无线通信中射频收发机结构及应用

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,大家好,一、课程内容简介,内容安排,第一单元 射频和无线技术简介,2,学时,第二单元 射频设计的基本概念,10,学时,第三单元 收发信机的组成及特点,10,学时,第四单元 低噪声放大器及混频器,10,学时,第五单元 振荡源,6,学时,第六单元 频综器,10,学时,第七单元 功率放大器,8,学时,射频微电子学,2024/9/13,2,一、课程内容简介,实施方法及考核,讲课、讨论、自学、习题、专题仿真与专题讨论,专题仿真：,低噪声放大器设计；锁相环频率合成器环路滤波器的设计,专题讨论：,功率放大器线性化技术,考核：平时综合成绩占,40%,，考试成绩占,60%,射频微电子学,2024/9/13,3,一、课程内容简介,(,续,),主要参考书,射频通信电路,（第二版），陈邦媛著，科学出版社，,2006,CMOS,射频集成电路设计,Thomas H.Lee,著，余志平 周润德等译 ，,2006,年,射频微电子学,2024/9/13,4,一、教学内容及时间安排,1,1,无线收发信机射频前端功能和特性,1,2,射频电路在系统中的作用与地位,1,3,射频电路与微波电路和低频电路的关系,1,3,1,频段划分,1,3,2,电路的设计考虑,1,4,集成收发系统结构,1,5,典型应用的集成收发信机,1,5,1 GSM,收发机,1,5,2,应用于无线局域网的收发机,1,5,3,应用于无线传感器网络的低功耗收发机,1,5,4,应用于,WCDMA,1,6,无线通信及射频电路技术发展趋势,1,7,射频电路基础,1,7,1,频带宽度表示法,第,1,章 无线通信中射频收发机结构及应用,2024/9/13,5,1,1,无线收发信机射频前端功能和特性,无线通信收发信机中存在两种变换。在发射端，第一个变换是输入变换器，它把需要传递的信息变换成电信号,基带信号；第二个变换是发射机将基带信号变换成其频带适合在信道中有效传输的信号形式,已调信号，这个过程称为调制。,2024/9/13,6,发送过程大致如下。,(1),调制：即将基带信号调制到通信载波上，在某些特殊应用领域还有一个对基带信号加密的步骤或其他步骤。,(2),中放变频：在这一步不但要对调制之后的信号进行放大，还要将信号变频到实际通信的频段,(,频道,),。,(3),功放：主要将发射信号的功率放大到满足通信,(,距离,),的要求。,(4),发射天线：将信号有效地发射出去，除了发送功率,(,效率,),之外，有时还有方向，以及电波传播方式的选择。,1,1,无线收发信机射频前端功能和特性,2024/9/13,7,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。,图,1,2,接收机结构图,1,1,无线收发信机射频前端功能和特性,2024/9/13,8,1,2,射频电路在系统中的作用与地位,对于接收链路来说，从天线接收下来的射频信号，首先经射频前端和其他模拟电路变换到低频的基带内，然后经模数,(A,D),转换器转换成数字信号，这些数字信号再经后面的数字信号处理电路完成解码和其他运算后送给相应的应用设备。,射频通信系统示意图,1,1,无线收发信机射频前端功能和特性,2024/9/13,9,射频前端指从天线到完成第一次频率变换所需要的电路，这些电路对射频信号进行处理。然后在下变频器中经过与本地产生的振荡信号进行混频，来将信号从射频载波变换到中频或者基带。发送信号时，同接收信号相反，需要将中频或者基带信号经上变频器变换到射频载波，经过功率放大器放大到一定的功率，然后经过天线发送出去。,射频前端方框图,1,1,无线收发信机射频前端功能和特性,2024/9/13,10,3,、,EFT,的特性,电感负载开关系统断开时，会在断开点处产生瞬态骚（,EFT),脉冲组成。对,110V,220V,电源线的测量表明，这种脉冲群的幅值在,100V,至数千伏之间，具体大小由开关触点的机电特性,(,如触点打开的速度，触点断开时的耐压等,),决定，脉冲重复频率在,lkHz,一,1MHz,。对单个脉冲而言，其上升沿在纳秒级，脉冲持续期在几十纳秒至数毫秒之间。,标准,IEC61000,4,4(1995),电快速瞬变脉冲群抗扰度试验,来模拟电快速脉冲群对电气和电子设备的影响，与其对应的国标是,GB,T13926,4,92,工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电快速瞬变脉冲群要求,。,空调、预付费电能表、火灾报警器、加油机控制器等产品都已经引入了此标准。,1,3,射频电路与微波电路和低频电路的关系,2024/9/13,11,卫星频率，是指卫星用频设备使用的频率：卫星频率是无线电频谱中的一部分，主要使用,V,UHF,、,L,、,S,、,C,、,X,、,Ku,、,K,、,Ka,、,EHF,等频段。卫星常用频段如表,2,所示。,频段,频率范围,主要应用,V/UHF,1001000MHz,低轨数据通信、遥测遥控、移动通信,L,1-2GHz,低轨移动迪信、导航、气象和侦察,S,2-4GHz,数据中继、测控,C,4-7GHz,固定通信、广播电视,X,7-12GHz,军事通信、资源卫星等,Ku,12-18GHz,固定通信、移动通信、广播电视,K,18-27GHz,固定通信、移动通信,Ka,27-40GHz,固定通信、移动通信、卫星链路,EHF,40-60GHz,固定通信、军事通信,表,2,卫星频率常用频段,1,3,射频电路与微波电路和低频电路的关系,2024/9/13,12,3,电磁频谱,2024/9/13,13,3,电磁频谱,2024/9/13,14,射频,(Radio Frequency)/,微波,(Microwave),无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。,2024/9/13,15,3,电磁频谱,2024/9/13,16,2024/9/13,17,2,微波和射频的定义,当工作频率提高到接近,1GHz,或者更高，就会出现一些在低频下没有的现象。一般频率范围从,1GHz,到,300GHz,的电磁波称为微波。在此频段内的信号波长从,1mm(,对应于频率,300GHz),到,30cm(,对应于频率,1GHz),。通常把从,30GHz,到,300GHz,的频率范围特称为毫米波,(,因为其波长是在毫米范围,),。人们则以,0.3GHz,到,4,5GHz(S,频带,),为射频频段。,1,3,射频电路与微波电路和低频电路的关系,2024/9/13,18,频带名称,频率范围,(GHz),频带名称,频率范围,(GHz),L,带,1.0,2.0,S,带,2.0,4.0,C,带,4.0,8.0,X,带,8.0,12.0,Ku,带,12.0,18.0,K,带,18.0,26.5,Ka,带,(,毫米波,),26.5,40.0,Q,带,(,毫米波,),33.0,50.0,U,带,(,毫米波,),40.0,60.0,V,带,(,毫米波,),50.0,75.0,E,带,(,毫米波,),60.0,90.0,W,带,(,毫米波,),75.0,110.0,F,带,(,毫米波,),90.0,140.0,D,带,(,毫米波,),110.0,170.0,G,带,(,毫米波,),140.0,220.0,IEEE,和工业用微波波段的定义,1,3,射频电路与微波电路和低频电路的关系,2024/9/13,19,1,3,2,电路的设计考虑,1,低射频电路的设计考虑,低射频电路中，可以忽略其电波的传播效应。设计过程考虑如下三个特点：,电路的长度远小于波长，即；,传播延时趋近于零，即；,麦克斯韦方程简化为低频下的定律，如基尔霍夫电压和电流定律,(KVL,和,KCL),与欧姆定律。因此，在射频频率，当，传播延时近似为零，并且所有电路中的元件可以认为是集总的。设计过程包含三个步骤：,2024/9/13,20,2,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；,3.,信号传播延时不再可忽略。,高射频和微波电路的设计过程如下：,1.,开始时进行直流电路设计，以建立稳定的工作点；,2.,利用电磁波测量器件各端口的反射和传输系数；,3.,设计匹配网络使器件与外界连接，如稳定性、增益等。,2024/9/13,21,1,4,集成收发系统结构,射频电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求，任何基本单元电路,(,如放大器、混频器等,),应当确定其性能优良和可靠。利用开关共用,个天线可以减小集成收发机的体积，出于这种考虑，开关在大多数的集成收发机中得到了应用。,超外差式收发机结构,2024/9/13,22,1,5,1 GSM,收发机,1,5,典型应用的集成收发信机,GSM,900,GSM,1800,上行频率,880,915 MHz,1710,1785 MHz,下行频率,925.4,960MHz,1805,1880MHz,信道间隔,200kHz,200kHz,多址方式,TDMA/FDM,TDMA/FDM,双工方法,FDD,FDD,每信道用户数,8,8,调制方式,GMSK,；,BT=0.3,GMSK,；,BT=0.3,信道比特率,270.833 kb/s,270.833 kb/s,表,1,3GSM-900,和,GSM1800,的主要参数,GSM-900,和,GSM1800,的主要参数,2024/9/13,23,GSM,收发机的结构框图,1,5,典型应用的集成收发信机,2024/9/13,24,这种接收机采用二次变频超外差式结构，中频为,71MHz,，包括滤波器在内的最差噪声系数为,8.1dB,，数字控制的总增益范围超过,98dB,。发射机采用直接变频结构，集成了,个移相器,(Phase Shifter),，发射的,GMSK,信号的平均均方根相位误差小于,2,。该收发机由,2.5V,电压供电，接收机仅消耗,19.5mA,的电流，而发射机消耗,55mA,的电流。,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。,1,5,典型应用的集成收发信机,2024/9/13,25,1,5,2,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。,Intersil,公司新近推出的,Prism Duette,是双频带,(5GHz(802.11a),和,2.4GHz(802.11b,、,802.1lg),无线局域网解决方案，该网络能传输高达,54Mbps,数据率的视频、语音和数据，并且向下兼容现有的,Wi-Fi,系统,PrismDuette,双频带芯片组的总体结构。它的核心由两大芯片,ISL3690(,高集成,UHF2,双频带零中频收发机,),和,ISL3890(,集成基带处理器,/,媒体访问控制器,BBP/MAC),组成，实现全,IEEE802.11a/b/S,无线局域网,MAC,协议。,1,5,典型应用的集成收发信机,2024/9/13,26,标 准,频 段,调制方式,数 据 率,HomeRF,2.4GHz,FH,1,2Mb/s,Bluetooth,2.4GHz,FH,1 Mb/s,802.11,2.4GHz,FH/DS,1,2Mb/s,802.11b,2.4GHz,DS,可达,11Mb/s,802.1lS,2.4GHz,OFDM,可达,54Mb/s,802.11aa,5GHz,DMT/OFDM,6,54Mb/s,HiperLAN2,5GHz,GMSK,可达,24Mb/s,目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较,2024/9/13,27,目前能提供全集成的无线局域网收发机芯片的厂商已不少，其技术日趋成熟。下面介绍一种典型的,WLAN,集成收发机，该芯片可以工作在,5.155.35GHz,和,2.42.5GHz,两个频段，同时满足,IEEE802.11 a/b/g,三种标准，采用,0.25mCMOS,工艺制造。中心频率为,3.8GHz,的片上集成,VCO,和频率综合器的相位噪声为,1.35 rms,。发射机在输出功率约为,3 dBm,时，,EVM,值约为,33dB(2.4GHz),，而在输出约为,7dBm,时，,EVM,约为,29dB(5GHz),。接收机的噪声系数在,2.4GHz,下为,3dB,，在,5GHz,下为,3.8dB,。芯片总面积为,25,。,2024/9/13,28,1,5,3,应用于无线传感器网络的低功耗收发机,无线传感器网络,(WSN,，,Wireless Sensor Network),是当前实际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域。所谓无线传感器网络，是指由部署在监测区域内的大量廉价的小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感知、监测各种环境或目标对象信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现,“,无处不在的计算,”,理念。无线传感网络综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术等多个学科，是多学科交叉融合的产物。,7,2,1,直击雷、感应雷与浪涌,2024/9/13,29,1,5,4,应用于,WCDMA,GSM,的缺点是数据率低和频谱利用率低，这是第二代移动通信系统进一步发展的瓶颈。应运而生的是宽带码分多址接入系统,(WCDMA),其突出优点是数据率高和频谱利用率高，可支持,384Kbps,到,2Mbps,不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供,384Kbps,的传输速率；而在低速移动或是室内环境下，则可提供高达,2Mbps,的传输速率。,WCDMA,是由欧洲和日本发起的，其中每个,5MHz,信道只使用单路载波，码片率为,4.096Mbps,，数据传输速率为,2Mbps,。基于,WCDMA,的通用移动通信系统,(UMTS,，,Universal Mobile Telecommunication Systems),，是所谓的第三代,(3G),移动通信系统。,3G,系统开展的业务定位为：提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球性覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信，这将给广大用户带来极大的便利。,2024/9/13,30,无线通信及射频电路技术的发展趋势如下。,(1),高频率化：从高频,(HF),、甚高频,(VHF),、特高频,(UHF),、微波,(MW),、毫米波,(MMW),至太赫兹,(THz),，达到增加有效通信带宽的目的。,(2),高速率化：这也要求射频电路技术能适应高速率的数据传输，以满足实时传输声音、数据、图像等多媒体大容量信息的需要。,(3),集成化和小型化：射频和数字部分能集成在同,块芯片,(4),低功耗：便于携带、工作时间长和功能多是无线通信的一个发展方向。,1,6,无线通信及射频电路技术发展趋势,2024/9/13,31,(5),数字化,/,软件化：软件无线电将会是无线通信的通用实现方式，故需要射频和数字硬件电路在不同频率,/,制式下实现无线通信系统之间的互连互通、一机多用。,(6),低价与人性化：,集成收发机的发展趋势,随着低压低功耗数模混合电路设计技术、片上系统,(SoC),、可编程片上系统,(SoPC),、可重构等技术的发展，以及,CMOS,、,GaAs,、,InP,等工艺特征尺寸的进,步降低和,IC,设计制造工艺的提高，单片集成收发机正朝着更高的集成度、更高的工作频率、更低的工作电压和功耗、更低的成本方向发展。,高集成度：随着集成电路技术的进步，单片集成数字、模拟和射频功能成为了芯片的发展趋势。,高工作频率：随着工艺特征尺寸的不断降低，器件的特征频率和最高振荡频率不断提高，使得集成收发机的工作频率越来越高。,低工作电压和低功耗： 低成本：,1,6,无线通信及射频电路技术发展趋势,2024/9/13,32,微波站,2024/9/13,33,无源中继站（实物照片）,反射板式无源中继站,Plane reflectors,双抛物面无源中继站,Parabolic reflectors,中继站,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,34,机载多普勒雷达,中国新型空警,-2000,预警,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,35,全球卫星导航和定位系统,无线电导航,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,36,一、军用雷达设备,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,37,国产,JYL-1,远程三坐标警戒引导雷达,.jpg,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,38,2.,圆锥扫描雷达的组成,圆锥扫描雷达组成方框图,2024/9/13,39,雷达系统原理图,1,发射机,2,隔离器,3,天线收发转换开关,4,馈线波导,5,旋转关节,6,辐射器,7,天线反射器,8,混频器,9,可变衰减器,10,本地振荡器,11,中频接收机,2024/9/13,40,照相侦察卫星。,美车锁眼“,KH-12”,卫星,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,41,北斗卫星导航系统,北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三 部分组成，空间段包括,5,颗静止轨道卫星和,30,颗 非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和 监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终 端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,42,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,43,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,44,从典型,RF,系统看本课程内容设置,无线通信系统原理框图,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,45,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,46,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,47,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,48,华为推出世界上最快的四核智能手机,-,华为腾飞,D(HuaweiD),四核。此款手机拥有,1.2GHz/1.5GHz,华为,K3V2,四核处理器、,4.5,英寸智能手机中最为紧凑的设计、扩大手机用户应用范围的,Android4.0,操作系统以及可节电高达,30%,的华为专有的电源管理系统。,速度、长电池寿命、高品质视听能力、紧凑轻便的设计。华为腾飞,P1S(Huawei,刷新了新的世界记录，成为了世界上最轻薄的智能手机。,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,49,RF/MW,系统通常由这样几类装置组成：无源器件：完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等功能的装 置，没有进行微波能量与其他能量（如直流）的转换,如滤波器， 双工器，耦合器等。有源器件：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，一般要将微 波能量与其他能量进行转换。正是上述装置构成了本课程内容。当然，,RF/MW,应用还涉及其他重要方面，如电波传播、,RF/MW,测量，,RF/MW,仿真与计算等。尽管很重要，由于课时有限，本课程不讲,1.6.3,射频技术的应用,2024/9/13,50,1,7,1,频带宽度表示法,绝对带宽,2,相对带宽,为中心频率,1,7,射频电路基础,2024/9/13,51,百分比法,RBW,和倍数法,K,都可以表示相对带宽，两者的转换关系为,例,1,1,一个射频低噪声放大电路的频率范围为： ,3.4GHz,， ,4.2GHz,。请计算绝对带宽,BW,、相对带宽,RBW,和倍数法表示的带宽,K,，并判断该放大电路是否属于宽带放大电路。,解： 绝对带宽,BW,为,BW(Hz)=4.2GHz,3.4GHz,0.8GHz,相对带宽,RBW,为,或者用分贝表示为,1,7,射频电路基础,2024/9/13,52,1.5,分贝的概念与应用,1.6.1,分贝的定义,(2),电压,(1),功率,2024/9/13,53,(3),电流 电流的单位有安,(A),、毫安,(mA),、微安,(A),，电压的分贝单位,(dBA,、,dBmA,、,dBA),表示为：,(4),电场强度,(V/m),、,(mV/m ),、,(V/m),，电场强度的分贝单位,(dBV/m,、,dBmV/m,、,dBV/m),表示为：,2024/9/13,54,(5),功率密度,(6),功率密度,2024/9/13,55,电平单位转换（电阻为,75,50,）,转换关系,dBW(,新单位）,dBm(,新单位）,dBmV(,新）,dB,V(,新）,dBW(,原单位）,0,+30,+78.75/+77,138.75/+137,dBm(,原单位）,-30,0,+48.75/+47,+108.75/+107,dBmV(,原单位）,-78.75/-77,-48.75/-47,0,+60,dBV(,原）,-138.75/-137,-108.75/-107,-60,0,电平单位转换（电阻为,75,50 ),2024/9/13,56,dBm,毫瓦,dBm,毫瓦,dBm,毫瓦,0,1,17,50,34,2.5W,1,1.3,18,64,35,3.0W,2,1.6,19,80,36,4.0W,3,2,20,100,37,5W,4,2.5,21,128,38,6W,5,3.2,22,160,39,8W,6,4,23,200,40,10W,7,5,24,250,41,13W,8,6,25,320,42,16W,9,8,26,400,43,20W,10,10,27,500,44,25W,11,13,28,640,45,32W,12,16,29,800,46,40W,13,20,30,1W,47,50W,14,25,31,1.3W,48,64W,15,32,32,1.6W,49,80W,16,40,33,2W,50,100W,dBm,和毫瓦的换算,2024/9/13,57,学习方法：,大处着眼,始终把握每讲内容在整体课程中的地位。,始终把握所学元器件在,RF,Mw,系统中的地位。,从原理上掌握每一元器件的机理、功能和作用。,小处着手,熟练掌握具有代表性的理论、公式、推导。,熟悉几种具有代表性的元器件的设计过程，井能完成典型电路设计。,从小入手，举一反三，触类旁通，从而在有限的学时内，,最大限度地掌握,RF,Mw,电路与天线的理论与设计。,2024/9/13,58,给自己定个目标：上、中、下。在所定目标下，制成 学习方案和精力分配。,上：出色完成课程学习,掌握尽可能多的细节。,中：较好完成课程学习，掌握课堂所授主要内容。,下：基本完成课程学习，掌握课堂所授基本内容,2024/9/13,59,1,无线收发信机射频前端功能和特性,2,射频电路在系统中的作用与地位,3,射频电路与微波电路和低频电路的关系,3,1,频段划分,1,3,2,电路的设计考虑,4,集成收发系统结构,5,典型应用的集成收发信机,5,1 GSM,收发机,5,2,应用于无线局域网的收发机,5,3,应用于无线传感器网络的低功耗收发机,5,4,应用于,WCDMA,6,无线通信及射频电路技术发展趋势,7,射频电路基础,7,1,频带宽度表示法。,本节总结,2024/9/13,60,1.5 IC,工艺技术的选择,一、,RF IC,工艺技术选择的三个主要因素,性能 价格 投放市场的时间,二、,RF IC,工艺技术,砷化镓（,GaAs,）,双极（,bipolar,）,CMOS,工艺,Si Bipolar,Si CMOS,高集成度,低功耗和低噪声,易进行阻抗匹配,较低的制造成本,在同一芯片上同时包,含模拟和数字电路,第一单元射频和无线技术简介,2024/9/13,61,习题,1-1.,说明“射频设计六边形”在射频设计中的重要性。,1-2.PA,、,LNA,、变频器、频率源在系统设计中考虑的主要因素各是什么。,1-3,以低噪声放大器为例，说明与噪声折中的参数有哪些,?,第一单元射频和无线技术简介,2024/9/13,62,汇报完毕,请各位专家指正,谢谢！,2024/9/13,63,