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1、R a t e c h c o n f I d e n t I a l1射频知识讲义（射频知识讲义（1 1）硬件部硬件部 鄢华浩鄢华浩20062006年年 1010月月 2323日日R a t e c h c o n f I d e n t I a l2 开场白开场白u简单介绍一些RF的基本特点和概念u无线通信系统中的RF部分u具体手机上的一些例子问道有先后，术业有专攻问道有先后，术业有专攻 R a t e c h c o n f I d e n t I a l3 信号的时域和频域信号的时域和频域分析信号时域上常用的工具分析信号时域上常用的工具 分析信号频域上常用的工具分析信号频域上常用的工具
2、 联系联系“桥梁桥梁” 傅立叶变换傅立叶变换拉普拉斯变换拉普拉斯变换R a t e c h c o n f I d e n t I a l4u射频的概念射频的概念u射频起源射频起源 19011901年英国科学家马可尼成功地实现了无线电信号横越大年英国科学家马可尼成功地实现了无线电信号横越大西洋，可以认为从那时起射频电子（西洋，可以认为从那时起射频电子（RADIORADIO）技术正式诞）技术正式诞生。近生。近3030年来无线移动通信发展迅速，其中射频技术和微年来无线移动通信发展迅速，其中射频技术和微电子技术的进步和发展是十分关键的因数。电子技术的进步和发展是十分关键的因数。u频段划分频段划分u频
3、谱资源的有限频谱资源的有限R a t e c h c o n f I d e n t I a l5 频段划分及主要用频段划分及主要用途途 R a t e c h c o n f I d e n t I a l6 主要无线通信业务使用主要无线通信业务使用频率表频率表R a t e c h c o n f I d e n t I a l7从能量的观点看待射频系统从能量的观点看待射频系统 信号在射频频段时有以下几个特征：信号在射频频段时有以下几个特征： 射频信号的波长较短和元器件尺寸相射频信号的波长较短和元器件尺寸相差不多差不多 分布参数的影响不可忽略分布参数的影响不可忽略 集肤效应（集肤效应（Sk
4、in effect Skin effect ） 集肤效应指在高频信号环境下导线的集肤效应指在高频信号环境下导线的电流分布将会呈现密集於金属表面的电流分布将会呈现密集於金属表面的情形情形 所以在射频信号一般不单独考虑它所以在射频信号一般不单独考虑它的电压或电流而是从功率或能量方面的电压或电流而是从功率或能量方面来研究它。这样在射频系统中能量的来研究它。这样在射频系统中能量的无损耗最高效率地从一部分传输到另无损耗最高效率地从一部分传输到另一部分就是射频的重点。一部分就是射频的重点。( (反射、匹反射、匹配配 、信噪比、信噪比E/N)E/N)()()()(21tvt itvtpR瞬时功率瞬时功率时段
5、总能量时段总能量dttvdttpttttR)()(212121平均功率平均功率dttvdttpttRtttttt) () (211121211212连续信号能量连续信号能量dttttx21)(2R a t e c h c o n f I d e n t I a l8GSM 移动网络的具体频段和信道bandchannelfrequency(TX)frequency(RX)GSM850128-251824.2-848.8869.2-893.8EGSM975-1023,0-124880.2-889.8,890-914.8925.2-959.8DCS512-8851710.2-1784.81805.2
6、-1879.8PCS512-8101850.2-1909.81930.2-1989.8R a t e c h c o n f I d e n t I a l9 RF RF基本概念基本概念 dB & dBm & dB & dBm & dBcdBcu dBdB是一个相对值，它是针对一定参考而言的，它通常用于表示衰减或增是一个相对值，它是针对一定参考而言的，它通常用于表示衰减或增益的量。益的量。 对电压比对电压比: : 对功率比对功率比: :u dBmdBm是一个绝对功率值，它是一定功率与一毫瓦的相对值是一个绝对功率值，它是一定功率与一毫瓦的相对值: :u dBcdB
7、c是一个差值，它表示两个功率值的差是一个差值，它表示两个功率值的差oVVlg20oPPlg10mWPdBm1lg10)(P1（载波功率）P221lg10)(PPdBc 一般来说，一般来说，dBc是相对于载波功率而言是相对于载波功率而言的，在许多情况下用来度量与载波功率的，在许多情况下用来度量与载波功率的相对值，如度量干扰（同频干扰、互的相对值，如度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰和带外干扰）、耦合、调干扰、交调干扰和带外干扰）、耦合、杂散等相对量值，在采用杂散等相对量值，在采用dBc的地方，原的地方，原则上可以使用则上可以使用dB替代。替代。R a t e c h c o n f I d
8、e n t I a l10Gain &Insert Loss & Return LossGain &Insert Loss & Return Lossu增益主要用来衡量一个有源系统，定义为输出功率比上输增益主要用来衡量一个有源系统，定义为输出功率比上输入功率入功率 Gain = Po/PiGain = Po/PiInsertion Loss =Transmitted/IncidentReturn Loss =Reflected/IncidentR a t e c h c o n f I d e n t I a l11通信系统通信系统 通常我们把信息从发送者传送到
9、接收者的过程称为通信通常我们把信息从发送者传送到接收者的过程称为通信，而实现信息而实现信息传输过程的系统称为通信系统。下面的框图表示了一个基本的通信系统传输过程的系统称为通信系统。下面的框图表示了一个基本的通信系统。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。通常被叫做基零频附近的分量。通常被叫做基带信号（带信号（BaseBand）,它可以是它可以是模拟信号，也可以是数字信号模拟信号，也可以是数字信号此处就是我们所谓的高频信号R a t e c h c o n f I d e n t I a l12采用射频技术的
10、二个主要原因采用射频技术的二个主要原因u为了有效地把信号用电磁波辐射出去为了有效地把信号用电磁波辐射出去 为了有效的将信号的能量辐射到空间，必须要求天线的长度和信号的波长可为了有效的将信号的能量辐射到空间，必须要求天线的长度和信号的波长可比拟（例如至少十分之一）而基带信号一般是频率比较低的信号，如常见的比拟（例如至少十分之一）而基带信号一般是频率比较低的信号，如常见的语音信号的频率可以认为在语音信号的频率可以认为在300Hz 3400Hz300Hz 3400Hz的范围内，这样的话就要求发射的范围内，这样的话就要求发射天线长度达天线长度达300Km300Km以上，这是不可能也不现实的。因此为了有
11、效的发射，发射以上，这是不可能也不现实的。因此为了有效的发射，发射信号的频率必须是高频。信号的频率必须是高频。 C=F* =C/Fu为了有效的利用频谱资源为了有效的利用频谱资源 一般要传送的基带信号的频率范围都差不多，比如广播电台广播的音乐节目一般要传送的基带信号的频率范围都差不多，比如广播电台广播的音乐节目的频率范围大约集中在的频率范围大约集中在100Hz 100Hz 10KHz, 10KHz, 如果每个电台都直接发射这些信号，如果每个电台都直接发射这些信号，就会相互干扰，令接收机无法区分。只有将不同电台的节目调制到改电台对就会相互干扰，令接收机无法区分。只有将不同电台的节目调制到改电台对应
12、的不同频率的载波上，变成中心频率不同的频带信号，接收机才能任意选应的不同频率的载波上，变成中心频率不同的频带信号，接收机才能任意选择所需要的电台而抑制其余不需要的电台和干扰。择所需要的电台而抑制其余不需要的电台和干扰。R a t e c h c o n f I d e n t I a l13 系统结构系统结构 如果按照电路结构来划分，一个无线移动通信机又可以分如果按照电路结构来划分，一个无线移动通信机又可以分为下图所示的射频级和基带级两大部分：基带级处理基带为下图所示的射频级和基带级两大部分：基带级处理基带信号，射频级处理射频信号。信号，射频级处理射频信号。射频级基带级下面就简单地介绍一下射频
13、部分的系统结构和一些下面就简单地介绍一下射频部分的系统结构和一些关键元器件关键元器件R a t e c h c o n f I d e n t I a l14 发射机结构发射机结构u发射机射频部分的任务是完成基带信号对载波的调制，发射机射频部分的任务是完成基带信号对载波的调制，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发射机主要性能指标发射机主要性能指标平均载波功率、包络平均载波功率、包络发射机输出频谱发射机输出频谱杂散辐射杂散辐射相位误差相位误差频
14、率精度频率精度f基带信号射频射频信号信号R a t e c h c o n f I d e n t I a l15 常见的发射机结构常见的发射机结构发射机大致可以分为二种：发射机大致可以分为二种：u一是将调制和上变频合二为一，在一个电路里完成，一是将调制和上变频合二为一，在一个电路里完成，称为称为直接变换法直接变换法. .u二是将调制和上变频分开，先在较低的中频上进行调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，称制，然后将已调信号上变频搬移到发射的载频上，称为为二步法二步法.R a t e c h c o n f I d e n t I a l1
15、6 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通带信号，经过功率放大或发射后的强信号会泄漏或频率为中心的通带信号，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，特别在反射回来影响本振，牵引本振频率，特别在PAPA周期性的开关情况下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。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
16、的二支路容易一致。较低的中频上进行，正交的二支路容易一致。基带Q基带ISin(2pfc t)Cos(2pfc t)PA直接变换正交调制发射机基带Q基带ISin(2pf1 t)Cos(2pf1 t)带通PA带通Cos(2pf2 t)二步变换正交调制发射机R a t e c h c o n f I d e n t I a l17 手机中的具体实现手机中的具体实现MT6139MT6129R a t e c h c o n f I d e n t I a l18 接收机结构接收机结构 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
17、号，并放大到解调器所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。带信号。接收机的主要性能指标：接收机的主要性能指标：灵敏度灵敏度阻塞和杂散响应抑制阻塞和杂散响应抑制互调响应抑制互调响应抑制邻道干扰抑制邻道干扰抑制带通低噪声放大器下变频解调器基带处理R a t e c h c o n f I d e n t I a l19 常见的接收机结构常见的接收机结构u超外差式接收机（超外差式接收机（Heterodyne ReceiversHeterodyne Receivers）BPF1LNABPF2中频
18、放大BPF2LOLO频率和接收的频率和接收的RFRF信号频率信号频率相差为相差为中频频率中频频率中心频率高，中心频率高，带宽较大，用带宽较大，用来选择频带来选择频带u直接下变频（零中频直接下变频（零中频Zero-IFZero-IF）接收机）接收机中心频率低，中心频率低，用来选择信道用来选择信道BPF1LNALPFLOLO频率和接收的频率和接收的RFRF信号频率信号频率相同，即中频为相同，即中频为0 0R a t e c h c o n f I d e n t I a l20u优点优点 性能较好而且稳定，相应的技术比较成熟性能较好而且稳定，相应的技术比较成熟u缺点缺点 组合干扰频率多（变频器的非
19、理想性）组合干扰频率多（变频器的非理想性） 存在存在“镜像干扰镜像干扰”问题问题 元器件较多不利于集成和降低成本元器件较多不利于集成和降低成本 超外差式接收机（超外差式接收机（Heterodyne Receivers）R a t e c h c o n f I d e n t I a l21u由于超外差式的接收机存在系统复杂、级数较多，现在已经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，接变频的架构，让本振频率等于载频，即取中频为让本振频率等于载频，即取中频为0 0。
20、直接下变频（零中频直接下变频（零中频Zero-IFZero-IF）接收机）接收机R a t e c h c o n f I d e n t I a l22 直接下变频（零中频直接下变频（零中频Zero-IFZero-IF）接收机）接收机u 优点：优点：除了没有镜像频率干扰外，还有以下的优点：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
21、可，而这些电路都是很容易集成的。这些电路都是很容易集成的。u 缺点：缺点： 本振泄露本振泄露 LNALNA偶次谐波失真干扰偶次谐波失真干扰 两个频率相近的干扰信号进入两个频率相近的干扰信号进入LNALNA，由于，由于LNALNA的非线性的偶次项引起的差频，的非线性的偶次项引起的差频，会因为混频器的不理想而直通进入基带造成干扰。会因为混频器的不理想而直通进入基带造成干扰。 DC-OffSetDC-OffSet，使信噪比变差，饱和各级的放大器，引起，使信噪比变差，饱和各级的放大器，引起BERBER升高。升高。 1/F1/F噪声噪声 有源器件内存在的有源器件内存在的1/f1/f噪声所着频率的降低而增
22、加，都集中在低频段，它对噪声所着频率的降低而增加，都集中在低频段，它对混频后的信号产生干扰，降低信噪比。混频后的信号产生干扰，降低信噪比。u Near Zero-IFNear Zero-IF的出现的出现 Si4205Si4205R a t e c h c o n f I d e n t I a l23 手机上的例子手机上的例子MT6129MT6139R a t e c h c o n f I d e n t I a l24 关键的射频器件关键的射频器件uTransceiver(LNA/锁相环电路锁相环电路/混混频器）频器）uTCXO/crystalTCXO/crystaluPAPA（功率放大器
23、（功率放大器AGCAGC控制器）控制器）uFEMFEM（ASM+SAW filterASM+SAW filter）R a t e c h c o n f I d e n t I a l25 FEM FEM （射频开关）（射频开关）uFrequency Range (MHz)Frequency Range (MHz)uInsertion Loss (dB)Insertion Loss (dB)uAttenuation(dB)Attenuation(dB)uV.S.W.R. V.S.W.R. uIsolation (dB)Isolation (dB)uHarmonics 2xfo, 3xfo (d
24、BcHarmonics 2xfo, 3xfo (dBc) )R a t e c h c o n f I d e n t I a l26 声表面滤波器（声表面滤波器（SAWSAW）u 在手机中，接收信号从天线开关到接收处理电路之间在手机中，接收信号从天线开关到接收处理电路之间采用声表面滤波器（采用声表面滤波器（SAWSAW）u声表面滤波器（声表面滤波器（SAWSAW）可以提供较宽的通频带、较低的）可以提供较宽的通频带、较低的损耗，此外有的损耗，此外有的SAWSAW器件还集成有将非平衡信号转换为器件还集成有将非平衡信号转换为平衡信号的功能。平衡信号的功能。R a t e c h c o n f I
25、 d e n t I a l27 功率放大器功率放大器 PAPinPAVcPACPower detector50 ohmCouplerTo AntSWVsFrom 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IC中PA ModulePA ModuleR a t e c h c o n f I d e n t I a l28手机手机PAPA的用处是将低功率射频信号线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。性无失真的放大到一定功率值。 它的主要参数有：它的主要参数有：l 工作频率、带宽工作频率、带宽l 最大线性输出功率（压缩点最大线性输出功率（压缩点）
26、l 线性放大对输入功率要求线性放大对输入功率要求l 输入、输出需要的匹配阻抗输入、输出需要的匹配阻抗l 工作电源及电压、电流的要求工作电源及电压、电流的要求l 控制信号的形式及要求控制信号的形式及要求l 噪声特性等等噪声特性等等？GSM手机中常用的是哪类PA? R a t e c h c o n f I d e n t I a l29 Transceiver 收发器收发器u随者科技和微电子的进步，随者科技和微电子的进步，RFRF部分的发射和接收部分逐渐部分的发射和接收部分逐渐地整合到一个芯片中，通常叫地整合到一个芯片中，通常叫 Transceiver Transceiver 收发器收发器u目前
27、的目前的Transceiver Transceiver 主要包括：主要包括：LNALNA、VCOVCO、mixermixer、锁相环、锁相环电路电路R a t e c h c o n f I d e n t I a l30 MT6219R a t e c h c o n f I d e n t I a l31 实际手机中的射频部分实际手机中的射频部分R a t e c h c o n f I d e n t I a l32 PCB 实物R a t e c h c o n f I d e n t I a l33 小节小节uRFRF信号频率高、波长短、分布参数不可忽略，处理方式不信号频率高、波长短、分布参数不可忽略，处理方式不同于低频信号，从能量、电磁场的方面来看待同于低频信号，从能量、电磁场的方面来看待RFRF系统。系统。uRFRF设计存在的很多难题设计存在的很多难题u将来的发展趋势和前景将来的发展趋势和前景 向小型化、更高集成度、低功耗、低成本方向发展向小型化、更高集成度、低功耗、低成本方向发展 新的新的ICIC工艺不断出现、完善和进步工艺不断出现、完善和进步 新的调制方式新的调制方式 软件无线电软件无线电R a t e c h c o n f I d e n t I a l34谢 谢！
