8.1單片射頻發射機電路拓撲結構

8.1.1發射機的技術要求發射機的基本功能是以足夠的功率、合適的載波頻率、適當的調制方式及較高的功率效率將所需要傳輸的基帶信號通過天線發射出去。發射機調制基帶信號，然后上變頻到載波頻率c（2fc，射頻），需要充分的功率放大，同時不能產生信號失真和鄰近信道干擾。為實現最好的設計，通常需要在各種不同的調制方案之間進行權衡。調制方案主要分成兩大類：“恒定包絡”和“可變包絡”。恒定包絡具有恒定的已調信號振幅，可由非線性功率放大器放大，如高斯濾波頻移鍵控（GaussianFilteredFrequencyShiftKeying，GFSK）調制。可變包絡信號、振幅和相位都有變化，需要線性功率放大，如正交相移鍵控（QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK）。一個收發系統通常工作在時分雙工（TimeDivisionDuplex，TDD）或者是頻分雙工（FrequencyDivisionDuplex，FDD）方式。傳遞到天線的總平均功率應該考慮到雙工器或射頻開關所造成的損耗。發射功率提高了輸出頻譜的噪聲基值，發射機噪聲的升高會引起接收機靈敏度的降低。一個收發系統的設計，發射機和接收機應同步實現。選擇合適的頻率，可以優化發射機和接收機的設計并提高技術性能。選擇發射機體系結構，應考慮的主要技術指標如下：1．發射（載波）頻率的準確度及穩定性發射（載波）頻率的準確度及穩定性基本上是由載波基準頻率振蕩器決定的。不同應用的無線收發系統有不同的要求。發射頻率的準確度和穩定性可以用Hz或者頻率的百分比來表示。2．發射（載波）頻率捷變發射（載波）頻率捷變是指載波頻率快速改變的能力。對于多頻道發射這是一個重要的技術性能指標。通常利用頻率合成器來設置和改變發射頻率，在整個發射系統之中還需要利用寬帶技術以保證頻率的改變和調諧之間的同步。3．頻譜純度發射機除了產生載波信號及所需要的邊帶信號外，同時還會產生一些寄生信號。寄生信號通常是載波頻率的諧波成分。所有的放大器都可能產生諧波失真，如C類功率放大器就會產生大量的諧波成分。在發射輸出中除指定的發射載波頻率外，其他諧波頻率成分都需要通過濾波消除，以避免干擾。4．輸出功率發射機采用不同的調制方式，發射輸出功率的測量方法是不同的。如全載波AM（調幅）系統的發射功率是根據載波功率來確定的，調制后輸出信號功率大于未調載波功率。而在抑制載波AM系統中，采用峰值包絡功率（PEP）。FM（調頻）系統是一個恒定功率系統，FM發射通道的額定功率為輸出信號的總功率。對輸出功率進行測試時，一定要注意發射通道的占空系數（導通和關斷時間），如許多雙向式語音通信系統的發射通道并不是在最大功率下連續工作的，但廣播發射機就是連續工作的，而且是在最大功率下一天24小時不停地運行。5．功率效率功率效率是發射機的一個非常重要的性能指標。系統總功效（功率效率）等于輸出功率與主電源的輸入功率的比值。造成系統功率效率降低的主要因素是器件上的熱能消耗及電源中的功率損耗。器件上產生的熱能通常需要利用散熱片、風扇，甚至在一個大功率發射系統中還需要利用水冷式方法對器件進行散熱。所有這些措施都會增加系統的成本。6．調制系統的保真度對一個無線通信系統的基本要求是能夠對原始基帶信號實現正確還原。在發射機中，要求能夠以任何調制方式將任何基帶信號調制到載波上，而同時盡可能多地保留原始基帶信號不發生變化。由發射機所引起的任何失真（如調制失真、諧波失真和交調失真等）都有可能始終對信號的還原造成不良影響，因為系統的接收機是不可能完全消除這些失真的。還有一些其他的技術指標如：信號的性質（是語音信號，還是圖像信號；是模擬信號，還是數字信號；基帶信號所占的頻帶寬度）；發射機頻帶寬度，帶內功率波動；是否需要ALC（自動電平控制）；發射機線性度要求；雙音輸入三階互調指標；信號的動態范圍等。在選擇發射機時也需要綜合考慮。8.1.2間接調制發射機電路拓撲結構間接調制發射機電路拓撲結構如圖8.1.1所示，可完成相應的頻率上變頻處理和功率輸出。在圖8.1.1中，數字信號首先轉化為模擬信號，由一個可變頻率（01）的本機振蕩器信號，通過第1級混頻器（Mixer）將信號變換為頻率固定的單邊帶中頻（01

）信號。然后，信號通過低通濾波器（LPF）以消除中頻信號諧波，隨后使用第2個混頻器將信號上變頻到01+02。由于第2個混頻器產生兩個邊帶，所以在混頻器輸出使用片外帶通濾波器（BPF），以濾除不需要的邊帶和其他毛刺。然后，信號被功率放大器（PA）放大并發射。圖8.1.1間接調制發射機電路拓撲結構間接調制發射機電路拓撲結構可用于恒定包絡調制和可變包絡調制。由于在中頻（幾百MHz）實現正交調制，所以可以獲I和Q信號之間的完美匹配，同時只消耗很少的電流。為滿足頻譜純度要求，可以通過兩次濾波對毛刺和發射噪聲進行抑制。間接調制避免了注入或本振牽引。間接調制發射機電路拓撲結構已被廣泛應用。存在的問題是：目前在射頻集成電路芯片上還不能集成外部帶通濾波器；另外，該結構需要兩個低相位噪聲鎖相環；而且，片內濾波不能提供充分的毛刺抑制，并且對功率放大器的線性有高的要求；在中頻和射頻之間，實現高階低通濾波器是困難的，并可導致寄生信號（中頻的幾倍）不能完全被抑制。8.1.3直接調制發射機電路拓撲結構直接調制發射機電路拓撲結構如圖8.1.2所示，包括兩個射頻混頻器（Mixer）、一個帶有高頻本振的鎖相環和一個功率放大器（PA）。基帶信號在同一級中實現調制和上變頻。由于可以實現主動鏡像干擾抑制，該電路拓撲結構可以達到一個很高的集成度。因為沒有中頻，所以在輸出端不存在與中頻相關的寄生信號。與間接調制發射機電路拓撲結構相比，直接調制發射機電路拓撲結構使用了更少的硬件。存在的問題是：工作在射頻頻率上的兩個混頻器需要消耗很大的電流；在高頻上很難獲得精確的正交相移，不能得到充分的鏡像干擾抑制；當振蕩器和輸出處于同一頻率時，高頻載波饋通和注入牽引是兩個可能出現的問題。圖8.1.2直接調制發射機電路拓撲結構8.1.4偏移壓控振蕩器的直接調制發射機電路拓撲結構通過對兩個本振頻率（01和02）進行混頻，可以減少本振牽引的影響。偏移壓控振蕩器（VCO）的直接調制發射機電路拓撲結構如圖8.1.3所示。在這種電路拓撲結構中，本振頻率是通過兩個較低頻率（01和02）混頻并濾波后得到的。除了沒有本振注入牽引的影響外，該方法具有與直接調制相同的優點。應注意選擇合適的本振頻率，以減少在輸出端產生的諧波。注意選擇連接在壓控振蕩器混頻器后面的帶通濾波器，以保證發射信號的質量。圖8.1.3偏移壓控振蕩器的直接調制發射機電路拓撲結構8.1.5基于鎖相環的直接調制壓控振蕩器發射機電路拓撲結構鎖相環（PLL）可作為一個頻率乘法器，用于調頻和上變頻。在鎖定狀態，若鎖相環具有輸入頻率fref和反饋分頻器，則輸出頻率fout為

fout=Nfref

（8.1.1）式中，N為分頻器的分頻比，為了獲得上變頻調頻信號，可對fref進行調制，或者讓分頻比N隨發射數據變化。一個基于鎖相環的直接調制壓控振蕩器發射機電路拓撲結構如圖8.1.4所示。在這個結構中，基帶數據直接調制壓控振蕩器（VCO）。首先，壓控振蕩器（VCO）由鎖相環控制以準確地設置載波頻率，然后斷開鎖相環回路，基帶數據作為控制電壓直接加到壓控振蕩器（VCO）上。該方法的優點是集成度高并且功耗低。因為壓控振蕩器可實現頻率變換和調制，所以需要的硬件更少。該方法的最大缺點是開路的壓控振蕩器會產生偏移，導致輸出頻率的擾動。該結構也有注入鎖定現象，要求在壓控振蕩器和功率放大器（PA）之間高度隔離。圖8.1.4基于鎖相環的直接調制壓控振蕩器發射機電路拓撲結構8.1.6基于鎖相環的輸入基準調制發射機電路拓撲結構典型的基于鎖相環的輸入基準調制發射機電路拓撲結構如圖8.1.5所示。如同直接調制發射機一樣，使用正交調制器，基帶信號首先變換為中頻。鎖相環用來把中頻信號上變頻到射頻，同時通過固有的鎖相環環路作用，降低了輸出信號的濾波要求。為了降低本機振蕩器（01）的高分辨率要求，反饋分頻器采用下變頻混頻器和低通濾波器形式。圖8.1.5基于鎖相環的輸入基準調制發射機電路拓撲結構該電路拓撲結構簡單、功率低且適于集成。由鎖相環提供的固有的窄帶濾波器取代了外部帶通濾波器。該電路拓撲結構只適于恒定包絡調制方案，由于需要兩個本機振蕩器（01和02），因此增加了額外的硬件。本振的注入牽引仍然是一個問題，這需要在本機振蕩器和PA之間進行高度隔離。有很多方法可以產生調制基準。其中一個例子就是環路自身使用正交調制，這樣做可以使信號的相位變化最小，這是因為鑒相器/鑒頻器輸入端施加有恒定的fref。由于CMOS技術的發展，在幾百MHz進行直接數字合成（DDS）是可以實現的。由DDS產生輸入基準頻率fref的基于鎖相環的發射機如圖8.1.6所示。高分辨率要求及轉換時間與寄生噪聲之間的權衡妨礙了該系統的商業應用。圖8.1.6由DDS產生輸入基準頻率fref的基于鎖相環的發射機電路拓撲結構8.1.7基于N分頻的上變頻環路發射機電路拓撲結構基于N分頻的上變頻環路發射機可以達到高輸出頻率分辨率，而不會降低基準頻率。如果利用發射數據改變分頻比，按照鎖相環方程式（8.1.1），即可以獲得調頻。在不降低鎖相環環路帶寬的情況下，可以通過使用相位注入、抖動注入或噪聲整形技術進一步改進寄生噪聲性能。噪聲整形功能是通過使用-調制器獲得的。基于N分頻的上變頻環路發射機電路拓撲結構如圖8.1.7所示。基帶數據首先經高斯有限脈沖響應（FIR）數字濾波器濾波，然后，信號與信道選擇分頻值相加，后者用于設置載波頻偏。之后的信號作為-調制器的輸入，-調制器的輸出改變鎖相環的分頻比。從而通過改變分頻比獲得無寄生輸出信號。信號進一步被放大，使輸出達到所需的功率電平。圖8.1.7基于N分頻的