第四章 射频微电子学 之收发机架构
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无线通信收发机结构(共30张PPT)
发射机的主要功能是通过调制、上变频、功率放大和滤 波，来完成基带信号到射频信号的转换。发射机的方案相对 接收机更为简单，其结构大致可以分为两种：一是直接变换 法，即将调制和上变频合二为一，在一个电路里完成。二是
两步法，即将调制和上变频分开，先在中频上进行调制，然 后再将已调信号上变频到发射的载频上。
会降低中频输出的信噪比。
这无种线接 传收感利机器采网于用络抑二〔次W制S变N频〕频超是外当率差前式国干结际构上扰，备中受和频关提注的高、多输学 出中频信噪比。但高中频使具有
5V电压供电，接收机仅消耗19.
抑制要求相和同滤波Q器的值可的实现中性。频滤波器的绝对带宽变大，必然会降低相邻信
科高度交叉的新兴前沿热点研究领域。
波数字化，便可得到数字中频接收机，其结构如下图： 掌握：超外差式、零中频、低中频、数字中频等接收机的 直接下变频方案的原理框图 波，来完成基带信号到射频信号的转换。 此，超外差接收机的一个重要问题是如何选择适宜的中频频 要是依靠信道选择滤波器，因此高的中频降低了接收机的信 二次变频超外差接收机的优点是电路结构形式简单、性能 同时本章又列举了接收发射机的根本指标，让读者比较全面的了解系统的特性，这对后面具体电路分析与设计具有指导意义。 本章在介绍无线通信收发机低噪声放大微弱的接收信号、输出足够的发射功率、搬移信号的频谱、调制各种载波等主要 功能和收发机的主 要性能指标的基础上，阐述超外差式 、零中频、低中频、数字中频等接收机的结构和特点，最后介绍了集成收发机的发展趋势。 1917年，阿姆斯特朗创造了超外差式接收机，如今这种 有用的射频信号和镜像频率信号经过下变频后，频谱交 掌握：超外差式、零中频、低中频、数字中频等接收机的 2 无线通信接收机结构 2 无线通信接收机结构 11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的
两步法，即将调制和上变频分开，先在中频上进行调制，然 后再将已调信号上变频到发射的载频上。
会降低中频输出的信噪比。
这无种线接 传收感利机器采网于用络抑二〔次W制S变N频〕频超是外当率差前式国干结际构上扰，备中受和频关提注的高、多输学 出中频信噪比。但高中频使具有
5V电压供电，接收机仅消耗19.
抑制要求相和同滤波Q器的值可的实现中性。频滤波器的绝对带宽变大，必然会降低相邻信
科高度交叉的新兴前沿热点研究领域。
波数字化，便可得到数字中频接收机，其结构如下图： 掌握：超外差式、零中频、低中频、数字中频等接收机的 直接下变频方案的原理框图 波，来完成基带信号到射频信号的转换。 此，超外差接收机的一个重要问题是如何选择适宜的中频频 要是依靠信道选择滤波器，因此高的中频降低了接收机的信 二次变频超外差接收机的优点是电路结构形式简单、性能 同时本章又列举了接收发射机的根本指标，让读者比较全面的了解系统的特性，这对后面具体电路分析与设计具有指导意义。 本章在介绍无线通信收发机低噪声放大微弱的接收信号、输出足够的发射功率、搬移信号的频谱、调制各种载波等主要 功能和收发机的主 要性能指标的基础上，阐述超外差式 、零中频、低中频、数字中频等接收机的结构和特点，最后介绍了集成收发机的发展趋势。 1917年，阿姆斯特朗创造了超外差式接收机，如今这种 有用的射频信号和镜像频率信号经过下变频后，频谱交 掌握：超外差式、零中频、低中频、数字中频等接收机的 2 无线通信接收机结构 2 无线通信接收机结构 11a/b/g,HomeRF,Bluetooth和ETSI的
射频通信电路- 发送、接收机结构
)t
Vim 2
sin(LO
im )t
vB (t)
VRF 2
cos(LO
RF )t
Vim 2
cos(LO
im )t
vA shift 90o ( LO RF 0,LO im 0)got
vC (t)
VRF 2
cos(LO
RF )t
Vim 2
低通 滤波器
A
90o C
sin1t
中频输出
asscuomse1t: vRF (t) VRF added and tim滤低e波d通器by
cos
B
RF
t
cos LOt
, vim (t) Vim cos imt and sin LOt, got
vA (t)
VRF 2
sin(LO
RF
17
4·2·4 数字中频方案
第一次混频后的信号经放大直接进行A/D变换，然后采用 两个正交的数字正弦信号作本振，采用数字相乘和滤 波后得到基带信号。
优点：处理灵活
缺点：对A/D要求高：速度、分辨率(量化噪声)、动态范 围、线性度
2019/10/15
Information&Communication Engineering Dept. XJTU
措施：用变频器前端的滤波器BPF1滤除干扰频率信号
2019/10/15
Information&Communication Engineering Dept. XJTU
8
4·2·1 超外差式接收机
中频选择
灵敏度：中频高，镜像频率远离有用信号，利于 抑制镜像频率干扰，提高接收机灵敏度。
收发机的组成
收发机的组成
《收发机的组成》
嘿，咱今天就来聊聊收发机这玩意儿的组成哈！你们知道吗，我有一次特别有意思的经历，就和收发机有关呢。
那回啊，我去一个朋友家玩，他呀，是个无线电爱好者，家里有各种各样的收发机设备。
我看着那些奇奇怪怪的东西，就特别好奇。
朋友就开始给我讲起收发机的组成啦。
他说收发机就像一个神奇的小盒子，里面有好多重要的部分呢。
首先啊，得有个天线，这天线就像是收发机的小耳朵，专门用来接收和发送信号的。
然后呢，还有个射频前端，这可是个关键的地方，就像个信号的小管家，把信号处理得好好的。
再就是调制解调器啦，它就像个翻译官，把信息进行转换。
还有电源部分呀，就像是收发机的能量小仓库，给它提供动力。
我一边听着朋友讲，一边盯着那些收发机看，感觉真的好神奇啊！我就在想，这么个小玩意儿，居然有这么多复杂的组成部分，还能让我们实现远距离的通信，太了不起啦！
从那以后啊，我对收发机就有了更深的认识，每次看到收发机，我都会想起那次在朋友家的有趣经历，想起收发机那些神奇的组成部分。
原来这些小小的部件组合在一起，就能发挥出这么大的作用呀！哈哈，收发机可真是个有趣的东西呢！。
射频与通信集成电路-无线收发机结构
无线接收机结构 —— 零中频
2) 存在的问题
(1) 本振泄漏(LO Leakage)
LO
泄漏
» 如果本振信号是差分的，
则泄漏到天线端会相互
抵消。
RF BPF LNA
LPF
LO
(2) 偶次失真干扰(Even-Order Distortion)
» 混 频 器 的 RF 干扰信号
口 与 IF口 的 隔
有用信号 LNA
混频: 更数学地看问题
混频原理 ─ 实信号的Fourier变换：正负频率分量同时存在且互为共轭
x(t) X () x(t)e jt dt
X () X ()
cos(ct) [ ( c ) ( c )] sin(ct) j[ ( c ) ( c )]
─ 复信号可能只存在单边频率分量
– LNA »低噪声，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
无线接收机结构
– 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
c(t)
x(t)
cos(ct)
1 2
[
X
(
c
)
X
(
c
)]
x(t ) sin(ct )
j [X 2
(
c
)
X
(
c )]
x(t)e jct X ( c ) x(t)e jct X ( c )
结论：时域相乘 => 频域卷积 => 频谱搬移
混频
上变频（正弦载波幅度调制）：基带 射频
射频电路原理框图
射频电路的主要元件及工作原理
• 低通滤波器滤掉鉴相器输出的高频成分，以防止高频谐波对 VCO 电路的影响。在鉴相器中，参考信号与VCO 分频后的 信号进行比较。 • VCO 是一个电压一频率转换装置，它将电压的变化(鉴相器 输出电压的变化)转化为频率的变化。VCO 输出的信号通常 是一路到其他功能电路；另一路回到分频器作取样信号 • 4）、压控振荡器（VCX0）：同上描述。 • 5）、稳压器（Regulators）：作为芯片内部的稳压器，将 输入电池电压转换成内部电路所需的工作电压。
• 天线匹配网络（L604、C611、C614）：主要是完成主板与 天线之间的功率匹配，以使天线的效率尽可能高。 射频连接器（J600）：又叫同轴连接器或射频开关，作 用主要是为手机的测试提供端口。其内部是簧片的接触结 构，相当于一个机械开关，通常状态下开关处于闭合状态， 当射频线探头插入射频连接器时，簧片一端将与主板的天线 通路断开，而与射频线探头接触，此时手机与测试仪器之间 就通过射频连接器与射频线进行信号的传输。具体结构见图 2。
射频电路的主要元件及工作原理
无顶针插入时， 簧片处于接触状 态，信号由天线 接收至主板
射频头顶 针插入时 将簧片断 开，信号 有综测仪 连接至主 板
图2:射频连接器内部结构及开关方式
射频电路的主要元件及工作原理
• 2、双工滤波器（U601）： 双工滤波器是一种无源器件，内部包括发射滤波器和 接收滤波器，它们都是带通滤波器。作用是将接收射频 信号与发射射频信号分离，以防止强的发射信号对接收 机造成影响。由于发射信号总是比接收信号强，而强信 号对弱信号有抑制作用，会使接收电路被强信号阻塞， 使接收的弱信号被淹没，引起接收灵敏度下降。所以接 收滤波器就是阻止发射信号串人接收电平，当然，也有 一并拒收天线接收到的接收频段以外的信号；而发射滤 波器则拒绝接收频率段的噪声功率及发射调制信号。
第四章 射频微电子学 之收发机架构
第四章 4.1 概述
发送﹑接收机结构
发射部分
天线公用器
接收部分
通信机基本结构
射频级基本结构
结构方案
本章主要内容：介绍发送、接收机的
主要指标
射频发射级的基本组成及完成功能
①产生正弦载波 ②完成基带信号对载波的调制 ③将通带信号搬移到所需的频段 ④放大到足够的功率并发射 ⑤不干扰相邻信道 限制频带 通带信号（已调波） 上变频
A cos( c t )
调频 调相
模拟调制——基带信号是模拟信号 数字调制——基带信号是数字信号
衡量调制解调器好坏的主要性能指标
1.抗噪声抗干扰能力
2. 调制方式的频谱有效性
在保证传输速率和质量条件下，使用带宽越小越好 3.调制方式的功率有效性 线性功率放大器?
放大已调射频信号,可用
非线性功率放大器?
2dB
-12 13 20.1 11
6dB
100 7 14.1 5
12dB
5 12 15 100
5dB
100 7 10
10dB
3.系统指标分配与计算
电路设计前，必须进行的三个方面的工作 1. 合理确定接收机﹑发射机的整机指标
依据:通信环境﹑通信距离﹑工作频段﹑调制方式等一系列因素
2. 将系统指标分配到各个单元模块，定出单元模块合理的指标值 分配原则: ① 根据各部件的物理可实现性， ② 根据每个部件的指标对整机的影响 3. 在选定了各模块的集成电路芯片后，
优点：可避免I / Q两路的不一致
难点：对A/D变换器要求很高 转换速度高、较高的分辨率和较小的噪声 、 线性度很高 、要求有较大的动态范围。
4.3 发射机方案
一. 直接变换法
第05章 收发机结构
c(t)=cos(ωLOt) C(ω)=π[δ (ω + ωLO)+δ (ω − ωLO)]
Ch.5：11 of 42
西安交通大学微电子学院
镜频对下变频的影响
RF+Image cos(ωLOt)
IF+Interference |ωLO — ωIM |=ωIF |ωRF — ωLO|=ωIF
造成干扰
Ch.5：3 of 42
西安交通大学微电子学院
接收机或发射机是一个系统，系统级的设计和优化具有更 重要的意义 决定总体大小、功耗、性能 协调各电路模块，确保达到指标 收发机(Transceiver) 结构对IC设计的影响 电路的复杂度 各级电路的工作频率、增益、噪声系数、线性度、功耗 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
Ch.5：16 of 42
西安交通大学微电子学院
超外差接收机 (1)
超外差(Super-heterodyne) 结构 本振频率≠射频中心频率，两者之差为中频频率 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，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
Ch.5：28 of 42
西安交通大学微电子学院
零中频接收机 (3)
DC 偏移（DC Offset）
由于信号频谱在直流处，所以DC偏移的影响很严重，
射频电路
第四节射频电路结构和工作原理一、射频电路组成和特点：普通手机射频电路由接收通路、发射通路、本振电路三大电路组成。
其主要负责接收信号解调；发射信息调制。
早期手机通过超外差变频（手机有一级、二级混频和一本、二本振电路），后才解调出接收基带信息；新型手机则直接解调出接收基带信息（零中频）。
更有些手机则把频合、接收压控振荡器（RX—VCO）也都集成在中频内部。
RXI-PRXQ-PRXQ-N（射频电路方框图）1、接收电路的结构和工作原理：接收时，天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号经滤波，高频放大后，送入中频内进行解调，得到接收基带信息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N）；送到逻辑音频电路进一步处理。
1、该电路掌握重点:（1）、接收电路结构。
（2）、各元件的功能与作用。
(3)、接收信号流程。
电路分析:（1）、电路结构。
接收电路由天线、天线开关、滤波器、高放管（低噪声放大器）、中频集成块（接收解调器）等电路组成。
早期手机有一级、二级混频电路，其目的把接收频率降低后再解调(如下图)。
（接收电路方框图）（2）、各元件的功能与作用。
1)、手机天线：结构：（如下图）由手机天线分外置和内置天线两种；由天线座、螺线管、塑料封套组成。
塑料封套螺线管（外置天线）（内置天线）作用：a)、接收时把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号。
b)、发射时把功放放大后的交流电流转化为电磁波信号。
2)、天线开关：结构：（如下图）手机天线开关（合路器、双工滤波器）由四个电子开关构成。
900M收收GSM900M收控收控900M发控GSM900M发入GSM（图一）（图二）作用：其主要作用有两个：a ）、 完成接收和发射切换；b ）、 完成900M/1800M 信号接收切换。
逻辑电路根据手机工作状态分别送出控制信号（GSM-RX-EN ；DCS- RX-EN ；GSM-TX-EN ；DCS- TX-EN ），令各自通路导通，使接收和发射信号各走其道，互不干扰。
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特点: 在较低的频率上调制，再上变频到发射频率 优点: 较低频率处调制容易，正交两支路易一致 缺点：对上变频滤波器要求高
4.4无线发射接收机的性能指标
GSM系统的主要性能
（1）发射频率：移动台发送 基站发送 （2）双工间隔：45MHZ （3）载波信道间隔：200KHZ （4）多址方式：时分多址（TDMA）/频分多址（FDMA） （5）调制方式：最小偏移调制（GMSK） （6）信道比特率：42kbps 890~915MHZ 935~960MHZ
《射频微电子学》
预备知识－－调制、滤波、变频的概念
缓冲 高频振荡 倍频 高频放大 调制 传输线 声音 话筒 音频放大 （直流电源未画）
无线电发射机
混频原理
（以调幅为例 ）
高频放大 fs fo fs 本地振荡 混频 fo–fs=fi
中频放大 fi
检波 F
低频放大 F
超外差式接收机
在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的 载波频率从fs变换为fi的过程称为混频。 在接收机中， fi称为中频。一般其值为
3.系统指标分配与计算
电路设计前，必须进行的三个方面的工作 1. 合理确定接收机﹑发射机的整机指标
依据:通信环境﹑通信距离﹑工作频段﹑调制方式等一系列因素
2. 将系统指标分配到各个单元模块，定出单元模块合理的指标值 分配原则: ① 根据各部件的物理可实现性， ② 根据每个部件的指标对整机的影响 3. 在选定了各模块的集成电路芯片后，
二次混频超外差接收机实例
f RF 881MHz
f IF 1 45MHz
f IF 2 455KHz
f LO1 881 45 926MHz
f LO 2 45 0.455 44.545MHz
4 .2. 2直接下变频方案（零中频方案）
方案特点：中频为 IF 0
优点：可避免I / Q两路的不一致
难点：对A/D变换器要求很高 转换速度高、较高的分辨率和较小的噪声 、 线性度很高 、要求有较大的动态范围。
4.3 发射机方案
一. 直接变换法
本振
调制和上变频合一 在发射频率上调制
缺点: 发射频率 ＝ 本振频率，发射的强信号会影响本振源 改进
sin
cos
二. 两步法
滤波器不理想
滤波器
0 IF
LO RF
产生组合频率 P LO q RF
变频器引起的寄生通道干扰 非线性 器 件 滤波器
0 IF
LO RF
①输入端没有其它干扰信号 组合频率 pLO qRF IF F
当 F 小于中频带宽时，通过滤波器输出
v s (t ) V (t ) cos RF t
v L (t ) V (t ) cos LO t
调制与解调
本课程传输的信号 基带信号——欲传输的信息，频谱集中在较低频率（数字、模拟）
载波——正弦、高频
已调波——携带了信息的高频窄带信号（或称通带信号）
3.1 什么是调制和解调
调制——基带信号加载到正弦载波的过程 调制的结果——得到已调波 解调——从已调波中恢复基带信号的过程
LO RF
IF 0
方案优点：① 不存在镜像频率，无镜频信号干扰 ② 可用低通滤波器选择信道 ③ 易解决匹配、线性动态范围等问题
直接下变频方案存在的问题 1.本振泄露 关键原因: 本振频率与信号频率相同 2. LNA偶次谐波失真干扰 漏过、形成干扰
两个频率 相近的干扰
非线性的偶次项 引起的差频 0
高中频和低中频的利弊
高中频——镜像频率远离有用信号，滤波容易 优点： 利于抗镜频干扰 低中频—— 相同Q值条件下，中频滤波器窄带 优点：利于选择信道、稳定的高增益
选择
中频 兼顾 两者
两者兼顾最佳方案——超外差式二次混频方案
3.二次变频方案
射频滤波器 I 中频 滤波器 II 中频 滤波器
I 中频采用高中频值，以提高镜象频率抗拒比 II中频采用低中频值，利于提取有用信道 中频选择原则 抑制邻道干扰 三个滤波器的功能、中心频率与带宽 总增益＝ 低噪放增益＋ I中频 增益＋ II中频 增益 （主要增益级）
A cos( c t )
调频 调相
模拟调制——基带信号是模拟信号 数字调制——基带信号是数字信号
衡量调制解调器好坏的主要性能指标
1.抗噪声抗干扰能力
2. 调制方式的频谱有效性
在保证传输速率和质量条件下，使用带宽越小越好 3.调制方式的功率有效性 线性功率放大器?
放大已调射频信号,可用
非线性功率放大器?
调制 解调
已调波的特点：带宽一定远小于中心频率
为什么要调制 （1）在无线系统中，为了有效地辐射功率。 （2）在有线系统中，同轴线对于高频提供了有效的屏蔽， 使得高频信号不致泄漏。 （3）无线电高频可提供较大的通信容量。
（4） 利用调制解调技术可以提供有效的方法来克服信道缺陷
调制的方式
正弦载波 调幅
第四章 4.1 概述
发送﹑接收机结构
发射部分
天线公用器
接收部分
通信机基本结构
射频级基本结构
结构方案
本章主要内容：介绍发送、接收机的
主要指标
射频发射级的基本组成及完成功能
①产生正弦载波 ②完成基带信号对载波的调制 ③将通带信号搬移到所需的频段 ④放大到足够的功率并发射 ⑤不干扰相邻信道 限制频带 通带信号（已调波） 上变频
400
–23 dBm
600
–26 dBm
1200 –32 dBm
1800 –36 dBm
（5）杂散辐射
9KHZ~1GHZ
250nW （–36dBm）
1~12.75GHZ
1W（–30dBm）
935~960MHZ
4PW（–84dBm）
（6）互调衰减
（7）相位误差 一个时隙内，相位误差的方均根应不大于5，峰值小于20
②当输入端伴有干扰信号时 V1m cos 1t V2 m cos 2t 组合频率 LO (21 2 ) IF 通过滤波器输出 三阶互调干扰
镜像频率干扰——重要的寄生通道干扰
什么是镜像频率？ 后果如何？
消除镜像频率干扰的方法：不让镜频信号进入变频器 滤波器实现难点？ 前端滤波器滤除 射频滤波器通带做不窄 解决方法: 提高中频
f i f o f s 其中fo是本地振荡频率。 其中，fi大于fs的混频称为上混频， fi小于fs的混频称为下混频。
BW fs Q
混频是一种频谱搬移现象，其实现依赖于本地振 荡信号与输入信号的乘法运算。 调制输入信号 v s (t ) V (t ) cos RF t 本地振荡信号 vo (t ) cos LO t
1.发信机技术指标
（1）平均载频功率 （2）发信载频包络 （3）射频功率控制 （4）射频输出频谱
调 制 谱 性 能
例：移动台 0.8W （29dBm）
相对载波功率（dB） 相对载频的偏移（KHZ）
100
+0.5
200
–30
250
–33
400
–54
600~18 00
–54
瞬态 频谱 性能
允许的最大电平 相对载频的偏移（KHZ）
IF
为什么要将接收到的射频频率降低？ （1） 为了解决选择性 GSM通信系统 两个概念
频带 信道
特点： 信道带宽 下行频带: 935 ~ 960MHz（移动台收、基站发） 远比 每个信道: 200KHz 载频小 结果：射频段选择信道非常困难 要求滤波器Q值极高 措施：降低频率选信道 上行频带: 890 ~ 915MHz（移动台发、基站收）
2dB
-12 13 20.1 11
6dB
100 7 14.1 5
12dB
5 12 15 100
5dB
100 7 10
10dB
主要指标：频谱、功率、效率
射频接收级的基本组成及完成的功能
①从众多的电波中选出有用信号
选频、滤除干扰
放大
②将微弱信号放大到解调器所要求的电平值 ③将通带信号变为基带信号 接收机的主要指标： 解调
灵敏度、选择性
设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关键问题 ① 选用合适的调制和解调方式
抗干扰性能好、频带利用率高、功率有效性好
（8）频率精度
0.1ppm（110–7）
2. 接收机指标
（1）灵敏度
（2）阻塞和杂散响应抑制 （3）互调响应抑制 （4）邻道干扰抑制 （5）杂散辐射
（1）灵敏度：静态–102dBm，BER10–5 （仅列举一个数据） （2）阻塞： 113dBV （3）互调特性：70dBV（–43dBm） （4）杂散抑制：70dBV （5）杂散发射：9KHZ~1GHZ≤20nW（–57dBm） 1~12.75GHZ≤20nW（–47dBm）
超外差接收机各级功能
低噪声放大器——射频放大 变频器——频谱搬移
中频放大——选信道、主增益级
超外差接收机的主要缺点 ——变频器引入众多的组合频率干扰 变频功能——频谱搬移
LO RF
基本实现方法
LO RF
产生众多组合频率的原因？
非线性器件不是 理想平方律特性 非线性 器 件
0 IF
v IF (t ) vC (t ) v B (t ) VRF cos( LO RF ) 输出抑制了镜像频率
t)
mi
OL
V ( soc mi t) FR 2
OL
V ( soc FR ) t( Cv 2
4.2.4 数字中频方案
特点：将第二次混频和滤波数字化
混频原理图
乘法器的输出 v v V (t ) cos t cos t o s RF LO V (t ) [cos( RF LO )t cos( RF LO )t ] 2