4.2 直接变频发射机
直接变频发射机原理
直接变频发射机只进行一次变频,基带信号就变换成了射频信号,然后就可以发射出去了,因此,这种发射机架构简单直接。
由于直接变频独特的优点,现在很多无线射频收发信机都采用直接变频结构了,比如手机射频收发信机、Wi-Fi产品射频收发信机等。典型的直接变频发射机系统架构如图4-6所示。
图4-6 直接变频发射机系统架构图
从图4-6可以看到,基带信号只经过一次变频就变到了射频频率上,非常简单直接,具体的详细处理过程不再赘述。
直接变频发射机的频谱搬移图如图4-7所示。
图4-7 直接变频发射机频谱搬移图
直接变频发射机的优点
○ 直接变频发射机最大的优点是变频过程中无中频产生。这样就不存在镜像频率干扰,也就不需要镜像滤波器,没有中频也就不需要中频滤波器。通常镜像滤波器和中频滤波器需要非常高的 Q 值,在芯片内很难集成实现,一般都是在芯片外单独实现的,这样就增大了电路尺寸和成本。也就是说,直接变频避免了这些难题,便于芯片集成和降低成本。
○ 直接变频发射机还具有结构简单、集成度高、功耗低的优点。
直接变频发射机的缺点
○ 载波泄漏问题。一般情况下,直接变频发射机架构通过将基带信号分为正交的两路信号(同相的I路和正交的Q路)来实现,如图4-8所示。产生正交的模拟基带电路存在直流失调,两个混频器输入端口也存在直流失调,因此上变频器的输出中包含未调制载波的一部分,这称为“载波泄漏”。载波泄漏会导致两个负面影响:首先,会让信号星座图失真,增大输出端的矢量幅度误差;其次,导致信号星座图在垂直和水平方向上的移动。
○ I、Q不匹配(不平衡)问题。因为基带信号分为正交的两路信号(同相的I路和正交的Q路),如图4-8所示,这样就存在90°移相电路的误差和正交混频器之间的不匹配,任何一种情况都会导致基带I、Q输出的幅度不匹配和相位不匹配。结果导致正交基带输出信号串扰,如果在星座图上观察,就会出现基带码元在幅度上缩放、相位上移,或者星座图被压缩。因此,必须对I、Q不匹配进行校准和修正。
图4-8 直接变频发射机实际架构图
苹果的iPhone6 Plus手机采用的就是直接变频发射机架构。图4-9是iPhone6 Plus采用的美国Qualcomm公司的射频收发芯片WTR1625L内部框图,为直接变频发射机架构。
图4-9 WRT1625L内部框图
从框图可以看到,右边的TX IQ信号(TX_BB_IP、TX_BB_QP等)经过低通滤波器(LPF)滤波后送给两个正交上变频器(HB quadrature负责高频段,LMB quadrature负责中、低频段)直接一步变频到RF信号,再经过内部驱动功率放大器(Power Amplifier,PA)进行初步放大后送到左边高、中、低10个频段的发射端口。整个过程只有一次变频,所以非常简单直接。
iPhone6 Plus大剖析
接下来将为大家剖析iPhone6 Plus手机的整个射频发射机电路。整个射频发射电路对于初学者来说,可能有一定的难度,这里可作为兴趣学习。
为了便于理解,把iPhone6 Plus的发射机分成两部分:GSM部分和LTE部分。实际上,LTE部分还包括3G部分:WCDMA、CDMA、TD-SCDMA,因为LTE可以向下兼容,这里不再单独分开讲解了。
iPhone6 Plus手机移动信号发射机的系统框图如图4-10所示。
图4-10 iPhone6 Plus移动信号发射机系统框图
GSM部分
GSM,也就是传统的2G通信,共四个频段。低频段(Low Band),图4-10中用LB_WRT_TX_OUT表示。高频段(High Band),图4-10中用HB_ WRT_TX_OUT表示。低频段有两个,即GSM850和GSM900;高频段有两个,即DCS1800和PCS1900。高低两个频段的发射过程如下。
低频段:收发芯片为美国高通公司的WTR1625L,来自基带的信号经过WTR1625L调制、变频、滤波、预放大后传输到WTR1625的LB端口,从端口出来的GSM低频段信号传输到GSM功率放大器[美国思佳讯(Skyworks)公司的SKY77356-11]模块的低频端口,经过功率放大器放大后传输到天线开关模块(ASM,原美国RFMD公司的RF5159),经过开关选择后被传输到天线,天线把射频信号转换为电磁波辐射到空中,从而完成整个GSM低频信号的发射过程。
高频段:过程和低频段一样,只不过信号源自于WTR1625L的HB端口,传输到功率放大器进行放大,最后被传输到天线开关,最终经过天线转换成电磁波辐射到空中。
LTE部分
iPhone6 Plus支持多达16个LTE频段,16个频段分为6组,从WTR1625L的端口输出。每一路的发射过程如下:
Band13(图4-10中便于标注,简称B13,后续相关事项不再说明)、Band17、Band28:这三个LTE频段共用一个端口从WTR1625L芯片中出来,由于是共用,出来后先经过一个单刀三掷开关(Single Pole 3 Throw,SP3T),通过开关把三个频段的信号分开,分开的信号分三路传输到低频段PAD模块(PA+Duplexer,也就是功率放大器和双工器合在一起的模块,Duplexer见本书6.7节的讲解),其中Band13和Band17两个频段分别经过带通滤波器(BandPass Filter,BPF,见本书6.8节的讲解)进行滤波,经过放大的信号被传输到天线开关RF5159芯片的相应端口,天线开关选择后传输到天线,转换成电磁波辐射到空中,这就是LTE信号的发射全过程。
Band8、Band20、Band26:这三个频段的发射过程和前面三个频段类似,不同之处在于没有BPF。
Band3、Band4:从WTR1625L端口出来的LTE信号传输到PAD模块(原美国Avago公司的AFEM-8020模块)进行功率放大,放大后的信号直接传输到ASM模块的相关端口,经过天线开关选择后传输到天线上,经由天线转换为电磁波后辐射到空中。
Band1、Band25、Band34、Band39:Band25频段的发射过程和上面两个频段一样,而Band34和Band39经过PAD进行放大后,传输到一个带通滤波器[日本村田公司(Murata)的SAW Filter],滤波后被传输到射频开关(日本Sony公司的DP9T)进行频段选择,然后传输到总的射频开关ASM模块,最后由天线转换成电磁波辐射到空中。
Band7:从WTR1625L端口出来后传输到PAD模块(原Avago公司的AFEM-8010)进行功率放大,放大后的信号直接传输到ASM模块进行开关选择,最后由天线转换成电磁波辐射到空中。
Band38、Band40、Band41:Band40经过PAD放大后传输到Murata LC滤波器BPF,经过滤波后传输到射频开关DP9T,再传输到总的射频开关ASM模块,最后经过天线辐射到空中;Band40A、Band41A的信号经过PAD放大后传输到一个双讯器(Diplexer,见本书6.10节的讲解),信号被分成两个频段后分别发送给DP9T开关,经过开关选择后再发送给总的射频开关ASM,最后由天线转换成电磁波辐射到空中;Band41B、Band41C两个子频段的信号经过PAD放大后再传输到一个二合一的带通滤波器,滤波后分别发送给DP9T开关,经过开关选择后发送给总的射频开关ASM模块,最后由天线转换成电磁波辐射到空中。
以上就是iPhone6 Plus手机移动信号发射机的全频段分析,由于Wi-Fi和Bluetooth技术相较移动信号电路简单很多,在此处就不进行介绍分析了。