基于无线通信射频收发机系统的设计毕业设计

摘要：近年来，射频(RF)无线通信技术的迅速发展增加了人们对低电压高性能射频前端的需求，无线通讯系统中的关键模块-RFIC 成为当前的研究热点，如：蜂窝式个人通信与基站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域网等。经过三代移动通信的发展，通信系统发展成了支持多媒体的通信系统，系统的速度更快，误码率更低。射频收发机是通信系统的前端部分，负责信号的接收和发射部分，是无线通信系统中不可缺少的一部分，它决定了通信距离和影响着通信质量通信系统的发展也带动了射频收发机的发展。本论文探讨了收发机的基本结构，射频收发机的发展，然后介绍了射频收发机的一些关键指标，然后根据重要指标计算出射频系统的主要技术指标，最后仿真整个收发机的主要技术指标。

关键词：移动通信；射频收发机；系统指标

RF transceiver system design based on wireless

communication

In recent years，the rapid development of radio frequency (RF) wireless communication increase the RF front-end needs of low-voltage and high-performance.The key modules-RFIC of Wireless communication systems become research focus,such as cellular personal communications and base station, wireless access systems, Satellite Communications,GPS, wireless lan,etc. After the development of three generations of mobile communications, communications system developed into a multimedia communication system and the system has faster rate and lower BER. RFtransceiver which is front of the communication system is responsible for receiving and transmitting the signal part and that is an integral part the wireless communication system. RF transceiver determines the distance of communication and affects the communication s quality. The development of communication system has also led to thedevelopment of the RF transceiver. The paper discussed transceiver's basic structure and radio frequency transceiver's development and some key indicators. Then according to these important target, it has calculated the radio frequency system's major technique target. Finally it simulated entire transceiver's major technique target.

Keywords: mobile communication RF transceiver system specifications

1引言

射频是指该频率的载波功率能通过天线发射出去(反之亦然)，以交变的电磁场形式在自由空间以光速传播，碰到不同介质时传播速率发生变化，也会发生电磁波反射、折射、绕射、穿透等，引起各种损耗。在金属线传输时具有趋肤效应现象[1]。

该频率在各种无源和有源电路中R, L, C各参数反映出是分布参数。因此说所谓射频RF （Radio Frequency)是指频率较高，可用于发射无线电频率，一般常指几十到几百兆赫的频

段，即 VHF-UHF频段。而更高的频率，则称为微波。广义地说，在无线电频谱上微波是指频率为300MHz-300GHz的无线电波，其相应的波长范围是在lm—0.1mm。一般更具体的指1—

30GHz频段，即波长在厘米范围的厘米波。频率更高的则称之为毫米波、亚毫米波段。因而，移动通信中的CDMA, GSM等系统所采用的800MHz, 900MHz频段属于射频RF范畴，也即UHF频段(也可看作微波的低端);而第三代移动通信3G的工作频段就是在微波范围内。

射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。有线电视系统就是采用射频传输方式的。在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场;交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波成为射频，英文缩写:RF将电信息源(模拟或数字的)用高频电流进行调制(调幅或调频)，形成射频信号，经过天线发射到空中;远距离将射频信号接收后进行反调制，还原成电信息源，这一过程称为无线传输。无线传输发展了近二百年，形成了大量的用户和产品群，但是，由于气候的变化和地表障碍物的影响，不能传输完美的信息。近代人类发明了廉价的高频传输线缆(射频线)，为了追求完美的信息传输质量，兼顾原有的无线设备，无线方式有线传输开始流行。产生了射频传输这一概念。如果你的信息源经过二次调制，用线缆传输到对端，对端用反调制将信息源还原后再应用，不管频率多低，也是射频传输方式，如果没有调制反调制过程，只是将信息源用线缆传送到对端直接使用，不管频率有多高，都是一般的有线传输方式[2]。

综观无线电频谱，频率从极低一直到非常高，波长从超长波一直到亚毫米波段再到光波、紫外，不同频段的无线电波其特性也截然不同。我们必须了解这一点，并学会用不同的概念、技术和方法来处理问题。在移动通信所工作的射频和微波频段，如果只沿用低频的概念和技术来研究和处理问题，必然是行不通。

射频电路最主要的应用领域就是无线通信，无线通信射频收发机包含了发射机电路、接收机电路以及通信天线。

2 射频集成电路的发展及研究前景

近年来，通信技术以惊人的速度发展，而射频(RF)无线通信技术的发展显得尤为迅猛。当今，射频无线通信技术已经被广泛应用于生活的各个方面，如：蜂窝式个人通信与机站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域网等。随着多种无线通讯系统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关键模块—射频集成电路(RFIC)—成为当前的研究热点。射频IC的优化设计，除了数字IC所要求的功耗、速度、产量外，还必须考虑系统部件的噪声、增益、线性度、最大功率传输等因素。同时，由于激烈的市场竞争，通讯系统对射频IC的要求也越来越高，低成本、低功耗、高线性度、多功能等已经成为射频集成电路发展的趋势。21世纪是信息技术高度发展的时代，以微电子为基础的电子技术是推动信息技术发展的物质基础。集成电路是微电子的核心和主体，也是电子信息产业的基础[3]。

现代的无线通信系统中，由于 CMOS 工艺生产费用低，集成密度高，且静态时电路不存在直流电流，收发机的数字处理部分大多采用 CMOS 工艺实现。但由于 CMOS 器件的跨导小，

并且 CMOS 工艺实现的射频电路通常衬底的损耗较大，收发机的射频前端电路一般采用双极型工艺或砷化镓工艺。而通常无线通信系统中的数字基带部分占芯片面积的 75％以上，考虑到集成度及成本等指标的要求，只有实现 CMOS 集成射频前端，才能最终实现无线通信系统的单片集成。随着深亚微米 CMOS 工艺的不断进步和成熟，其沟道长度不断减小，截止频率 ft不断增加，深亚微米 CMOS 工艺其 MOSFET 的特征频率已经达到 50GHz 以上，再加上 CMOS 工艺与其他工艺相比具有工艺成熟、应用广泛、价格低、集成度高、功耗小等特点，用 CMOS 工艺设计射频集成电路 RFIC(radio frequency integrated circuits)已经成为近几年世界性范围内研究的热点，世界各国的研究人员在 CMOS 射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究。美国许多成功的新兴集成电路无晶圆厂芯片设计公司(fabless)和众多的芯片设计start-ups 都比较集中在这一领域[4]。在 5GHz 以下，基于 CMOS 工艺制造的硅射频集成电路，在性能各方面已经能与 GaAs RFIC 及锗硅 RFIC 一争高下，且在成本上具有明显的竞争优势，在无线通讯、卫星定位导航等领域得到了广泛应用。

利用 CMOS 工艺实现的 RFIC 在上世纪九十年代中期开始起步和发展，图1表示了 RF CMOS 器件按比例缩小后主要参数的变化。

图1 RF CMOS器件按比例缩小后的卞要参数变化

随着器件特征尺寸的不断缩小，MO S器件的特征频率人、最高频率几a、和噪声性能等都有很大提高，可以获得很好的射频特性。特别是跨入90 nm以后，RF CMOS器件已经可以工作在40GHz到100 GHz范围。RF CMOS工艺既继承了数字CMOS工艺的功耗低、集成度高、成本低等众多优点，同时又显示出很好的射频特性，已开始应用十设计以往只能采用BiCMOS, GaAs和Site工艺实现的电路[5]。当前，各种制作RFIC的工艺技术的竞争相当激烈，不同工艺适用十不同的场合，它们的比较结果可见图2。

图2 RFIC制作工艺比较

RF CMOS技术的进步充分表明它已可以实现应用十宽带无线通信系统和高数据率交换装置的RFIC芯片。特别是在通讯系统对RFIC不断提出低成本、低功耗、小尺寸、高集成度、高可靠性、多功能等要求的推动下，RF CMO S技术正成为RFIC制作的热门选择，是实现数字与射频系统单片集成的RF SOC芯片很有发展前途的技术。

3．国内外研究动态

快速增长的无线通信市场造成了对射频集成电路的需求不断增加。近年来，随着特征尺寸的不断减小，深业微米CMOS工艺其MOSFET的特征频率已经达到200GHz以上，使得利用CMOS工艺实现GHz频段的射频电路以及业毫米波电路已经成为可能。在现代的收发机设计中，为了降低成本与功耗，将整个射频前端甚至基带信号处理部分集成到一片芯片上已经成为趋势。最近几年，世界各国的研究人员在CMO S射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究，使CMO S射频集成电路的性能不断得到提高[6]。

国外在该方面已经取得了很大的突破，目前国际上先进的集成电路制造商，其90 nm 和65 nm的工艺技术已经成熟，45nm工艺也已经投入商用，如Intel公司其32nm的CPU已经研制成功，并预计2009年底其32nm工艺线将投入生产[[5]。国外很多知名的公司、大学和研究所已经用CMOS工艺实现了高性能的低噪声放大器(LNA、压控振荡器( VCO)和混频器(Mixer)甚至是整个收发机(Transceiver)。

Broadcom公司研制的基于802.l l a无线局域网的收发器，采用0.18um CMOS I艺实现，频段范围为4.92-5.845GHz，整体噪声系数为3.5dB，发射时输出饱和功率达到了23dBm。

斯坦福大学的微波集成电路实验室，已经做成5GHz的无线局域网的接收机前端，它采用0.25um CMOS工艺实现，整体噪声系数为7.2dB，输入二阶交调点一7dBm。

国内采用CMOS工艺实现射频RF集成的研究工作只是在近几年才在一些高校和研究所中开展起来，主要研究单位有东南大学射频与光电集成电路研究所(射光所)、上海清华晶芯

微电子、复旦大学微电子学系、中科院嘉兴微电子研究所、上海鼎芯半导体和杭州士康射频电子技术公司等。

上海清华晶芯微电子有限公司首次在国内研制成功2.4GHz射频前端芯片组CMOS集成电路，它采用台积电0.18um RF CMOS工艺。此项目突破了RFIC(射频集成电路)产品设计的高难度障碍，填补国内空白，并为进入3G等众多的需要RFIC的无线通信领域奠定基础。

近日来，中国科学院微电子研究所采用 0.18um RFCMOS 工艺一次流片即测试成功了以下几款关键核心电路：1、3.9-4.9GHz 锁相环式频率综合器芯片：该频率综合器中的 VCO 振荡频率可以覆盖 3.9-4.9GHz，可以在该范围内实现频率的精确锁定，相位噪声小于-95dBc/Hz@1MHz offset，参考杂散小于-40dBc；2、6.5-7.2GHz 压控振荡器芯片：该 VCO 的频率调谐范围达到 700MHz，相位噪声小于-90dBc/Hz@1MHz offset；3、6-9GHz 低噪声放大器芯片：该 LNA 在 6-9GHz 的范围内增益大于 18dB，S11、S22 均小于-10dB；4、6-9GHz 下变频器芯片：该电路可以将 6-9GHz 的超宽带射频信号下变频至模拟基带信号，变频增益大于5dB。

以上报道表明，我国在 CMOS 射频集成电路方面，近几年来已经开展了大量研究，也取得了很大的突破。然而，相对于目前在市场上占据主导地位的领先的国际半导体公司来说，无论在规模还是在技术上，国内公司都无法与之相提并论，中国 IC 设计的整体水平要落后于美国两代[7]。

虽然 RF CMOS 技术有良好的发展前景，但是采用 RF CMOS 工艺设计 RFIC 也存在诸多挑战。(1)缺乏高质量的无源器件和准确的无源器件模型。(2)如随着频率的不断提高，RF CMOS 工艺将出现寄生效应变复杂、衬底损耗问题。(3)衬底噪声耦合问题。

从以上分析可以看出，其一，我国的 RFIC 设计行业和国外还存在一定的差距；其二，RFCMOS 工艺技术虽然有良好发展前景，但也存在诸多挑战，需要采用新的设计技术加以克服。

4射频接收机

接收机一般被定义为ADC(模数变换)和传输天线之间的部分。RF接收机主要起的作用是把天线接收下来的信号进行解调，解调出基带需要的有用信号，送入ADC进行模拟到数字的变换，然后进入数字部分进行处理，RF接收机可以再细分为中频、射频两部分。它们的划为是以频率的大小进行划分，一般天线接收下来先在射频部分进行处理，然后经过第一级混频器，降低它的频率到达中频(第一中频)，如果是超外差结构，在第一级下变频之后，还有第二次下变频，第二次下变频之后到达第二中频。下面我们看下目前接收机的常有结构:

(1)超外差接收机: 超外差接收机将天线下来的信号进行两次下变频处理，再送入ADC。在射频信道上，我们要滤出一个很高中心频率和受很大干扰的窄信道要求滤波器具有高得惊人的Q值。但是在外差结构中，信号频带被变换到低得多的频率，从而降低了对信道选择滤波器的要求[8]。超外差接收机的结构图如图3所示。

图3 超外差结构典型原理图

图3为超外差结构的典型原理图，接收路径由开关、低噪声放大器、滤波器、混频器、本振、自动增益控制放大器、解调器、放大器等单元构成，信号经过这些单元不断的被放大，滤波，解调，最终送入ADC，增益被分别被放在射频、第一中频、第二中频上，发射机由滤波器、调制器、自动增益控制放大器、混频器、本振、增益放大器、功率放大器等构成，信号经过调制被加上高频载波和功率上的放大，最终通过天线给发送出去。外差结构有一些缺点:1、镜像问题。2、半中频的问题。

（2）零差接收机

零差接收机只经过一次下变频，其典型结构如图4所示。

图4 零差接收机典型原理图

零差接收机相比于超外差接收机，其结构简单，易于集成，而且镜像问题被克服了。其次IF SAW滤波器和后续的下变频级可代之以合适单片集成的低通滤波器和基带放大器。但是零差接收机也有一些缺点和需要解决的问题:1、信道选择，通过有源低通滤波器抑制信道外的干扰比使用无源滤波器更加困难，根本的原因是有源滤波器与相应的无源滤波器，需要噪声一线性度一功耗之间更严格的权衡;2、直流偏移，由于在零差结构中下变频后的频带扩展到零频率，外部的偏移电压有可能破坏信号，更严重的是，有可能会使后级饱和;3、I/Q 失配，对于相位和频率调制技术，零差接收器必须采用正交混频，这样的话，LQ失配就显得很重要;4、偶数阶失真;5、 LO泄漏[9]。

5射频发射机

发射机被定义为DAC(数模变换)到天线之间的部分。RF发射机主要起的作用是将一个模拟低频信号转用高频信号调制并对信号功率进行一定的处理然后通过天线发射出去。RF 发射机主要由滤波器、调制器、本振、放大器、混频器、功率放大器等元件构成。信号首先经过DAC之后滤波然后进入调制器然后滤波放大后面可能混频然后再经功率放大器输出[10]。

现在发射机的主要结构有: (1)直接变换发送器，被发送的载波频率与本地振荡器相等，这种结构称为直接变换。结构如图5所示。

图5 直接变换发送器

但是直接变换发送器有一个重要的缺点:由功率放大器引起的发送本地振荡器扰动，PA 输出有一个很高的功率而且频谱的中心在LO频率附近，所以PA的含噪输出仍然能破坏振荡器的频谱。这个缺点可以通过给LO频率加上偏移来完成，也就是加上或者减去另一个振荡器的频率。(2)两步发送器:用两步或者多步上变换来变换基带信号，以使PA的输出频谱远离VCO(压控振荡器)的频率，这样就可以解决LO上拉问题，结构如图6所示。两步上变换与直接变换相比，优点在于由于正交调制是在较低的频率完成的，工和Q之间的匹配很好，从而使两个比特流之间的串扰很少，但是两步上变换第二个上变换后而的带通滤波器要求都比较高，它需要50-60dB来抑制无用的边带[11]。

图6 两步发送器

6 射频系统结构及其个元器件参数

接收机的结构为超外差结构，信号经过两次下变频，RF频段的中心频率为3.SGHZ射频带宽为100MHZ，经过滤波器，低噪声放大器等器件对信号处理，然后与一个1G的本振混频，下变频到中频，中频中心频率为2.SGHZ，带宽为100MHZ，再经过滤波放大等处理进入IQ 解调器，解调器的本振为2.5GHZ，然后混频处IQ四路基带信号(I+，I-，Q+, Q-)，它们的带宽为50MHZ，再经过放大和滤波处理进入ADC。发射机的结构为直接变频结构，信号只经过一次上变频从零频直接上变频到3.5GHZ,DAC输出信号先经过滤波放大然后进入IQ调制器，IQ调制器的本振为3.5GHZ，经过上变频之后到达发射射频线路，发射射频信号经过滤波器之后经由PA调制之后再经过开关、天线发射出去接收机系统各器件参数如下:

图7 接收链路器件(天线到IQ解调)参数

接收链路(IQ解调器下来到ADC之前):

图8接收链路器件(IQ解调到ADC之前)参数

所用晶振为10MHZ，供给电压为3V，频率稳定度为2.5PPM，输出电压为0.8V第一级本振使用PLLI输出频率，第二级本振使用PLL2输出频率。巴伦的插损为0.54dB[12]。

计算整个接收机的增益、噪声系数、IIP3得到:G RX min=33.96dB，G RX max=93.96dB，NF RX=3.42dB，IIP3，RX=-15dBm。

发射机系统各器件参数如下:

图9 发射链路器件参数

计算发射机的增益得到：GTX min=-31.5dBm，GTX max=29.1dBm。

发射机的ACPR与OIP3有以下两个关系: ACPR TX=2(TX- OIP3)-9+n，其中TX为发射机功率，OIP3为发射机输出OIP3点，n为常数。可以看出OIP3越大，ACPR越小，性能越好，所以我们需要求出OIP3大小，经计算的OIP3=48dBm。

根据经验，输出1dB压缩点在32dBm左右，因为发射机的功率要求在25dBm接收机结构理论上完全符合发射机功率输出要求[13]。

7 射频系统仿真

射频系统仿真我们用ADS(Advanced System Design)。

ADS(Advanced Design System)软件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA软件基础上发展完善的大型综合设计软件。它功能强大能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计广泛应用于通信航天等领域。

射频和微波器件在小信号时，通常被认为工作在线性状态，是一个线性网络，在大信号工作时，被认为工作在非线性状态，是一个非线性网络。通常我们用S参数分析线性网络，谱波平衡法分析非线性网络。

7.1 射频接收机频带选择性仿真

频带选择主要由射频前端控制，它决定了接收机的频带，选择用ADS的S参数仿真。

射频和微波器件在小信号时，通常被认为工作在线性状态，是一个线性网络，在大信号工作时，被认为工作在非线性状态，是一个非线性网络。通常我们用S参数分析线性网络，谱波平衡法分析非线性网络。

电路图10由2级LNA和2级射频BPF组成，其频率选择性由滤波器决定。第一级的低噪放增益为23dB，噪声系数为1.6dB，带宽为1.5-8GHZ，第二级的射频滤波器插损为1.6dB ，ripple为0.4dB，中心频点在3.45GHZ，3dB带宽为120MHZ，第三级的低噪放和第一级低噪放一样，第四级的射频滤波器和第二级的滤波器一样[14]。

图10接收机频带选择性仿真

图10为接收机频带选择性仿真原理图，仿真上图得到图11接收机频带选择性仿真结果。