无线收发器设计指南：现代无线设备与系统篇（原书第2版）

本书立足于工程实践，采用全面而系统的论述方式，对传统的、先进的全数字无线收发器的架构和详细设计分别进行了讨论，清晰而简练，易读性好。在各章还末尾设置了许多实例和问题。帮助读者深入了解它们所涉及的机制。

 

第1章简介

1.1射频系统

1.1.1射频系统的概念

1.1.2频谱

1.1.3蜂窝的概念

1.2无线系统和技术的详细概述

1.2.1系统类型

1.2.2无线网络架构

1.2.3无线局域网

1.2.4无线广域网

1.2.5访问方式

1.2.6发射接收机制

参考文献

第2章收发机架构

2.1接收机架构

2.2超外差接收机

2.2.1定义及工作原理

2.2.2优缺点

2.2.3中频频率的选择

2.3直接变频接收机

2.3.1定义及工作原理

2.3.2优缺点

2.4直接射频采样接收机

2.4.1定义及工作原理

2.4.2直接射频采样中I和Q信道的恢复

2.5发射机系统

2.6两次变频发射机

2.6.1定义及工作原理

2.6.2优缺点

2.7直接发射机

2.7.1定义及工作原理

2.7.2优缺点

2.8直接射频采样发射机

2.9收发机架构

2.10全双工/半双工架构

2.11时分架构

2.12习题详解

2.13等式背后的理论

2.13.1直接射频采样发射机

2.13.2采样理论

参考文献

第3章接收机系统

3.1灵敏度

3.1.1灵敏度是什么

3.1.2中间灵敏度

3.1.3灵敏度的测量

3.2同信道抑制

3.2.1定义及工作原理

3.2.2同信道抑制的测量

3.3选择性

3.3.1定义及工作原理

3.3.2选择性的测量

3.4阻塞

3.4.1定义及工作原理

3.4.2阻塞的测量

3.5互调抑制

3.5.1定义及工作原理

3.5.2互调的测量

3.6镜像抑制

3.6.1定义及工作原理

3.6.2镜像抑制的测量

3.7半中频抑制

3.7.1定义及工作原理

3.7.2半中频抑制的测量

3.8动态范围

3.8.1定义及工作原理

3.8.2动态范围的测量

3.9双工灵敏度劣化

3.9.1定义及工作原理

3.9.2双工灵敏度恶化的测量

3.10其余双工杂散

3.11其他接收机干扰

3.12习题详解

3.13公式背后的理论

3.13.1灵敏度

3.13.2同信道抑制

3.13.3选择性

3.13.4互调

3.13.5镜像抑制

3.13.6半IF抑制

3.13.7双工器机制

3.13.8双工灵敏度劣化

3.14直接RF采样接收机的延伸

3.14.1ADC噪声因子

3.14.2DRFS接收机中的信噪比，选择性和阻塞

3.14.3关于量化噪声的提示

参考文献

第4章发射机

4.1峰均比

4.1.1定义及工作原理

4.1.2峰均比的测量

4.2射频功率放大器的非线性

4.2.1什么是射频功率放大器的非线性

4.2.2功率放大器的三阶主导特性

4.2.3功率放大器的四阶主导特性

4.2.4功率放大器输出的带内频谱图

4.2.5功率放大器的模拟方法

4.2.6N阶互调失真

4.2.7N阶输入截点

4.3发射机技术规范

4.3.1频谱罩

4.3.2误差矢量幅度

4.3.3相邻信道功率比

4.3.4功率放大器（PA）效率

4.3.5发射机瞬态

4.3.6空间辐射

4.3.7传导辐射

4.4增强技术

4.4.1线性化技术

4.4.2包络跟踪供应

4.5习题详解

4.6方程式相关理论

4.6.1准静态射频信号的峰均比计算

4.6.2功放非线性的分析模型

4.6.3功放非线性对数字调制的影响

4.6.4功放非线性对频谱形状的影响

4.6.5功率放大器的非线性表征

参考文献

第5章综合器

5.1整数N分频综合器

5.2分数N综合器

5.2.1定义及工作原理

5.2.2示例： 双计数分数N综合器

5.3直接数字综合器

5.4整数N/DDS混合频率综合器

5.5习题详解

5.6公式背后的原理

参考文献

第6章振荡器

6.1低功耗自限幅振荡器

6.1.1定义及工作原理

6.1.2实际电路

6.2基于分布式谐振器的振荡器

6.3习题详解

6.4方程基础理论

6.4.1通用π型结构滤波器分析

6.4.2Leeson方程

6.4.3谐振传输线的集总等效电路

6.4.4压控振荡器

参考文献

第7章RF模块

7.1天线

7.1.1天线的定义

7.1.2天线的工作原理

7.1.3天线的基本参数

7.1.4天线阵列

7.1.5智能天线

7.1.6天线类型

7.1.7习题详解

7.2低噪声放大器

7.2.1定义及工作原理

7.2.2两端口网络的噪声（经典方法）

7.2.3LNA的拓扑结构

7.3滤波器

7.3.1滤波器设计

7.3.2滤波器系列

7.3.3滤波器类型

7.3.4滤波器技术

7.4功率放大器

7.4.1放大器分类

7.4.2设计

7.5混频器

7.5.1性能测量

7.5.2混频器的种类

7.5.3MOSFET混频器

7.5.4双极型混频器

参考文献

第8章备注

8.1射频信道

8.1.1大尺度衰落和小尺度衰落

8.1.2衰落余量

8.1.3衰落分类

8.1.4多普勒效应

8.2噪声

8.2.1热噪声

8.2.2信噪比

8.2.3噪声因子和噪声系数

8.3传输

8.3.1对数标度

8.3.2Friis公式

8.3.3双径模型

8.4路径损耗

8.5调制

8.5.1幅度调制

8.5.2频率调制

8.5.3建模载波相位噪声为窄带FM

8.6多输入和多输出

参考文献

附录附加测试

测试1

测试2

术语表

随着大规模射频（RF）半导体技术的发展，世界正在真真正正地走向无线。几乎所有我们曾经看到的连接着插头和电线的东西，现在渐渐都变成了无线连接。无论是出于管理的目的，还是出于建立系统的目的，抑或是为了连接大型系统，成为系统的一部分，越来越多的商业产品也都兼容了无线网连接功能。无线技术、协议、物理层、频段和应用的数量正在爆炸式增长。现在，商业价格合理的、低电流消耗的千兆赫兹采样AD转换电路越来越多，而且其信号处理速率在不断提高，计算能力也在不断增强，这使得收发机环路中越来越多的硬件RF模块被替换为相应的软件算法。然而，无论是怎样的实现方式，从架构的角度来看，RF模块、环路结构以及射频系统级的设计基本没有发生什么变化。因此，我们见证着一个特殊的信号处理领域的发展，在这个领域中，不仅需要对RF设计技术有着系统级、子系统级和模块级的深刻理解和娴熟技巧，同时需要在特定的与RF紧密相关的信号处理领域拥有着前沿的了解和先进的技术。这种发展引发了对该领域的专家的需求，一般我们称这些专家为“信号处理导向性射频工程师”或“射频导向性信号处理工程师”。当然，现在仍然存在着一些无法用软件实现的RF模块，它们会继续以硬件的形式存在着。故本书将同时兼顾基于硬件的设计方法和全数字的设计技术，如直接RF采样（Direct RF Sampling,DRFS）技术。 此外，对于那些我们认为现成组件可用或适合于信号处理的模块，我们将主要关注其系统级设计，只有对那些我们认为将一直以硬件形式保留的特殊功能模块，才对其进行详细的硬件设计讨论。
致老师
本书是2007年出版的第1版《无线收发器设计》的面向教学的演进，旨在成为教师、三年级和四年级本科工程学生、研究生和研发工程师使用的指导教材。
本书是作者根据其广泛的教学经验编写而成的，其内容很好地适应了教学目标，特别是有效地帮助了老师进行相关课程的备课。
本书包括大量充分的练习和例子，帮助大家在学习的路上建立信心。附录提供了在实际中使用过的、典型的、格式合适的两小时考试试卷，学习过该书的学生应该可以轻松应对。
为了提供一个非常友好的、“不客气”的和自我评价的指南，这本以教学为导向的教科书在每个主要章节的主体中都包含详细的启发式解释以及终的适用结果和详细的例子。这些启发式解释和示例可以让读者彻底了解和感受所涉及的机制，帮助其建立信心，使学生正确使用适用的结果和公式（仍然不强求他们深入到复杂的数学演算中）并协助教师保持讨论畅通无阻。书中也提供了详细的数学证明和公式以及更加复杂艰深的讨论。但是，为了让理论在实践和教育中得到更好的使用，它们不是本书必须阅读的内容，而是以附录的方式放到了全书的末尾，以便让感兴趣的读者在需要的时候了解细节。
从教师的角度来看，上述结构有助于从不同层次的深度准备课程，从基本的理解出发，让教师在需要的时候选择性地“放大”与深入课程。
后两章包括了相关背景主题的基本理论和有用的提示，帮助补充知识的漏洞，为教师和学生减少了了解新学科或补充知识漏洞时巨大的搜索资料任务与时间。
关于作者
Ariel Luzzatto拥有超过35年的研发经验，主要设计商业和工业通信与射频产品。 Ariel是摩托罗拉以色列有限公司的首席科学家。截至2009年，他担任L&L科学有限公司的首席执行官，以及以色列几所主要学术机构的通信电路和系统讲师。他拥有博士学位和应用数学硕士学位，以及电子工程理学学士学位，均来自特拉维夫（Tel Aviv）大学。

Motti Haridim拥有以色列理工学院（Technion, Israel Institute of Technology,Haifa）博士学位，是以色列霍隆理工学院（Holon Institute of Technology，HIT）电气工程专业的教授。他的研究方向和成就主要集中在通信系统的物理层，包括光通信、射频通信、天线和电磁辐射等。他在天线、辐射、射频通信和光通信的理论和应用方面拥有100多篇技术性论文。自2014年起，他担任HIT学术发展副总裁。
致谢
作者想要感谢加迪·希拉齐（Gadi Shirazi）先生作为共同撰稿人的贡献，2007年是他与Ariel Luzzatto博士合作出版了本书第1版。

第3章接收机系统

本章对不同接收机指标进行详细的定义并阐述，分析其对系统性能的影响，同时也讲解如何实现、计算和测量这些指标。步，提供模拟RF设计基本公式的解释，并配合习题讲解。此时，读者能够在不需要深入挖掘理论的情况下理解足够的知识。接着会深入讲解习题，以用来培养实际应用这些公式的信心。在后一节，为了读者能培养出更深入的洞察力，我们通过相对的数学方法提供设计公式潜在理论的详细证明和解释。后，为了让读者可以了解的接收机系统主题，我们扩充结果到直接RF采样（DRFS）接收机，包括相关的例题。
重要参数——抗干扰： 一个接收机核心和重要的参数是它的抗干扰，也就是它能在多个强干扰信号存在下检测出一个弱信号的能力。我们认为“所需信号”的RF信号的频率、带宽和调制方式与接收机设置相匹配。
就现在需要考虑的内容而言，我们将接收机系统看作一个具有一个输入端口和一个输出端口的“黑盒子”。接收机性能通过分析输出端口的输出信号与输入端口的输入信号的关系来衡量。定义SNRo为在输出端口的信号噪声比，一个接收机正确工作的条件是它提供了大于给定信噪比SNRd的SNRo。
每一个输入干扰和设计局限终可转化成SNRo的降低。更详细地来说：
 输入端口是天线端口。除非其他特殊定义，我们总是假设（通常没有损耗）从天线端口看过去的在所要频率的阻抗为电阻且等于50Ω。而且就我们现在的分析所涉及的，我们不关心信号如何到达输入端口，不管是通过天线或者其他实验仪器或者一些寄生机制。
 输入信号包含在天线端口的所有RF信号集合，可能包含在指定信道频率的所需信号，以及大量的特性和频率已知或未知的外来干扰RF信号。
 输出端口是虚拟的端口，我们定义它为基带（BB）采样器或者检波器输入。我们所涉及的接收机输出信号是在该端口的信号。将该端口取名为“虚拟”，是因为我们可能不能进入，也可能不知道其输出预先会去哪里，有何目的。事实上，在输出端口的信号，可能直接进入检波器电路，以提取调制信号，或者被BB采样器采样，然后进入后续数字处理，并进行特定应用。
 输出信号是在输出端口的信号。该信号不是在RF频率，而是在基带频率，也就是，它占用一个对应所期望信息率的通信信道的带宽。输出信号是对输入端口信号同时进行线性和非线性机制作用的结果，会将所需的RF信号与不需要的随机和不可预计的干扰RF信号混合。输出信号也包含了硬件产生的噪声，通过接收机链路累加。因为干扰和噪声，输出信号是一个包含了所需信号的失真版本。
 检波器处的阈值信号噪声比SNRd，其定义是从基带信号可以恢复出所要信息的阈值，取决于系统的要求和调制类型、所采用的编码机制和数据速率。在当下的多模式系统中由于动态地采用多种调制方式和带宽，SNRd是一个自组织参数，通常由信号处理要求决定。需要注意的是SNRd的定义与采用的接收机是独立的，因为它只定义了在接收机输出端能够正确恢复出有用信息的小信号噪声比。
 在输出端口的信号噪声比SNRo，是只由所需信号（不包含干扰和硬件产生的噪声和失真）产生的输出信号功率与只由干扰和硬件产生的噪声和失真产生的输出信号功率的比。当SNRo≥SNRd时，接收机正常工作。SNRd=10是一个“魔幻数字”，在大部分应用中该值粗略相当于接收机输出信号开始不可用，在没有特别声明的情况我们采用该值。
直到现在所涉及的，接收机黑盒子内部是由数级构成，如同第2章所描述的，每一级构成一个具有其独立的输入输出的黑盒子，我们不关心每一个黑盒子的构成。知道中间级的特性，就可以得到总的输入输出（的）接收机特性。相对地，基于接收机的要求，我们能够得到（不）每一内部级的特性。
通过正确的抗干扰设计，接收机可以在一个或更多的强干扰下在输入端口检测弱信号，同时维持SNRo大于SNRd。可以这样说，一个高质量的接收机可以在多个比弱信号功率大1000万倍干扰下正确检测弱信号。在当前的蜂窝型（拥挤的）系统中，每一个接收机都受到多个邻近强信号的持续威胁，系统能力主要受限于载波干扰功率比（C/I）。
干扰场景的数量是没有限制的。为了描述接收机抗干扰的特性，我们采用一些有代表性的重要场景，每种采用一个特殊的干扰机制，我们根据每一种场景定义抗干扰参数。虽场景与给定的干扰机制可能出现许多细微差异，我们定义的抗干扰机制对于接收机和系统设计提供了一定的参考范围。
一个好的接收机设计必须实现近似相同的所有抗干扰参数。因为在实际情况中人们不能预先知道将出现的场景，一个接收机不适用于一个类型的干扰时就将失去作用。大部分抗干扰参数的定义与两个基本参数有关： 灵敏度（Sens）和同信道抑制（CCR）。
3.1灵敏度
3.1.1灵敏度是什么

考虑两个物理位置，也就是点1和点2，相隔物理距离d。假设在位置点1的发射机发射一个可调功率PT的RF信号S(t)到空中，通过一个指定的发射信道（载波频率为f0，带宽为B），也就是RF信号占用频率范围为f0±B/2。为了简化，假定发射机天线和接收机天线都是各向同性的（在所有方向为单位增益）。如果在点2放置一个接收机天线，天线会捕获从点1发射的RF功率为PT的一部分功率PR。如果一个接收机输入端口调到指定接收天线信道，同时如果PR足够大，那么接收机可以检测出发射信号S(t)。然而，PR只是PT的一小部分，同时距离d越大，接收信号PR越小。事实上，如果只有一个主波从点1传输到点2，一般定义为自由空间条件（FS），PR与PT/d2成正比，当传输信号包括地面反射波，一般称为地面反射条件（GR），PR近似与PT/d4成正比。
假设各向同性传输，定义高于地面的发射机和接收机天线高度分别为h1和h2，c为光速，f0为RF频率，λ=c/f0为RF波长，在FS条件下可以通过Friis传输公式估算PR，在双射线地面反射模型中则可以通过式（3.1）来估算GR。对于各向异性天线，只需要再乘以发射机天线和接收机天线的增益。距离dc=4π（h1h2/λ）被称为超前距离，是一个在FS和GR条件下都可得到同样PR值的距离。为了计算方便，如果发射机和接收机的距离小于dc，应该用FS公式计算接收功率，否则应该用GR公式。