超宽带接收机中自动增益控制芯片的研究与设计_开题报告.docx

一、摘要论文题目中文超宽带接收机中自动增益控制芯片的研究与设计英文 Study and Design of Automatic-Gain-Control Chip in Ultra-Wide-Band Receiver摘 要（不超过800字）随着生物医学技术和多媒体业务的快速发展，人们对图像视频传输、家庭局域网、植入式设备提出了更高的要求，这种要求迫切需要有一种短距离、低功耗、高数据率的无线通信技术。同现有的通信技术相比，超宽带(UWB)技术具有传输速率高、多径分辨能力强、定位精度高、共存性和保密性好、功耗低等优点可以很好地弥补传统通信的不足，满足短距离高数据率的通信要求，因此UWB技术成为当今研究的热点之一。在UWB通信中UWB接收机是系统的重要组成部分。由于设备间距离的变化以及通信环境变化等因素会导致接收到的信号幅值在一个较大的范围内变化进而影响到整体设备的性能，因此提高接收机的动态范围,加入自动增益控制(AGC)模块是提高UWB通信质量、改善误码率的保障。本课题从现有文献调研入手，对比不同AGC电路结构，针对UWB通信中高带宽、大动态范围等特点，旨在设计一款低功耗、低复杂度的UWB自动增益控制(AGC)芯片。芯片包括UWB可变增益放大器(VGA)、峰值检测、运算放大器、积分器等关键电路。本次课题需要对高带宽VGA、增益线性度、以及系统稳定时间等重点问题进行研究。拟定芯片关键指标为：带宽500MHz，动态范围40dB，稳定时间600ns，噪声系数25dB。关键词中文超宽带 自动增益控制 可变增益放大器英文UWB/ Automatic-Gain-Control/ Variable Gain Amplifier1、关键词数量不少于三个； 2、关键词之间空一格（英文用/分隔）二、立题依据1、研究意义2、国内外研究现状3、主要参考文献及出处1、研究意义超宽带(UWB)通信的最初形式为直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒级的脉冲作为信息载体的冲击无线电技术。最开始UWB技术主要用于军事上的雷达和低截获的无线系统。随着微电子器件的高速发展，UWB技术开始逐渐应用于民用领域，在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮，并被认为是下一代无线通信的革命性技术1。为了促进和规范UWB技术的发展，2002年4月，美国联邦通信委员会(FCC)发布了UWB设备的初步规范，并重新对UWB做了定义。所谓超宽带，根据FCC的定义2，是指信号的-10dB相对带宽大于20%，或在传输的任何时刻信号的绝对带宽不小于500MHz。这里相对带宽定义为： (1)式中，为fH和fL分别为信号的高端和低端频点(按10dB计算）。根据FCC的规定，室内UWB通信的实际使用频谱范围为3.110.6Hz，并在这一范围内有效各向同性发射功率(effective isotropic radiated power，EIRP)不超过-41.3dBm/MHz（美国放射噪声规定值）。相对于传统通信UWB有以下几大优势：(1)传输速率高：根据香农定理在加性白噪声(AWGN)信道中，考虑所有可能的编码技术，系统无误差(或者非常低的误比特率)传输速率的上限为： (2)其中，C是信道容量，BW是信道带宽，Ps是接收到的信号的平均功率，N0是噪声功率谱密度。在UWB系统中，信号带宽高达 500MHz7.5GHz，因此尽管协议规定的信号功率谱密度远远低于其他通信系统，UWB系统仍能在短距离上实现几百Mb/s至 1Gb/s的传输速率。(2)多径分辨能力强，定位精度高：在窄带系统中，多径衰落是恶化接收机误比特率的一个重要原因。而UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，有很强的时间和空间分辨能力，因此UWB信号的多径分辨率极高。 表1 几种短距离无线通信标准比较标准频段信道最高数据率最高输出功率802.11g2.42.485GHz20MHz54Mb/s20dBm802.11n2.42.485GHz55.825GHz40MHz500Mb/s20dBmBT2.42.485GHz1MHz1Mb/s20dBmSRD433.05434.79MHz25KHz200Kb/s10dBmUWB3.110.6GHz500MHz480Mb/s-41.3dBm (3)共存性和保密性好： UWB的最高辐射谱密度小于-41.3dB/MHz。由于这个值甚至低于环境噪声，UWB信号对其他通信系统的干扰可以视为宽带白噪声，因此UWB系统和其它通信系统有良好的共存性。同时，由于UWB信号低于环境噪声，很难被其他接收机截获，只有自身的接收机能解调信号，因此UWB信号有很好的保密性3。 图1 UWB信号与其他信号在无线频谱中共存UWB在短距离无线通信中具有巨大优势，在生物医学、无线个域网(WPAN)、智能多媒体家庭网、安全和军事等很多领域都有广阔的应用前景。超宽带接收机作为超宽带通信系统的重要组成部分对系统的通信质量有着重要影响，其性能的好坏直接决定了整个系统的通信状况。概括来说UWB接收机可以分为相关接收机和非相关接收机两大类。下面将以IR-UWB非相关接收机系统为例，简要分析其工作原理。图2 IR-UWB非相关接收机超宽带信号经天线接收、低噪声放大器后被送入相关器，通过自相关运算得到模拟基带信号。模拟基带信号经过自动增益控制模块稳定其输出幅度后，经过低通滤波处理再由ADC转换成数字信号。在通信系统中由于多径衰减、通信环境变化等各种原因，接收机的输入信号变化范围在几微伏到几十毫伏，这个变化范围称为接收机的动态范围。为了防止强信号引起的过载，需要增大接收机的动态范围，这就要有增益控制电路。自动增益控制的基本原理可以简单描述为：当输入可变增益放大器的信号减弱时，峰值检测器检测到一个较小的峰值，该峰值经过平滑后与以固定电平进行比较，其结果经过积分器后作为控制电压返回给可变增益放大器来提高可变增益放大器的增益从而稳定其输出电压。反之当输入信号过大的时候则通过减少可变增益放大器的增益来稳定其输出电压。 图3 AGC功能原理图自动增益控制模块(AGC)是UWB通信系统中的重要组成部分，对提高接收机的动态范围，改善误码率和减轻后级ADC设计难度具有重要作用。现有的AGC带宽大多较窄，主要应用于窄带通信系统中4，无法满足超宽带系统的要求。为数不多的应用于超宽带的AGC往往采用数字控制法即在数字基带中采用DSP数字算法处理然后返回给可编程增益放大器来调整增益。这种做法虽然可以充分利用数字基带算法的灵活性较易实现指数增益的特性5，但其有两个主要缺点：1、增益不能连续变化。可编程增益放大器的增益以一定的步长来改变增益，增益调控精度和电路复杂度存在明显的折中关系。另一方面在UWB系统中，信号的极大带宽限制了ADC采样的精度，因此数控VGA可调增益值的离散性引入的噪声会对接收机的性能造成较大影响6；2、反应时间较长。数字控制AGC需要在基带经过一段时间的采样、计算、判断才能确定出前端可编程增益放大器合适的增益，反应时间和控制精度中也存在明显的折中关系。因此设计出高速、低功耗、低复杂度的超宽带自动增益控制芯片对UWB技术的发展具有重要意义。2、国内外研究现状目前自动增益控制的研究主要集中在窄带系统中，如无线通信、卫星导航、硬盘驱动和助听器等系统中，对超宽带自动增益控制研究很少。要在超宽带通信系统中实现自动增益控制主要需要解决两个问题：1、高带宽；2、可变增益放大器中指数增益的实现。2.1 带宽提高技术现状可变增益放大器(VGA)作为自动增益控制模块中的核心模块，对系统的性能具有决定性的作用。传统的可变增益放大器大多工作在低速环境当中，对带宽的要求不大，往往只需几MHz到几十MHz。但是在超宽带接收机中，采用的脉冲为纳秒甚至亚纳秒级别的，这种通信方式对VGA的带宽提出了新的要求，使得我们必须采用相关技术来提高VGA的带宽。经过调研发现，目前研究提高带宽的方法主要有以下几种：(1) 电感峰值法7 ：电感峰值法的思想比较简单，仅仅是在输出端负载一个电感，调节该电感的感值使其与负载端的电容在特定频率下谐振从而达到了提高带宽的方法。这种方法实现起来较简单提高带宽效果比较明显，但是其最大的问题在于引入的电感大大增加了芯片的面积，增加了成本。(2) 有源电感法8：针对上述电感峰值法的缺点有人提出了有源电感法，它基本思想是采用MOS管与电容和电阻的混了结构作为负载，调节其参数。在一定频率下从输出端看过去得到的该负载表现出电感的特性从而可以用来与输出电容谐振，提高可变增益放大器的带宽。(3) Cherry-Hooper结构9：这种提高带宽的技术是以牺牲放大器增益为代价的，并且这种放大器的线性度较差，适合放在前端输入信号较小的情况下使用。自动增益控制电路处在模拟链路的后端需要处理较大输入信号量，对电路的线性度要求较高。所以这种方法也不太适合本课题的需要。(4)有源反馈法10：通过求解系统传输函数的方法来求解其带宽。这种方法的关键在于传输函数的推导，过程比较复杂，但是提高带宽效果比较好。其他的提高带宽的技术还有(5) 源级退化电容11；(6) fT加倍法11等。 通过调研对比我们对这几种主要技术进行一个总结对比，如表3所示：表2 不同提高带宽技术对比所用技术优点缺点电感结构简单面积较大有源电感面积较小引进新的寄生参数，带宽提高有限Ft-double无电感功耗较大Cherry-Hooper无电感适用于输入信号较小的情况，增益小有源反馈无电感无明显缺点通过对比不同的带宽提高技术可以发现采用有源反馈法来提高带宽相对来说是较优的选择，因为这种方法在提高带宽的同时不会给电路带来其他明显的缺点。2.2 指数增益技术现状为了对输入信号中的数据实现无错恢复，AGC电路需要将输入信号的振幅调节到某一特定的范围。振幅获取过程一般发生在前同步信号中，前同步信号之后将传输有用的数据。因此，AGC环路稳定时间必须小于前同步信号的持续时间，否则将造成前同步信号之后的有用数据丢失。但另一方面，这个持续时间应尽量缩短以充分利用信道带宽。若 AGC环路稳定时间是输入信号振幅的函数，则前同步信号的持续时间必须比AGC电路的最长稳定时间长，而一般数字通信系统中前同步信号的持续时间是确定的。因此，为了优化系统性能，AGC环路稳定时间必须精确定义且与输入信号振幅无关12，这就要求可变增益放大器的增益同控制电压件存在指数关系5。在CMOS工艺当中增益与控制电压的指数关系较难实现，因为MOS管本身为平方率器件，经过调研可以发现实现指数增益的实现往往通过以下几种方法来实现。(1)CMOS亚阈值技术7：当CMOS工作在亚阈值区域的时候，栅压同电流之间满足指数关系，这种指数关系使得dB-linear的关系实现起来比较容易将控制电压加载在工作在亚阈值区域的MOS上就可以实现。但是这样方法有它一个最大的：工作在亚阈值状态的MOS管中往往电流会比较小，这使得它对相关电容的充放电速度变慢因此电路的工作速度会降低，带宽较窄。所以这种方法不适合用在带宽很宽的超宽带接收机。(2)BiCMOS工艺13：利用BiCMO中的BJT晶体管中的电流与电压的指数关系可以实现指数电压增益关系采用BiCMOS工艺来可以容易的实现指数增益，而且性能相对来说也算是比较好。但是这种工艺最大的问题在于成本，BiCMOS工艺成本要远高于CMOS工艺。所以这个方案也不是最优选择。(3)寄生晶体管技术14：随着CMOS工艺技术的发展和提高，现在已经有某些工艺厂商可以在CMOS工艺中实现寄生的晶体管技术，这种工艺的实现促使了另一种实现指数增益方法出现:寄生晶体管技术。通过在CMOS工艺中实现寄生晶体管从而可以实现控制电压和增益之间的指数关系。采用这种方法实现的可变增益放大器电路一般需要包含:带隙基准、PTAT电流源、电压电流转换器、指数电压产生器等关键模块，这毫无疑问增加电路了复杂度同时电路的功耗也是一个值得考虑的问题，另一方面采用寄生的晶体管技术实现的电路的稳定性和性能也不是很稳定。综合考虑该技术的特点也不符合UWB接收机中所要求的低复杂度、低功耗AGC的要求。(4)泰勒展开法15：这种方法通过对指数函数ex做泰勒展开，取前面若干项来做一个近似从而实现指数增益。通过MATLAB的仿真我们发现：通过二阶泰勒展式实现的指数近似大概只能实现15dB左右的近似而且这个动态范围是均匀分布在0周围的也即-7.5dB7.5dB范围，为了实现更大范围的动态范围我们需要级联更多级这样会大幅度增加功耗。另一个方面如果提高近似度 采用四阶近似的泰勒展式来做近似，虽然单级可以实现25dB左右的动态范围，但是实现起来比较复杂16，因此对此的研究也比较少。为了改进泰勒展式中级联级数、功耗与动态范围之间的这种关系，许多论文做出了一些改进17-18,但是总的来说这种结构实现的指数增益电路复杂且功耗较大。(5)伪指数法：伪指数法简单来说就是采用全CMOS工艺将指数函数近似成一个多项式，这种方法只在一定控制电压范围能有较好的近似，所能实现的指数增益范围不是太宽。与上述采用的其他这种方法相比，这种方法不需增加或者不需要增加较多的电路结构、而是利用MOS管本身的特性来实现19。采用伪指数近似可以实现较好的近似，而且也不需要额外的较多的控制电压产生器，因此这种技术成为了主要的研究方向20-22。通过调研对比我们对这几种主要技术进行一个总结对比，如表4所示表3 不同指数增益实现方式对比所用技术优点缺点CMOS亚阈值较易实现电流小、带宽窄BiCMOS性能好成本较高寄生晶体管成本低性能不太稳定泰勒近似成本低功耗较大，近似程度有限伪指数成本低结构较复杂通过调研发现采用伪指数的方法来实现指数增益具有成本低，功耗小的特点。因此本课题拟采用全CMOS工艺下伪指数近似法，提出一种新的近似函数来提高dB-linear范围。三、研究方案及工作基础1、研究目标、研究内容及拟解决的关键问题2、拟采取的研究方法及技术路线3、研究工作基础1、研究目标、研究内容及拟解决的关键问题研究目标针对UWB接收机中大动态范围、高带宽、低功耗等性能要求，设计一款低复杂度的自动增益控制(AGC)芯片。拟定关键指标为：带宽500MHz，动态范围40dB，稳定时间600ns，噪声系数25dB。研究内容UWB自动增益控制芯片框图如图5所示，主要包括以下几个模块：可变增益放大器、峰值检测器、直流失调模块、差值放大器和积分器。图4 自动增益控制芯片原理框图在本课题中针对超宽带AGC的特点需要对以下几个方面进行研究：(1)可变增益放大器的研究。可变增益放大器研究的重点在带宽提高技术和增益线性度提高技术上。需要采用适合超宽带系统的带宽提高技术，同时探索研究一种新的指数近似关系来提高增益的线性度。(2)低复杂度和低功耗研究。自动增益控制的直流失调校正模块和反馈控制环路也是重要的组成部分。针对低功耗、低复杂度的要求，需要在满足系统要求的前提下，精简电路结构，降低电路的复杂度和功耗。(3)系统稳定性和版图布局研究。由于自动增益控制是一个闭环结构，且其环路结构较复杂，所以其系统的稳定性也是一个需要考虑的问题。在版图布局中，充分考虑高速通信中信号通路中的多种寄生效应，合理布局，减少其不利影响也是本课题需要研究的问题。拟解决的关键问题(1)高带宽的技术研究。目前大部分可变增益放大器的带宽都维持在几十MHz，需要对提高带宽的方法进行调研，设计出一种适用于本芯片的的提高带宽的方法。(2)增益线性度的研究。为了实现恒定的AGC环路稳定时间和宽的增益调节范围，需要可变增益放大器的增益与控制电压有指数相关特性。拟在全CMOS工艺下采用新的近似函数，设计出一种结构简单，dB-linear范围符合超宽带接收机系统要求的可变增益放大器。(3)线性度和系统稳定性的研究。自动增益控制模块处在模拟链路的后端，这使得系统对它的线性度要求较高，而其本身构成一个闭环系统因而其稳定性也是一个需要考虑的方面。2、拟采取的研究方法及技术路线研究方法1. 调研现有自动增益控制技术文献，对比归纳不同技术各自的优缺点，总结适用于超宽带系统的带宽提高技术，并探索研究一种新型的指数增益近似技术； 2. 使用MATLAB仿真系统链路性能，研究系统的稳定性，并合理设计自动增益增益控制芯片各个模块的性能指标；3. 使用Cadence仿真工具在0.18m工艺下完成该自动增益控制芯片的全部电路设计，并完成芯片前、后端仿真；