8.1 单片射频发射机电路拓扑结构

8.1 单片射频发射机电路拓扑结构 8.1.1 发射机的技术要求发射机的基本功能是以足够的功率、合适的载波频率、适当的调制方式及较高的功
率效率将所需要传输的基带信号通过天线发射出去。发射机调制基带信号，然后上变频到载波频率?c（2?fc，射频），需要充分的功率放大，
同时不能产生信号失真和邻近信道干扰。为实现最好的设计，通常需要在各种不同的调制方案之间进行权衡。调制方案主要分成两大类：“恒定包络
”和“可变包络”。恒定包络具有恒定的已调信号振幅，可由非线性功率放大器放大，如高斯滤波频移键控（Gaussian Filtered
Frequency Shift Keying，GFSK）调制。可变包络信号、振幅和相位都有变化，需要线性功率放大，如正交相移键控
（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）。一个收发系统通常工作在时分双工（Time Divisio
n Duplex，TDD）或者是频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）方式。传递到天线的总平均功率
应该考虑到双工器或射频开关所造成的损耗。发射功率提高了输出频谱的噪声基值，发射机噪声的升高会引起接收机灵敏度的降低。一个收发系统的
设计，发射机和接收机应同步实现。选择合适的频率，可以优化发射机和接收机的设计并提高技术性能。选择发射机体系结构，应考虑的主要技术指
标如下： 1．发射（载波）频率的准确度及稳定性发射（载波）频率的准确度及稳定性基本上是由载波基准频率振荡器决定的。不同应用的无线收
发系统有不同的要求。发射频率的准确度和稳定性可以用Hz或者频率的百分比来表示。2．发射（载波）频率捷变发射（载波）频率捷变是指载波
频率快速改变的能力。对于多频道发射这是一个重要的技术性能指标。通常利用频率合成器来设置和改变发射频率，在整个发射系统之中还需要利用
宽带技术以保证频率的改变和调谐之间的同步。3．频谱纯度发射机除了产生载波信号及所需要的边带信号外，同时还会产生一些寄生信号。寄生信
号通常是载波频率的谐波成分。所有的放大器都可能产生谐波失真，如C类功率放大器就会产生大量的谐波成分。在发射输出中除指定的发射载波频
率外，其他谐波频率成分都需要通过滤波消除，以避免干扰。4．输出功率发射机采用不同的调制方式，发射输出功率的测量方法是不同的。如全载
波AM（调幅）系统的发射功率是根据载波功率来确定的，调制后输出信号功率大于未调载波功率。而在抑制载波AM系统中，采用峰值包络功率（
PEP）。FM（调频）系统是一个恒定功率系统，FM发射通道的额定功率为输出信号的总功率。对输出功率进行测试时，一定要注意发射通道的
占空系数（导通和关断时间），如许多双向式语音通信系统的发射通道并不是在最大功率下连续工作的，但广播发射机就是连续工作的，而且是在最
大功率下一天24小时不停地运行。5．功率效率功率效率是发射机的一个非常重要的性能指标。系统总功效（功率效率）等于输出功率与主电源的
输入功率的比值。造成系统功率效率降低的主要因素是器件上的热能消耗及电源中的功率损耗。器件上产生的热能通常需要利用散热片、风扇，甚至
在一个大功率发射系统中还需要利用水冷式方法对器件进行散热。所有这些措施都会增加系统的成本。6．调制系统的保真度对一个无线通信系统的
基本要求是能够对原始基带信号实现正确还原。在发射机中，要求能够以任何调制方式将任何基带信号调制到载波上，而同时尽可能多地保留原始基
带信号不发生变化。由发射机所引起的任何失真（如调制失真、谐波失真和交调失真等）都有可能始终对信号的还原造成不良影响，因为系统的接收
机是不可能完全消除这些失真的。还有一些其他的技术指标如：信号的性质（是语音信号，还是图像信号；是模拟信号，还是数字信号；基带信号所
占的频带宽度）；发射机频带宽度，带内功率波动；是否需要ALC（自动电平控制）；发射机线性度要求；双音输入三阶互调指标；信号的动态范
围等。在选择发射机时也需要综合考虑。8.1.2 间接调制发射机电路拓扑结构间接调制发射机电路拓扑结构如图8.1.1所示，可完成相
应的频率上变频处理和功率输出。在图8.1.1中，数字信号首先转化为模拟信号，由一个可变频率（?01）的本机振荡器信号，通过第1级混
频器（Mixer）将信号变换为频率固定的单边带中频（?? 01 ）信号。然后，信号通过低通滤波器（LPF）以消除中频信号谐波，随后
使用第2个混频器将信号上变频到?? 01 +? 02。由于第2个混频器产生两个边带，所以在混频器输出使用片外带通滤波器（BPF），
以滤除不需要的边带和其他毛刺。然后，信号被功率放大器（PA）放大并发射。图8.1.1 间接调制发射机电路拓扑结构间接调制发射机电
路拓扑结构可用于恒定包络调制和可变包络调制。由于在中频（几百MHz）实现正交调制，所以可以获I和Q信号之间的完美匹配，同时只消耗很
少的电流。为满足频谱纯度要求，可以通过两次滤波对毛刺和发射噪声进行抑制。间接调制避免了注入或本振牵引。间接调制发射机电路拓扑结构已
被广泛应用。存在的问题是：目前在射频集成电路芯片上还不能集成外部带通滤波器；另外，该结构需要两个低相位噪声锁相环；而且，片内滤波不
能提供充分的毛刺抑制，并且对功率放大器的线性有高的要求；在中频和射频之间，实现高阶低通滤波器是困难的，并可导致寄生信号（中频的几倍
）不能完全被抑制。8.1.3 直接调制发射机电路拓扑结构直接调制发射机电路拓扑结构如图8.1.2所示，包括两个射频混频器（Mix
er）、一个带有高频本振的锁相环和一个功率放大器（PA）。基带信号在同一级中实现调制和上变频。由于可以实现主动镜像干扰抑制，该电路
拓扑结构可以达到一个很高的集成度。因为没有中频，所以在输出端不存在与中频相关的寄生信号。与间接调制发射机电路拓扑结构相比，直接调制
发射机电路拓扑结构使用了更少的硬件。存在的问题是：工作在射频频率上的两个混频器需要消耗很大的电流；在高频上很难获得精确的正交相移，
不能得到充分的镜像干扰抑制；当振荡器和输出处于同一频率时，高频载波馈通和注入牵引是两个可能出现的问题。 图8.1.2 直接调制发
射机电路拓扑结构8.1.4 偏移压控振荡器的直接调制发射机电路拓扑结构通过对两个本振频率（?01和?02）进行混频，可以减少本振
牵引的影响。偏移压控振荡器（VCO）的直接调制发射机电路拓扑结构如图8.1.3所示。在这种电路拓扑结构中，本振频率是通过两个较低频
率（?01和?02）混频并滤波后得到的。除了没有本振注入牵引的影响外，该方法具有与直接调制相同的优点。应注意选择合适的本振频率，以
减少在输出端产生的谐波。注意选择连接在压控振荡器混频器后面的带通滤波器，以保证发射信号的质量。图8.1.3 偏移压控振荡器的直接
调制发射机电路拓扑结构8.1.5 基于锁相环的直接调制压控振荡器发射机电路拓扑结构锁相环（PLL）可作为一个频率乘法器，用于调频
和上变频。在锁定状态，若锁相环具有输入频率fref和反馈分频器，则输出频率fout为 fout = Nf
ref （8.1.1）式中，N为分频器的分频比，为了获得上变频调频信号，可对fr
ef进行调制，或者让分频比N随发射数据变化。一个基于锁相环的直接调制压控振荡器发射机电路拓扑结构如图8.1.4所示。在这个结构中，
基带数据直接调制压控振荡器（VCO）。首先，压控振荡器（VCO）由锁相环控制以准确地设置载波频率，然后断开锁相环回路，基带数据作为
控制电压直接加到压控振荡器（VCO）上。该方法的优点是集成度高并且功耗低。因为压控振荡器可实现频率变换和调制，所以需要的硬件更少。
该方法的最大缺点是开路的压控振荡器会产生偏移，导致输出频率的扰动。该结构也有注入锁定现象，要求在压控振荡器和功率放大器（PA）之间
高度隔离。图8.1.4 基于锁相环的直接调制压控振荡器发射机电路拓扑结构8.1.6 基于锁相环的输入基准调制发射机电路拓扑结构
典型的基于锁相环的输入基准调制发射机电路拓扑结构如图8.1.5所示。如同直接调制发射机一样，使用正交调制器，基带信号首先变换为中
频。锁相环用来把中频信号上变频到射频，同时通过固有的锁相环环路作用，降低了输出信号的滤波要求。为了降低本机振荡器（?01）的高分辨
率要求，反馈分频器采用下变频混频器和低通滤波器形式。图8.1.5 基于锁相环的输入基准调制发射机电路拓扑结构该电路拓扑结构简单、
功率低且适于集成。由锁相环提供的固有的窄带滤波器取代了外部带通滤波器。该电路拓扑结构只适于恒定包络调制方案，由于需要两个本机振荡器
（?01和? 02），因此增加了额外的硬件。本振的注入牵引仍然是一个问题，这需要在本机振荡器和PA之间进行高度隔离。有很多方法可以
产生调制基准。其中一个例子就是环路自身使用正交调制，这样做可以使信号的相位变化最小，这是因为鉴相器/鉴频器输入端施加有恒定的fre
f。由于CMOS技术的发展，在几百MHz进行直接数字合成（DDS）是可以实现的。由DDS产生输入基准频率fref的基于锁相环的发射
机如图8.1.6所示。高分辨率要求及转换时间与寄生噪声之间的权衡妨碍了该系统的商业应用。图8.1.6 由DDS产生输入基准频率f
ref的基于锁相环的发射机电路拓扑结构8.1.7 基于N分频的上变频环路发射机电路拓扑结构基于N分频的上变频环路发射机可以达到高
输出频率分辨率，而不会降低基准频率。如果利用发射数据改变分频比，按照锁相环方程式（8.1.1），即可以获得调频。在不降低锁相环环路
带宽的情况下，可以通过使用相位注入、抖动注入或噪声整形技术进一步改进寄生噪声性能。噪声整形功能是通过使用?-?调制器获得的。基于N
分频的上变频环路发射机电路拓扑结构如图8.1.7所示。基带数据首先经高斯有限脉冲响应（FIR）数字滤波器滤波，然后，信号与信道选择
分频值相加，后者用于设置载波频偏。之后的信号作为?-?调制器的输入，?-?调制器的输出改变锁相环的分频比。从而通过改变分频比获得无
寄生输出信号。信号进一步被放大，使输出达到所需的功率电平。图8.1.7 基于N分频的上变频环路发射机电路拓扑结构在基带中，?-?调制器和分频器用于实现噪声抑制。高频量化噪声进一步被低通锁相环环路带宽衰减。如果输入到?-?调制器的k比特数据流是时间调制的，则可以控制瞬时输出频率。除了具有输入基准调制发射机的优点之外，该方法还可以发射更高的数据速率而不降低基准频率。由于不需要使用任何混频器或数/模转换器，因此这是一个低功率、高集成的发射机电路拓扑结构。这种电路拓扑结构只适于恒定包络信号，而且要求锁相环的环路带宽大于调制带宽。