（微电子学与固体电子学专业论文）24ghz+cmos零中频射频接收机.pdf

2 4 g h zc m o s 零中频射频接收机 摘要 本论文设计了一个2 4 g h z 的射频前端零中频接收机。零中频接收机包含低 噪声放大器和混频器，其中混频器的本振输入由压控震荡器提供。其中低噪声放 大器结构是全差分的形式，仿真结果显示l n 可以达到1 7 7d b 的增益，1 8 d b 的i i p 3 ，一1 1 6d b 的ld b 压缩点、2 7d b 的噪声系数和1 8 m w 的功耗。混频 器是双平衡形式混频器，使用交叉差分管对作为输入级来提高线性，除此之外， 为提高增益，使用电流源负载和共模反馈电路。该混频器经仿真，在3 v 电压下， 取得三阶输入截止点( 1 1 p 3 ) 为i i 8 d b m ，转换电压增益为1 0d b ，功耗为1 2 m w 的较好结果。本论文电路使用c a d e n c e 公司的e d a 工具s p e c t r e r f 及t s m c o 1 8 r f 叫o s 工艺库来验证。 关键词：零中频接收机：低噪声放大器：混频器 2 4 g h zc m o sz e r o - i fr e c e i v e r a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t sa2 4 g h zr ff r o n t e n dr e c e i v e r i td e s i g n e dt ob eu s e di na z e m - i fa r c h i t e c t u r e t h ez e r o i fr e c c i v e ri n c l u d e sd i f i e r e n t i a l e n dl o wn o i s e a m p l i f i e r s ( l n a ) a n dd o u b l e d b a l a n c c dm i x e r s w h i c hl 0i n p u t i sc o m ef r o m v c o n el n ah a s1 7 7d bg a i n ，1 8 d b p 3 ，- 1 1 6d b 兄口，2 7 d bn fa n d1 8 m w p o w e rc o n s u m p t i o n t l l l em i x e rs h o w s1 1 7d bl i p 3 ，1 0d bc o n v e r s i o ng a i n , 1 2 m w p o w c rc o n s u m p t i o n 1 1 l es c h e m a t i c so ft h e 仃o u t e n da r ea l ls i m u l a t e db ye d at o o l s c a d e n c e ss p e c t r e r fw i t ht s m c o 1 8 r fc m o s t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：wr e c e i v e r ；l o wn o i s ea m p l i f i e r , i i l i x e r n l 2 4 g h zc m o s 零中频射频接收机 摘要 本论文设计了一个2 4 g h z 的射频前端零中频接收机。零中频接收机包含低 噪声放大器和混频器，其中混频器的本振输入由压控震荡器提供。其中低噪声放 大器结构是全差分的形式，仿真结果显示l n 可以达到1 7 7d b 的增益，1 8 d b 的i i p 3 ，一1 1 6d b 的ld b 压缩点、2 7d b 的噪声系数和1 8 m w 的功耗。混频 器是双平衡形式混频器，使用交叉差分管对作为输入级来提高线性，除此之外， 为提高增益，使用电流源负载和共模反馈电路。该混频器经仿真，在3 v 电压下， 取得三阶输入截止点( 1 1 p 3 ) 为i i 8 d b m ，转换电压增益为1 0d b ，功耗为1 2 m w 的较好结果。本论文电路使用c a d e n c e 公司的e d a 工具s p e c t r e r f 及t s m c o 1 8 r f 叫o s 工艺库来验证。 关键词：零中频接收机：低噪声放大器：混频器 2 4 g h zc m o sz e r o - i fr e c e i v e r a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t sa2 4 g h zr ff r o n t e n dr e c e i v e r i td e s i g n e dt ob eu s e di na z e m - i fa r c h i t e c t u r e t h ez e r o i fr e c c i v e ri n c l u d e sd i f i e r e n t i a l e n dl o wn o i s e a m p l i f i e r s ( l n a ) a n dd o u b l e d b a l a n c c dm i x e r s w h i c hl 0i n p u t i sc o m ef r o m v c o n el n ah a s1 7 7d bg a i n ，1 8 d b p 3 ，- 1 1 6d b 兄口，2 7 d bn fa n d1 8 m w p o w e rc o n s u m p t i o n t l l l em i x e rs h o w s1 1 7d bl i p 3 ，1 0d bc o n v e r s i o ng a i n , 1 2 m w p o w c rc o n s u m p t i o n 1 1 l es c h e m a t i c so ft h e 仃o u t e n da r ea l ls i m u l a t e db ye d at o o l s c a d e n c e ss p e c t r e r fw i t ht s m c o 1 8 r fc m o s t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：wr e c e i v e r ；l o wn o i s ea m p l i f i e r , i i l i x e r n l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究 在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名：糖日期：一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名摊导师签名：距日 第1 章绪 论 第1 章绪论 1 1 前言 2 1 世纪是信息技术高度发展的时代，以微电子技术为基础的电子技术是推 动信息技术发展的物质基础。微电子产业是一个战略性产业，如果国家没有自己 的微电子产业，就会失去战略主动地位。当前国际上集成电路产业的竞争非常激 烈，其一是商业上的竞争，发达国家国民经济增长的6 5 与集成电路有关；其二 是战略主动权方面的竞争，谁掌握了集成电路，谁就掌握了战略主动权。所以说， 集成电路与一个国家的安全和经济发展密切相关。因此，在我国加快集成电路的 研究和开发已成为刻不容缓的任务。、 近十年来，通信技术以惊人的速度在发展，而射频无线移动通信技术的发展 显得尤为迅猛。射频( r a d i of r e q u e n c y ) ，在无线电传输应用中指的是1 0 k h z 至 1 0 0 g h z 的频率范围。在无线通信系统应用技术领域，射频一般指8 0 0 m h z 到 2 5 g h z 的频率范围。射频技术在当今各个领域得到越来越广泛的应用，如：高 速语音、数据、图文与图像传输、蜂窝式个人通信与基地站、低轨道卫移动通信、 无线局域网、无线接入系统( 包括b i u e t o o t h ) 、全球卫星定位系统、卫星直播电 视和多点址分布系统等。射频技术应用的重要市场之一是智能交通系统( 如：道 路交通状况的监测、汽防撞雷达) 、智能化运输系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m s ) ( 如：高速公路自动收费、车、船跟踪、停车场管理、高级驾驶导航) 和多媒体移动接入通信系统m m a c ( m u l t i m c d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ) ( 如超高速u 蝌、高速w i r e l e s s a c c e s s ) 等；此外，射频技术还广泛应 用于空间电子、雷达、卫星、民航系统、电子对抗等多种尖端科技中。8 0 年代 末期，在商用无线通信市场出现之前，大多数r f ( 射频) 电路设计都是服务于 军事应用的。此后，军用市场开始衰退，而无线通信商用市场则以指数规律增长。 在商用无线通信产品中，对r f i c 最重要的就是实现低成本，这就要求其基片尺 寸小，工艺简单，封装便宜等。 r f i c 作为无线传输设备的核心器件，在无线传输的各个领域得到了广泛的应 用，其市场前景十分看好。因此，世界各国对发展r f i c 的设计和制造技术、r f i c 的产品开发十分重视。国外从2 0 世纪8 0 年代开始，重点投入r f i c 的工艺制造技术 和设计技术研究。在2 0 世纪9 0 年代中期，r f i c 的工艺制造技术有了重大突破，其 主要标志是：实现了商品化芯片的隔离、可集成高q 值的电感，以及小尺寸电容 等制造工艺技术的突破。由于工艺技术的突破，国外从1 9 9 0 年代中期以来，r f i c 产品在无线传输的各个领域都实现了商品化。但是，在国内，由于对r f i c 的制造 贵州大学硕士学位论文 工艺技术和设计技术的研究开发较晚，能够提供的商品化r f i c 很少，造成国内无 线传输领域应用的r f i c 基本上成为外国产品一统天下的尴尬局面。从当前世界上 商品化的r f i c 产品来看，大都是采用硅b i c m o s 和s i 6 eb i c m o s 技术。从当前商品 化r f i c 的应用角度来看，主要是以各个应用领域的专用技术为主。随着无线传输 设备不断向微型化、低功耗、低成本、高性能，以及单个用户终端中集成多个应 用领域的功能( 如在手机中集成卫星导航、无线局域网、数字电视，以及蓝牙等 功能) 方向发展，加上各个领域( 如卫星导航领域中的伽利略和北斗系统、第三代 ( 3 g ) 移动通信、数字电视) 本身的发展，以及新兴无线传输领域( 如短距离通信、 r f i d ) 的发展，给r f i c 带来巨大的市场前景，同时也带来了r f i c 的技术发展和产 品开发的新一轮高潮。面对如此巨大的市场，世界各国必将在r f i c 的技术发展和 产品开发上加大投入，以占领尽可能大的r f i c 市场份额。面对r f i c 新一轮的竞争 和巨大的商机，尤其是考虑n r f i c 的大多数应用领域直接牵涉到国家安全的因 素，我们不得不考虑我国r f i c 的技术和产品开发的发展战略。 1 2r f i c 的发展现状 1 z 1 国内外r f i c 产品的现状 国外移动通信r f i c 厂商主要有m a x i m 、a d i 、f r e e s c a l e ( m o t o r o l a ) 、i n f i n e o n 、 r f 如、q u a l c o m 、s t 、s k y w o k s ，s il i c o nl a b 等，推出了满足2 g 和3 g 移动通信的 系列r f i c 电路。在中国，采用硅技术已研制出各种移动通信r f i c ，如中电科技2 4 所己采用s i g eb i c m o s i 艺，制作出集成度达到3 万个元器件的g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 声音及数据双频单片收发信机r f i c ，正在开发t d - s c d m a 接收机发射机r f i c 的重 邮信科采用0 1 3mc m 0 s 工艺，推出t t d _ s c d m a 接收机发射机基带芯片；上海 鼎新、北京锐迪科也推出了小灵通、大灵通等r f i c 电路，呈现出良好的发展态势。 国外卫星导航r f i c 厂商主要有z a r l i n k 、m a x i m 、s i r f l c o n e x a n t 、m o t o l o r a v a l e n c e 、n o v a t e l 、s a m s u n g 、n e c 等，推出了g p s 、g l o n a s s 卫星导航芯片组系列 电路。我国中电科技2 4 所采用s i g e b i c m o s i 艺，制作t g p s 卫星导航接收机射频 前端单片r f i c 和g p s g l o n a s s 卫星导航兼容接收机射频前端单片r f i c ，满足了我国 卫星导航的部分需求。国外w l a n 芯片供应商主要有m a x i m 、i n t e r s i l 、i n f i n e o n a g e r e 、b r o a d c o m 、a t h e r o s 、t ima r _ 、，e 1 1 、r fm i c r od e v i c e s 、p h i l i p s 等， 推出了满足i s o i e c8 8 0 2 1 1 标准的w l a n 芯片组系列电路。我国的中电华大电子、 北京六合万通、广晟等推出了w l a n 的基带芯片；中电科技2 4 所正在开发w l a n 的 r f i c 电路。国外数字电视r f i c 供应商主要有m a x i m 、p h i l i p s 、i n t e r s i l ，b r o a d c o m 、 z a r l i n k 等，推出了数字电视硅调谐器系列r f i c 电路。我国苏州国芯推出了数字 电视处理芯片；中电科技2 4 所正在开发数字电视硅调谐器r f i c 。 2 第1 章绪论 1 22 中国r f i c 发展存在的主要问厦 我国r f i c 市场需求巨大，核, t j r f i c 依赖进口。中国r f 器件和r f 电路的研发已 有几十年历史，但重点资源一直集中投入在g a a s 技术领域，长期以来几乎忽略了 硅r f i c 技术的发展。在g a a s r f 技术领域，由于受g a a s 技术本身的制约而难以开发 集成规模大的r f i c 。国内长期以来仅能开发功能单一的部分r f 单元电路，如微波 低噪声放大器、功率放大器或其模块；而且模块中的多数关键芯片常常还需采用 国外民用或工业级产品代替，造成体积大、功耗大、可靠性低等问题，与国外先 进产品存在较大差距。目前市场需求量大的均是系统集成的r f i c ，对于市场需求 量大的移动通信、卫星导航、无线局域网( w l a n ) 、数字电视等主要领域的r f i c ， 由于我国正处于开发阶段，品种单一，核, l , r f i c 依赖进口，“空芯化”较为严重。 r f i c 的设计、加工、封装、测试都需要先进的技术和设备，并需要大量的经费 支撑，但国家对硅r f i c 的投入很少。在r f i c 研发过程中，既缺少先进设计工具， 也没有先进加工、封装、测试设备和技术。r f i c 技术队伍虽然己不辞辛苦，愿付 出努力和心血，仍举步维艰，难以向高水平的r f i c 技术冲刺。r f i c 是高投入、高 产出的行业，许多企业自身实力和资金积累有限，投入不够，直接影响了r f i c 的发展。 从国外先进r f i c 产品的设计加工技术来看，无论硅c m o s 或s i g eb i c i d o s 技术， 都要求跨越深亚微米或9 0 n m 技术。但国内从事硅r f i c 的研制生产单位虽然已具有 r f i c 的核心设计技术能力，却严重缺乏先进的加工技术条件，导致从事硅r f i c 研发单位只能依赖于国内外其他生产厂家的加工设备和技术，条件十分受限，研 发进展缓慢。可以说，加工技术条件已成为r f i c 技术向高水平发展的最大障碍。 单位与整机应用单位之间协作不够r f i c 设计开发难度高，其应用开发更难。对于 不同的无线接人协议，单片r f 收发电路具有专用性，需要与整机单位紧密合作， 形成r f i c 、基带数字控制电路、整机应用之间密切配合，形成完整的套片解决方 案。单独的r f i c 或者单独的基带数字控制电路，均不会被市场接收。我国r f i c 设计开发单位、基带数字控制电路开发单位与整机应用单位协作不够，造成市场 巨大的r f i c 长期落后于国外，市场被国外厂商垄断。 1 2 3r f i c 技术的现状 无线通信r f 系统的主要功能是完成高频信号的传输，是整个无线电接收、发 射过程中的关键。随着硅集成技术的发展，射频接收机系统结构也在发生变化， 正在由传统的超外差接收机结构向零中频接收机和低中频接收机结构发展。传统 的r f 接收发射机电路普遍采用成熟的超外差结构，但这种结构需要采用二级混 频和片外声表面滤波器，成本高。低中频或直接转换体系构只需要采用一级混频， 不需要片外声表面滤波器，又可以将r f 模拟电路、基带处理器及a d 、d a 转换器 3 贵州大学硕士学位论文 集成于一个芯片这种含射频、基带及a d 、d a 转换电路的单片集成电路的可靠 性高、功耗低，成本也低因此，硅单片集成无线通信r f i c 是目前发展的主流。 当今的移动终端设备，已由单纯的通信工具逐步演变为一台个性化的多媒体设 备。因此，移动终端设备向多系统和多模方向发展，接收发射机r f i c 的整合已 取得突破，利用现有的硅技术已能将原本各自独立分散的接收端与发送端的组件 ( 如混频器、滤波器) ，以及锁相环( p l l ) 整合，并以硅技术集成为接收发射机, s o c 。 在手机中集成卫星导航、无线局域网、数字电视以及蓝牙等功能，也是移动通信 技术发展的趋势，移动通信r f i c 将单片系统集成通信接收机发射机射频功能、 卫星导航射频功能、w l a n 射频功能、数字电视射频功能，向系统集成的s o c 方向 发展。由于r f i c 的市场驱动，导致r f i c 设计工具迅速发展。 目前，r f i c 设计中具有代表性的设计软件工具有安捷伦( i a g i l e n t ) 公司 a d si a d v a n c e d d e s i g n s y s t e m l ；，h p p li e ( d w a v e r e s e a r c h 公司的m i c r o w a v e o f f i c e ：和 a n a l o g o f f i c e ，h n s o f t 公司的h f s s 、c s t 及a n s o f t d e s i g n e r ，c a d e n c e 公司的r f i c 设计软件等。它们都具有不同特色，一般具有友好的设计界面，灵活、开放的架 构，具有从综合到版图设计等不同层次的设计模块，支持第3 方设计、测试软件， 带有使用方便的物理设计工具和模型提取工具；涵盖了小至元器件，大到系统级 的设计和分析。连接系统级的设计环境，能轻松定制设计平台中的关键性新功能， 可从r f 前端到后端进行电路设计，可解决行为建模、电路仿真、版图、寄生提取 和后仿真等问题，从而大大提高复杂电路的设计效率，已成为r f 设计的有效工具。 另外，利用i c 设计环境中使用的系统级模型和测试台，可在单一系统环境下完成 i c 验证，或者在一个通用的环境下，依据一个跨系统和跨数字、混合信号、模拟 及射频等多个设计域的系统级规范，对所设计的电路进行验证，从而缩短设计周 期，增加可预测性，并保证芯片性能的顺利实现。但r f i c 设计工具中仍然存在很 多问题，需要深入研究和解决，特别是对电路的很多潜在影响因素尚缺乏深刻认 识。射频电路中许多比较关键的元件，如电感、电容等，缺乏实用的准确等效电 路或集总模型。在r f i c 设计中，即使拥有比较精确的元器件模型，但使用这些元 器件模型构成电路之后，因采用布局方法的不同，将会对电路性能带来极大的差 异。另外，面对射频电路与数字和模拟电路单芯片集成的明显发展趋势，迫切需 要涵盖数字模拟射频混合信号设计的配套e d a i 具，但在短期内仍有很多技术 难点难以突破。总之，目前r f i c 的设计精度和自动化程度仍然落后于数字电路设 计，有待继续提高。 1 2 4r f i c 工艺的现状 对于r f i c 的投片，国内目前只有中芯国际的标准工艺线可利用，但是相比 国外的工艺线，技术上仍有一段距离。目前开发者大多都是利用国外提供的一些 4 第1 章绪 论 标准工艺线进行合作加工。当前世界上流行的一种集成电路芯片设计方法，称为 f a b l e s s ，即无生产线集成电路的设计。韩国刚组建不久的i n t e g r a n tt e c h n o l o g i e si n c 和f u t u r ec o n m m u n i c a t i o n si ci n c 等就是采用此种合作方式制造出来多种射频集 成电路芯片和单片微波集成电路芯片，为韩国国内的通信企业提供了大量急需的 集成电路芯片产品。完成r f i c 设计，不需要投入大量的加工设备成本，利用标 准工艺线加工芯片，是非常经济实用的做法最适合我国的国情。这种f a b l e s s 做法可以避免少走弯路，缩小差距，尽快赶上发达国家。 当前在射频通信领域应用最富有生命力的模拟电路的集成工艺技术是：双 极，c m o s 、g a a s 和b i c m o s 工艺。标准集成电路工艺技术与专用集成电路工 艺技术之间还是有所不同的。因为标准i c 工艺技术是商业上成熟的并被广泛采 用的工艺技术，这种工艺技术势必尽可能地限制掩膜数目。对于无线应用，b i t 仍是高性能低功耗射频应用所选用的器件。m o s f e t 是功率放大器和高密度数 字电路应用所选择的器件。由于c m o si 艺技术能制造优质电容和良好的开关 而且功耗低，c m o s 工艺技术已成为主要的模拟工艺技术g a a s 工艺目前提供 的是m e s f e 工c r a a s 工艺技术将在微波领域得到发展。随着硅双极工艺技术的不 断改进，g a a s 肼超过硅双极工艺的优势就迅速减小。与m o s 硅相比，双极 硅能实现更高的截止频率。这就促成了b i c m o s 工艺技述的迅速发展。b i c m o s 工艺技术将双极工艺技术与c m o s 工艺技术结合，集二者的优点，形成的单个 工艺技术，从而实现了低功耗和高速度。已成为主要的模拟工艺技术。长期以来， 双极工艺技术是集成电路工艺技术的主流。现在的双极工艺技术有小到0 1 u r e 工 艺线宽的器件，并采用沟槽隔离技术，以减少隔离扩散所需要的面积。双极工艺 技术的优点是噪声低、跨导高和开关速度快，此外，双极工艺技术随着器件尺寸 减少，结构和工艺处理就更简单了。在r f i c 发展的初级阶段里，都是采用价格 高昂的g a a s 、i n p 等材料制造。而硅基( s i ) 器件( b j t 等) 并未受到人们的重视， 这是因为其作为衬底的晶片电阻率极低，损耗太大，加之工作频率低，仅被用于 制造数字i c 。研究表明，只有采用0 2 5 u r n 以下的工艺才能制造出2 g h z 应用的 r f i c 。 近几年来的技术实践和市场竞争，选择那一种工艺实现r f 前端逐渐明朗化。 g a a s 工艺是高速器件的主要工艺，工作频率高达6 0 g h z ，但加工成本高，集成 度低且与其他工艺不兼容。目前移动通信的工作频率在2 g h z 以下，所以，近来 的前端模块已不用这一工艺实现，而是广泛采用双极工艺实现。 双极工艺能以较低的成本生产出速度和集成度较高的器件，是目前大量采用 的前端实现技术，但随着b i c m o s 工艺的发展，已出现被b i c m o si 艺甚至 c m o s 工艺代替的趋势。 贵州大学硕士学位论文 c m o s 工艺一直是适宜于制做基带数字电路的工艺，是一种低功耗工艺技术。 随着亚微米、深亚微米工艺的成熟，制备高于2 g h z 删0 s 器件成为可能。因此， 能否利用这一物理实现级技术研制r f 前端成为移动通信终端设计中最为活跃的 课题。因为若能在这一工艺上实现r f 前端，则下一步就有可能实现整个移动通 信终端的单片集成，即促成硅上。蜂窝电话机”成为现实。与其它工艺( g a a s 、 双极等) 相比，c m o s 工艺也有其弱点：r f 器件模型不成熟，衬底耦合严重，参数 会随温度和工艺过程变化等等。这些问题有待进一步研究解决。近年来，也有许 多相关c m o sr f 电路的文章已经发表 9 7 。 1 3 研究的工作与创新点 本文主要介绍2 4 g h z 射频无线局域接收机，它主要包括低噪声放大器( l o w n o i s ea m p l i f i e r ，简称l n a ) 的设计。混频器( m i x e r ) 的设计。创新点在于： 1 射频接收机模块都使用c m o s 工艺设计，而不是采用传统的b i p o l a r 或者g a b s 工艺，可以和基带数字信号处理电路集成在一起，通用性和集成度很高；2 采用 零中频的接收机结构，不需要镜像频率滤波器，从而提高集成度；3 l n a 采用差 分共源共栅电感负反馈结构，降低噪声，提高线性度；4 混频器采用共模反馈电 路和电流源负载提高转换增益，使用交叉耦合差分输入形式提高线性度。 1 4 内容的概括 本文共七章，第一章是绪论；第二章阐述产生无线局域网的背景、工作频段、 优点；第三章介绍射频接收机前端结构，主要介绍了三种接收机结构特点。第四 章主要介绍在射频电路中最常见的两个问题：噪声和非线性；第五章的主要介绍 了射频接收机的r f 器件；第六章介绍低噪声放大器原理和设计方法；第七章介 绍混频器的原理和设计方法。第八章，设计工作总结。 6 第2 章无线局域网概述 第2 章无线局域网概述 2 1 无线局域网的背景 由于网络的日渐普及，使得网络所提供的相关服务，已经成为现代人在日常 生活中不可缺少的一部分，网络本身也逐渐成为现代通讯社会中一项极为重要的 通讯传输媒介虽然网络实现了网络无国界的理想，但其数据的传送方式无论是 通过电话线或是区域网路的连接，仍需要依赖缆线作为数据传送途径。因此人们 在使用网络时始终受限于缆线，大大限制了使用者的可动范围。 近几年来，随着移动通讯的蓬勃发展，有关无线通讯的技术与研究也日渐深 入，同时也促使了“网络无线数据通讯”想法的产生，即能否将目前相当成熟的 无线通讯技术应用于网络的服务上，以无线传输方式取代传统网络所依赖的缆 线。鉴于传统的网络需要依赖缆线而造成的不便利，i e e e 8 0 2 1 1 委员会自1 9 9 0 年开始，便积极地着手制定一个能够在固定的涵盖范围之内提供高速无线数据通 讯的系统规范，进而将传统的有线网络提升为无线区域网络，增加使用上的便利 性与行动性。在1 9 9 7 年，该委员会通过了第一个无线区域网络的系统标准，在 2 4 2 4 8 3 5 g h z 的i s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c a l ) 频带内，利用直接序列展 频( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ；b s s s ) 的技术或是跳频( f r e q u e n c y h o p p i n g ：f h ) 技术，可以提供最高2 m b p s 传输速率的无线数据通讯，该系统称为 i e e e 8 0 2 i i ，该规范奠定了无线局域网络( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ：l l l a n ) 系统的基础。之后委员会仍不断地提出其修改、延伸版本，一方面是希望增加该 系统的传输速率，使该系统在使用上更加普及化，另一方面也希望该系统能与现 有的短距离数据传输系统并行操作，如蓝牙系统( b l u e t o o t h ) ，以提供使用者随 时随地都能进行网络存取的服务，充分享用无线数据通讯的便利性。图2 - 1 为 i e e e 8 0 2 1 1 b 的传输速率与距离的说明示意图，图中同时也说明了其它操作于同 频带的无线数据通讯系统的效能与涵盖范围。 贵州大学硕士学位论文 图2 - 1 不同无线局域网数据速率与传输距离 2 2 无线局域网系统标准 虽然无线局域网的初型已经于1 9 9 7 年出炉，但该系统在传输速率上与传统 有线局域网之间，仍然存在着一段相当大的差距；同时也由于近年来网络资讯产 品在市场上流行，使用者对于数据传输率的需求日渐提升，使得只能提供2 m b p s 数据传输速率的无线局域网路，在实际应用上无法达到预期那样的广泛。因此， i e e e s 0 2 1 1 委员会为了提升无线局域网络系统传输速率，在1 9 9 9 年9 月通过了 一个延伸版本，称为i e e e 8 0 2 1 l b 。该版本操作于同样的i s m 频带内，除保留了 原有的1 m b p s 与2 m b p s 使用直接序列展频技术的传输模式外，额外增加了 5 5 m b p s 与1 1 m b p s 两种高速传输模式，该传输模式使用的调变技术为互补码调 变( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ；c c k ) ，在硬件上可与直接序列展频相容，并能同 时提供三个互不重叠( n o n o v e r l a p p i n g ) 的频道。同年，该委员会又通过了另一 个操作在5 6 h z 频段的延伸版本，称为i e e e 8 0 2 1 l a ，该标准使用正交分频多工 的技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ：0 f d m ) ，配合 m p s k ( m - a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 与m - o j o _ ( m - a r yq u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 的调制方式，传输速率最高可达到5 4 m b p s ，大大的提升了无线局 域网的实用性。 相对于上述的两种延伸版本，最新一个被提出的高速无线局域网络标准称为 i e e e 8 0 2 1 l g ，其系统亦可以在2 4 6 1 t z 的i 跚频带，利用下交分频多工的技术， 提供传输速率高达5 4 f o p s 的高速数据通讯，同时与原有之i e e e 8 0 2 儿b 之间， 并没有相容性的问题存在。现有的无线局域网络标准有上述四种，其操作频带、 8 第2 章无线局域网概述 传输速率、调制技术等等皆不尽相同( 见表2 - 1 ) 表2 - 1 标准名称l e e e 8 0 2 1 1i e e e 8 0 2 1 l bi e e e 8 0 2 1 l a i e e e 8 0 2 1 l g 频率范围 2 4 2 4 8 3 52 4 - 2 4 8 3 55 1 5 - 5 3 52 4 - 2 4 8 3 5 ( g h z )i s m 频带 i s l 4 频带 5 7 2 5 - 5 8 2 5i s m 频带 传输距离 l o o n1 0 0 m5 0 =1 0 0 调制技术d s s s f l io c “p h ：c0 f d mc c k o 删 d b p s k d ( ) p s km _ p s k m _ q l il 卜p s k 佃也m 通道间距3 0 删z2 5 删z2 0 删z2 5 删z 符号速率l i s p s1 m s p s2 5 0 k s p s2 5 0 k s p s 1 3 7 5 m s p s 1 ，1 3 7 5 m s p s 最大数据速率 2 m b p s1 1 m b p s 5 a , m b p s5 4 m b p s 标准制定时间1 9 9 71 9 9 91 9 9 92 0 0 3 2 3 无线局域网的优点 无线局域网的网络速度与以太网相当。一个a p ( a c c e s sp o i n t ) 最多可支 持1 0 0 多个用户的接入，最大传输范围可达到几十公里，具有以下几大特点。 ( 1 ) 具有高移动性，通信范围不受环境条件的限制，拓宽了网络的传输范围。 在有线局域网中，两个站点的距离在使用铜缆( 粗缆) 时被限制在5 0 0 m ，即使 采用单模光纤也只能达到3 0 0 0 m ，而无线局域网中两个站点间的距离目前可达到 5 0 k m 。 ( 2 ) 抗干扰性强。我们知道微波信号传输质量低，往往是因为在发送信号的中 心频点附近有能量较强的同频噪声干扰，导致信号失真。无线局域网使用的无线 扩频设备直扩技术产生的l l 位随机码元能将源信号在中心频点向上下各展宽 l l 唧z ，使源信号独占2 2 删z 的带宽，且信号平均能量降低。在实际传输中，接 收端接收到的是混合信号，即混合了高能量低频宽的噪声。混合信号经过同步随 机码元解调，在中心频点处重新解析出源信号，依据同样算法，混合的噪声反而 被解调为平均能量很低可忽略不计的背景噪声。 ( 3 ) 安全性能强。无线扩频通信本身就起源于军事上的防窃听( a n t i - j a m m i n g ) 技术；扩频无线传输技术本身使盗听者难以捕捉到有用的数据；无线局域网采取 网络隔离及网络认证措施；无线局域网设置有严密的用户口令及认证措施，防止 非法用户入侵；无线局域网设置附加的第三方数据加密方案，即使信号被盗听也 难以理解其中的内容。对于有线局域网中的诸多安全问题，在无线局域网中基本 上可以避免。 ( 4 ) 扩展能力强，在已有无线网络的基础上，只需通过增加a p ( 无线接入点) 及 相应的软件设置即可对现有网络进行有效扩展。无线网络的易扩展性是有线网络 所不能比拟的。 9 贵卅大学硕士学位论文 ( 5 ) 建网容易，管理方便。相对于有线网络，无线局域网的组建、配置和维护 较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作。 ( 6 ) 组网速度快、工程周期短。无线扩频通信可以迅速( 数十分钟内) 组建起 通信链路，实现临时、应急、抗灾通信的目的，而有线通信则需要较长的时间。 ( 7 ) 开发运营成本低。无线局域网在人们的印象中是价格昂贵的，但实际上， 在购买时不能只考虑设备的价格，因为无线局域网可以在其它方面降低成本。有 线通信的开通必须架设电缆，或挖掘电缆沟或架设架空明线；而架设无线链路则 无需架线挖沟，线路开通速度快。将所有成本和工程周期统筹考虑，无线扩频的 投资是相当节省的。使用无线局域网不仅可以减少对布线的需求和与布线相关的 一些开支，还可以为用户提供灵活性更高、移动性更强的信息获取方法。 ( 8 ) 受自然环境、地形及灾害影响小。有线通信除电信部门外，其它单位的通 信系统没有在城区挖沟铺设电缆的权力；而无线通信方式则可根据客户需求灵活 定制专网。有线通信受地势影响，不能任意铺设；而无线通信覆盖范围大，几乎 不受地理环境限制。 可以预期，在未来信息无所不在的时代，无线局域网将依靠其无法比拟的灵 活性，可移动性和极强的可扩容性，使人们真正享受到简单、方便、快捷的连接。 2 48 0 2 1 1 b 简介 对于工作在i s m 2 4 6 频段的w l a n ，其协议主要是i e e e 8 0 2 1 l b 。作为全球 公认的局域网权威，i e e e8 0 2 7 - 作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域内 独领风骚。 i e e e8 0 2 1 1 b 无线局域网的带宽最高可达1 1 m b p s ，比两年前刚批准的i e e e 8 0 2 1 1 标准快5 倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，也可根据实际情况采 用5 5 m b p s 、2m b p s 和1m b p s 带宽，实际的工作速度在5 m b s 左右，与普通的 l o b a s e t 规格有线局域网几乎是处于同一水平。作为公司内部的设施，可以基本 满足使用要求。i e e e 8 0 2 1 l b 使用的是开放的2 4 g b 频段，不需要申请就可使用。 既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用户摆脱网线的束缚， 实现真正意义上的移动应用。 i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网与我们熟悉的i e e e8 0 2 3 以太网的原理很类似，都 是采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送。不同之处是以太网采用的是 c s m a c d ( 载波侦听冲突检测) 技术，网络上所有工作站都侦听网络中有无信息 发送，当发现网络空闲时即发出自己的信息，如同抢答一样，只能有一台工作站 抢到发言权，而其余工作站需要继续等待。如果一旦有两台以上的工作站同时发 出信息，则网络中会发生冲突，冲突后这些冲突信息都会丢失，各工作站则将继 续抢夺发言权而8 0 2 1 1 b 无线局域网则引进了冲突避免技术，从而避免了网络 第2 章无线局域网概述 中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。 表2 - 2 i e e e8 0 2 1 1 b 优点 功能优点 速度2 4 g h z 直接序列扩频无线电提供最大 为l l m b p s 的数据传输速率，无须直线 传播 动态速率转换当射频情况变差时，降低数据传输速率 为5 5 m b p s 、2 m b p s 和i m b p s 使用范围 8 0 2 i i b 支持以百米为单位的范围( 在 室外为3 0 0 米；在办公环境中最长为 1 0 0 米) 可靠性与以太网类似的连接协议和数据包确 认提供可靠的数据传送和网络带宽的 有效使用 互用性与以前的标准不同的是，8 0 2 1 1 b 只允 许一种标准的信号发送技术。w e c a 将认 证产品的互用性 电源管理8 0 2 1 l b 网络接口卡可转到休眠模式， 访问点将信息缓冲到客户，延长了笔 记本电脑的电池寿命 漫游支持当用户在楼房或公司部门之间移动时， 允许在访问点之间进行无缝连接 加载平衡 8 0 2 1 l bn i c 更改与之连接的访问点， 以提高性能( 例如，当前的访问点流 量较拥挤，或发出低质量的信号时) 可伸缩性最多三个访问点可以同时定位于有效 使用范围中，以支持上百个用户同时语 音和数据支持 安全性内置式鉴定和加密 贵州大学硕士学位论文 第3 章r f 接收机的前端结构 射频接收机的任务是接收被噪声污染的己调信号，并提取源信息。接收机输 入端有用信号的能量通常可以从几个( 毫微微瓦) n m - ( 毫瓦) 之间变化。这要求 系统有很大的动态范围。除了大的动态范围和噪声，接收机系统需要降低成本和 功耗。所有参数的折衷和经济性是接收机设计所面临的极大挑战。通常，接收机 对输入信号进行检测前都需要经过滤波、放大和频率转换。增益、滤波、转换频 率与转换方法都将影响接收机的选择性和灵敏度特性。要在同一芯片上集成，需 要在噪声系数、增益和线性度中有很好的折衷。不同结构的接收机有不同的特性。 在实际应用中究竟采用哪种方案取决于系统要求的性能指标、复杂程度，功耗和 成本。在设计r f i c 电路前，首先对各种结构进行分析和比较，然后根据系统实际 应用选择最合理的结构模型。 3 1 超外差接收机 超外差结构自从a r m s t r o n g 在1 9 1 8 提出后一直被广泛沿用至今，结构如图 3 一l 所示。射频信号( r f ) 从天线下来，经过片外带通滤波器和低噪声放大器( 下 面简称为l n a ) ，出来的信号与本振信号( l 0 ) 通过混频器降频至中频信号( i f ) ， 后接的中频滤波器( 也叫声表滤波器) 抑制中频信道外的干扰，它的中心频率较 低，是选择信道用的。 天线 本振 频率 图3 - 12 4 g h z 超外差接收机结构 超外差接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。这是因为混频器往往并不是 一个理想乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号 n k 和本振信号n b ，以及混入的干扰信号( 如频率为珊l 与咤的干扰信号) 通过 第3 章r f 接收机的前端结构 混频器非线性特性中的基一高次方项组合产生组合频率，如l p q t o 。l 或 | ，吼。伽q 甩吐x ，若它们落在中频频带内，就会形成对有用信号的于扰。通 常把这些组合频率引起的干扰称为寄生通道干扰。 在寄生通道干扰中，一种称为“镜像干扰”的现象最为严重。一个与有用信 号相对位于本振信号的另一侧且与本振频率之差也为中频的信号，即 n k o - j l o + n h ，称为镜像频率信号。如果它没有被混频器的前端电路滤除而进 入了混频器，即使混频器是一个理想的乘法器，镜频信号与本振信号混频后仍为 中频，见图3 2 所示。由于中频滤波器无法将其滤除，它与有用信号混