（微电子学与固体电子学专业论文）ofdm超宽带系统的频率综合器设计方法研究.pdf

摘要 摘要 随着短距离高速无线通信技术的空前发展，超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 技术由于其低功耗、高速率传输等特性受到学术界和工业界的广泛关注。本论文 针对w i m e d i a 国际标准超宽带系统和中国国家标准超宽带系统的频率综合器的 设计方法展开深入研究。 根据超宽带系统对频率综合器的特殊要求，频率跳变时间必须小于9 4 7 n s ， 传统的锁相环结构无法实现，由此产生了几种基本的频率综合方法。在此基础上， 本论文在针对w i m e d i a 国际标准和针对中国国家标准超宽带系统的频率综合器 研究中，提出了两种新的实现结构。 在w i m e d i a 国际标准超宽带频率综合器研究中，主要针对3 - - 一5 g h z 第一频 段组，采用三个锁相环( p l l ) 并联选择输出。为了实现宽频率调谐范围和低相 位噪声的双重要求，本论文提出了一种新型的基于环型振荡器的双环路锁相环。 它由一个粗调谐环路提供较大的v c o 压控增益，以覆盖较宽的频率调谐范围。 同时又由一个细调谐环路提供较小的v c o 压控增益，以获得较好的相位噪声特 性。并且论文设计了一款双控多通路环型振荡器，同时提供大、小两个压控增益。 芯片经过o 1 8 岬c m o s 工艺流片验证，其输出频率调谐范围是单环路时的2 2 倍，并且具有同样低的相位噪声。 在针对中国国家标准超宽带频率综合器研究中，由于需要输出1 4 个频点， 因而必须采用基于单边带混频器的频率综合方式。但是单边带混频器会造成输出 频谱的杂乱，使得输出杂散特性成了主要的设计难题。论文从频谱规划开始，以 使用尽量少的单边带混频器为目标，并且使用最简单的实现方式以节约成本和能 耗。论文提出了一种新颖的适用于中国国家标准的频率合成方案和频率综合器架 构。经系统仿真验证，该结构简单高效，有效规避了一些不利于输出频谱质量或 者功耗的潜在因素。 在对中国国家标准超宽带频率综合器的电路实现上，论文以输出频谱质量为 主要目标，对每个模块进行优化设计。论文提出了一种新型谐波抑制i q 校准电 路，校准了单边带混频器的输入i q 失配以减小输出镜像杂散，同时也抑制了i q 校准电路自身所引入的三阶非线性，有效提高输出频谱质量。此外，论文提出了 一种新型基于交叉耦合寄生抵消技术的多相位频率选通器，有效抑制了多输入信 号的端口泄漏，并且不消耗额外功耗集成了多相位选择功能，也规避了多模块的 复旦大学博士学位论文 非线性问题。该款针对于中国国家标准的超宽带频率综合器经过0 1 3 - l a i nc m o s 工艺流片验证，电源电压1 2 v ，功耗8 7 m w ，相位噪声一8 8 d b c h z 1 2 5 k h z ， 1 0 5 d b c h z i m h z ，积分相位噪声为2 。，并且输出频谱镜像抑制可达4 5 d b c ， 可与国际上的领先工作相比拟。 关键词：超宽带，频率综合器，锁相环，混频器，i q 校准，c m o s a b s t r a c t 一_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ l _ _ l _ _ _ l l - _ _ _ _ l _ l l l - - _ - _ _ _ - i i _ l l a b s t r a c t d r i v e l l b yi n c r e a s i n g d e m a n do fs h o r t r a n g e a n dh i g h - d a t a r a t ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，u l t r a w i d e b a n d0 y w b ) t e c h n o l o g yw i t hh i g hd a t a r a t e sa n dl o w p o 、v e rb e c o m e sm o r ea n dm o r ea t t r a c t i v ea n di sr e g a r d e da sa n e wp o i n e e rt e c h n o l o g y i nf i 】t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sf o r u w b s y s t e m so f w i m e d i as t a n d a r da n dc h i n e s es t a n d a r da r ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u e s t o ff r e q u e n c yh o p p i n gt i m et ob el e s st h a n9 4 7 n s ， t r a d i t i o n a lp h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) d o e sn o tw o r k i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，俩o n a r c h i t e c t u r e sa r ep r o p o s e d i nt h er e s e a r c ho ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e rf o r3 - 5 g h za p p l i c a t i o n ，t h eo u t p u t f r e q u e n c vi ss u g g e s t e dt o b ec h o s e nf r o mt h r e ep a r a l l i z e dp l l s f o rt h ew i d e 舶q u e n c yt u n i n gr a n g ea n d l o wp h a s e n o i s es p e c i f i c a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e da n e wm u l t i p a t hr i n g o s c i l l a t o rb a s e dd u a l l o o pp l l i tc o m b i n e sa c o a r s e - t u n i n gl o o p w i t ha1 a r g ev c og a i nf o rw i d et u n i n gr a n g ea n daf i n e t u n i n gl o o pw i t ha l o wv c o g a i nf o ri o wp h a s en o i s e an o v e ld u a l c o n t r o l l e dr i n g o s c i l l a t o ri sd e s i g n e df o rt h e d u a l 1 0 0 pp l l i m p l e m e n t e di n o 18 - i n nc m o sp r o c e s s ，i ts h o w sam u c hw i d e r t u n i n gr a n g ea n dac o m p a r a b l ep h a s en o i s et op r e v i o u sw o r k s i nt h er e s e a r c ho ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e rf o rc h i n e s es t a n d a r d , s s b - m i x e r - b a s e d 舶q u e n c ys y n t h e s i z e ri su s e dt og e n e r a t e14b a n d s a sf r e q u e n c ys p u rb e c o m e s 也e m o s td i m c u l tp o 毗c a r e f u lf r e q u e n c yp l a ni sm a d et om i n i m i z et h en u m b e ro fs s b m i x e r s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sn e wf r e q u e n c yp l a na n ds y n t h e s i z e ra r c h i t e c t u r e f o rt h ec h i n e s es t 叽d a r d t h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r m t h a ti ts i m p l i f i e st h e d e s i g na n di m p r o v e st h eo u t p u ts p e c t r u mq u a l i t y i i lt h ec i r c u i td e s i g nf o rt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，t h i s d i s s e r t a t i o nm a d e o p t i m i z e dd e s i g n sf o rag o o do u t p u ts p u rp e r f o r m a n c e a d i s t o r t i o n c a n c e l l a t e di q c a l i b r a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e dt oc a l i b r a t et h ei n p u ti q m i s m a t c ha n ds u p p r e s st h e n o n 1 i n e a r i t yf r o mi t s e l f b e s i d e st h a t , am u l t i - p h a s e f r e q u e n c ys e l e c t o r i sd e s i g n e d i t u s e sc r o s s c o u p l e dc a n c e l l a t i o ns c h e m et os u p p r e s st h ep o r tl e a k a g e p h a s es e l e c t i o n i si n t e g r a t e dw i t h o u ta d d i t i o n a lp o w e r t h es y n t h e s i z e ri si m p l e m e n t e di n0 1 3 b m c m o sp r o c e s s t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s8 7 m w a t1 2 vp o w e rs u p p l y t h ep h a s e i i i 复旦大学博士学位论文 n o i s ei s 一8 8 d b c h z 1 2 5 k h z ，一10 5 d b c h z 1 m h z ，a n dt h ei n t e g r a t e dp h a s en o i s ei s 2d e g r e e t h ei m a g es p u ri sa sl o wa s 一4 5 d b cw i t hi qc a l i b r a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y n t h e s i z e ri sc o m p a r a b l et ot h ep r i o rw o r k si nt h ew o r l d k e yw o r d s ：u w b ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，p h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) ，m i x e r ，i q c a l i b r a t i o n ，c m o s c o n t e n t s 图片目录 图1 1 频率综合器在超宽带物理层芯片中的位置2 图1 2w i m e d i a 国际标准m b o f d m 协议物理信道划分2 图1 3 中国频段使用情况3 图1 4 中国标准超宽带物理信道划分3 图2 1 频带跳变示意图9 图2 2 双锁相环串联输出1 1 图2 3n 个锁相环并联输出1 1 图2 4 两个锁相环交替工作选择输出1 2 图2 5 基于单边带混频器的频率综合器示意图1 2 图2 6 1 5 中的频率综合器系统框图1 3 图2 7 【1 6 】中的频谱规划图1 4 图2 8 1 6 中的频率综合器系统框图1 4 图2 9 【1 9 1 中的频谱规划图1 5 图2 1 0 1 9 q ，的频率综合器系统框图1 5 图2 1 1【2 0 l q ，的频谱规划图和频率综合器系统框图一1 6 图2 1 2 关键频点关系图1 7 图2 1 3 中国标准与w i m e d i a 标准兼容1 8 图2 1 4 中国标准频谱规划方案一一1 9 图2 15 中国标准频率综合方案一1 9 图2 1 6 中国标准频谱规划方案二2 0 图2 17 中国标准频率综合方案二2 0 图2 1 8 中国标准频谱规划方案三2 l 图2 1 9 中国标准频率综合方案三2 2 图2 2 0 中国标准超宽带频率综合器系统架构一一2 3 图2 2 1 中国标准超宽带频率综合器系统架构二2 4 图2 2 2 中国标准超宽带频率综合器系统架构三2 5 图2 2 3 中国标准超宽带频率综合器系统架构四2 6 图2 2 4 除2 除法器对输入杂散的抑制示意图2 7 v 复旦大学博士学位论文 图2 2 5 除2 除法器输入信号矢量分解一2 8 图2 2 6 除2 除法器输入频率杂散的幅度与相位调制作用o do eiq 2 8 图2 2 7 除2 除法器输入信号频谱图2 9 图2 2 8 除2 除法器输出信号频谱图3 0 图2 2 9 单边带上变频混频器3l 图2 3 0 单边带下变频混频器3l 图2 3l 除2 除法器建模3l 图2 3 2 考虑频率杂散的除2 除法器建模一3 2 图2 3 3 频率综合器系统仿真图一3 3 图2 3 4 有i q 失配时的系统级仿真结果3 4 图2 3 5 无i q 失配时的系统级仿真结果3 5 图2 3 6 频率综合器系统仿真图一3 6 图2 3 7 无i q 失配时的系统级仿真结果3 6 图2 3 8 中国标准高频段的八个频带。3 7 图2 3 9 频谱规划方案一3 8 图2 4 0 频率规划方案二3 9 图2 4 l 中国标准八频带双载波超宽带频率综合器系统架构一。4 1 图2 4 2 中国标准八频带双载波超宽带频率综合器系统架构二4 1 图3 1 锁相环结构4 5 图3 2 锁相环s 域线性模型4 6 图3 3 二阶无源环路滤波器4 6 图3 4 环路参数k 改变的波特图4 8 图3 5 环路参数k 偏离最优值对应的相位裕度变化4 9 图3 6 相位噪声传递模型4 9 图3 7 电荷泵噪声示意5 2 图3 8v c o 相位噪声曲线5 3 图3 9 除法器的输入相位噪声5 3 图3 1 0 锁相环总相位噪声一5 4 图3 1 1 噪声源功率谱5 4 图3 1 2 相位噪声5 4 图3 1 3a 】c r o s s 6 7 0 m h z l e fi n 参墓f r e q u e n c y j “4 i 曩i ；。i 囊。，。榭。 1 弹if r e q u e n c y o e 谚蘩嚣p 【毛冀鏊l 鬻l 6 7 g h z 曩* 一矗 一 ( 3 g h z i o g h z ： 鬻。； i 骥隧鬻篱2 i ： 。j # t - 。 。鬻鬻+ 豁豢鬻篓i 。”一 ， t 。w t 图2 2 双锁相环串联输出 另一种方法是，同时产生所有频带的中心频率，即有几个频带就用几个锁相 环，每个锁相环输出对应各频带的固定频率【7 】【8 ，如图2 3 所示。由此，频率 跳变时间从锁相环的建立时间转移到了频率选通器的频率切换时间，而这通常只 有1 一2 n s 。但是这种方法由于面积和功耗的约束而不易于频带扩展。 图2 3n 个锁相环并联输出 另一种方法是，使用两个锁相环交替工作 9 1 0 1 l ，其中一个锁相环产生当前 的工作频率，另一个锁相环产生下一时刻所需要的工作频率，由频率选通器 ( m u l t i p l e x e r ，m u x ) 从这两个锁相环的输出中选择切换，如图2 4 所示。只是， 由于设定超宽带的符号长度为3 1 2 5 n s ，所以每隔3 1 2 5 n s 两个锁相环就要交替一 次，减去选通器的建立时间，那么每个锁相环必须在3 1 i n s 内稳定。此外，每个 锁相环必须能够产生所有需要的频率，在多频带时，这意味着非常宽的频率覆盖 范围，对于锁相环设计也是很大的挑战。 还有一种方法是，由一个锁相环产生一个固定的本振( l o c a lo s c i l l a t o r ，l o ) 频率，本文中也称之为基准频率，由该频率与同时产生的其它辅助频率混频，得 到所要频带的中心频率 1 1 】【1 2 】【1 3 】，如图2 5 所示。对应于所有需要的频带，每 复旦大学博士学位论文 个辅助频率必须都能在频率综合器内部产生，并根据控制信号待命输出。这样， 锁相环一旦稳定后不需要再次调整，频率跳变时间也将从锁相环的建立时间转移 到混频器的稳定时间和频率选通器的频率切换时间。下文中，将以这种方式实现 的频率综合器称为基于单边带混频器( s i n g l es i d e b a n dm i x e r ，s s bm i x e r ) 的频 率综合器。 图2 4 两个锁相环交替工作选择输出 i g n a l 图2 5 基于单边带混频器的频率综合器示意图 在上述几种实现超宽带频率综合器的基本思想中，研究最多也最常用的是基 于单边带混频器的频率综合器研究。在这种实现方法中，锁相环稳定在哪个频率， 辅助频率怎样产生才合理，使超宽带频率综合器层出不穷，不断变化。此间闪现 出各种想法，下节中将重点介绍。 2 3 w i m e d i a 国际标准的超宽带频率综合器研究 f c c 划分给超宽带3 1 g h z 1 0 6 g h z 共7 5 g h z 带宽，包括了5 个频带组1 4 个频带。在近几年的国际期刊上，许多科研机构和院校都发表了有关u w b 频率 第二章超宽带频率综合器系统的分析与设计 综合器的设计文章。其中所采用的结构多种多样，实现的频带数也各不相同：3 个频带( m o d e l ) 【7 】【1 2 】【1 3 1 4 】【1 5 ；7 个频带( m o d e2 ) 1 6 】 1 7 】 1 8 ；1 4 个频 带( f u l lb a n d ) 【1 9 2 0 2 1 】。 图2 - 6 是工作于w i m e d i a 国际标准超宽带系统模式1 只产生第一频带组的 三个频率3 4 3 2 m h z 、3 9 6 0 m h z 、4 4 8 8 m h z 的频率综合器【1 5 】。这里，v c o 的工 作频率为7 9 2 0 m h z ，经过除2 除法器( d i v i d e r - b y 2 ，d i v 2 ) 之后，产生正交的 3 9 6 0 m h z 信号，作为单边带混频器的l o 固定输入。它分别与+ 5 2 8 m h z 、d c 混 频，可以得到所需要的三个频率。为了得到5 2 8 m h z 频率，这里在锁相环的除法 器链路上，在产生3 9 6 0 m h z 的除2 除法器后面，分别级联了除1 5 除法器和除5 除法器。由于使用了非整数除法器和奇数除法器，要求输出5 0 的占空比使得 电路结构复杂，设计难度大。 3 9 6 0 唧z ( i o ) 图2 6 1 5 】中的频率综合器系统框图 图2 7 和图2 8 是工作于w i m e d i a 国际标准超宽带系统模式2 的频谱规划和 频率综合器系统框图，它能产生7 个频带的中心频率 1 6 】。这7 个频带是第一频 带组的3 个频带和覆盖6 8 g h z 的4 个频带，中心频率分别为6 3 3 6 m h z 、 6 8 6 4 m h z 、7 3 9 2 m h z 、7 9 2 0 m h z ，如图2 7 所示。【1 6 q b ，分别在这两个频带组 中选择一个基准频率，在低频带组中选择3 4 3 2 m h z ，在高频带组中选择 6 8 6 4 m h z ，它们恰好是二倍频关系。以它们为基准，与带间距5 2 8 m h z 和2 倍 带间距1 0 5 6 m h z 混频，可以得到同组的其他频率。但是5 2 8 m h z 和1 0 5 6 m h z 无法从产生6 8 6 4 m h z 的锁相环中得到，所以这里使用了两个锁相环。最后，由 两个频率选通器对6 8 6 4 m h z 3 4 3 2 m h z 和1 0 5 6 删5 2 8 m h z d c 分别做选择， 来得到最后的输出频率。由于使用了两个高频锁相环，所以功耗和面积都比较大。 复旦大学博士学位论文 j 孱漱潞。 6 3 3 6 6 8 6 4 7 3 9 2 7 9 2 0 f ( m r k ) 图2 7 1 6 q 丁的频谱规划图 6 8 6 蛐2 图2 8 1 6 q 口的频率综合器系统框图 图2 - 9 和图2 1 0 是工作于w i m e d i a 国际标准超宽带全频段模式能够产生1 4 个频带的中心频率的频谱规划和频率综合器系统框图【1 9 】。由于要产生的频点非 常多，所以这里分步进行，先产生一个频带组，再产生下一个频带组。相邻频带 组的组间距为1 5 8 4 m h z ，隔一组的组间距为3 1 6 8 m h z ，最低与最高组的组间距 为6 3 3 6 m h z ，6 3 3 6 31 6 8 1 5 8 4 恰好是2 倍频关系。而每一组又由三个频带构成， ( 最高组只有2 个频带) ，所以【1 9 】先通过3 9 6 0 m h z 与士5 2 8 m h z 、d c 混频得到 第一频带组的三个频率，再将它与1 5 8 4 m h z 3 1 6 8 m m r 6 3 3 6 m 比混频得到第二、 三、五频带组的频率，最后在第五频带的频率产生后再次与1 5 8 4 m h z 下混频得 到第四频带组。整个频率合成过程一共使用了3 个单边带混频器级联，最后再由 一个宽频的频率选通器从这五个频带组中选择输出。而为了产生这些组间距 6 3 3 6 m h z 3 1 6 8 z 1 5 8 4 z 以及第一频带组的基准频率3 9 6 0 m h z 和带间距 5 2 8 m h z ，这里使用了两个锁相环。为了节省功耗和面积，【1 9 】中的两个v c o 都 是由环型振荡器构成，并且振荡在所需频率的一半处，利用它们的尾部电流源处 1 4 第二章超宽带频率综合器系统的分析与设计 节点电压工作于2 倍频的特点来得到所需的二倍频率。虽然利用共模点二倍频的 特点可以弥补两个锁相环带来的功耗问题，但是从尾部电流源处引出的信号幅度 和质量都欠佳，用它们作为单边带混频器的本振信号，会影响s s bm i x e r 的输出 性能。 =63。锄：528协i 一一 z 5 8 删z 越6 8 埘z 、心一“ 赢屡 蓦凰垦皇星愚愚愚胍胝胍凰愚震飘艨 ：3 4 3 2 3 9 6 0 4 4 8 8 ：i5 0 1 6 5 5 4 4 6 0 7 2 6 6 0 0 7 1 2 8 7 6 5 6 8 1 8 48 翟2 9 2 4 0i 9 7 6 81 0 2 9 6 f ( 删z ) 、 1 5 8 伽z 2 n dg r o u p3 州g r o u p 4 t hg r o u p；5 “g r o u p 图2 - 9 1 9 q b 的频谱规划图 图2 1 0 【1 9 q hl 均频率综合器系统框图 图2 1 1 是另一种w i m e d i a 国际标准全频带频率综合器的频谱规划和频率综 合器架构【2 0 】。这里，同样也是先产生一组频带，再产生下一组频带，只是这里 首先产生的是第三频带组，再由第三频带组分别与组间距频率士1 5 8 4 m h z 复旦大学博士学位论文 士3 1 6 8 m h z 混频，得到第一、二、四、五组频率。【1 9 q b 优先考虑了组间距频率 的获得，使v c o 工作在1 2 6 7 2 m h z 处，经过一系列除2 除法器后产生正交的 6 3 3 6 m h z 、3 1 6 8 m h z 、1 5 8 4 m h z 、7 9 2 m h z 输出，并且有效利用6 3 3 6 m h z 与 7 9 2 m h z 混频得到第三组的中心频率7 1 2 8 m h z 。与 1 9 】相比，少用了一个锁相环， 简化了频率综合器架构。但是【1 9 】中一共使用到四个高频单边带混频器，并且每 个s s bm i x e r 都是l c 负载，总共使用了8 个电感，所以面积非常庞大。另外在 下面的分析中可以看到，经过四级s s bm i x e r 的信号杂散将非常严重。 一3 1 6 跳垦矿一一一1 5 8 4 1 d 1 1 - 5 2 8 碉堕、+z 、1 6 啪i z 凰鏖凰星基垦蕊震惑+52纵81吼z 1 58燃4kln。 2 “8g r o u p 3 州g r o u p 图2 - 1 1 2 0 】中的频谱规划图和频率综合器系统框图 如果说产生一个频带组的3 个频率只是一种尝试和突破，是对不同方案的初 级探索，那么产生多个频带组的多个频点，则是一个充满智慧的挑战。随着频点 的增多，基于单边带混频器的频率综合器成了考虑成本和可实现性后的唯一选 择。而从3 个频带到7 个频带到最后的1 4 个频带，研究对象变得愈加复杂，自 1 6 第二章超宽带频率综合器系统的分析与设计 由度也随之增加，可以衍生出各种变化，各种变化各有道理，就如同解一个棋局， 各有各的解法。 可以看到，超宽带系统中某些频率有着特殊的关系。如图2 1 2 所示，以2 6 4 为原点，分别向两边以2 倍频与3 倍频的关系延伸，所有上文中提到的带间距频 率( 5 2 8 m h z 、1 0 5 6 m h z ) 、组间距频率( 1 5 8 4 m h z 、3 1 6 8 m h z 、6 3 3 6 m h z ) 都 已在这张棋盘中。问题是，以怎样的方式得到它们，使用一个锁相环还是两个锁 相环，v c o 振荡在哪个频率，怎样能够充分利用锁相环路上产生的频率，怎样 能够利用最少的资源和成本来实现最佳的性能? 甚至还有很多工作采用了 2 5 1 4 、7 5 1 2 2 、8 5 1 2 3 这样的除法电路，以求来解开棋局。不过无论方法如 何，有一点是共识的，那就是在基于单边带混频器的超宽带频率综合器系统中， 设计难点已转移到输出频谱的纯度上来，也即频率综合器的输出杂散指标。因为 单边带混频器的混频功能，使得多一级单边带混频器可能就意味着输出频谱变得 更加杂乱。 图2 1 2 关键频点关系图 2 4 中国国家标准超宽带频率综合器的系统仿真与设计 在超宽带频率综合器的设计中，频谱规划和频率综合器架构显得尤为重要， 特别是对于要产生多个频点的情况。如上节所述，要达到同一个目标，可以有不 同的路径。可是，怎样使得架构最为合理，电路设计较为简单，实现容易又性能 佳? 合理的频谱规划，就像选择了一条合适的道路，不至于在实现过程中荆棘丛 复旦大学博士学位论文 生。合理的频率综合器架构，就像选择了一套合适的登山工具，不至于在攀爬过 程中举步为艰。所以一开始，论文就在频谱规划和系统架构上做各种考虑。 2 4 1 中国标准超宽带频率综合器频谱规划 在中国国家标准中，每个频带的带宽为2 6 4 m h z ，是w i m e d i a 国际标准的频 带带宽5 2 8 m h z 的一半。低频段与w i m e d i a 国际标准边界对齐、高频段中心对 齐，如图2 1 3 所示。低频段有2 个频带，高频段有1 0 个频带( 到8 7 1 2 m h z 为 止) 。这里考虑与w i m e d i a 标准的更多地兼容，所以再加上高频段的9 2 4 0 m h z 频段以及低频段的4 4 8 8 m h z 频点，因而总共是1 4 个频带，它们分别是：低频段 的4 3 5 6 z 、4 4 8 8 m h z 、4 6 2 0 m h z ，高频段的6 3 3 6 m h z 、6 6 0 0 m h z 、6 8 6 4 m h z 、 7 1 2 8 z 、7 3 9 2 z 、7 6 5 6 z 、7 9 2 此、8 1 8 肿此、8 4 4 8 瑚z 、8 7 1 2 z 、 9 2 4 0 m h z 。这样，w i m e d i a 国际标准中的第三、第四频带组的各中心频率都被包 含，外加第一频带组中的一个中心频率，一共有7 个频率既可用在中国标准的超 宽带系统中，又可用在w i m e d i a 国际标准的超宽带系统中。 卜一3 埘g r o u p 呻p 一4 怕g r o u p 一 名爹震感然感忒隰粼黛 5 64 4 1；8 4 e2 06 3 3 66 63 06 8 6 47 1i 2 87 3 9 27 f 5 67 9 2 08 13 48 4 4 88 7 1 28 9 7 69 ：4 0f ( 国际vi m e d i a 标准信道划分 孱凰 凰重量扈屡隅队艄燃蠢r c 4 3 5 6 4 6 2 06 3 3 6 6 6 0 06 8 6 4 7 1 2 87 3 9 2 7 6 5 6 7 9 2 08 1 8 48 4 4 8i 8 7 1 28 9 7 69 2 4 0 l 4 4 8 8 l n n d 。：。 o r d 一 ： “一 ： c t h 一 ： 与国际w i m e d i a 标准兼容的中国标准信道划分 图2 1 3 中国标准与w i m e d i a 标准兼容 如何产生这兼容w i m e d i a 标准的中国标准超宽带系统中的1 4 个载波频率? 频谱规划的方法多种多样，可以像上节w i m e d i a 标准中那样，以三个频率为一 组，先产生其中的一组频率，再与组间距频率混频得到其他组的频率。此时，相 邻频带的带间距为2 6 4 m h z ，相邻频带组的组间距为7 9 2 m h z 。 如果考虑首先产生中间的第三频带组，再由它得到其他的频带组，其频谱规 划如图2 - 1 4 所示。由于低频段的频点是错开的边界对齐方式，所以若要通过混 频得到，则需要涉及更小的公因子1 3 2 m h z ，这将使系统愈加复杂。但是另一方 面，第一频段组的三个频率可以通过第五频段组的频率二分频得到，所以这里用 除2 除法器来简化系统。注意到8 9 7 6 m h z 本身不是系统所要产生的频率，但是 复旦大学博士学位论文 生。合理的频率综合器架构，就像选择了一套合适的登山工具，不至于在攀爬过 程中举步为艰。所以一开始，论文就在频谱规划和系统架构上做各种考虑。 2 4 1 中国标准超宽带频率综合器频谱规划 在中国国家标准中，每个频带的带宽为2 6 4 m h z ，是w i m e d i a 国际标准的频 带带宽5 2 8 m h z 的一半。低频段与w i m e d i a 国际标准边界对齐、高频段中心对 齐，如图2 1 3 所示。低频段有2 个频带，高频段有1 0 个频带( 到8 7 1 2 m h z 为 止) 。这里考虑与w i m e d i a 标准的更多地兼容，所以再加上高频段的9 2 4 0 m h z 频段以及低频段的4 4 8 8 m h z 频点，因而总共是1 4 个频带，它们分别是：低频段 的4 3 5 6 z 、4 4 8 8 m h z 、4 6 2 0 m h z ，高频段的6 3 3 6 m h z 、6 6 0 0 m h z 、6 8 6 4 m h z 、 7 1 2 8 z 、7 3 9 2 z 、7 6 5 6 z 、7 9 2 此、8 1 8 肿此、8 4 4 8 瑚z 、8 7 1 2 z 、 9 2 4 0 m h z 。这样，w i m e d i a 国际标准中的第三、第四频带组的各中心频率都被包 含，外加第一频带组中的一个中心频率，一共有7 个频率既可用在中国标准的超 宽带系统中，又可用在w i m e d i a 国际标准的超宽带系统中。 卜一3 埘g r o u p 呻p 一4 怕g r o u p 一 名爹震感然感忒隰粼黛 5 64 4 1；8 4 e2 06 3 3 66 63 06 8 6 47 1i 2 87 3 9 27 f 5 67 9 2 08 13 48 4 4 88 7 1 28 9 7 69 ：4 0f ( 国际vi m e d i a 标准信道划分 孱凰 凰重量扈屡隅队艄燃蠢r c 4 3 5 6 4 6 2 06 3 3 6 6 6 0 06 8 6 4 7 1 2 87 3 9 2 7 6 5 6 7 9 2 08 1 8 48 4 4 8i 8 7 1 28 9 7 69 2 4 0 l 4 4 8 8 l n n d 。：。 o r d 一 ： “一 ： c t h 一 ： 与国际w i m e d i a 标准兼容的中国标准信道划分 图2 1 3 中国标准与w i m e d i a 标准兼容 如何产生这兼容w i m e d i a 标准的中国标准超宽带系统中的1 4 个载波频率? 频谱规划的方法多种多样，可以像上节w i m e d i a 标准中那样，以三个频率为一 组，先产生其中的一组频率，再与组间距频率混频得到其他组的频率。此时，相 邻频带的带间距为2 6 4 m h z ，相邻频带组的组间距为7 9 2 m h z 。 如果考虑首先产生中间的第三频带组，再由它得到其他的频带组，其频谱规 划如图2 - 1 4 所示。由于低频段的频点是错开的边界对齐方式，所以若要通过混 频得到，则需要涉及更小的公因子1 3 2 m h z ，这将使系统愈加复杂。但是另一方 面，第一频段组的三个频率可以通过第五频段组的频率二分频得到，所以这里用 除2 除法器来简化系统。注意到8 9 7 6 m h z 本身不是系统所要产生的频率，但是 第二章超宽带频率综合器系统的分析与设计 在不消耗任何额外硬件开销的情况下，它可以分频得到4 4 8 8 m h z ，那是系统所 需要的频率。 + 2 6 4 - i z 、+ 7 9 2 m l - l z 、越5 8 伽2 凰凰星7 9 2 直1 庄i 星蕊2 5 震惑肌嫩 一 z 一镁熙 i 4 3 5 64 6 2 06 3 3 66 6 0 0 6 8 6 47 1 2 8 7 3 9 27 6 5 6 7 9 2 0 8 1 8 48 4 4 8 8 7 1 28 9 7 69 2 4 0 4 4 8 8 1 8 g r o u p2 n 。g r o u p3 州g r o u p 4 t hg r o u p ；5 “g r o u p i 2 图2 1 4 中国标准频谱规划方案一 图2 1 5 中国标准频率综合方案一 从图2 1 4 中可见，这种频谱规划下，2 6 4 m h z 、7 9 2 m h z 、1 5 8 4 m h z 、7 3 9 2 m h z 是该系统的关键频率。参考图2 1 2 ，7 9 2 与1 5 8 4 在一条线上，虽然2 6 4 与7 9 2 也在另一条线上，但是由于除2 除法器能够内在地产生i q 正交信号，所以除2 除法器相比除3 除法器是更优的选择。沿着图2 1 2 中7 9 2 一1 5 8 4 这条线往上推， 6 3 3 6 接近所要的频带频率7 3 9 2 m h z ，所以使锁相环工作在6 3 3 6 m h z 处。这样， 可以得到如图2 1 5 所示的频率综合方案。这里一共使用了5 个单边带混频器， 信号通路最差情况下，将经过4 级单边带混频器( m i x e r 4 和m i x e r 5 为并列关系) 。 所以，图2 1 5 中的频谱规划方法看似简单，但实质上并不佳。 复旦大学博士学位论文 如果考虑首先产生第二频带组，再由它得到其他的频带组，并且考虑到6 3 3 6 的特殊性，所以基准频率不是选为该组的中心频点6 6 0 0 m h z ，而是直接选为 6 3 3 6 m h z ，则频谱规划如图2 1 6 所示。这种频谱规划下的频率综合方案如图2 1 7 所示。 磊蓊萨5 萼班吣9 删z 8 伽z 、翌3 7 6 舭 黧孱叁直懿渤肌黼。 4 4 8 8 1 s g r o u p2 州g r o u p 3 r og r o u p 4 t “g r o u p 5 仆g r o u p ! ! 图2 1 6 中国标准频谱规划方案二 ( 唧z ) 图2 1 7 中国标准频率综合方案二 可以看到，图2 。1 7 与图2 。1 5 相比，从首先产生第三频带组变成首先产生第 二频带组，从首先产生第三频带组的中间频带变成首先产生第二频带组的最低频 带，锁相环工作频率完全相同，但是频率综合器的系统架构上少了一个单边带混 频器，信号通路最差情况下将经过3 个单边带混频器，也比图2 1 5 中少了一级。 而少一级单边带混频器，对于最后的输出频谱纯度和杂散特性非常有益。可见， 巧妙的频谱规划能够有效简化频率综合器架构，并且从系统级高度提高频率综合 器的性能。那么，对于这种兼容w i m e d i a 国际标准的中国标准超宽带系统中的 1 4 个中心频率，是否有更加巧妙的频谱规划方法? 第二章超宽带频率综合器系统的分析与设计 图2 1 2 中，2 6 4 、5 2 8 、1 0 5 6 沿着二倍频线一路往上直到8 4 4 8 ，而8 4 4 8 m h z 是这个系统中的1 4 个频点之一。并且，8 4 4 8 m h z 与其它所有高频段频带的中心 频点间距为2 6 4 m h z 的整数倍。其中，2 6 4 m h z 的1 次、2 次、4 次、8 次、1 6 次倍频可以在除法器链路上得到。如果打破频带组的概念，不是三个频率一组以 组为单位进行混频搬移，而是视每个频带都为一个单独的个体，与同一个参考频 率如8 4 4 8 m h z 混频，那就意味着只要得到所有的带间距即可。依照这种思路的 频谱规划如图2 1 8 所示