tǒng)中作為頻域雙工器LNALNARFFilter2IFFilterInjectionFilterRFFilter1MixerIFAMP39PPT課件9of28無線接收機(jī) ? 接收機(jī)概述BB? 在不造成接收? 通常需要較大的增益并實(shí)現(xiàn)增益控制射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線接收機(jī)10of28– RFFilter2? 抑制由LNA放大或產(chǎn)生的鏡像干擾? 進(jìn)一步抑制其它雜散信號(hào)? 減小本振泄漏Mixer? 下變頻器? 接收機(jī)中輸入射頻信號(hào)最強(qiáng)的模塊，線性度極為重要，同時(shí)要求較低的噪聲InjectionFilter? 濾除來自本振的雜散信號(hào)IFFilter? 抑制相鄰信道干擾，提供選擇性? 濾除混頻器等產(chǎn)生的互調(diào)干擾? 如果存在第二次變頻，需要抑制第二鏡頻IFAmplifier? 將信號(hào)放大到一定的幅度供后續(xù)電路(如模數(shù)轉(zhuǎn)換或解調(diào)器)處理40PPT課件? 通常需要較大的增益并實(shí)現(xiàn)增益控制射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>11of28超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)使用混頻器將高頻信號(hào)搬到一個(gè)低得多的中頻頻率后再進(jìn)行信道濾波、放大和解調(diào)解決了高頻信號(hào)處理所遇到的困難。依靠周密的中頻頻率選擇和高品質(zhì)的射頻(鏡像抑制)和中頻(信道選擇)濾波器，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的超外差接收機(jī)可以達(dá)到很高的靈敏度、選擇性和動(dòng)態(tài)范圍，因此長久以來成為了高性能接收機(jī)的首選。? 多次變頻為了獲得更高的靈敏度和選擇性，有時(shí)需要通過2次或更多次變頻，在多個(gè)中頻頻率上逐步濾波和放大。? 本振頻率的選擇本振頻率可以高于(High-sideInjection)或低于(Low-sideInjection)信號(hào)頻率，這取決于所引入鏡像干擾的大小和振蕩器設(shè)計(jì)的難易程度。一般來說低頻的振蕩器可以獲得更好的噪聲性能，但是較小的變頻范圍。41PPT課件11of28超外差(Super-heterodyne)12of28? 偶次失真與半中頻(Half-IF)干擾– 本振與干擾的2次諧波相混頻– 本振與干擾信號(hào)混頻后經(jīng)過二次失真LOIFRF-------2如果超外差接收機(jī)的射頻放大器、混頻器等電路存在二次失真，將會(huì)引起所謂的Half-IF問題IF IF-------2RF+LO------------------------2IF/2射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>超外差(Super-heterodyne)結(jié)構(gòu)RF+LO22LO–2------------------------- = LO–RF=IF22LO–------------------------RF+LOIF-

= 2 2-------- = IF42PPT課件12of28? 偶次失真與半中頻(Half-IF)干13of28零中頻接收機(jī) ? 最自然、最直接的實(shí)現(xiàn)方法– 不存在鏡像頻率– 不需要鏡頻抑制濾波器– 信道選擇只需低通濾波器? 問題在于0Hz附近很不安全直流偏移(DCoffset)– 低頻噪聲(1/fnoise)? 直流偏移的成因– 元件失配– 電路的非線性(IP2)自混頻(Self-mixing)OffsetLOLeakageADC射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>零中頻接收機(jī)LNALPFLPF090ADC43PPT課件13of28零中頻接收機(jī) ? 最自然、最直接的實(shí)現(xiàn)方法O14of28直流偏移的消除(DCoffsetcancellation)– 使用交流耦合(AC-coupling)射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>零中頻接收機(jī)44PPT課件14of28直流偏移的消除(DCoffsetcan15of28– 諧波混頻(Harmonicmixing)– 偏移量的估算和扣除(TDMA系統(tǒng))– 提高電路的IP2(差分結(jié)構(gòu))– DSP補(bǔ)償RF-Q3IEEiC1 iC2 iC3 iC4Q1 Q2 Q4RF+vLOIEEx3 x5----- ------(forsmallx)tanhx

x– + +3 10sgnx(forlargex)i=iC1+iC3–iC2+iC4=iC1–iC2+iC3–iC4LO RF2VTLO RF2VT

v –v 2

v+v 2tanh

--------------------------------

–tanh

--------------------------------=IEE射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>零中頻接收機(jī)45PPT課件15of28– 諧波混頻(Harmonicmixin16of28鏡像抑制接收機(jī) Hartleyimage-rejectreceiver– 90

移相：HilbertFilter90ABCsinLOtcosLOtvinvout90j射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制接收機(jī)jH =–jsgn46PPT課件16of28鏡像抑制接收機(jī) Hartleyimage-LOccLOLOLO17of28jjIFIFjjjj11射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制接收機(jī)IFIF47PPT課件LOccLOLOLO17of18of28– Weaverimage-rejectreceiver2cos

tACsin2tsin1tcos1t

BDvinvoutjjjjAB11CD11IF1IF1IF2IF1+22222射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制接收機(jī)48PPT課件18of28– Weaverimage-reject19of28低中頻結(jié)構(gòu) 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>低中頻結(jié)構(gòu)? 具有與零中頻結(jié)構(gòu)類似的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了DC附近的問題? 要求很高的鏡頻抑制比，需要結(jié)合使用抑制鏡頻的變頻結(jié)構(gòu)和額外的鏡頻抑制措施鏡頻陷波濾波器(notchfilter)多相濾波器(poly-phasefilter)– 數(shù)字濾波49PPT課件19of28低中頻結(jié)構(gòu) 射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通20of28二次變頻寬中頻接收機(jī)第一本振為固定頻率，整個(gè)信號(hào)頻段被搬移到第一中頻；第二本振可變，完成調(diào)諧功能；第二中頻為0中頻，使用低通濾波器選擇信道。與零中頻接收機(jī)相比，直流漂移和本振泄漏都可以獲得較為滿意的解決。固定頻率的第一本振和低頻的第二本振使振蕩器和頻率合成器的相位噪聲可以獲得改善。但是第二本振頻率較低，要獲得大變頻范圍較為困難。同時(shí)由于第一中頻處沒有信道選擇濾波，所有信道均被放大后進(jìn)行第二次變頻，相鄰信道的干擾較為嚴(yán)重，因此對(duì)動(dòng)態(tài)范圍要求有所提高。最后，該結(jié)構(gòu)使用兩次復(fù)混頻，鏡頻干擾基本解決。cosLO1t–sinLO1t射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>二次變頻寬中頻接收機(jī)yI1txtyQ1tcosLO2tLO2–sin

tI2y tyQ2tLO2cos

t50PPT課件20of28二次變頻寬中頻接收機(jī)第一本振為固定頻率，整21of28LO1RFRFLO1IF1IF1LO2LO2射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>二次變頻寬中頻接收機(jī)IF251PPT課件21of28LO1RFRFLO122of28無線發(fā)射機(jī) 直接上變頻(Direct-conversion)– 結(jié)構(gòu)簡單– 功放對(duì)本振形成干擾(LOpullingorinjectionlocking)– 本振頻率可以通過加減一個(gè)偏移量來獲得，從而避免LOpullingI090QMatchingNetworkPALOf射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線發(fā)射機(jī)1ffLO=f1f52PPT課件22of28無線發(fā)射機(jī) 直接上變頻(Direct-co23of28? 超外差式IQ90PALO2– 功放與本振之間具有良好的隔離度– 第一本振頻率較低，可以達(dá)到較高的調(diào)制質(zhì)量– 復(fù)雜度較高? 直接數(shù)字調(diào)制0LO1FrequencySynthesizerBasebandDigitalSignalPA射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>無線發(fā)射機(jī)53PPT課件23of28? 超外差式IQ90PALO20Freq24of28附錄一：鏡像抑制混頻原理推導(dǎo) Hartley結(jié)構(gòu)90射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)ABCLPFsinLOtcosLOtLPFvinvoutvinIF= ARFcosRFt+AIMGcosIMGt，不失一般性，假設(shè)LO

RF即=RF–LO= LO–IMG,于是圖中A點(diǎn)和B點(diǎn)的信號(hào)分別為ARF AIMG2 2vA= ---------sinLOt–RFt+------------sinLOt–IMGtARF2AIMG2= –---------sinIFt+------------sinIFtthisstepisimportant!54PPT課件24of28附錄一：鏡像抑制混頻原理推導(dǎo) Hartle射頻集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)>無線通信系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)>鏡像抑制混頻原理推導(dǎo)25of28最后在輸出端有由于鏡像干擾所得到的中頻信號(hào)被抵消了。vB