（微电子学与固体电子学专业论文）cmos蓝牙射频发送器的研究与设计.pdf

复呈查堂堡主堂堡堡苎：塑墨一 一 摘要 蓝牙是一种低成本低功耗的短距离无线通信技术。近年来蓝牙产品和无线技 术应用领域的不断扩大，加上c m o s 工艺的持续发展，使得低成本c m o s 单片 集成无线接发器的研究与实现不仅具有现实经济价值，而且具有学术研究意义。 本文集中于c m o s 蓝牙单片集成发送器电路的研究和设计。论文将各种无 线发送器体系结构分为两大类：基于混频器变频的i 类发送器和环路结构的i i 类发送器，由于i 类发送器更符合无线技术的发展趋势，论文采用了低中频的蓝 牙发送器结构。分别设计了发送器中的g f s k 、上混频和功率放大器电路。 采用查表法和d d f s 技术设计了数字g f s k 电路，同时设计了七位电流驱 动型d a c 和g 。c 低通滤波器，实现完整的g f s k 调制功能。通过三角公式压 缩算法，d d f s 电路中的r o m 大小被压缩到1 1 2 ；利用分段译码和误差平均化 的方法来提高电流源精度，使得d a c 的转换精度完全达到七位，其d n l 在 0 5 l s b 以内；g - c 滤波器采用源漏电阻随电路工作状态可变的差分对管作源极 负反馈柬提高g 。单元的线性度，差模输入信号幅度在9 0 0 m v 的范围内，电路 的g 。变化不超过2 。 混频器采用双平衡的g i l b e n 结构，射频开关管工作在小信号驱动条件下， 降低输出高次谐波，低频管通过v - 1 变换单元来提高线性度；重点设计了a b 类 功率放大器，该电路采用两级结构，前级电路用来信号放大，同时具有带通滤波 功能，后级电路的设计结合了封装结构中的寄生参数，使得最大功率输出的同时 保证输出信号的频谱纯度，设计了片上集成电感和射频隔直电容：提出了两种减 小封装对电路性能影响的方法，对于信号线，利用差分线的奇模激励原理来减小 封装线的寄生电感效应，将寄生电感减小到5 0 以内，而针对电源( 地) 线，引 入串联电阻来降低封装线寄生电感的q 值，有效抑制其振荡。仿真结果显示发 送器电路最大输出功率可达1 4 d b r n ，功率放大器的附加功率效率为4 5 7 。 完成电路和版图设计后，采用0 3 5 9 i nc m o s 工艺进行两次流片。第一次流 片测试结果表明整个发送器电路在3 3 v 电压下总静态电流为1 9 m a ，与国外同 类产品功耗相近，低频的d a c 、低通滤波器电路均达到了设计指标要求，射频 电路在实现功率控制的同时，完成射频信号的输出。第二次流片结果还在测试之 中，从初测结果来看，芯片性能有望得到提高。 关键词：蓝牙射频发送器：c m o s ： a b 类功率放大器；封装寄生效应： 低中频发送器结构；g f s k 调制：d d f s 差分线的奇模激励 重呈查堂壁主堂鱼丝塞：塑墨 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sal o wc o s t ，1 0 wp o w e r , s h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i n r e c e n t y e a r s ，t h ee x p a n s i o n o fb l u e t o o t h p r o d u c t s a n dw i r e l e s s t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s ，a n dt h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc m o sp r o c e s s ，m a k et h e r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fj o wc o s tc m o si n t e g r a t e dw i r e l e s st r a n s c e i v e ri m p o r t a n t n o to n l yi ne c o n o m i c s ，b u ti na c a d e m i c s t h i s p a p e rf o c u s e so nr e s e a r c h a n dd e s i g no fc m o si n t e g r a t e db l u e t o o t h t r a n s m i r e r t h ea r c h i t e c t u r e so fw i r e l e s st r a n s m i t t e ra r ed i v i d e di n t ot w og r o u p s ： m i x e rb a s e da r c h i t e c t u r eo fc l a s sia n dl o o pa r c h i t e c t u r eo fc l a s si i s i n c et h e f o r m e ra c c o r d sb e t t e rw i t ht h et r e n d so fw i r e l e s sd e v e l o p i n g ，al o w - i ft r a n s m i t t e r a r c h i t e c t u r ei su s e df o rb l u e t o o t hi nt h i sp a p e r t h ec i r c u i t so f g f s k u p c o n v e r s i o n m i x e ra n dp o w e r a m p l i f i e r i nt h et r a n s m i t t e ra r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y g f s kd i g i t a lm o d u l a t i o ni sr e a l i z e du s i n gl o o k u pt a b l ea n dd d f s ，t h i s c i r c u i ta n d7 b i tc u r r e n t - s t e e r i n gd a c & g m cl o wp a s sf i l t e ra c c o m p l i s ht h ew h o l e g f s km o d u l a t i o nf u n c t i o n t h es i z eo fr o mi nd d f sc i r c u i ti sc o m p r e s s e dt o1 1 2 b yt r i a n g l ee q u a t i o na r i t h m e t i c i nd a c ，t h ep r e c i s i o no f c u r r e n ts o u r c ei si m p r o v e d b yu s i n gs e g m e n t a r c h i t e c t u r ea n d o p t i m i z e da r r a y , t h er e s o l u t i o na c h i e v e sl l s ba n d d n li si nt h er a n g eo f o 5 l s b ；i ng n l _ cf i l t e r , l i n e a r i t yo fg mc e l li se n h a n c e d t h r o u g hap a i ro fs o u r c e d e g e n e r a t e dd i f f e r e n t i a lc m o st r a n s i s t o r s ，w h o s er d sc a n v a r yw i t ht h ea m p l i t u d eo fi n p u ts i g n a l s ，t h ev a r i a t i o no fg mi sb e l o w2 w h e nt h e a m p l i t u d eo f i n p u t d i f f e r e n t i a ls i g n a l si si n9 0 0 m v w i t ht h er fs w i t c hm o sd r i v e nb y 血es m a l l s i g n a l s t h e d o u b l e b a l a n c e d g i l b e r tu p - - c o n v e r s i o nm i x e ro u t p u t sl o wh a r m o n i c s t h el i n e a r i t yo f l o w 丘e q u e n c y m o si sa l s oi m p r o v e db yav - ic o n v e r s i o nc e l l ；m a n ye f f o r t sa r ef o c u s e do nt h e d e s i g no f c l a s sa bp o w e r a m p l i f i e r ，w h i c hh a s a t w o - s t a g es t r u c t u r e t h ei n p u ts t a g e a m p l i f i e ss i g n a la m p l i t u d e ，a n db a n d p a s s e s t h e s i g n a l t h eo u t p u ts t a g ed e s i g n i n t e g r a t e st h ep a r a s i t i c so fp a c k a g e ，w h i c he n s u r e sb o t hm a x i m u mp o w e ro u t p u ta n d t h ep u r i t yo ff r e q u e n c ys p e c t r u m o n c h i pi n d u c t o ra n dc o u p l i n gc a p a c i t o ra r ea l s o d e s i g n e d ；t w os o l u t i o n st oa l l e v i a t et h ei n f l u e n c eo fp a c k a g ep a r a s i t i c so nc i r c u i t p e r f o r m a n c ea r eb r o u g h tf o r w a r d ，f o rt h es i g n a lc a s e ，o d d m o d ee x c i t a t i o nt h e o r yo f d i f f e r e n t i a ll i n ei s a d o p t e dt or e d u c et h ep a r a s i t i ci n d u c t a n c eo fp a c k a g eb y5 0 o r m o r e ，f o rt l l ec a s eo f p o w e r s u p p l y ( g r o u n d ) ，as e r i e sr e s i s t o ri si n t r o d u c e dt od e g r a d e t h eqo f p a r a s i t i ci n d u c t o ro fp a c k a g ea n dt h ep o s s i b i l i t yo fo s c i l l a t i o ni sr e d u c e d g r e a t l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u m o u t p u tp o w e ro ft h e t r a n s m i t t e ri su pt o1 4 d b m ，a n dp a e o f t h ep o w e r a m p l i f i e rr e a c h e s4 5 7 a f t e rt h ec o m p l e t i o no fc i r c u i ta n dl a y o u td e s i g n ，t h et r a n s m i t t e ri s f a b r i c a t e d t w i c ei no 3 5 p r oc m o s p r o c e s s t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sf o rt h ef i r s t l yl a b “c a t e d 复且大学博士学位论文摘要 c h i ps h o w t h a tt h et o t a ls t a t i cc u r r e n tu n d e rt h ep o w e r s u p p l yo f 3 3 vi s1 9 m a ，c l o s e t oi t s f o r e i g nc o u n t e r p a r t s t h ep e r f c l f i n a n c e s o fb o t h l o w - f r e q u e n c y d a ca n d l o w p a s sf i l t e rm e e tt h e i rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s ，a n dt h er f c i r c u i tr e a l i z e sr f s i g n a l p o w e rc o n t r o l l i n ga n dt r a n s m i s s i o n t h e t e s to ft h e s e c o n d l y f a b r i c a t e d c h i p i s u n d e r w a y , a n d f r o mt h e r o u g h m e a s u r e m e n t r e s u l t s ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h e t r a n s m i t t e rc a nb e e x p e c t e d t ob eb e t t e n k e y w o r d ：r f b l u e t o o t h t r a n s m i t t e r ；c m o s ；l o w - i fa r c h i t e c t u r e ；g f s k m o d u l m i o n ；d d f s ；c l a s sa bp o w e ra m p l i f i e r ；p a c k a g ep a r a s i t i c s ；o d dm o d e e x c i t a t i o n 星里查堂堡主兰垡堡塞 一 第一章绪论 1 i 论文的研究背景一蓝牙技术简介 无线通信技术使人们之间的信息传递摆脱了空间和自然条件的制约，它提供 了一种快捷广阔的通信方式，自十九世纪末m a r c o n i 在英格兰海峡第一次成功采 用无线电进行连续通信以来，无线通信能力已经得到了举世瞩目的发展，而随着 计算机技术的不断进步，互联网在上个世纪八九十年代得到了迅猛的发展，现在 互联网已经遍及国民经济和人民大众生活中的方方面面。无线网络综合无线通信 技术和互联网的优势，提供了一种无处不在、无月寸不有的自由通信方式，让世界 各个角落、人类文明发展史上的各种信息变得触手可及。在不同的应用领域，存 在不同无线网络技术标准，比较接近人们生活的有蜂窝系统、寻呼系统和无线局 域网( i e e e 8 0 2 1 1 1 等，蓝牙技术也是无线通信技术的一种。 “蓝牙”是欧洲历史上一位丹麦国王霍华德( 9 4 0 - 9 8 5 ，a d ) 的别名，这位国王 在公元十世纪率军统一了北欧，e r i c s s o n 公司于1 9 9 4 年将一种无线数据与语音 通信的开放性标准命名为蓝牙，是希望该无线标准同样能够统一和应用于全球。 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( i n d u s t r y , s c i e n c ea n dm e d i c i n e ) 频段，它以 低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连 接。如果把蓝牙技术引入到移动电话和便携型电脑中，就可以去掉移动电话与便 携型电脑之间的连接电缆而进行无线通信，打印机、p d a 、台式电脑、传真机、 键盘、游戏操纵杆及所有其它数字设备都可以成为蓝牙技术系统的一部分。除此 之外，蓝牙无线技术还为已存在的互联网和外设提供通用接口以组建一个远离固 定网络的个人特别连接设备群，支持蓝牙器件之间的点对点以及一点对多点的通 信。蓝牙技术还可以用来缎建自组织型的无线网络，这种网络的特点类似于“即 插即用”的概念，任意蓝牙技术设备一旦搜寻到另一个蓝牙技术设备，马上就可 以建立联系。而无须用户进行任何设置，也可以解释成“即连即用”，在无线电 环境非常嘈杂的环境，这种连接方式的优势尤为明显。 蓝牙技术的一大优势是它应用了全球统一的设定频率，这就消除了蜂窝式移 动电话系统中存在的国界障碍。但是，i s m 频段是对所有无线电系统都是丌放的， 因此其中的任意某个频段都会有不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、 汽车房开门器、微波炉等。为此，蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案以确 保链路稳定a 跳频技术是把频带分成若干个跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，在一次连接 中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发 双方是按这个规律进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行于扰：跳 茎二量堡堡 频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带成倍地扩展成宽频带， 使干扰的影响变成很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数 据包更短，这使得蓝牙技术比其它系统更稳定e l | 2 论文的研究意义一蓝牙的应用和市场前景 蓝牙产品根据不同的应用，可以大致分为四类”1 ，类与类之闽存在着重叠。 第一类是应用于各种适配器，如p c m c i a ，u s b 蓝牙适配器，c f 卡蓝牙适配器 等，这些适配器能够给己有的固定设备，如电脑和打印机等，实现无线连接的功 能；第二类是蓝牙电气产品，如蓝牙耳机，电脑和其外围设备的连接( 无线键盘， 无线鼠标，无线游戏操纵杆) ；第三类是嵌入式系统，这里的系统指电脑或其他 固定设备，蓝牙设备直接集成在这些设备里，对于p c 而言，可以将蓝牙系统直 接集成在主板上。嵌入到系统中后，就不必采用第一类的蓝牙适配器；第四类是 移动电话，通过适配器或直接嵌入等方式将蓝牙功能集成到移动电话中。 蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用能否达到一定的规模1 2 j 。 根据蓝牙的定位，蓝牙应该通过一个体积小、成本低、功耗低、跳速快的单芯片 来实现，只有低廉的价格才能在现有的通信产品、家电产品和办公产品中引入蓝 牙技术。虽然目前定义了不少蓝牙的应用，但这些都是对传统应用的改进，真正 基于蓝牙的特性的应用还是很少，这也将成为影响蓝牙市场发展的重要因素。不 过，即使蓝牙市场没有像预测的那样快速扩展，蓝牙的市场价值也不用怀疑，毕 竟需求才是影响市场的主要因素。 据a b i ( a l l i e db u s i n e s si n t e l l i g e n c e ) 的一项调查显示，尽管蓝牙市场有点 迟滞，但其发展没有丝毫减缓的趋势。预计到2 0 0 5 年，蓝牙设备的年出货量将 达到1 4 亿件，这意味着到2 0 0 5 年硅半导体市场将有相当大的税收收入f 约5 3 亿 美元) 。来自a b i 的一项最新研究预测蓝牙将渗透到1 7 个不同的市场领域，到 2 0 0 5 年蜂窝手机在当年所有蓝牙设备中所占的比例将小于4 7 ，比起2 0 0 2 年的 6 5 明显降低。随着这种变化的出现，蓝牙也将很快渗透到p c 、消费类电子产 品以及垂直应用市场部分。大多数人由于蓝牙解决方案的出现将目标对准了“硅 时机”引起硅市场庞大的竞争和创新，这种竞争使蓝牙硅产品价格急剧下降，当 蓝牙模块价格足够低的时候，才是蓝牙大规模占有市场的时候 将蓝牙采用c m o s 工艺完全实现片上集成，是降低蓝牙产品成本、推广蓝 牙技术的应用、提高蓝牙技术竞争力的一种重要手段。蓝牙系统的电路主要包括 基带和射频两个部分，现在v l s i 数字电路技术已经完全可以实现蓝牙基带部分 电路的c m o s 工艺片上集成，而采用c m o s 工艺实现射频电路目前还有一定的 技术难度，但相对其他无线标准而言( 如无线局域网标准8 0 2 1 1 ) ，蓝牙技术标准 2 复呈盔堂堕主兰垡笙墨 一 从一开始提出就定位于低成本，其射频部分的接口规范很好地体现了这一点【3 一， 如工作在i s m 频段、接收器的低灵敏度、发送器的低发射功率和功率谱罩要求、 t d d 双工模式、g f s k 调制等，充分考虑了包括c m o s 工艺实现难度在内的成 本问题，使得蓝牙系统电路的完全c m o s 工艺单片集成成为可能。低成本因素 是蓝牙产品应用和市场推广的最重要优势。 1 3 蓝牙集成电路芯片的研究现状 现在世界各大公司都推出过蓝牙产品。最早提出和推广蓝牙技术的e r i c s s o n 公司在1 9 9 9 年的c m o d e x 会展上展示了全球第一个蓝牙产品一蓝牙耳机。进 入2 0 0 0 年后，各种蓝牙产品发展异常迅速，m o t o r o l a 、i n t e l 、i b m 、t o s h i b a 、 h p 等公司相继推出各种蓝牙适配器、蓝牙笔记本电脑产品。正如上节所述，这 些蓝牙产品竞争优势和这些公司蓝牙产品发展策略的最重要因素是取决于蓝牙 集成电路芯片的成本，尤其是蓝牙射频电路模块的成本。 e r i c s s o n 仍然是较早推出单片集成蓝牙芯片的公司，该公司的最新蓝牙芯片 将基带和射频电路模块集成在同一硅片上，采用o 1 8 1 a mr f c m o s 工艺，d i e 面 积6 m m 2 ，最小功耗2 1 m w ，基本不需要片外射频分立器件。e r i c s s o n 公司还开 发了完整的蓝牙软件包、各种插件，还提供蓝牙芯片的认证服务，以及客户蓝牙 产品的定制和培训。 英国初创公司( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ，c s r ) 是家专门研究蓝牙芯片组的 公司，也是目前蓝牙芯片品质最优良、出货量最大、市场占有率最高的公司，既 有基带和射频模块单片集成的芯片，也有单独的射频或基带电路模块。c s r 的 第二代蓝牙射频模块产品采用o 1 8 p r oc m o s 工艺制造，p g a 封装后的芯片大小 为1 0 x1 0 r a m 2 ，芯片处于工作状态时最大电流2 6 m a ，支持蓝牙软件层的快闪内 存，现在该公司的单块蓝牙芯片售价不到5 美元。 b r o a d c o m ，c o n e x a n t ，a g e r e ，m i c r o t u n e 等世界知名集成电路设计公司对蓝牙 集成电路都作过研究，b r o a d c o m 公司还成功开发过低功耗、小尺寸封装的蓝牙 芯片。系统制造商如n o k a ，p h i l i p s 和t i 等公司的蓝牙芯片也通过蓝牙认证委 员会的认证，其中的t i 公司在大批量生产的前提下，可以提供价格低于4 美元 的单片蓝牙系统芯片。 此前，蓝牙在国内研究基本停留在对国外蓝牙芯片的应用开发上。2 0 0 j 年3 月在广州召开了第一届蓝牙技术国际交流会，探讨蓝牙的商业应用：东南大学还 举办过蓝牙应用技术培训班；广州电子技术研究所曾成功地将蓝牙芯片通过u s b 接口和p c 实现连接集成：就c m o s 射频集成电路研究而言，清华大学和东南大 第一章绪论 学对单个射频集成电路模块都进行过广泛地研究5 。们，但目前尚未见过对单片集 成发送器或接收器电路的研究报道。 1 4 论文的主要工作和创新 本论文的主要工作是c m o s 单片集成蓝牙发送器的研究与实现。图1 1 给 出了一种时分双工无线系统外差式射频接发器电路的简单框图，它基本上由两太 模块组成：发送器和接收器，这两个模块一般都需要本振( l o ) 载波信号发生电路。 语音或其他数字信号经基带电路压缩、编码等处理后叠加到调制信号的幅度或频 率中，再通过上混频将已调信号传送到便于无线发送的载波频率，载波信号经功 率放大后由天线发送到大气空间，信号在接收器中的处理过程正好相反。相对而 言，发送器电路的设计要比接收器电路简单，因为发送器中的信号是电路本身产 生的，比较容易处理，而接收器中的信号来源于大气空间，信号的强弱、频谱分 布都具有不确定性，但发送器发送出去的信号必须满足一定的条件，如信噪比、 功率大小、频谱杂散等。 习 i 竺竺竺i e 习o 令 旦i 臼b o 臼 d o w n - c o n v c r t o r 图l ，i 无线接发器电路框图 射频系统的电路设计需要综合运用多专业领域的知识，如无线通信、微波、 数字信号处理、集成电路设计、半导体器件以及微波电路仿真分析方法等。作者 在读博士期间查阅了大量有关c m o s 器件射频模型、微波电路、c m o s 集成电 路设计、无线通信、芯片封装等方面的文献，并在洪志良教授的指导下，设计了 一种低中频结构c m o s 蓝牙无线发送器电路，具体的设计电路模块包括整个 g f s k 调制电路( 主要由三个组成：2 0 m h z 的数字g f s k 调制电路、7 位2 0 m s s 电流驱动型d a 转换器、两阶g m c 型低通滤波器) 和功率放大器，参与了部分 上混频电路的设计工作( 上混频电路是另一位博士生的论文工作内容) ，该发送器 电路用o 3 5j t mc m o s 工艺两次流片，文章给出了第一次流片测试结果和第二次 流片电路的仿真结果，第二次流片的测试工作正在进行中。 复旦大学博士学位论文 论文的创新点主要体现在以下几个方面：在国内首次实现了一种低中频结 构的单片集成蓝牙无线发送器电路，并获得了实验测试结果；在射频功率放大器 的输出接口端综合分析了封装对电路性能的影响，如信号线的阻抗匹配，电源和 地线的干扰等，首次提出了利用差分线的奇模激励原理来减小封装寄生电感对信 号传输影响的方法，还提出了利用串联电阻来降低封装中电源和地线寄生电感的 品质因子，从而抑制谐波振荡；利用d d f s 技术，实现了单片集成的g f s k 调制 功能电路模块。 1 5 论文的组织结构 论文总共有六章内容。第二章系统地分析无线发送器的体系结构，比较了 这些结构优点和不足之处，最后选取了低中频的结构作为本文蓝牙发送器结构： 第三章和第四章是对蓝牙发送器中具体电路模块的研究与设计，其中第三章是发 送器电路的低频部分，介绍g f s k 电路的c m o s 实现，而第四章是射频部分， 重点介绍了射频c m o s 电路，尤其功率放大器电路的设计，结合封装结构，突 出了对功率放大器输出级的分析；第五章主要是第一次流片的测试结果及其分 析；第六章是论文的总结，同时展望了下一步工作内容。 第二章无线发送器体系结构研究及比较 第二章无线发送器体系结构研究及比较 2 ，1 概述 无线通信是利用人们日常生活所在的大气空间作为传输信道，来实现信息 的无线传输。为了控制信号在大气空间传送过程中的衰落，避免与其他同频率范 围内信号源的相互干扰，同时降低接发设备成本，日常有用的低频信号先要调制 到一定频段的射频载波上，经过功率放大后由天线发送到大气空间，接收器的天 线接收到射频信号后对其进行放大，通过下变频，解调出需要的低频信号。 尽管数字技术在现代通信中占有重要的地位，但是信号在大气空间中只能 以模拟的形式传播，实现信号在大气空间和基带数字电路中转换和传输( 包括发 送和接收) 的只能是模拟设备。由于工作在几百兆到几千兆的射频条件下，这些 模拟前端设备和器件必须具备足够高的工作速度，传统的实现方法是用g a a s ， s i g e 等工艺制造出分立的单片器件( 如功率放大器p a ，低噪声放大器l n a ，混 频器m i x e r 和本振信号发生器l o 等) ，再混合集成为无线前端接发器，其生产 成本和功耗都制约着无线通信的进一步发展。近年来c m o s 工艺向深亚微米方 向快速持续发展，单m o s 管的截止频率疗已经达到几十g h z ，使得c m o s 工 艺完全可以用于制造射频器件和电路，并有可能和基带数字电路集成在一起，这 种低生产成本和低功耗c m o s 接发电路成为国外的研究热点 1 1 - 1 3 1 。 无线发送器的主要功能是对基带信号进行调制、上混频到载波射频、并将 信号功率足够放大供天线发出，其电路系统的集成度和功耗大小与所采用的工艺 有关，也很大程度上取决于体系结构。无线发送器体系结构的选择主要考虑以下 因素：尽量减小片外器件的数量，以提高集成度，同对降低功耗；输出杂散频谱 必须控制在系统要求的范围内，不能造成对相邻信道的影响；在尽可能提高输出 功率效率的前提下，满足系统线性度的要求。 调制方式是影响无线发送器体系结构的一个关键因素。现代无线通信的调制 方式要在频谱效率和功率效率间进行折衷，主要可以分为常包络和变包络两大 类。常包络调制的信号幅度在传输过程中保持不变，是种非线性调制方式，信 号可由非线性p a 放大，高斯频移键控( c f s k ) 信号就是常包络调制的一个例子， 已调信号的功率效率较高：变包络信号( 如q p s k ) 具有较高的频带利用率，属于 线性调制，即传输信号的幅度随调制信号线性变化，整个发送电路都要具备足够 的线性度，使调制信号的失真限制在一定范围内。 除收音机和电视外，无线通信设备一般同时具备发送和接收功能，发送器 体系结构的选取应结合接收器电路同时设计，比如使用同频率综合器来得到载 6 星呈查堂堕主堂垡堡墨一 波信号，以达到整个收发系统电路的功耗和芯片面积等性能最佳。 本章主要介绍无线发送器的系统体系结构，对系统结构中中存在的问题给 出了相应的解决办法，并对各系统结构的优缺点作了 b 较分析；针对当前高数据 率变包络调制的通信技术，提出了一种无线发送器的线性化措施；最后根据蓝牙 技术的特点，采用外差式低中频结构作为本文蓝牙发送器的系统体系结构。 2 ，无线发送器的体系结构分析 根据上变频的方式，无线发送器的体系结构可以分为两类：基于混频器的 发送器结构和环路发送器结构，下面分别对这两类发送器结构作介绍。 2 2 1 基于混频器的发送器结构( m i x e r - b a s e dt r a n s m i t t e r ) 这种发送器电路的主要特点是使用混频器来实现上变频功能，它可以分为以 下几种类型。 1 外差式( h e t e r o d y n e ) 发送器 超外差式结构是a r m s t r o n g 在1 9 1 8 年发明的，由于具有优越的窄带选择性 能而被工业界广泛采用，所以外差式发送器是一种传统的发送器结构，图2 ，1 是 一个单级混频的外差式发送器示意图。一般来说，在基带电路中使用直接数字频 率综合( d d f s ) 技术实现正交调制，然后由d a c 将信号变换成模拟信号，再通过 混频器将调制后的中频信号上变频到载波r f 。当系统信道较窄而相邻信道功 率比( a c p r ) 要求较高时( 如g s m 标准规定：信道带宽为2 0 0 k h z ，移动终端最大 发射功率可达3 0 d b m ，对其最邻信道的干扰功率不超过一3 0 d b m ，a c p r 应为 6 0 d b e 8 0 d b e 1 4 1 1 ，必须在混频到载波前使用中频滤波器对中频信号中的镜像 和谐波成份进行抑制，由于片上集成滤波器的q 值有限，需要采用分立的滤波 器件，但中频伊频率仍需取载波频率的1 1 0 左右【l 舢，这就要求提高d d f s 电路 的工作频率或采用多级混频。 图2 1 外羞式发送器 外差式发送器虽然性能好，其缺点也很明显：d d f s 电路或多级混频电路( 一 般为几十m h z 到几百m h z ) 的功耗大，而且需要很大电流来驱动端口低阻值的 第二章无线发送器体系结构研究及比较 匹配阻抗( 5 0 q 或1 0 0 q ) ：另一方面，由于滤波器和调节阻抗匹配等片外器件 的存在，系统的集成度很低。 2 ，直接混频( d i r e c t u pc o n v e r s i o n ) 发送器 直接混频结构克服了外差式发送器的上述缺点，它利用基带传输的二进制 信号来直接调制混频器，即一个混频器同时完成调制和上变频的功能，如图2 2 所示。这种结构的发送器中没有中频信号，所以不存在镜像信号，省去了中频带 通滤波器，基带信号经过整形电路后即直接输入到上混频电路，所以系统的集成 度和功耗性能都大大提高。 直接混频发送器的缺点是电路中的直流失调以及1 ，噪声会随基带信号一 起通过上混频电路输出到载波。直流失调主要有两个来源：一是上混频电路或后 级功率放大电路的输出信号耦合到混频器的输入端，通过混频器和本振信号乘积 得到直流信号，或者本振信号直接耦合到混频器的输出，通过功率放大后发送出 去后影响接收机的性能；二是电路中晶体管失配所致。l 厂噪声则主要由电路中 m o s 管引起。对于使用相同载波频率综合电路的接收机而言，这种直流失调和 1 矿噪声也会同样存在。由于常用的调制信号频谱中本身就含有的直流成份( 如 g m s k 频谱在直流处为峰值) ，很难将其和电路的直流失调和l 厂噪声分离开来， 无法保证进入解调电路的信号的信噪 ：l ( s n r ) 。一种可能的解决办法是基带处理 方法 1 引，即在发送的数据帧前面插入导言字节，这些导言信号中包含已知的直 流分量，通过分析解调后导言信号的频谱即可计算出由前端接发系统引起的直流 失调。这种方法还可以减小低频噪声的影响，但是以降低有效数据的传输率为代 价，也要求a d 转换器有很高的精度。 0 图2 , 2 直接混频式发送器 3 低中频( l o w - i f ) 结构发送器 低中频结构发送器在集成度、功耗和性能方面是前两种结构的折衷，在系 统性能要求不高时是一种好的选择( 如蓝牙规范中要求对最邻信道的a c p r 为 一2 0 d b c ) ，其电路结构与图2 1 相似，信号在基带中用数字调制到一低频伊载波 上，然后经d a 变换为模拟信号，再用片上可集成的低通滤波器抑制时钟频率 两旁的混叠信号。如果上混频电路的线性度很好而且具有镜像抑制功能，则可以 复旦大学博士学位论文 省去其后的带通滤波器。 基于混频器的发送器结构灵活，可以实现调频或调幅信号功能，也比较适 合多制式的系统电路设计，如使用4 5 0 m h z 和1 3 5 0 m h z 两级本振信号混频，则 后级混频的上下边带中心频率分别为9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z ，通过改变后级混频 正交信号的接入方法，很容易实现g s m 和d c s l 8 0 0 双制式的射频信号发送i l ”。 如果外差式发送器的中频频率足够高，使得中频谐波在系统通信频段之外，则可 在混频器后不添加滤波功能。对于直接混频而言，需要防止射频信号的耦合，即 使采用前面所提到的基带处理方法来解决直流失调问题，在版图设计时也要采取 隔离措施，一方面是减小射频耦合，另一方面防止功率放大电路对振荡在附近频 率的v c o 的“牵引作用”，造成频率漂移。 这类发送器的电路一般都采用差分结构，抑制偶次谐波，降低滤波要求。 另外，混频之前的信号般都采用正交信号形式，即具有i ，q 两个信号通路， 来实现对镜像信号的抑制，这种正交信号可以理解为复数信号形式。混频器实现 乘法功能，对于两个实数信号： 一叫= 鼍 和y = c 。s 吲= 掣 ，它们相乘后得到的结果为： ( 2 1 ) z ：x v ：c o s ( t o , + o ) 2 ) t + c o s ( o ) , - o ) , ) t p m 蚓，打吲，+ p 二一) ，打加m ” ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 可知，实数正弦信号c o s ( ) ，在频域有国和一珊两个分量， 它与另一实数正弦信号c 0 9 0 9 ：t 相乘后的信号频谱具有( 0 9 + 出，) 和( ) 一国，1 四个部分a 假定x 为射频载波信号，y 为含有数据信息的低中频信号，则y 在频 域是哆中心附近定带宽范围内的频谱分布。在通信中只取中心频率为 ( 珊。+ 0 9 ：) 和( 国一0 9 ：) 频谱的二者之一( 上边带或下边带) ，另一频谱成份必须 滤除，否则会对其他信道造成干扰，也可能由于系统的非线性而干扰该信道本身。 两个正交信号可以采用复数表达形式： 9 ”q 扩 = 1 1 ， ， q 甜 = 星 ：曼 + 甜 啷 瞄 i l = 一x y 整三垩重垡垄垄矍堡墨堕塑堕墨墨些堑一 它们相乘的结果为： z x y ( c o s o ) 、，+ ，s i n 出l ，) - ( c o s 珊2 t + ，s i n 甜2 f ) = c o s ( ( ) i + 0 9 2 ) t + j s i n ( o 口i + 功：弘 ( 2 ，4 ) 2 e ，( m 。2 ” ，即结果只有单边带信号。最后输入到功率放大电路的信号应恢复为实数信号， 即只取式f 2 4 ) 0 0 的实部。 式( 2 4 ) 是一种理想情况，它是在实现乘法的混频器增益完全相等、输入正交 信号的幅度和相位都完全匹配的情况下得到结果。由于温度、工艺偏差等原因， 混频电路的增益不可能完全等同，输入信号相位和幅度也只能近似匹配，这种正 交信号幅度和相位的失配可以等效为正负频率的串扰，产生镜像信号，1 的幅 度和相位失配分别会引起4 0 d b 和一3 5 d b 镜像信号【i 。采用d d f s 产生的低中频 正交信号可以具有很高的匹配精度，正交本振信号产生的方法有以下几种：a ) 振 荡器的输出分别通过一r c c r 网络( 该r c 时间常数等于振荡周期) ，r c 和c r 电路分别输出相移+ 4 5 。和一4 5 。的信号【l ”。由于工艺偏差( 电阻和电容的相对误 差在2 0 - - , 3 0 ) ，相位误差在3 。以上，需要对r 和c 作片上修整，但在本振信 号频率改变时( 如蓝牙中的跳频扩频) ，幅度匹配性将进一步恶化，需要增加幅度 限制电路，同时r c c r 结构也增加了振荡器的负载；b ) 用占空比为5 0 的本振 信号作为时钟信号，分别触发上升沿触发和下降沿触发的两个分频电路，可以得 到相位误差低于1 。的正交信号，浚误差主要来自两个分频电路的不等延时和本 振信号5 0 占空比偏差，本振频率较高时误差尤为明显【1 叭。这种电路的缺点是本 振信号的振荡频率是两倍载波频率，整个电路功耗偏大；c ) 采用多相振荡器直 接输出正交信号。环形振荡器就是一种多相振荡器，但其相位噪声和振荡频 率都难以满足通信系统对本振信号的要求；多l c 振荡环路也可以产生正交信号， 它是将两个差分结构的l c v c o 环接在一起，正交相位误差可以低于r t 2 2 0 1 ， 幅度误差不超过0 1 d b 1 2 】，但是必须保证两个v c o 的振荡频率一致，而且要防 止整个环路双峰振荡( b i m o d a lo s c i l l a t i o n ) 现象的出现t 2 ”。所以，采用基于混频 器的发送器结构，正交本振信号的产生电路和以及混频器自身增益的匹配都是需 要认真研究的。 2 2 2 环路发送器结构( l o o pt r a n s m i t t e r ) 基于压控l c 振荡器( v c o ) 的锁相环( p l l ) 是常用的射频电路。以图2 3 的i i 型p l l 为例，它主要由鉴频鉴相器及电荷泵( p f d c p ) 、低通滤波器、v c o 和分 频器四个模块组成，v c o 输出的。频率受电压k 。控制，圪。的频率经n 分 频后作为反馈与参考频率矗f 比较，根据二者的相差决定v c o 控制电压吒。的 大小，以精确调整p l l 的输出频率。在基于混频器的发送器中，p l l 只用来给 星旦：盔堂竖主堂垡丝三 一 上混频电路提供本振信号，而在环路发送器中，调制和上混频功能都在p l l 电 路中实现，提高了集成度，这种发送器结构目前比较常用【2 2 彩1 。 l p f o u t ( s ) 图2 31 1 型锁相环( p l l ) 原理圈 为了更好地了解环路发送器的原理，先介绍一下p l l 电路中各相位噪声与 输出相位噪声的关系。设p f d c p 的增益为凰d ( 单位：a r a d ) ，v c o 的灵敏度为 凰。“单位： z v ) ，低通滤波器的跨阻传递函数为z ( s ) ，而庐。( s ) 、庐。如) 、毋。( s ) 和庐m ( s ) 分别是参考时钟输入相位噪声、v c o 电路的相位噪声、p l l 输出相位 噪声和分频器产生的相位噪声。基于线性相位噪声模型，图2 3 中各相位噪声传 递函数及其特性如表2 1 所示【2 6 】： 表2 i 锁相环相位噪声传