东南大学射频讲议——收发信机
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GSM-R光纤直放站中射频光收发模块设计
ｖ ｒ ｍ ｏ ｕ ｅ ｉ Ｍ － ｆｂ ｒ ｏ ｔｃ ｌｒ ｐ ａ ｅ — ｔｃ ｌｔ ａ ｃ ｉ ｅ ｄ ｌ ｎ ＧＳ － ｉ ｅ ｐ ｉ ａ ｅ ｅ ｔ ｒ ｏ Ｒ
Ｘｕ Ｊａ Ｗ ａ ｇ Ｚｈ ｇ ｎ Ｊａ ｇ Ｈａ Ｍ ａ Ｌｉ ｉｎ ｎ ｉｏ ｇ ｉｎ ｎ
（ｎｔｕｉｎｏ Ｆ ａｄＯ － ｓ ｏ ｔｅｓ Ｕ ｉｅｓｙ ａｊ ｇ２ ０９ Ｃ ｉａ Ｉｓｔｔ ｆ —ｎ ＥＩ ，Ｓ ｕｈａｔ ｎｖｒｉ ，Ｎ ｎｉ １０６， ｈｎ ） ｉ ｏ Ｒ Ｃ ｔ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｎ ＲＦ ｏ ｔ ａ ａ ｓｅｖ ｒｍｏ ｕｅｆ ｒＧＳ Ｒ（ Ｍ ．ａｌ ｔｎ ａｄ ｆ ｅ ｐｉ ｅ ｅ ｔｒｉ —ｐｉ ｌ仃 ｎ ｃ ｉｅ ｄ ｌ ｏ Ｍ— ＧＳ ｒｉ）ｓａ ｄ ｒ ｂ ｒｏ ｔ ｒｐ ａｅ Ｓ ｃ ｉ ｃ
ｐｕ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ ｄｅ ｉ ｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｉ ｄ ｐ ｅ ｎ ｒ ｃ ｉ ｅ ａ ｔｔ ｅ ｈ ｉ ｈ ｒ ｌａ ｉｉ ｅ ｕ ｒ － ｔ ｅ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｓｇ ｅ ｈ ｉ ｕ ｓａ ｏ ｔｄ ｉ ｅ ｅ ｖ ｒｐ ｒ ｏ ｍｅ ｔｔ ｅ ｈ ｇ ｅ ｉｂ ｌ ｙ ｒ ｑ ｉｅ ｔ
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｉ ｎ １０ ０ ０ ． ０ ０ ．０ ｏ ：０ ３ ６ ￣．ｓ ．０ １— ５ ５ ２ １ ．４ ０ ６ ｓ １
ＧＳ — 光 纤 直 放 站 中射 频 光 收 发 模 块 设 计 Ｍ Ｒ
徐 建 王 志功 江 汉 马 力
（ 东南 大学射频 与光 电集成电路研 究所 ， 南京 ２ ０９ ） １０ ６
摘要 ： 对铁 路 Ｇ Ｍ— Ｓ Ｒ标准 的光 纤直 放站 中的射 频光 收发 模 块 进 行 了设 计 、 造和 测 试． 发 射 制 光
Ｘｕ Ｊａ Ｗ ａ ｇ Ｚｈ ｇ ｎ Ｊａ ｇ Ｈａ Ｍ ａ Ｌｉ ｉｎ ｎ ｉｏ ｇ ｉｎ ｎ
（ｎｔｕｉｎｏ Ｆ ａｄＯ － ｓ ｏ ｔｅｓ Ｕ ｉｅｓｙ ａｊ ｇ２ ０９ Ｃ ｉａ Ｉｓｔｔ ｆ —ｎ ＥＩ ，Ｓ ｕｈａｔ ｎｖｒｉ ，Ｎ ｎｉ １０６， ｈｎ ） ｉ ｏ Ｒ Ｃ ｔ ｎ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｎ ＲＦ ｏ ｔ ａ ａ ｓｅｖ ｒｍｏ ｕｅｆ ｒＧＳ Ｒ（ Ｍ ．ａｌ ｔｎ ａｄ ｆ ｅ ｐｉ ｅ ｅ ｔｒｉ —ｐｉ ｌ仃 ｎ ｃ ｉｅ ｄ ｌ ｏ Ｍ— ＧＳ ｒｉ）ｓａ ｄ ｒ ｂ ｒｏ ｔ ｒｐ ａｅ Ｓ ｃ ｉ ｃ
ｐｕ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｄ ｎ ｙ ｄｅ ｉ ｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｉ ｄ ｐ ｅ ｎ ｒ ｃ ｉ ｅ ａ ｔｔ ｅ ｈ ｉ ｈ ｒ ｌａ ｉｉ ｅ ｕ ｒ － ｔ ｅ ｒ ｄ ｎ ａ ｃ ｓｇ ｅ ｈ ｉ ｕ ｓａ ｏ ｔｄ ｉ ｅ ｅ ｖ ｒｐ ｒ ｏ ｍｅ ｔｔ ｅ ｈ ｇ ｅ ｉｂ ｌ ｙ ｒ ｑ ｉｅ ｔ
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｉ ｎ １０ ０ ０ ． ０ ０ ．０ ｏ ：０ ３ ６ ￣．ｓ ．０ １— ５ ５ ２ １ ．４ ０ ６ ｓ １
ＧＳ — 光 纤 直 放 站 中射 频 光 收 发 模 块 设 计 Ｍ Ｒ
徐 建 王 志功 江 汉 马 力
（ 东南 大学射频 与光 电集成电路研 究所 ， 南京 ２ ０９ ） １０ ６
摘要 ： 对铁 路 Ｇ Ｍ— Ｓ Ｒ标准 的光 纤直 放站 中的射 频光 收发 模 块 进 行 了设 计 、 造和 测 试． 发 射 制 光
东南射频集成电路讲义 东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒 , Oct24, 2002.pdf
– 可以认为杂质在常温下完全电离，而通常 ND » ni ，此时的自由电子浓度 n ≈ ND ；自由电子与空穴的复合 (Recombination) 的机会随电子浓度的增加而 增加，因此空穴浓度大为降低，但自由电子与空穴浓度乘积保持不变，即 np = nipi = ni2 ，或者表示为
射频集成电路设计基础 > 有源器件和模拟电路基础－ I > 半导体理论基本概念
2
I
=
µVT
⋅
qbc
⋅
n----(--0----)---–-----n---(---a---) a
，因此载流子通过半
导体所需的平均时间为
τ
=
--Q---I
=
-----a---2---2µVT
⋅
n-n---((--00----))---+–-----nn---((---aa---)-)
(14)
在 n(a) = 0 的特殊情况下，
<< >> < > ↵
6 of 39
• 载流子的运动
– 漂移 （Drift）
载流子在外加电场作用下被加速而产生定向运动，但在加速过程中又与晶格 和杂质离子相互作用发生 “散射”，最后的结果是：一方面，载流子将达到 一个平均速度，即漂移速度 vd，宏观上可以观察到平均电流 I ；另一方面， 瞬时电流值在平均值附近发生无规律的起伏变化
现饱和现象
1. 对于硅来说，可以认为场强小于 0.3V/µm 和 0.6V/µm 分别是对自由电子和空穴较 “低”的电场强度。
射频集成电路设计基础 > 有源器件和模拟电路基础－ I > 半导体理论基本概念
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射频集成电路设计基础 > 有源器件和模拟电路基础－ I > 半导体理论基本概念
2
I
=
µVT
⋅
qbc
⋅
n----(--0----)---–-----n---(---a---) a
，因此载流子通过半
导体所需的平均时间为
τ
=
--Q---I
=
-----a---2---2µVT
⋅
n-n---((--00----))---+–-----nn---((---aa---)-)
(14)
在 n(a) = 0 的特殊情况下，
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• 载流子的运动
– 漂移 （Drift）
载流子在外加电场作用下被加速而产生定向运动，但在加速过程中又与晶格 和杂质离子相互作用发生 “散射”，最后的结果是：一方面，载流子将达到 一个平均速度，即漂移速度 vd，宏观上可以观察到平均电流 I ；另一方面， 瞬时电流值在平均值附近发生无规律的起伏变化
现饱和现象
1. 对于硅来说，可以认为场强小于 0.3V/µm 和 0.6V/µm 分别是对自由电子和空穴较 “低”的电场强度。
射频集成电路设计基础 > 有源器件和模拟电路基础－ I > 半导体理论基本概念
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应用于感知无线电的可重构抗干扰射频收发机
应用于感知无线电的可重构抗干扰射频收发机
游长江;柳靖;张晓东;朱晓维
【期刊名称】《东南大学学报（英文版）》
【年(卷),期】2011(027)002
【摘要】介绍了一种应用于感知无线电的射频收发机,该射频收发机包含一个零中频接收机和一个直接上变频发射机.在与电视信号共存的环境中,射频接收机采用可调信道滤波器组来抑制邻近信道干扰.采用了具有宽动态范围、高线性度的低噪声放大器来提升零中频接收机的抗干扰性能.同时,采用高线性功率放大器来提高直接上变频发射机的邻近信道功率比特性.测试得到的误差矢量幅度结果显示,通过采用信道滤波器组使零中频接收机的抗干扰性能得到了很大提高.当直接上变频发射机发射输出功率达27 dBm时,在中心频率为714 MHz的信道上,测得直接上变频射频发射机的邻近信道功率比为-47.98 dBc.
【总页数】5页(P123-127)
【作者】游长江;柳靖;张晓东;朱晓维
【作者单位】东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096;东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096;东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096;东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
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用于计算机无线局域网的微波收发信机
dB
,
接 收模 式 工作 时 来 自其它 收发 信 机的 信号 由一 只 2 0 的开关 在 接收 模式 时 插损 为
.
l
B d L
,
而 在发 射 模 式时 插 人 衰减 为 5 0
再一 次 减弱 了 泄漏 到 接
,
收 通 道 中 的 本 机 发 射 信 号 接 收 通 道 中 的 镜 频 抑 制 滤 波 器 用 来 改 善 信 噪 比 混 频 电路 将 微 波 频 率 转 换到
MH
z
的 微 波介 质
腔 滤 波器
,
该 滤波 器具 有 很好 的带 外抑 制性能 发射 通道 的
开 关 在 发 射模 式 时 插 人 损 耗 很
.
小 而在 接 收模 式 时具 有 8 0 将 信号 电平 放 大 至 为 微带 天线
,
B d
的插 人 衰减 以 防止发射 信号 泄漏 到 接收 通 道 末 级 功率 放 大器
第
99
卷第 A 期 年7 月
东
O
南
A
大
OU
学
正沪占 U
学
刀月江
报
丫
o u
o
A
瓜
y
99
。
科研成 果
用 于计 算 机 无 线 局 域 网 的 微 波 收 发 信 机
陈 忆元
朱晓 维
,
东 南 大 学 毫 米 波 国 家 重 点 实验 室 南京 2 1 0 0 1 8 )
.
目 前 的 计算 机 局 域 网 数 据 传 输 媒 介 仍 以 各 种 有 线 传 输 媒 介 为 主 有 线 传 输 媒 介 的 优 点 是 传 输 可 靠 以 及 传 输 信 息 量 大 ( 如 光 纤 ) 但 不 够 方 便 灵 活 近 年 来 国 外 很 多 人都 致 力 于 无 线 局 域 网 (w
,
接 收模 式 工作 时 来 自其它 收发 信 机的 信号 由一 只 2 0 的开关 在 接收 模式 时 插损 为
.
l
B d L
,
而 在发 射 模 式时 插 人 衰减 为 5 0
再一 次 减弱 了 泄漏 到 接
,
收 通 道 中 的 本 机 发 射 信 号 接 收 通 道 中 的 镜 频 抑 制 滤 波 器 用 来 改 善 信 噪 比 混 频 电路 将 微 波 频 率 转 换到
MH
z
的 微 波介 质
腔 滤 波器
,
该 滤波 器具 有 很好 的带 外抑 制性能 发射 通道 的
开 关 在 发 射模 式 时 插 人 损 耗 很
.
小 而在 接 收模 式 时具 有 8 0 将 信号 电平 放 大 至 为 微带 天线
,
B d
的插 人 衰减 以 防止发射 信号 泄漏 到 接收 通 道 末 级 功率 放 大器
第
99
卷第 A 期 年7 月
东
O
南
A
大
OU
学
正沪占 U
学
刀月江
报
丫
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o
A
瓜
y
99
。
科研成 果
用 于计 算 机 无 线 局 域 网 的 微 波 收 发 信 机
陈 忆元
朱晓 维
,
东 南 大 学 毫 米 波 国 家 重 点 实验 室 南京 2 1 0 0 1 8 )
.
目 前 的 计算 机 局 域 网 数 据 传 输 媒 介 仍 以 各 种 有 线 传 输 媒 介 为 主 有 线 传 输 媒 介 的 优 点 是 传 输 可 靠 以 及 传 输 信 息 量 大 ( 如 光 纤 ) 但 不 够 方 便 灵 活 近 年 来 国 外 很 多 人都 致 力 于 无 线 局 域 网 (w
零中频射频接收机技术
成，而受到广泛的重视。图 ２为零中 频率相同，如果混频器的本振口与 端产生严重的失真。
频接收机结构框图。其结构较超外 射频口之间的隔离性能不好，本振
偶次失真的解决方法是在低噪
差接收机简单许多。接收到的射频 信号就很容易从混频器的射频口输 放和混频器中使用全差分结构以抵
信号经滤波器和低噪声放大器放大 出，再通过低噪声放大器泄漏到天 消偶次失真。
为高Ｑ值带通滤波器，它们只能在片 略。这样一方面取消了外部元件，有
偶次失真的另一种表现形式是，
外实现，从而增大了接收机的成本 利于系统的单片集成，降低成本。另 射频信号的二次谐波与本振输出的
和尺寸。目前，要利用集成电路制造 一方面系统所需的电路模块及外部 二次谐波混频后，被下变频到基带
工艺将这两个滤波器与其它射频电 节点数减少，降低了接收机所需的 上，与基带信号重叠，造成干扰，变
片上的低通滤
典型的射频接收机仅对奇次互
图３ 零中频本振泄漏示意图
波器和可变增 调的影响较为敏感。在零中频结构 益 放 大 器 完 中，偶次互调失真同样会给接收机
成。
带来问题。如图 ４ 所示，假设在所需
零中频接 信道的附近存在两个很强的干扰信
收机最吸引人 号，ＬＮＡ 存在偶次失真，其特性为
图４ 强干扰信号在偶次失真下产生的干扰
图２ 零中频接收机结构框图
2004.7
69
Ｃ
通信与计算机
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ＆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
基带信号，而 差很大，一般本振频率都落在前级
信道选择和增 滤波器的频带以外。
益调整在基带
偶次失真（ Ｅ ｖ ｅ ｎ － Ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ
上进行，由芯 Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）
第1章无线通信中射频收发机结构及应用1
1．5．2 应用于无线局域网的收发机
无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。
2020/5/12
25
1．5 典型应用的集成收发信机
1．5．2 应用于无线局域网的收发机
无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。
2020/5/12
18
1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
IEEE和工业用微波波段的定义
频带名称 L带 C带 Ku带
Ka带(毫米波) U带(毫米波) E带(毫米波) F带(毫米波)
频率范围(GHz) 1.0～2.0 4.0～8.0
12.0～18.0 26.5～40.0 40.0～60.0 60.0～90.0 90.0～140.0
2020/5/12
7
1．1 无线收发信机射频前端功能和特性
对于发送系统硬件电路系统而言，最困难的部分就在于中放变
频和功放。中放变频的难点主要在于变频系统方案的设计，好
的系统方案设计可能产生的相关干扰较少，甚至还可能降低对
参与变频的本地振荡信号的要求。
基带信号 解调
中频变 频
低噪声放 大器
接收天线
图1－2接收机结构图
2020/5/12
20
2．高射频和微波电路
对于高射频和微波电路，其中可以有一个或几个集总元件，但至 少要有一个分布式元件。
对于分布电路，具有下述三个特点：
1.必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念；
2.电路要有大的电长度，物理长度与电路中信号传播的波长可比拟；
无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。
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1．5 典型应用的集成收发信机
1．5．2 应用于无线局域网的收发机
无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。
2020/5/12
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1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
IEEE和工业用微波波段的定义
频带名称 L带 C带 Ku带
Ka带(毫米波) U带(毫米波) E带(毫米波) F带(毫米波)
频率范围(GHz) 1.0～2.0 4.0～8.0
12.0～18.0 26.5～40.0 40.0～60.0 60.0～90.0 90.0～140.0
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7
1．1 无线收发信机射频前端功能和特性
对于发送系统硬件电路系统而言，最困难的部分就在于中放变
频和功放。中放变频的难点主要在于变频系统方案的设计，好
的系统方案设计可能产生的相关干扰较少，甚至还可能降低对
参与变频的本地振荡信号的要求。
基带信号 解调
中频变 频
低噪声放 大器
接收天线
图1－2接收机结构图
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2．高射频和微波电路
对于高射频和微波电路，其中可以有一个或几个集总元件，但至 少要有一个分布式元件。
对于分布电路，具有下述三个特点：
1.必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念；
2.电路要有大的电长度，物理长度与电路中信号传播的波长可比拟；
东南大学《通信电子线路》知识总结
f0 Qe
。
例 2 设计一个π型匹配网络，完成源电阻 RS =10Ω和负载电阻 RL =100Ω间的阻抗变换。工作频率 f=
3.75MHz，假设所要求的有载 Qe =4。
解：负载端 L 网络的 Q 值为 Q2=2Qe = 8，则中间电阻 Rint er
1
RL Q22
100 65
1.538 RS ，即该方
轴的平面上，满足上式的点构成该信号的星座图。比特率（单位时间内处理或传递的位数）=log2S
×符号率（单位时间内发送的符号数），S 为星座图上的点数
4.4 二元数字调制（二元移幅键控 BASK，二元移频键控 BFSK，二元移相键控 BPSK）
4.5 正交幅度调制（QAM，四相移相键控 QPSK，OQPSK，π/4 QPSK）
ω0
2.2.3 实际并联回路与有载 Q 值
第1页共8页
实际并联谐振回路： Z ( j)
1 1 r jL
jC
1
r jL jC(r jL)
=
r j
L
1
1 jL
Cr L
jC
，若电感感
抗远大于其损耗电阻，则实际并联谐振回路可简化为简单并联回路。
支路串并联转换：
Rp
Xp
1 1
Q2
1 Q2
Rs Xs，支路的品质因数Q
S21：正向功率传输系数，反映增益或者衰减；S12：反向功率传输系数，反映隔离度。
输入端反射系数 in
V1 V1
S11
S12 S21 L 1 S22L
1，输出端反射系数 out
V2 V2
S22
S12S21S 1 S11S
1。
6.2 低噪声放大器指标
东大射频通讯讲义
射频与通信集成电路设计东南大学射频与光电集成电路研究所李智群Email: zhiqunli@Tel: 83793303-81161概述•通信系统的组成•RFIC设计成为无线通信系统发展的瓶颈•无线通信与RFIC设计2•无线通信系统和技术飞速发展•无线通信发展的理论技术基础–James Maxwell在1864年伦敦英国皇家学会发表的论文中首次提出了电场和磁场通过其所在的空间中交连耦合会导致波传播的设想。
–1887年Heinrich Hertz 实验证实了电磁能量可以通过空间发射和接收。
–1901年Guglielmo Marconi 成功地实现了无线电信号(Radio Signals) 横越大西洋。
–从此无线技术正式诞生。
从1920年的无线电，1930年的TV传输，直到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统(GPS)及当今的移动通信和无线局域网(WLAN)。
–射频集成电路(RFIC) 的发展推动了无线通信技术的发展，是当代无线通信的基础。
•RFIC已在世界范围内成为大学、研究院所和通信相关产业研究开发的热点3•频谱的划分–当今最通用的频谱分段法是由电气和电子工程师学会(IEEE)建立的4•调制的原因无线通信中把基带信号变成射频已调信号有两个原因：–为了有效地把信号用电磁波辐射出去•基带信号是低频信号，如话音信号频率为300-3400Hz，波长达1000km，天线长度取1/10波长，对应的天线长度达100km以上，不可能实现。
•为了有效地辐射，发射信号的频率必须是高频，以降低天线的尺寸。
发射机中振荡器产生的高频信号称为载波。
–为了有效地利用频带来传输多路频率范围基本相同的基带信号，可将多路基带信号分别调制到不同频率的载波上，以避免基带信号之间的相互干扰。
•调制方式–用基带信号控制载波的幅度、频率和相位分别对应调幅、调频和调相。
–模拟调制：用模拟信号调制载波–数字调制：用数字信号调制载波6•信道–信道是传输媒介，分为有线和无线两类–有线信道：电线、电缆、光纤、波导–无线信道：自由空间•无线信道中的干扰–多径衰落–邻近频道干扰–多普勒频率、频谱色散–无线移动信道是条件最为恶劣的一种信道–快速发展的无线通信技术正是为了克服无线信道的缺陷，以保证通信的可靠性7RFIC设计成为无线通信系统发展的瓶颈•射频设计工程师应具备较宽的知识面8–RFIC所涉及的相关学科和技术9•RFIC正处于发展阶段–基带部分可以采用成熟的数字集成电路技术•Artisan: Memory generator, Standard Cells, I/O Cells–射频集成电路还处于发展阶段，电感的性能急待提高•Mixed-signal, RF 工艺•EDA工具处于起步阶段–分析和综合的结果只起参考作用•Spice, ADS, Cadence–在射频器件的非线性、时变特性、电路的分布参数、不稳定性等方面缺乏精确的模型，设计是否成功在很大程度上取决于设计师的经验•前仿真•后仿真：版图参数提取，连线R和C提取（不提取L）•低温、高温、Slow、Fast、Typical•集成电路制造（流片）•测试10RF section of a cellphone12•研究内容–射频收发机(Transceiver) 体系结构，频率、功耗、增益、噪声、非线性的总体要求和分配•解决问题–电路模块对系统的影响•目的–合理分配资源，降低系统成本、功耗、体积，满足系统整体性能要求13。
射频通信电路：第四讲 射频收发机结构
幅 度
频率
广泛使用与1920年之前 受当时电子器件限制，工作频率都不高 晶体接收机、再生接收机、调谐式接收机等 存在工作频率不高、灵敏度低、频率选择性差
等严重问题
超外差式接收机 Super Heterodyne Receiver
RF
固定中频滤波器
振荡器频率扫描 LO
1913年，美国无线电工程师阿姆斯特朗发明了 超外差电路
010
• 信噪比（Signal to Noise Ratio ） • 谐波失真（Harmonic Distortion ）
001 000
• 有效位（Effective Number of Bits）
• 无杂散动态范围（Spurious free
dynamic range）
Ideal ADC
Binary Output Code
混频器工作频谱图
RF IF LO
由于器件的非线性，最终中频满足： IF = n * LO ± m * RF 一般正常期望信号时, n = m = 1
幅 度
LO- RF LO
LO+RF
RF
频率
混频器之后的中频滤波器
混频器后端要加一个滤波器，获取有用变频信号，滤 除其他高次非线性干扰 上、下变频功能取决于混频器后端的滤波器中心频率
LO
0
ωIF
RF信号1 ωRF1 = ωLO + ωIF
RF信号2 ωRF 2 = ωLO − ωIF
经过混频器之后，下变频分量为： cos (ωRF − ωLO )t
此时得到的中心频率都为
如果信号1为有用信号，信号2为干扰信号，两者同时 存在于混频器前端时，信号2对信号1产生镜像干扰
镜像干扰解决方法-前端滤波器
频率
广泛使用与1920年之前 受当时电子器件限制，工作频率都不高 晶体接收机、再生接收机、调谐式接收机等 存在工作频率不高、灵敏度低、频率选择性差
等严重问题
超外差式接收机 Super Heterodyne Receiver
RF
固定中频滤波器
振荡器频率扫描 LO
1913年，美国无线电工程师阿姆斯特朗发明了 超外差电路
010
• 信噪比（Signal to Noise Ratio ） • 谐波失真（Harmonic Distortion ）
001 000
• 有效位（Effective Number of Bits）
• 无杂散动态范围（Spurious free
dynamic range）
Ideal ADC
Binary Output Code
混频器工作频谱图
RF IF LO
由于器件的非线性，最终中频满足： IF = n * LO ± m * RF 一般正常期望信号时, n = m = 1
幅 度
LO- RF LO
LO+RF
RF
频率
混频器之后的中频滤波器
混频器后端要加一个滤波器，获取有用变频信号，滤 除其他高次非线性干扰 上、下变频功能取决于混频器后端的滤波器中心频率
LO
0
ωIF
RF信号1 ωRF1 = ωLO + ωIF
RF信号2 ωRF 2 = ωLO − ωIF
经过混频器之后，下变频分量为： cos (ωRF − ωLO )t
此时得到的中心频率都为
如果信号1为有用信号，信号2为干扰信号，两者同时 存在于混频器前端时，信号2对信号1产生镜像干扰
镜像干扰解决方法-前端滤波器
射频介绍
Rs
C1
vin
R1
C2
15 of 24
vout
R2
----------R----2--------H(s) = ----------------1-----+----s---R----2--C-----2---------------
----------R----1--------- + ----------R----2--------1 + sR1C1 1 + sR2C2 = ---------------------R----2--(---1----+-----s---R----1--C----1---)--------------------R1(1 + sR2C2) + R2(1 + sR1C1)
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• 三个层面
7 of 24
– Gain
– Information Theory
– Noise
– Modulation and Demodulation
– Power
Systems – Wireless Channel Estimation
– Equalization
Ci–rcLiuneairtitys
– 有关指标
» 1-dB压缩点 (1-dB Compression Point) » 3 阶截点 (3rd-order Intercept Point, IP3)
射频集成电路设计基础 > 课程概述 > 无线通信与射频集成电路设计
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• 小信号放大器设计
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• 直流偏移的消除 (DC offset cancellation)
– 使用交流耦合 (AC-coupling)
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
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– 谐波混频 (Harmonic mixing)
∆ i = ( iC 1 + iC 3 ) – ( iC 2 + iC 4 ) = ( iC 1 – iC 2 ) + ( iC 3 – iC 4 ) v LO – v RF ⁄ 2 v LO + v RF ⁄ 2 - – tanh ------------------------------- = I EE tanh ------------------------------2 V 2 V T T x x tanh ( x ) ≅ x – ---- + -----+… 3 10 ≅ sgn ( x )
ωRF
ω RF + ω LO ----------------------2
ωLO
ω
0
ωIF/2
ωIF
ω
– 本振与干扰的 2 次谐波相混频 ω RF + ω LO 2 ω LO – 2 ------------------------- = ω LO – ω RF = ω IF 2 – 本振与干扰信号混频后经过二次失真 ω IF ω RF + ω LO - = ω IF 2 ω LO – ------------------------- = 2 ------ 2 2
• 收发机结构对集成度和成本的影响
– – – – PCB 线路的复杂度 片外元件，尤其是高 Q 值滤波器、谐振器的费用 元件安装 ( 焊接 ) 的成本 电路调试的费用
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射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 概述
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• 中频 (Intermediate Frequency)
– 上变频：基带 → 射频 x(t) X(jω) 0 ω cos ( ω c t ) x ( t ) cos ( ω c t )
−ωc
0
ωc
ω
−ωc
0
ωc
ω
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– 下变频：射频 → 基带 RF ω c – ω LO = ω IF cos ( ω LO t )
《射频集成电路设计基础》 讲义
无线通信系统和收发信机结构
概述 混频：更数学地看问题 无线接收机 超外差 (Super-heterodyne) 结构 零中频接收机 镜像抑制接收机 低中频结构 二次变频宽中频接收机 无线发射机 附录 镜像抑制混频原理推导 参考文献
– j ω LO t
y I ( t ) + jy Q ( t )
x(t)
cos ( ω LO t ) 0° 90 ° cos ( ω LO t ) yQ ( t )
I: In-phase, 同相 Q: Quadrature, 正交
– sin ( ω LO t )
−ωc
0
ωc
ω −ωLO −ωIF 0
– sin ( ω LO t )
xQ ( t )
yQ ( t ) cos ( ω LO t )
−ωLO
0
ωc
ω
y I ( t ) = x I ( t ) cos ( ω c t ) + x Q ( t ) sin ( ω c t )
−ωLO −ωIF 0
ωIF
ω
y Q ( t ) = x Q ( t ) cos ( ω c t ) – x I ( t ) sin ( ω c t )
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 超外差 (Super-heterodyne) 结构
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• 偶次失真与半中频 (Half-IF) 干扰
如果超外差接收机的射频放大器、混频器等电路存在二次失真，将会引起所谓 的 Half-IF 问题
ω IF -----2 ω IF -----2
−ωIF 0 −ωc 0 ωc
ωIF
IF
ωLO
ω −ωLO 0 ωIF
−ωLO
0
ωLO
ω
−ωIF 0 ωIF << >> < > ↵
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 混频：更数学地看问题
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– 镜像频率 RF+IMG cos ( ω LO t )
−ωIF
IF+Interference
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– RF Filter 2
» 抑制由 LNA 放大或产生的镜像干扰 » 进一步抑制其它杂散信号 » 减小本振泄漏
– Mixer
» 下变频器 » 接收机中输入射频信号最强的模块，线性度极为重要，同时要求较低的噪声
– Injection Filter
» 滤除来自本振的杂散信号
– 中频频率的选择
» 镜像频率和镜频抑制 (Image Rejection) » 邻信道干扰和选择性 (Selectivity) » 避开其它干扰 ( 如某些时钟和参考信号及其谐波频率 )
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射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 概述
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混频：更数学地看问题
• 多次变频
为了获得更高的灵敏度和选择性，有时需要通过 2 次或更多次变频，在多个中 频频率上逐步滤波和放大。
• 本振频率的选择
本振频率可以高于 (High-side Injection) 或低于 (Low-side Injection) 信号频率，这 取决于所引入镜像干扰的大小和振荡器设计的难易程度。一般来说低频的振荡 器可以获得更好的噪声性能，但是较小的变频范围。
3 5
iC1
RF+ Q1 Q2
iC2
iC3
Q3
iC4
Q4 RF-
IEE
vLO
(for small x) (for large x)
IEE
– 偏移量的估算和扣除 (TDMA 系统 ) – 提高电路的 IP2 ( 差分结构 ) – DSP 补偿
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 零中频接收机
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 超外差 (Super-heterodyne) 结构
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零中频接收机
• 最自然、最直接的实现方法
– 不存在镜像频率 – 不需要镜频抑制滤波器 – 信道选择只需低通滤波器
LNA
0° 90 °
LPF
ADC
• 问题在于 0Hz 附近很不安全
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超外差 (Super-heterodyne) 结构
使用混频器将高频信号搬到一个低得多的中频频率后再进行信道滤波、放大和 解调解决了高频信号处理所遇到的困难。 依靠周密的中频频率选择和高品质的射频 ( 镜像抑制 ) 和中频 ( 信道选择 ) 滤 波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范 围，因此长久以来成为了高性能接收机的首选。
– IF Filter
» 抑制相邻信道干扰，提供选择性 » 滤除混频器等产生的互调干扰 » 如果存在第二次变频，需要抑制第二镜频
– IF Amplifier
» 将信号放大到一定的幅度供后续电路 ( 如模数转换或解调器 ) 处理 » 通常需要较大的增益并实现增益控制
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 无线接收机
» 选择工作频段，限制输入带宽，减少互调 (IM) 失真 » 抑制杂散 (Spurious) 信号，避免杂散响应 » 减小本振泄漏，在 FDD 系统中作为频域双工器
– LNA
» 在不造成接收机线性度恶化的前提下提供一定的增益，抑制后续电路噪声
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 无线接收机
射频集成电路设计基础 > 无线通信系统和收发信机结构 > 镜像抑制接收机
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j/2 −ωc 1/2 −ωLO 1/2 0 0 1/2 ωLO 1/2 ω −j/2 1/2 −ωIF 0 ωIF 1 1 −j/2 1/2 ωc ω −ωLO j/2 0 j/2 ωLO −j/2 ω
• 实信号的 Fourier 变换：正负频率分量同时存在且互为共轭，即
x(t) ↔ X(jω) X ( j ω ) = X∗ ( – j ω ) 例如 1 1 - δ( ω + ω c ) + -- δ( ω – ω c ) cos ( ω c t ) ↔ -2 2 j j - δ( ω + ω c ) – -- δ( ω – ω c ) sin ( ω c t ) ↔ -2 2 但是复信号可能只存在单边频率分量，例如 e