1.2 现代无线电收发机的结构

1.2.1 现代发射机结构

现代移动通信发射机需要最大限度地提高频谱效率和电源效率，例如，频谱效率和电源效率的提高可通过抑制载波的发射以及只发射一个单边带来实现，也可以通过选择调制方式来提高频谱利用率。实现单边带调制的经典技术是正交调制，下面将有所介绍。通过严格要求允许的失真来实现电源效率，并且利用最少的手工调整来实现这样一种设计。对电源效率的要求会直接导致复合半导体晶体管的产生，包括GaAs HBTs和pHEMTS，而且大部分应用于蜂窝手机中。对于基站和点对点应用而言，在低于几千兆赫兹的工作频率下，Si-LDMOS是主流技术，并引入了高击穿电压的氮化镓（GaN）场效应管。另一种趋势是发展通用放大器的概念，它能使相同的RF前端应用于许多不同的应用场合。这里集中讨论的是窄带通信，即可以将已调RF载波看作是一个缓慢变化的RF相量。

为了提高移动发射机的电源效率，出现了很多新型高效率的功率放大器，例如，包络分离和恢复的Kahn功率放大器、异相功率放大器、Doherty功率放大器、开关功率放大器和双途径功率放大器等。为了满足现代通信对功率放大器线性度的要求，还出现了前馈线性化技术、基带预失真技术等。

1.正交调制的原理

正交调制过程是频率变换的过程，其射频相量的实部和虚部是单独变化的。图1.4给出了一种能实现正交调制的子系统，这是一个非常有特点的电路。该系统的工作机理可通过如下广义正交调制方程进行阐述：

其中，i（t）和q（t）描述的是特殊的幅度调制规则，而φi（t）和φq（t）说明的是特殊的相位调制规则，ωc是载波角频率。就图1.4所确定的信号而言，正交调制方程可以写为：

其中，a（t）描述的是顶部混频器的输出，而b（t）描述的是底部混频器的输出。图1.4所示a（t）频谱包括了载波ωc的上下两个边带。同样，b（t）频谱包括了载波的上下两个边带。但是，它们之间是有差异的。本振［这里是压控振荡器（LCO）］有90°相移（可以使用RC延长线），因此，b（t）的频率分量对载波与a（t）的分量对载波有不同的相位关系。当a（t）和b（t）合成的时候，载波的内容就相互抵消，并得到一个边带，这正是我们所需要的结果：载波不应该被发射，因为它没有包含任何信息。而且，也希望只发射一个边带，因为它包含了调制过程中所有的信息。这种调制类型被称为抑制载波的单边带（SCSS）调制，下一小节将阐明该调制类型的工作原理。它的实际特征取决于i（t）、q（t）、φi（t）和φq（t）的特殊形式以及它们定义的调制原理。仅有少数定义良好的频谱具有陡峭边壁的最佳性能，因此，相邻信道可以彼此紧密排列。在数字调制中，每一个i（t）和q（t）都来自同一个比特流，它们可以简单地通过二进制波形的过滤来得到。

2.SCSS的原理

本小节将简单讨论抑制载波的单边带（SCSS）调制原理。令i（t）和q（t）是角频率中心为ωm且相差φq（t）-φi（t）=90°的有限带宽信号，如图1.4所示。其中，ωm代表i（t）和q（t）的频率分量。参考图1.4，并令φq（t）=φi（t）=0，则有：

以及广义正交调制方程则变成如下形式：

其中，

以及

因此，在输出端口合成的调制信号频率为：

很显然，载波和较低边带被抑制了。较低边带分量cos［（ωc－ωm）t］又被称为镜像。在调制器中，抑制该镜像分量是很重要的，并且在解调器中镜像频率携带的干扰信号不应该伴随所需信号被解调出来，这一点也是很重要的。

1.2.2 现代接收机结构

通信接收机通常使用RF信号与一个称为LO的固定信号进行混频，以产生一个较低频率的已调RF信号。一些接收机结构使用一级混频，而另一些结构则使用两级混频。在蜂窝系统中，接收机必须要有足够的灵敏度，以便于能够探测到1pW（皮瓦）或更低量级的信号。

图1.5给出了一些在现代接收机中常用的结构。图1.5a是一个已经使用了近一个世纪的超外差接收机结构，而且现在的结构也与最初的形式大致相同。这种结构的主要特点是有两级混频，并且需要滤波以抑制杂散的混频产物，每一个混频级都有自己的VCO。因此，接收机逐步降低了承载信息的载波频率。图1.5a中虚线框所示镜像抑制混频器实现了镜像频率的抑制，并产生一个中频（或基带频率）信号，以便直接采样。但是，这种结构很难实现所要求的幅值和相位平衡，特别是当镜像抑制滤波器在IC上实现时。为了解决这个问题，可以使用图1.5b所示的接收机结构。图1.5b中所示两个混频器之间的滤波器可以很大。例如，如果输入信号是1GHz，则第一次混频后的信号频率可以是100MHz。

BPF——带通滤波器；LPF——低通滤波器；ADC——模数变换器；VCO——压控振荡器；90——90°移相器；I——同相分量；Q——正交分量；fHIGH、fMED、fLOW——相应的高、中、低频率

在更高的频率下，滤波器越小，性能越高，这时可以利用图1.5c所示的双变频接收机。该结构除了在两个混频器之间的中频比较高以外，其余都类似于传统的超外差结构。也就是说，其第一个中频输出有可能是3000MHz。通过对两个本振频率的选择，该结构支持具有选频功能的宽带无线电工作。图1.5d所示的低、中频或零、中频接收机使用的硬件较少，它通常应用于要求不太高的通信领域。而在高性能系统（比如蜂窝电话系统）中，这种结构需要更长的设计时间，且一般需要校准电路来修正I和Q路径，以便实现更良好的匹配。