（微电子学与固体电子学专业论文）cmos射频集成电路的低噪放模块的设计.pdf

摘要 摘要 多种无线通讯系统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关键模块射频集成电 路，成为当前的研究热点。由于市场对重量轻、体积小、功率低、成本低的收发 器的需求的迅速增加，提高收发器的集成度成为解决上述需求的重要途径。而传 统的工艺如砷化镓( o a a s ) 工艺等不能集成低压大规模数字i c 和d a 转换器，已经 不能满足集成芯片( s o c ) 的要求。尽管基于锗硅工艺的硅异质结器件可以用于射频 电路设计，但随着特征尺寸的减小，电源电压的降低，器件的线性度退化会比较 严重。而c m o s 由于工艺的飞速发展，从而在射频i c 中的应用成为可能，并且可以 与数字i c 集成，再加上它的低成本和低功耗的优势，已成为射频集成电路的研究 热点方向。本文主要研究应用于2 4 g h zb l u e t o o t h 射频前端的基于c m o s i 艺的低 噪声放大器模块的实现方法。 本文对m o s 管的射频特性、噪声特性以及电路中的无源器件的特性进行了分 析，系统研究了提高无源器件性能的方法，提出了增加片上电感品质因数q 值的 技术途径；接着对r f i c 的几种常用的接受机架构的性能指标进行了比较，并根据 s o c 的特点，选择了适合的架构来进行电路设计；最后分析了目前较为流行的几 种l n a 实现方式，比较了它们在增益、噪声、线性度、输入阻抗和功耗等方面的 性能，提出了一个单端形式的l - d e g e n e r a t e d 级联l n a 结构，并采用a d s 软件对 l n a 进行了优化。最后采用了c a d e n c e 中的v t r t u o s o 工具完成了对电路版图的布 局和优化。 从理论上分析了影响l n a 的线性度和噪声的因素，由此提出了一种可以较好 的解决l n a 设计中噪声和线性度之问的折中的方法，并在实际模拟中得到比较好 的验证。最后采用这种方法设计了一个基于t s m c 的0 2 5 9 i n 工艺的2 4 g h z 的低 噪声放大模块，仿真结果显示i _ n a 在2 4 g h z 的增益达到1 6 5 d b ，n o i s ef i g u r e 为1 2 d b ，有- 4 0 d b 的反向隔离增益，1 1 1 3 达到了0 d b ，性能达到了b l u e t o o t h 的要 求。 关键词：蓝牙c m o s 射频集成电路低噪声放大器噪声系数线性度 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，f a s td e v e l o p m e n t o fp e r s o n a l c o r r e s p o n d e n c es y s t e ma n d n u m e r i c a lt e l e v i s i o n ，b r o a d c a s t ，m a k et h er e s e a r c ho fr f i cb e c o m eh o tp o i n t ，w h i c h l e a d st oa ni n c r e a s i n gd e m a n do fl o wp o w e r ，l o wl o s t ，h i 【g hp e r f o r m a n c e ，h i g h i n t e g r a t i o nc o m m u n i c a t i o nr f i c b u tt r a d i t i o n a lp r o c e s s e s ( e x a m p l e ： g 丑a s lc o u l d n t b eu s e dt oi n t e g r a t et h el o w - v o l t a g e 、l a r g e - s c a l ed i g i t a li ca n dd ，ac o n v e r t ，s ot h e y d i d n ts u i tf o r t h ei n t e g r a t e dc h i p ( s o c ) n o u 曲g e s ic o u l db eu s e df o rt h er f i c d e s i g n ，i t sl i n e a r i t yd e g e n e r a t i o nw i l lb e c o m es e r i o u sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i cs i z es h o r t e r a n dt h ev o l t a g el o w e r w i t ht h em a t u r a t i o no fd e e p s u b m i c r o m e t e rc m o sp r o c e s s i t w i l lc h a l l e n g eg a a s ，b i p o l a r ，b i c m o sp r o c e s sa n db e c o m et h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g y o fr f i cf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h eg o a lo ft h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h e i s s u e so f2 4 g h zr fc m o sl n a o p t i m i z a t i o n f i r s t l y ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h er fm o d u l ea n dn o i s em o d u l eo fm o s f e t o nt h e o t h e rh a n d , s o m er e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eo nt h ea n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p a s s i v ed e v i c e sa n dh o wt oi m p r o v i n g f o re x a m p l e ，h o wt or a i s et h eq u a l i t yf a c t o rq v a l u e s e c o n d ly ，w i t ht h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fd i f f e r e n tr e c e i v e r s t o p o l o g i e s ，1 c h o o s es u i t a b l el o w - i fi m a g e 丘e q u e n c yr e j e c t i o na r c h i t e c t u r ef o rb l u e t o o t h t h i r d l y ， s o m ep o p u l a ri _ , n as t r u c t u r e sa r es t u d i e da n dc o m p a r e do v e rb e n c h m a r k so fg a i n , n o i s e ， l i n e a r i t y , i n p u ti m p e d a n c ea n dp o w e r , t h e nas i n g l el - d e g e n e r a t e dc a s c a d el n ai s p r o p o s e d , w h i c ha d d r e s ss o m eo ft h ep r o b l e m se n t a i l e di nd i r e c t - c o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e i t ss i m u l a t e db ya d s a tt h ee n d ，t h el a y o u to fl n ah a sb e e nc a r r i e do u tb yv h 。m o s o i na d d i t i o n , t h ef a c t o r so ft h ei n f l u e n c i n gl n al i n e a r i t ya n dt h en o i s eh a v eb e e n s t u d i e di nd e t a i l an e w w a yt oi m p r o v et h el i n e a r i t yo ft h el n aa n dk e 印t h el o w n o i s ef i g u r eh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r df r o mh e r e a2 4 g h zr fl n am o d u l ei s r e a l i z e di n i s m c0 2 5 脚b yt h em e t h o d t h eu 悄a c h i e v e d0 3 - d b ml i p 3w i t h 1 6 5 一d bg a i n 1 2d bn f ，- 4 0 d bs 1 2 。n ef i n a ls i m u l a t i o np e r f o r m a n c eo fl n ac o m e s t ot h ed e m a n do ft h eb l u e t o o t h k e yw o r d s ：b l u e t o o t h r f i cl o wn o i s ea m p l i f i e rn o i s ef i g u r e l i n e a r i t y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丕燮日期： 2 口西1 1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期：塑! ! ；! ：堡 缈6 i i l 第一章引言 1 第一章引言 近年来，随着微电子技术的飞速发展，集成电路进入了一个崭新的发展纪元。 在性能不断提高的同时，其体积越来越小，重量越来越轻，而价格越来越低。2 1 世纪，微电子技术仍将以特征尺寸不断缩小的硅基c m o s 工艺技术为主流。c m o s 单片集成电路是将有源和无源器件共同集成在一块芯片上，实现一个系统功能或 几个子系统的功能，如数字电路和射频电路的全单片集成。这种全单片集成无疑 极具吸引力。 1 1 研究的目的 近年来，无线通讯系统，如无绳电话、手机、p d a 等，已经成为人们日常生 活中不可或缺的一部分。多种无线通讯系统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关 键模块射频集成电路，成为当前的研究热点。射频i c 设计与数字i c 设计不同， 射频l c 的设计优化是多维的，除了数字l c 所要求的功耗、速度、产量外，在对射 频i c 进行优化时，还必须考虑系统部件的噪声、增益、线性度、最大功率传输等 需要折中考虑的因素。由于激烈的市场竞争，通讯系统对射频i c 不断提出小型化、 低功耗、低成本和高集成度的要求作为接收通道的关键前端电路，c m o s 射频低 噪声放大器( r fl n a ) 自然是其中的一个重点研究领域。本文主要是研究如何利用 c m o s t 艺来设计2 4 g l - l z l v j - 频前端中的低噪声放大器模块的方法，为射频c m o s 集成电路设计的实现提供一个设计参考。 1 2c 1 1 0 s 射频集成电路的发展现状 当前在射频集成电路领域主要采用的工艺技术是：b i p o l a r 、g a a s 、c m o s 、 b i c m o s 和s i g e 工艺 4 1 。由于双极性晶体管( a j t s ) 和砷化嫁器件具有较高的截至 频率( f t ) 和较低的噪声系数，因此它们在早期的高速和高频电路设计中得到广泛的 应用。在这些技术中，由于砷化镓技术不能集成低压大规模数字i c 和d a 转换器， 因此不适合系统集成芯片( s o c ) 的要求；尽管基于锗硅工艺的硅异质结器件可以 用于射频电路设计，但随着特征尺寸的减小，电源电压的降低，器件的线性度退 化会比较严重。 随着c m o s 工艺的进步和器件特征尺寸、沟道长度的不断减小，以及截止频 率的不断增加和最小噪声系数的减小，从而使体硅c m o s 技术在射频i c 中的应用 2 c i i o s 射频集成电路的低噪放模块的设计 成为可能。目前c m o s 器件的截至频率已经达到1 0 0 g h z ，同时随金属层数的增 加，为片上无源元件的特性改善提供了基础。 另一方面，由于工艺开发成本，c a d 基础设施以及工艺转变时间等因素，使得 人们越来越希望仅采用一种主流的数字c m o s 工艺来生产所有的l c 产品。“模拟 工艺”将可能慢慢退出历史舞台。 采用数字c m o s 工艺来设计射频和模拟电路面临着许多难题：一，可用的有 源和无源器件的种类十分有限；二、由于工艺是专为数字电路设计优化的，器件 只是根据简单的基准进行参数提取和建模，其精度不能满足射频电路要求。尽管 这两个问题可以通过电路结构的优化来改善，但较差的参数提取使得射频电路在 c m o s 设计中举步维艰，电路不能很好地发挥工艺原本的速度和性能。由于c m o s 工艺参数提取和优化通常仅考虑速度和功耗两大因素，而模拟电路设计时要考虑 的因素要复杂的多，因此在模拟设计中要应用数字c m o s 工艺非常困难。 图1 1 是模拟电路设计的八角示意图。在模拟电路设计中，任何两个参数之间 都要互相权衡，而这些只有当基于工艺的相关数据都得到后才能确定。 输入 图1 1 模拟设计八角图 由于目前不准确的建模和缺少相关的模型，人们提出了专门化的“模拟参数提 取”这一概念。虽然大量精力己被投入到改进亚微米器件的模型上，但其精确度总 赶不上不断变小的工艺尺寸所带来的系统参数变化。换句话说，似乎没有一代 c m o s 器件能有足够精确的模型。 同时麻该注意到数字电路正越来越快地从一代转移到下一代，而模拟电路往 往总是落后一代以上，不能很好地利用最新工艺的潜力。如果能对器件的特性和 限制有清楚的认识，就能有效地减少重复设计的次数，因而加快市场化的时间f i 缸e 第一章引言 3 t om a r k e t ) 。如果所测量的数据能描述器件的模拟行为，同时得到相关的子电路， 将大大地简化模拟电路的设计。但是至今还没有见到当工艺成熟后，就能提供所 有必要数据的情况，往往f o u n d r y 提供的相关数据都要经过从低版本到高版本改进 的过程。 作为模拟设计作工艺参数提取面临着许多问题： 由于缺乏统一的模拟测量基准，因此必须为不同系统建立不同的测试结构。 运算放大器、滤波器、比较器、数据转换器、振荡器、锁相环、频率综合器，以 及r f 接收发机都有着各自不同的功能，极大的依赖于器件的建模特性。 一些器件的参数，比如，电容的不一致性以及热噪声，都难于测量。因此， 必须在硅片中添加适当的电路以保证测量的可靠性。 一些测量出的特性很难包含在仿真器中。比如，依赖于晶体管输出阻抗的电 压不能简单的包含在运算放大器的仿真中。因此在这种情况下，可能要求设计一 个完整的电路以测量总的效应。 大量的测试结构需要充实的测量时间和精力。因此必须将测试的自动化程度 尽可能的提高。 测试结构和电路必须设计成能以最小的修改而又方便的移植到下一代工艺 中。 目前国内自主技术的移动通信射频产品研究处在起步阶段。南京固体器件研 究所则在g a a s 工艺技术上开发了相当的射频集成电路，因而具有射频电路设计的 良好基础，为r fc m o s 电路和系统设计提供有力的技术保障。例如：手机用收发 开关，低压高效功放，c d m a 用高线性功放，手机用低噪声放大器，较高集成度 的发射组件等等。 适合2 g h z 以上的硅工艺，如0 2 5 【l mc m o s 工艺，目前国内已经有好几家合资 的f o u n & y 拥有完整的技术。国内硅器件研究单位和企业，其工艺多在0 5 um - 1 z m 之间，研制的器件工作频率约在1 g h z 以下，由于深亚微米工艺技术含量较高，近 期内难有改观。 1 3b l u e t o o t h 系统简介 蓝牙是一种低功耗的无线技术，目的是实现常用办公设备和家用电器的无线连 接。蓝牙的英文名称是b l u c t o o t h ，是1 9 9 8 年5 月由e r i c s s o n 、m m 、i n t d 、n o k 认、 t b s h j b a 等5 家公司联合制定的无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率 1 m b s ( 有效最大传输输率为7 2 1 k b s ) 、最大传输距离为1 0 i n 的无线通信。 出于简化日常设备连接方式甚至彻底消除有线连接的目的，蓝牙将对我们的 日常生活产生多方面的影响。移动电话、电脑和p d a 能够随心所愿地实现很快和 4 c m o s 射频集成电路的低噪放模块的设计 简单的连接。当然，蓝牙应用不止局限于家庭和办公室等室内范围，移动的音乐 播放器、数码相机、数码摄像机甚至儿童玩具都可能采用蓝牙技术，甚至包括一 些工业控制和公共服务领域。 简而言之，蓝牙技术的诱人之处在于用户能够享受到简单，可靠和便宜的连 接方式，可以想象，蓝牙带给我们的将是一个巨大的市场。 1 3 1 蓝牙协议简介 蓝牙( b l u e t o o t h ) s i g ( s p e c i s di n t e r e s tg r o u p ) 是蓝牙协议的制定组织。向全球各 个蓝牙开发使用组织提供了一个共同的无线通信标准，以及基于此协议的几种应 用。不同应用会用到不同的协议堆栈。但是，每一个协议栈都使用公共的蓝牙数 据链路和物理层。图1 2 是支持多种蓝牙应用的完整蓝牙协议栈的结构。 整个协议栈可以分为两部分，一部分是蓝牙特有的协议，比如：l m p 链路管 理协议) 和l 2 c a p ( 逻辑链路控制和适配协议) ；另一部分是非蓝牙专有的协议，比 如：p p p ( 点对点协议1 和w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 协议具体可以分为4 层 核心协议：b a s e b a n d ( 基带) 、h c i ( 主机控制接口) 、l m p 、l 2 c a p 、s d p ( 服务 搜索协议) ； 电缆替代协议：r f c 0 m m ； 电话传送控制协议：t c s 、a t 命令集； 可选协议：p p p 、u d p i t c p i p 、o b e x ( 对象交换协议1 、w a p 、v c a r c ( 电子 名片交换格式) 、v c a d ( 电子日历及日程交换格式) 、w a e ( 无线应用环境) 。 图1 2 蓝牙协议栈 第一章引言 5 在一项具体的蓝牙应用里，并不会用到所有的协议，只是根据具体的应用选 择适当的协议栈结构。比如文件传输应用时，就只用到w a e ，o b e x 和r f c o m m 协议。当然，核心协议是所有应用都需要的。 蓝牙技术确保了系统平稳运行，为更多的应用环境提供了软件和硬件基础。 基于这个开放的物理连接平台，使得应用开发商能够充分利用蓝牙的优势推出新 颖的产品。 1 3 2 蓝牙网络简介 蓝牙最基本的网络组成是p i c o n e t ( 匹克网) ，同一匹克网上的单元之间共享一条 信道。每个匹克网都由2 个或更多的蓝牙设备组成。设备之间有主从之分，主单元 ( m a s t e r ) 只有一个，而从单元( s l a v e ) 可以有多个。主单元控制整个p i c o n e t 的通信过 程。为了简化网络的控制，蓝牙协议规定同一时间每个匹克网中最多只可以有7 个 从单元处于活动状态，其余从单元必须处于休眠状态。 具有重叠覆盖区域的多个p i c o n e t 构成一个s c a t e r n e t ( 散射网) ，每个p i c o n e t 只 能有一个主单元，从单元可基于时分复用参加不同的p i c o n e t 。另外，在一个p i c o n e t 中的主单元仍可以作为另一个p i c o n e t 的从单元，各p i c o n e ti 间不必以时间或频率同 步。各p i c o n c t 有各自的调频信道。蓝牙设备网络组成结构如图1 3 所示。 卅 b ( a ) 最简单的p i c o n e t 多个从单元的p i c o n e t 图1 3 蓝牙设备网络组成结构 1 3 3 蓝牙r f 简介 c ( c ) s c a t t e m e t 蓝牙r f 电路工作在2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c i n e ) 频段。世界 上大部分国家的i s m 频段范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z ，但有些国家有不同的限制，可能 使得频段宽度变化。几个主要的国家和地区定义如下： a丫； a 6 c m o s 射频集成电路的低噪放模块的设计 表1 1 不同国家和地区的b l u e t o o t h 频段范围 国家地区频段范围可选频率 美国和欧洲? 2 4 0 0 - 2 4 8 6 5 m h z f = 2 4 0 2 + k m h zk = 0 1 ，2 2 日本 2 4 7 1 2 4 9 7 m h z f = 2 4 7 3 + k m h zk = 0 1 ，2 2 法国2 4 4 6 5 - 2 4 8 3 5 m h zf = 2 4 5 4 + k m h zk - - o , 1 ，2 2 西班牙 2 4 4 5 2 4 7 5 m h zf = 2 4 4 9 + k m h zk = 0 1 ，2 2 i s m 频段是对所有无线电系统都开放的，因此其他设备会对b l u e t o o t h 设备工作 发生干扰，甚至在没有建立对话连接的b i u e t o o t h 之间也会产生干扰。为此，蓝牙 特别采用了扩频调制中的f h s s ( f r e q u e n c y h o p p i n g s p e c t r u ms p r e a d i n g ) 方式，而 8 0 2 1 1 采用d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p e c t r u ms p r e a d i n g ) 方式。 f h s s 技术是把频带分成若干个调频信道，在一次连接中，r a d i ot r a n s c e i v e r ( 无线电收发器) 按照一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，这个码序列 是通信双方在建立连接时确定的，不会受到其他码序列通信的影响。跳频的瞬时 带宽很小，但通过调频使得频段拓展得很宽，可以大大的降低干扰的影响。蓝牙 系统的每个c h a n n e ls p a c i n g ( 信道宽度) 都为1 m h z ，跳频速率是1 6 0 0 次，秒，也就是 每隔6 2 5 岸sc h a n n e l 变化一次。但由于不同国家或地区可能会有不同的频谱宽度， 因此，不同国家应该采用不同的跳频算法，这也就导致来自不同国家的产品有可 能不兼容。 蓝牙采用高斯滤波的二进制f s k 调制，或称为g f s k 调$ 1 j 。在调制前先对n r z 信号进行高斯滤彼，可以大大降低旁瓣幅度，提高频谱的利用率。高斯滤波器 b t = o 5 ，调制指数在0 2 8 和o 3 5 之间。 1 3 4 蓝牙市场前景 蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能成规模。根据蓝牙 的定位，蓝牙应该通过一个体积小、成本低、能耗小、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的蓝牙的应用，但是这些都是对传统应用的适配和改进，真 正基于蓝牙的特性的应用还很少，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，我们也不会对它的市场价值有任 何怀疑，毕竟需求才是影响市场的主要因素。在国内来说，市场前景是不错的。 第一章引言 7 1 4 本文的基本结构 本文的目的是采用t s m co 2 5 p mc m o s 工艺来研究实现应用在2 4 g h z b l u e t o o t h 射频前端中低噪声放大器模块，主要包括无源元件和低噪声放大器 ( l n a ) 的优化设计。本论文的内容分为四个章节： 第一章为前言，首先阐明了选题的原因以及r f i c 在2 4 g h z 频带的应用和它 的工艺技术选择，然后简要介绍了对于b l u e t o o t h 应用的技术指标和性能参数、网 络拓扑结构等，最后指出了本文的基本结构。 第二章从集成度、价格和功耗三个方面对目前的无线接收机结构进行了分析 和比较，包括异质结结构、零i f 结构、低m 结构、镜像抑制结构等，从而给出了 适合于b l u e t o o t h 要求的接收机拓扑。 第三章分析了c m o s 中无源器件电感、电容、电阻的特性。其中对平面螺旋 电感的模型和损耗机制进行了着重的分析，总结出一定的设计规则，并根据这些 设计规则仿真实现了若干平面螺旋电感。 第四章从m o s f e t 的噪声模型出发，通过对几种低噪声放大器结构的分析， 提出了以源极电感和栅极电感作为输入阻抗匹配，以c a s c a d e 形式为构架的低噪声 放大器结构，并同时对l n a 的线性度进行分析，并根据理论推倒和实际电路仿真 相结合的方法，提出一种对l n a 的噪声和线性度优化的方法。本文采用a d s 对 电路进行仿真，仿真结果显示其噪声系数约为1 2 d b ，增益约为1 6 5 d b ，i i p 3 近似 达到了0 d b 。满足了b l u e t o o t h 应用的性能指标要求。然后使用c a d e n c e 公司的 v m u o s o 完成版图设计，并通过了版图验证。 8 c m o s 射频集成电路的低噪放模块的设计 第二章无线接收机系统分析 t r a n s c e i v e r 作为r f 电路的前端，在整个b l u e t o o t hs o c 的位置如下图所示。 图2 1b l u e t o o t hs o c 结构图 从功能上，t r a n s c e i v e r 可分为t r a n s m i t t e r 和r e c e i v e r 两部分。w i r e l e s sr e c e i v e r 的设计是一个综合的，复杂的课题，需要统筹考虑多方面的因素。在这里，分析 了几种常用的r e c e i v e r 结构，并对它们的结构特征、可集成性、以及其他优缺点进 行了对比。 一个经典的w i r e l e s sr e c e i v e r 都包括三个重要的功能模块：d o w n c o n v e r s i o n ( 降频) 、a o c ( 数模转换器) 和d e m o d u l a t i o n 。在d o w n c o n v e r s i o n 部分，天线接收到 的r f 信号去掉c a r r i e r ，变成一个中频的信号，然后经过低通或带通滤波，使得所 得到的信号更加“纯净”，从而能够被接下来的模数转换器处理。这一部分基本上都 属于模拟电路，部分电路工作频率高，所以相对较难。d e m o d u l a t i o n 部分跟随在模 数转换器之后，它实现的完全是一个数字处理过程。由于数字处理的特点，所以 能够精确地实现复杂算法，同时又保证了电路的高度集成。 无线r e c e i v e r 通常分为两种类：h e t e r o d y n e 和h o m o d y n e 。它们之间的区别主要 是在( 中频) 问题上，因此习惯上也把称它们为i fr e c e i v e r 和z e r o - i f ( 零中频) r e c e i v e r ，不同的i f 解决方案对应于不同的结构。本文基于这两种m 方案，描述3 种w i r e l e s sr e c e i v e r 架构：超外差式接收机( s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r ) ，零中频 接收机( z e r o - - i fr e c e i v e r ) ，低中频接收机( k 胛一r e c e i v e r ) 。 第二章无线接收机系统分析 9 2 1 接收机前端拓扑结构 2 1 1 超外差式接收机( h e t e r o d y n er e c e i v e r ) 超外差式接收机需要混频器将接收到的射频信号变到中频，因此也叫中频接 恻f l , ( i fr e c e i v e r ) 。有许多种方法构成超外差式结构【9 】，目前主要使用的是双变频超 外差式结构。如图2 2 所示。 i坚 i 卜一巳 l ， ! ! z 一i l o t鸭 图2 2 二次变频超外差式接收机 通过观察信号频谱的变换和i f 级的过程可以了解该结构接收机的优良性能，分 立元件r f 前端滤波器b p f l 用于消除带外的能量并对镜像信号加以抑制，在经过 i n a 对接收信号进行最初的放大之后，采用一个镜像抑制( 瓜) 滤波器b p f 2 进一步 消除镜像信号。而整个信号通过两次下变频到一个固定的中频，由于是固定频率 的滤波因此具有较高的选择度，同时利用了本地振荡器( l 0 ) 代替压控振荡器使得 性能更稳定。 尽管超外差式结构可以达到较好的性能，但它还是存在很多的缺点。首先主 要问题涉及到镜像抑制和邻近频道抑制之间的折衷。对一定的滤波器而言，如果 中频频率较高，则镜像信号得到很好的抑制，但邻道干扰信号却保持较高的能量。 反之，中频频率较低，则镜像信号会严重干扰所需的信号，而邻道信号却得到很 好的抑制。因此镜像抑制滤波器和中频滤波器都需要高选择性的传输函数，但是 在目前的集成电路工艺条件下，制作高q 值的集成高中频滤波器是很困难的 1 0 1 ，所 以超外差式结构一般都采用外接的s a w 等无源滤波器。 其次，由于外接滤波器的使用，信号要从片外引进片内引出，所以片上晶体 管必须偏置在很大的电流下以驱动无源滤波器的低阻抗和引脚及封装引起的大的 容性负载，从而能量损耗增大，而且滤波器工作频率越高，能耗增大。此外，外 接元件之间的信号还存在辐射干扰等问题，从而进一步降低了接收机的可靠性。 1 0 c m o s 射频集成电路的低噪放模块的设计 2 1 2 零中频接收机( z e r o - i fr e c e i v e r ) 零中频结构直接将射频信号调制到基带，不需要通过中频级，因此也叫直接 变频( d i r e c tr e c e i v e r ) ，如图2 3 ，2 4 所示，在这种结构中，所有潜在的带内信道使 用一个单混频级从载波直接变换至零频，对于频率和相位调制信号，它必须提供 一个正交的i o 下混频器和分离的基带通路来保持负频率信息，以避免信息的丢失。 不想要的信道能量用位于基带的片上滤波器加以消除。 i 璺苎 ii 匣! 塑) i 图z 3 零中频接收机结构 w a n t e d s i g n a l 图2 4z e r o - i f 信号频谱转换过程 零中频结构由于去除了中频级，所以具有以下几个优点。首先，因为不存在 镜像问题，因而不需要镜像抑制滤波器，这就大大简化了接收机的结构。其次， 由于i f = 0 ，所以仅需要低通滤波器，而低通滤波器与带通滤波器相比，更容易集 成而且能耗和所需芯片面积都很小。 尽管零中频使得接收机结构简单，适合集成化，但它也带来了一些新的问题。 第一，因为本地振荡器和射频载波的频率相同，在混频器的输入端或可能产生辐 射的天线部分存在本振泄漏，它可能被附近的物体反射并被再次接收，从而和本 地振荡器产生自混频，导致在混频器的输出端产生所谓的d c 偏移，这和来自于二 阶交调及1 f 噪声的d c 分量一样，这种结合了固有的基带电路偏移的时变d c 偏移会 对基带信号产生破坏，更严重的是会使后续的增益级产生饱和，减小了接收机的 动态范凼。在混频器输出时，这种偏移可以高达1 0 m v ，而信号可能只有几十uv ， ， 们嗣 0 ，罗哪 盛。 o l 耋黑，介 ，叁冀 第二章无线接收机系统分析 因此会严重降低信号的质量。第二，由于直接变频需要正交形式，因此如果正交 通道的幅度和相位不匹配就会引起误码率的上升。第三，由于i f = 0 ，所以闪烁噪 声( 1 ，f 噪声) 对信号的影响变大。由于以上问题，尤其是不匹配和直流偏移，导致了 零中频接收机的性能不如传统的超外差式，使得它目前仅在少数场合中应用。 2 1 3 带镜像抑制的低中频结构( l o w i fr e c e i v e r ) 适合片上集成的另一种可供选择的结构是带镜像抑制的低中频( l o w - i f r e c e i v e r ) 结构，原理图如图2 5 所示。它的结构介于以上两种r e c e i v e r 结构之间，它 综合了两者的优点，主要是集成度方面，并且尽量克服两种结构的不足之处，比 如d c - o f f s e t s 等问题。 整体上来看，l o w i fr e c e i v e r 的结构和s u p e r - h e t e r o d y n er e c e i v e r 的结构相似， 因为这里也使用了。但这个m 的频率很低，只有1 m h z 甚至1 0 0 圈 i z 左右，比较接 近于z e r o i fr e c e i v c r 。 m 的存在必然也会引起镜像频率的问题，也需要镜像压制。正如前面在介绍 s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r 结构时说明的，通常的镜像压制由b p f 来完成，但b p f 很 难片上集成。随着模拟信号处理技术的发展，p o l y p h a s e 技术开始出现在w i r e l e s s r e c e i v e r 中，再加上c o m p l e xs i g n a l s 技术的发展，使得片上集成变得可能。p o l y p h a s e 技术对应的是p o l y p h a s ef i l t e f ；c o m p l e xs i g n a l s 技术对应于i q 信号。这两种处理 方式使得原本必须在高频区域必须进行的镜像压制可以推迟到低频区域，对滤波 器的q 值要求就大大降低了，相应的电容电感等无源器件就可以用片上集成的方式 实现了。 陪一l o wf r e q u e n c yi f 叫 r m i x e l 5 卜莎咽 u ，f l o wf r e q u e n c y a n ip i i f i e f 图2 5l o w - i fr e c e i v e r 结构简图 一i 昏号。酋：扣o ” 口 7 0 辱 ” 口 图2 6l o w - i f 结构频谱转换图 1 2 c m o s 射频集成电路的低噪放模块的设计 由于l o w - i fr e c e i v e r 使用t p o l y p h a s e 和c o m p l e xs i g n a l s 的方式，因此整个 r e c e i v e r 就是一个m u l t i p l ep a t h 信号处理系统。m u l t i p l ep a t h 信号处理系统的性能好 坏很大程度上取决于各条p a t h 之间的匹配程度。在数字通信系统中，这种m u l t i p l e p a t h 的匹配是很容易实现的，而对于模拟的处理系统来说；却很难实现p a t h 之间的 匹配。因此要理解l o w - i fr e c e i v e r 结构就必须首先从p o l y p h a s e s i g n a l 和m u l t i p l e p a t h 处理系统分析入手。p o l y p h a s es i g n a l 定义为不相关元素组成的一个矢量。在一 个n p h a s e 的系统里，这些矢量是n 维的。表示为： “( f ) 一【1 ( f ) ，：( f ) ，( f ) 】 v ( j 0 3 ) - u l ( 扣) ，v 2 ( j 0 3 ) ，以( j 0 3 ) 】 这完全是一个数学的表达式，本身的各个元素没有实际意义表达式中各元 素的定义比较自由，但必须保持相对独立性。 应用于l o w i fr e c e i v e r 系统中的p o l y p h a s es i g n a l 是两维的。此时信号矢量代表 r e c e i v e r q b 传输的有效信号，而两个元素则是信号的两个分量，它们统一起来就反 映了信号的幅度和相位信息。通常这个两维矢量表示为 u ( t ) 一咋( f ) + y u , ( t ) e ( j 0 3 ) 一u r ( y 0 3 ) + m ( 肋) 很明显，这是一个c o m p l e xs i g n a l s 表达式。公式中虚部q ( f ) 之前的j 符号表明 了虚部和实部“，( f ) 处在不同的矢量方向上，相互之间独立。( f ) 的任何频率分量， 不论是实部还是虚部，都可以表示为两个表达式之和。 以实部“，( o - a ( 0 3 ) o s 删+ 妒( m ) 1 为例 一( 珊) c o s f 耐+ 妒( ) 1 - 华 s “+ 妒( ) + ，s i n 耐+ 伊( 珊) 】 + 兰譬q c o s 耐+ 妒( ) 一，s i n 耐+ 矿( 珊) 】) 4 f 1 吧，烈。) e 埘 + 爿f k 一州“) 叩一肛 从以上表达式中可以看出，两个部分幅度都是a ( ) ，而相位却相反。在频谱 上就是正频和负频的区别。同理，( f ) 的虚部也是如此。 由此可见，任何c o m p l e xs i g n a l s 都可以表示为正频和负频的组合。能够将正频 和负频信号分离开来正是处理镜像信号所必须的。l o w i fr e c e i v e r 结构中使用了 i q 方式的信号，这是2 p a t h 的信号处理过程。经过m i x e r 降频以后的i q 两路信号既 包含了降频以前的有效信息( 这里称之为w a n t e ds i g n a l ) ，也包含 i m a g es i g n a l ， 第二章无线接收机系统分析 虽然此时w a n t e ds i g n a l 和i m a g es i g n a l 都是属于c o m p l e xs i g n a l ，但两者在i 路和q 路 上表现出的相位相差了1 8 0 度。按照前面对c o m p l e xs i g n a l 的描述可知，此时两者 可以分别视为正频或负频。因此，这个镜像压制的工作都可以放在降频以后，在 较低的频率下完成。这正是采用m u l t i p l ep a t h 的优点。 分离正频和负频也是完成镜像压制的重要步骤。在整个r e c e i v e r 设计中，这一 步是i 捆p o l y p h a s ef i l t e r 完成的。其目的就是让正频信号通过并且压制负频信号，或 者反之。m u l t i p l ep a t h 信号处理系统要求对不同p a t h 之间能够匹配，包括幅度匹配 和相位匹配。模拟系统不同于数字系统，要实现完全匹配几乎是不可能的。对于 我们要实现的l o w i fr e e e i v e r 这样的双p a t h 系统也是如此。一般情况下的处理方法 是：根据r e e e i v e r 对镜像压制的要求，对于各p a t h 幅度和相位的不匹配，都会给出 一个上限值，作为具体模块设计的指标。 2 1 4 集成度、价格、和功率三方面的综合比较 3 种r e c e i v e r 结构的综合比较： l o w i f 结构不存在z e r o - i f 的d c o f f s e t s 问题，简单的原因就在于有效信号的 位置不在d c 附近。d c - o f f s e t s 问题主要来自于l o 信号和r f 信号产生的自扰现象， 其中i f 信号自扰导致的带宽相对宽一点，但也只有2 0 0 k h z 左右，而l o w - i f 降频后 的位置一般都在1 m h z