射频培训资料(硬件电路).pdf

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1、射频培训资料 张建 龙旗科技（上海）有限公司 硬件部 偏重于硬件电路 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 通信系统的组成 通常我们把信息从发送者传送到接收者 的过程称为通信，而实现信息传输过程 的系统称为通信系统。下面是一个通信 系统的基本组成： 信息源 编码 调制 发射机 信 道 接收机 解调 解码 收信者 噪声和干扰 该信号一般是低频的，而且包括 零频附近的分量。通常被叫做基 带信号（BaseBand）,它可以是模 拟信号，也可以是数字信号。 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 发射机结构 发射机射频部分的任务是完成基带信号对

2、载波的调 制，将其变为通带信号并搬移到所需的频段上且有足 够的功率发射，其基本结构如下： 调制器上变频 高频 功率放大器 带通 基带信号本振信号 主要指标：频谱、功率和效率 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 常见的发射机结构 发射机大致可以分为二种： 一是将调制和上变频合二为一，在一个电路里 完成，称为直接变换法. 二是将调制和上变频分开，先在较低的中频上 进行调制，然后将已调信号上变频搬移到发射 的载频上，称为二步法. ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 直接变换法虽然简单，但它有明显的缺点：由于发射信号是以本 振频率为中心的

3、通带信号，经过功率放大或发射后的强信号会泄 漏或反射回来影响本振，牵引本振频率，特别在P A 周期性的开关 情况下更为严重。改进的方法可以让本振频率和调制的载频不 同。 二次变换法明显地可以减弱直接变换法的缺点，而且由于调制是 在较低的中频上进行，正交的二支路容易一致。 基带Q 基带I Sin(2fc t) Cos(2fc t) PA 直接变换正交 调制发射机 基带Q 基带I Sin(2f1 t) Cos(2f1 t) 带通 PA 带通 Cos(2f2 t) 二步变换正交 调制发射机 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 手机中的具体实现 Confidential

4、Confidential 内部资料内部资料 AD6539 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 接收机结构 接收机的射频部分与发射机相反，见下面的框图。它 要从众多的电波中选出有用信号，并放大到解调器所 要求的电平值后再由解调器解调，将频带信号变为基 带信号。 主要的指标是：灵敏度和选择性。 带通 低噪声 放大器 下变频解调器 基带信号 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 常见的接收机结构 ?超外差式接收机： BPF1LNABPF2 中频 放大 BPF2解调 L O 频率和接收 的R F 信号频率 相差为中频频率 中心频率高， 带宽

5、较大，用 来选择频带 中心频率低， 用来选择信道 组合干扰频率多，“ 镜像干扰” 最严重 中频的选择：灵敏度和选择性的矛盾 可以用二次变频的方法来解决这个矛盾 二次变频 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 常见的接收机结构 ?直接下变频（零中频Z e r o - I F ）: 由于超外差式的接收机存在系统复杂、级数较多，现在已经逐渐 很少使用了，而且由于镜像干扰的问题，所以出现了直接变频的 架构，让本振频率等于载频，即取中频为0 。 RF LPF LPF LO 90 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 零中频的优点&缺点 ? 优点

6、：除了没有镜像频率干扰外，还有以下的优点： 容易满足线性动态范围的要求，不需要抑制镜像滤波器，不需要 专用的中频滤波器来选择信道，而只须用低通滤波器来选择信 道，并用基带放大器即可，而这些电路都是很容易集成的。 ? 缺点：存在以下的几个比较严重的缺点 本振泄露： DC- OffSet:使信噪比变差，饱和各级的放大器，引起BER升高 Near Zero- IF的出现 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 手机上的具体实现 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 T/R Switch Saw Filter LNA Mixer

7、 PA VCO PLL ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 收发双工器的特性参数（TX/RX）: Frequency Range (MHz) Insertion Loss (dB) Attenuation(dB) V.S.W.R. Isolation (dB) Harmonics 2xfo, 3xfo (dBc) ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 声表面滤波器（SAW）: 在手机中，接受信号从天线开关到接收 处理电路之间采用声表面滤波器 （SAW） 声表面滤波器（SAW）可以提供较宽的 通频带、较

8、低的损耗，此外有的SAW器 件还集成有将非平衡信号转换为平衡信 号的功能。 SAW的详细介绍请参考 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 低噪声放大器（ L N A ）: 主要用在射频的前段将微弱 的小信号线性放大到一定的程度。主要的指标： ?低功耗，接收机处于等待时，射频前段电路一直是 工作的，所以低功耗是很重要的。 ?工作频率和噪声系数 ?增益，L N A 的增益要适中，过大会使下级混频器的输 入太大，产生失真。最好增益是可编程的 ?输入阻抗匹配：噪声匹配和功率共轭匹配 ?线性范围：用I I P 3 和1 D B 压缩点来衡量 ?隔离度和稳定性

9、：零中频中D C - O f f s e t 的影响程度 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 M i x e r 混频器在射频中主要用来实现频谱的搬移。分有 源和无源二种，它们的主要区别在于是否有功率增 益：无源的增益小于1 称为混频损耗，有源的增益大于 1 。主要的指标参数： 增益和噪声 线性范围：I I P 3 和1 D b 失真 口间隔离 阻抗匹配 目前LNA和Mixer多已集成在Transceiver（收发器） ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 PA( 功率放大器) Pin PA Vc PAC Power

10、 detector 50 ohm Coupler To AntSW Vs From Codec 有闭环和开环 二种工作模式 随着工艺和 技 术的进步，现 在都已集成在 一个I C 中 P A M o d u l e ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 手机P A 的用处是将低功率射频信号线性 无失真的放大到一定功率值。 它的主要参数有： 工作频率、带宽 最大线性输出功率（压缩点） 线性放大对输入功率要求 输入、输出需要的匹配阻抗 工作电源及电压、电流的要求 控制信号的形式及要求 噪声特性等等 PA的线性 度和其效 率的关 系？ G S M 手机 中常用的 是哪类

11、P A ? 为什么？ ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator） 压控振荡器一般是由变容二极管为主构成 的谐振回路： 谐振回路的中心频率由其回路的等效L、 C特性决定变容二极管的等效电容量由加 在其两端的电压控制，这样通过电压的 变化就能转换成回路谐振频率的变化， 就构成了压控振荡器VCO。 LC10= ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 VCO的选择要素: ? High spectral purity ? Linear voltag

12、e- frequency transfer characteristic ? Good frequency stability to temperature ? Frequency deviation capability the max. PLL capture range ? Time response ? Low power consumption and Output level ? Output harmonic level and tuning sensitivity ? Phase noise ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 关键的射频器件 锁

13、相环（PLL） 锁相环四个基本构成元素 锁相环路的性能 基本构成电路分析 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 锁相环（PLL） 锁相环四个基本构成元素 鉴相器（PD）鉴频器（FD）鉴相鉴频 （PFD）：PD/FD/PFD是一个相位/频率比较装置， 用来检测输入号与反馈信号之间的相位/频率差 环路滤波器Loop Filter（LP）： LP一般为N阶低通滤波器 电压控制振荡器（VCO）： VCO是一个电压- - 频率变换装置 ，输出振荡频率应随 输入控制电压线性地变化 参考信号源（Reference signal source）： 参考信号源提供与反馈信号鉴相鉴频

14、用的对比输入信 号 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 PLL Block Diagram ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 锁相环路的性能 锁相环的基本性能包括捕获过程与同步 （1）捕获过程的性能指捕获带和捕获时间。 捕获带指环路能通过捕获过程而进入同步状态所允 许的最大固有频差 捕获时间是环路由起始时刻到进入同步状态的时刻 之间的时间间隔 Frequency deviation capability the max. PLL capture range （2）环路锁定之后稳态频差等于零，进入同步状态。 稳态相差通常总是存在的

15、，它是一个固定值。 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 锁相环路的性能 环路的跟踪性能 输入信号变化越快，跟踪性能就越差。暂态相位误差 和稳态相位误差的大小，是衡量环路线性跟踪性能好坏 的重要标志。 环路噪声性能 噪声包括输入噪声与谐波干扰和内部噪声与谐波干 扰，压控振荡器内部的噪声是主要的噪声源。 环路捕获性能 捕获带越宽越好，捕获时间越短越好，可提高环路 的增益K或者增加滤波器的带宽，但加大环路增益或滤 波器带宽往往是与提高环路的跟踪性能和滤波性能的要 求相矛盾。采用辅助捕获的方法达到目的。包括辅助鉴 频和鉴频鉴相，变带宽和变增益等。 Confidentia

16、lConfidential 内部资料内部资料 基本构成电路分析 鉴相器（Phase Detector） 电荷泵环路低通滤波器 （Charge PumpLoop Filter ） 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator） 分频器（DIV） ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 鉴相器（Phase Detector） 在频率合成器中所采用的鉴相器主要有正弦波 相位检波器与脉冲取样保持相位比较器两种。 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 电荷泵环路低通滤波器 （ Charge PumpLoop Filter

17、） 电荷泵的的作用主要是：给锁相环路提供理想 恒定的电流源，保持良好的线性关系，使得频 率范围易于控制 环路低通滤波器（LPF） 由PFD的输出信号需经过低通滤波器再去控制 VCO。一般采用电阻、电容构成积分形式的低 通滤波器，它可以为单阶或多阶滤波器。它的 通频带由电阻、电容参数决定，它的截止速度 取决于其阶数。 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 环路低通滤波器（Low Pass Filter） phase detector Rz Cz Cp VCO R4 C4 To important the transient characteristics The l

18、oop can track better a change in input frequency To further reduce the phase noise of the charge pump ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 分频器（DIV） 锁相环通常用于N倍参考频率的发生器： 其中N为分频比，它由环路中分频器DIV提供 rfNf=0 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 GSM基础知识 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 GSM Frequency G S M 9 0 0 F r e

19、 q u e n c y : 8 9 0 9 6 0 M h z T x : 8 9 0 9 1 5 M h z R X : 9 3 5 9 6 0 M h z 双工间隔: 4 5 M h z 载频间隔: 2 0 0 K h z C h a n n e l : 1 1 2 4 E G S M 9 0 0 F r e q u e n c y : 8 8 0 9 6 0 M h z T X : 8 8 0 9 1 5 M h z R X : 9 2 5 9 6 0 M h z 双工间隔: 4 5 M h z 载频间隔: 2 0 0 K h z C h a n n e l : 1 1 2 4 , 9

20、 7 5 1 0 2 3 D C S 1 8 0 0 F r e q u e n c y : 1 7 1 0 1 8 8 0 M h z T X : 1 7 1 0 1 7 8 5 M h z R X : 1 8 0 5 1 8 8 0 M h z 双工间隔: 9 5 M h z 载频间隔: 2 0 0 K h z C h a n n e l : 5 1 2 8 8 5 P C S 1 9 0 0 F r e q u e n c y : 1 8 5 0 1 9 9 0 M h z T X : 1 8 5 0 1 9 1 0 M h z R X : 1 9 3 0 1 9 9 0 M h z 双

21、工间隔: 8 0 M h z 载频间隔: 2 0 0 K h z C h a n n e l : 5 1 2 8 1 0 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 Burst ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 调制方式 GMSK , B*T=0.3 数据传输速度 270.833kbit/s 比特持续时间3.69us 为了方便，使用频道号（ARFCN）来表示不同的信道，其和实际的 载波频率之间有换算关系： 以GSM 为例，GSM 的ARFCH范围：1- 124 MS 发射时： Fc(n)= 890.2+(n- 1)*0.2 , 1=n=

22、124 ,单位：MHz BS 发射时： Fc(n)= 890.2+(n- 1)*0.2 +45 其他频段的可以以次类推 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 QB=12/13us=0.92us 1Burst=156.25Bit Total Time =4*12/13*156.25 =15/26ms =577us BitRate=156.25bit/577us =270.833Kbit/s ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 测试要素 发射部分 接收部分 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 GSM Sp

23、ecification(Transmitter) Output power and Power/Time Template Phase error and Frequency error Output Spectrum Spectrum due to modulation Spectrum due to Switching Spurious emission ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 Output Power GSM900 DCS1800 ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 Power / Time Template +

24、 4 d B c + 1 d B c -6 d B c fo r P WR le v e l 5 -1 5 -1 d B c 0 d B c-2 d B c fo r P WR le v e l 1 7 -4 d B c fo r P WR le v e l l6 -1 d B c fo r P WR le v e l 1 8 -1 9 -3 0 d B c o r -1 7 d B m -5 9 d B c o r -5 4 d B m 1 0 u s1 0 u s8 u s1 0 u s1 0 u s8 u s 5 4 2 .8 u s fo r n o w m a l b u rs t 3 2 1 .2 u s fo r a c c e s s b u rs t ConfidentialConfidential 内部资料内部资料 Phase error and Frequency error