（微电子学与固体电子学专业论文）wlan系统中接收机射频前端的设计.pdf

摘要 摘要 近年来，无线通信发展突飞猛进，单纯的语音通信已经不能满足用户对高速 数据通信的需求，数据通信成为了运营商的新增值点。其中在i p 数据业务中， 又以w i f i 技术得到了广泛的关注，并且获得了巨大的成功。本文针对8 0 2 1 l b g 标准的射频接收机前端电路的设计进行理论和实现中的探索。 本文开始从系统上阐述了射频接收机系统的指标和性能要求。从经典的链路 噪声分析和线性度的要求出发，以从上到下和从下到上的设计为基础，提出了从 两端到中间的优化设计方法。依靠噪声和线性度所给的约束条件，从数学的角度 出发得到了理论上的最优值结果。 射频；占片的第一级是低噪声放大器，这一级的噪声性能和放大性能对系统来 说至关重要。从系统的角度来讲。前端模块的增益高，整体系统的噪声就得到很 好的抑制。这要求低噪声放大器的增益大，噪声系数小。同时低噪声放大器需要 处理高频信号，这需要它具有良好的频率响应特性。论文的第三章着重分析了各 种设计低噪声放大器的技术，并进行了比较。 射频芯片的第二级通常是混频器。这一级是连接射频信号和中频信号的桥 梁。混频器的性能非常重要，需要具有高线性度，低噪声和适当的转换增益。尤 其对于本文所选择的直接变频的结构还要处理f l i c k e r 噪声的影响。论文的第四 章着重分析了各种混频器的结构并进行了比较。尤其还分析了现有的各种降低低 频噪声的技术，还讨论了正交调制的问题和频率分配的问题。 论文的最后一部分讨论了芯片测试环节中需要注意的一些问题。 关键词：无线通信系统；无线局域网；射频接收机前端：低噪声发大器 混频器 北京t 业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sb e e np a i da t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ；r e q u i r e m e n t so f h i g h e rd a t ar a t ea n dt h ec o m m e r c i a ld r i v e nh a v et a k e nt h ed a t ac o m m u n i c a t i o ni n t oa n e wr i s e np o i n t t h ei pn e t w o r k ，e s p e c i a l l yt h ew i f it e c h n i q u eh a sb e e np a i dm o r e a t t e n t i o n s t h i st h e s i sh a se x p l o r e ds o m es y s t e ms p e c i f i c a t i o n sa n dp a r a m e t e r so ft h e r e c e i v e rc h a i ni nt h er f i c s o m em e t h o d o l o g i e sh a v eb e e nd e r i v e dt oo p t i m i z et h e s y s t e mp a r a m e t e r s ， t h ef i r s ts t a g eo ft h er ft r a n s c e i v e ri st h el o wn o i s ea m p l i f i e r t h ep e r f o r m a n c e o ft h ef i r s ts t a g ei sv e r yc r i t i c a lt ot h ew h o l ep e r f o r m a n c e s y s t e m a t i c a l l ys p e a k i n g ， t h eh i g h e rg a i nf r o n t e n dh a s ，t h en o i s ep e r f o r m a n c ei sb e t t e r m e a n w h i l e ，t h el n a h a st od e a l 、 r i mr a d i of r e q u e n c ys i g n a l ，s o ，t h el n ah a st ob ew i t hh i g hp e r f o r m a n c e f r e q u e n c yr e s p o n s e c h a p t e r3o ft h et h e s i sc o m p a r e st h es t a t eo fa r tl n ad e s i g n t e c h n i q u e s t h es e c o n ds t a g eo ft h er ft r a n s c e i v e ri sm o s t l yt ob et h em i x e r t h em i x e ri s t h ec o l l e c t i o nb e t w e e nt h er fb a n da n dt h ei fb a n d i tn e e d st ob ew i t hh i g hl i n e a r i t y , l o wn o i s e ，a n dr e a s o n a b l es i g n a lg a i n e s p e c i a l l yf o rt h ed i r e c tc o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e i nt h et h e s i s , t h ef l i c k e rn o i s eb e c o m e sab i gi s s u e c h a p t e r4d e a l sw i t hd i f f e r e n t m i x e rd e s i g nt e c h n i q u e sa n dm a k e sc o m p a r i s o n sb e t w e e nt h e m c h a p t e r4a l s o d i s c u s s e st h ei qm o d u l a t i o ni s s u ea n dt h ef r e q u e n c yp l a n n i n gi s s u e t h el a s tp a r to f t h et h e s i st h e s i sd i s c u s s e st h et e s t i n go f t h ei ca n ds o m ei s s u e s k e v w o r d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；w l a n ；r fr e c e i v e rf r o n t e n d ；l n a ； m i x e r h 独创性声明 本人声明所旱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的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或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。 签名：至查主坠日期：之竺翌! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。 f 保密的论文存解密后应遵守此规定) 签名：兰垒垒丝导师甓名： 郝嗍一 第1 章绪论 1 1 无线通信市场的增长和变缓 全球g s m 和w c d m a 用户增长到l o 亿户用了1 2 年时间，从l o 亿户到2 0 亿户仅用了两年半的时间，从2 0 亿户到3 0 亿户可能只需要1 年时间，第3 0 亿 户可能在今年年底前到来。可是全球移动用户从2 0 0 1 年开始增长放缓，从2 0 0 1 年到2 0 1 0 年会出现加速放缓的态势，例如2 0 0 6 年比2 0 0 5 年增长1 9 4 ，到2 0 0 8 年增速会跌至1 0 ，到2 0 1 1 年会下降到3 。今年全球将新增4 0 6 亿户移动电 话用户，增长率将达到1 5 。全球移动电话用户在今年年底将达到3 0 亿户。 北美、拉美和亚太地区的移动用户将达到1 2 亿户；非洲地区尽管增长率也在下 滑，但将以2 8 的增长率成为全球发展最快的地区；东欧、拉美和亚太过去增长 迅速，但是由于其中部分市场接近饱和，因此增速也将放缓。 全球移动电话普及率在2 0 0 6 年为4 1 ，到2 0 0 7 年将达到4 7 ，这意味着 很多移动运营商会发现挣钱变得不易，尤其是在日本、美国、西欧等发达国家和 地区。 尽管全球移动市场在增长，但这种增长也呈现出很大的不均衡性。从用户数 来看，在北美、欧洲等发达国家和地区，由于移动用户普及率已经很高，因此新 增用户数日益减少；而在亚洲、非洲等地区，特别是像中国这样的发展中国家， 移动用户数增长迅猛。虽然从用户创造的价值来看，欧美发达国家的a r p u ( a v e r a g er e v e n u ep e ru s e r ) 值远远超过了新兴的发展中国家。但从数据新业 务市场的增长来看，韩国、日本呈现爆发态势，己成为全球移动通信发展的新热 点。 1 2 移动通信市场的弥补 移动运营商弥补话音业务增速放缓所带来损失的一个方法是建立新的业务 基础架构。全球w c d m a 用户在2 0 0 6 年增长了一倍到年底接近1 亿户，与此相 似，c d m a 2 0 0 0 1 x e v - d o 用户在2 0 0 6 年增长了8 8 达到5 0 5 0 万户。随着用户 增长速噎放缓，移动通信领域的竞争将变得惨烈，但是得益于数据业务和娱乐q k 务，移动运营商的总收入仍将强劲增长，2 0 0 7 年将迎来增长速度的最高峰，此 后将稳步增长。 全球的宽带无线接入领域近期研究和应用十分活跃，热点不断出现，给无线 通信业界带来了清新的空气。这包括宽带固定无线接入技术、w l a n 技术、 北京t 业大学t 学硕士学位论文 w i m a x 技术、u w b 技术等等，呈现百花齐放的局面。这些技术的出现和发展， 给整个无线通信产业注入了勃勃生机。 全球宽带业务提供商一直在寻找适合高速宽带嘲络的商业模式。海外运营商 将目标市场广泛定位在了普通用户和小企业，捆绑推出了v o i p 、v p n 、视频、 游戏，娱乐等新业务，这些i p 业务市场已经开始起飞，下一代增强型业务的架 构和市场也开始成形。 还要注意的，除了技术上的进步，问题还在于对于新技术的投入能否盈利， 或者多久会盈利，这还要取决于用户对新的数据通信的接受能力和购买能力。 1 3 通信市场的发展对l c 产业的推动 为了在有限的频谱空间中容纳更多的用户和或提供更高的数据传输率，在 今后几年中，人们将花大力气提高r f 信道的比特处理能力。在满足更大吞吐量 需求的问题上，p c 行业给出的答案是提高c p u 时钟速度；与之相比，无线通信 行业面临的难题却是，没有足够的带宽可供使用。因而，我们所面临的挑战是如 何改进r f 技术和系统，以便更好地利用现实世界中的可用频谱。 i s u p p l i 公司认为，如果移动电话的演变要支持诸如面向数据的各种技术和 多种频段这样下一代功能的话，进一步集成射频( r f ) 元器件是至关重要的。 i s u p p l i 估计，2 0 0 6 年移动手机r f 元器件的总市场规模为7 1 亿美元。该市场将 以4 9 的c a g r 扩张到2 0 1 0 年，届时将超过8 8 亿美元【2 j 。 1 4 通信标准对i c 产业的推动 模拟器件公司( a d i ) 的模拟技术副总裁l e w i sc o u n t s 在i s s c c 2 0 0 7 的演讲 表示，估计未来的手机将至少含有六种无线技术，支持w i ，f i ， b l u e t o o t h ， w i b r e e ，u w l 3 ，w i m a x ，近距通讯( n f c ) 和电子标签( r f i d ) 等通讯标准。 他说，这将在技术方面遇到挑战，商业前景也会遇到麻烦，因为要想成功地把这 些技术整合在一起，必须同时把成本和功耗控制在最低水平。 由此可以看出，手机正日益演变为“全合一”装置，结合了通信，计算机和 娱乐的功能，又如上一段指出，它们要求对包括b l u e t o o t h ， w l a n ， w i m a x ， 音频和视频广播等多种i 强标准的支持。所有这些r f 标准使手机设计吏复杂， 要求使用大量的元器件，因而影响了包括材料成本( b o m 表) ，印刷电路板( p c b ) 的尺- , j - d 耗电量等各种因素。 下页中的表1 1 列出了无绳电话通信的主要三种标准，表1 2 列出了第二 代无线数字蜂窝电话主要的三种技术，表1 3 中列出了无线数据通信的几种标 准。 第1 章绪论 其中各种语音标准主要的分别是全球区域性的差异，技术卜的差异反而很 小。而数据通信的主要差异在f 他们负责的服务区域范围的大小，有的负责短距 离低速率通信，有的负责短距离商速率通信，有的负责长距离高速通信等等。 表i i 尤绳电话标准 t a b l e 1 - 1c o r d l e s sp h o n es t a n d a r d c t 2 c t 2 +d e c tp h s m o b i l ef r e q u e n c yc t 2 8 6 4 8 6 8 1 8 8 0 。1 9 0 01 8 9 5 1 9 1 8 r a n g e ( m h z j c t 2 + 9 4 4 9 4 8 m u l t i p l ea c c e s s t d m a ，f d mt d m a ，f d mt d m a ，f d m m e t h o d d u p l e xm e t h o d t d dt d dt d d n u m b e ro fc h a n n e i s4 0 1 0 3 0 0 u s e r sp e r c h a n n e i11 24 c h a n n e ls p a c i n g 1 0 0 k h z1 7 2 8m h z 3 0 0 k h z g f s kg f s k m o d u l a t i o n 兀4 d q p s k ( 0 5g a u s s i a nf i l t e r )( 0 5g a u s s i a nf i l t e r ) c h a n n e lb i tr a t e7 2 k b s1 2 1 5 2m b s3 8 4 k b s 北京t 业大学t 学碗十学位论文 表i - 2 无线数字蜂窝电话技术 t a b l e 1 - 2w i r e l e s sc e l lp h o n es t a n d a r d n 宝 n芒2 o7 善薹 彳 。 fc= 2 邑 已 一 暑已 = 邑 鼻 f 至妻 鼻 - 口 o 一 言罩 2 暮 善童 1 o 厶 皇 n 畸 ，n 彳 暑 = q 薯 = 它 2 2 2 = ： 刃 西 爿 一 叫刃 王 口 芹劳一刃 王 - - - - 妒oo j 乏 oo 口 h - 日 岛 o o 吲二二 p 姜要 欠- 口 天 吁1 。 oo 。 f z o 王 一oao 六口 o 一刃一刃 _ 口n 掣k 苓苓, - d 为 n o 口 至 一 量石譬磊葛蔓x 墨 卜j 一乙 。 o o oo a 二如二二f 甲 。一oo 铲 口 兰oo o oo l n o 艿 喇 卜j 六 士 口 呈 g o 罗。一叫刃叫7 q ox 9 王 0oq o 之 u o o 0 oou 。on nc u 素呈 o 喇 ou 厶q o o j q 。) oq 。oo 。0 犬穴 o 王，6 。lou l 一凸卓q 宝 f 。六厶o o o 一刃 窨 o 醅 王 _o 口口 n n 葛o 警 ou 穴 紊薹 穴 u 吲 。 啦 器3 万 士、j o 王 oo o 爿 叫 穿罗叫刃 盖 。 - - 一掣苷 k o 互 厶厶 c ” 、jn oo 。 qo # 一 犬 勺 犬 a 啊 高 oo f =c 。 口 音 氕 nov互 ou i n nu 口口 4 第1 章绪论 表卜3 无线数据通信标准 t a b l e 1 3w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d n 里 n芒2 口 暮 量垂 彳 。 ，=暑 已 。守 譬 厶 暑已 盛 j 巳 = f ! = - 口 疗 耐 一 墨= j = 芝2 - 暮 置童 2 q 巴 苫。 - o 盘 鱼 等弓n 。b = ： ，n 力 ， 譬 暑摹 一 j 皇 2 葺 2 明 z 对互 暑姿譬釜馨营 蜜买募 星重 吲 q ao 委耋耋量董 田 至蚕善 翌口 卓 ；耋互 鐾墓 士 盘 。 二：q 宝 一 勺 宝暴至量 = o 翟， o o o 巴 f 口 n 买霉鸯 | oou 。 翼霎霎| ：磊 o 2 啊 = p = 奄三喾妒 晏吞 国 n f n 王 雪妻萝善 o n = t o 妒 娶蚕 一 蔫 重急至惑f 宝 囊蚤蚤孚曼 董至 三暑 o 卜j o g 巴ooo 六 o 己n 昌 o j l n 9 b 昌 、j 暑 凸一 ?9o n l 耋董要 o 莩 。 o o 王 苦互 o o h z o z nna 5 北京tq k 六学t 学硕十学位论文 1 5 本章小结 本论文讨论了8 0 2 1 l 系统中射频接收前端电路的设计问题。进行了系统指 标预算分析，进行了电路设计，实际流片并进行了测试。本文设计摹于s m i c 0 1 8 u m1 p 5 m 的射频工艺。射频接收链路频率范围2 4 g 2 5 g ，功耗小于8 m a ， 噪声系数小于5 5 d b ，整体动态增益达到7 0 d b ，最大增益大于9 0 d b 。 本论文章节安排顺序如下： 第二章主要分析和讨论了射频通信系统的基本性能和指标，阐述了经典的链 路分析理论。并且主要针对8 0 2 1 1 b 系统指标，研究了如何将整个通信系统所要 达到的要求，对应转换成电路的实际指标，并根据动态范围的定义，提出了一种 最优化参数计算法。 第三章主要就l n a 的设计理论和方法展开了讨论。论文分析了各种结构的 l n a ，对比了各自的优缺点，最后基于电感源极负反馈形式的l n a 进一步进行 了讨论，并分析了设计中需要注意的问题。 第四章主要就下变频器m i x e r 的设计理论和方法展开了讨论，分析了各种结 构的m i x e r ，其中，分析了变频器需要达到的性能指标，并针对各自不同的结构， 对比了他们的优缺点。 第五章就实际电路和测试方面要注意的地方进行了讨论，比如物理设计版图 时需要注意的问题，给出了详细的设计仿真和测试结果。 6 第2 章射颁援收机的系统预算 第2 章射频接收机的系统预算 2 1 简介 本章扶系统的角度分析射频接收机的参数，讨论了经典的链路预算理论，提 出了基于等效输入三阶交调电压和噪声系数的新的链路预算理论。 2 2 频带 在i e e e 8 0 2 1 1 标准中，对r f 传输特性进行了定义，其中包括很重要的一部 分是频谱分配，还包括能量在频带中的分布特性。在标准中，2 4 g 左右1 0 0 m 的 带宽被分成1 1 个频道( f c c 标准针对北美地区) ，或者是针对欧洲地区的1 3 个 频道。每个频道的中心频率间隔5 m ，每一个频道的带宽是2 2 m 。对于1 1 b 和l l g 来说，这样的频道分配都能使用，区分他们的只是不同的调制方式。 2 3 工作频道 标准【3 忡的表格1 0 5 定义了i s m 中所能用的频道，而【3 】中章节1 8 4 6 7 2 则 定义了工作频道，如表2 1 所示。 在一个多单元的网络之中，利用非交叠的频道，可以实现多用户而小会产生 干扰，标准中要求共用信道的两个载波必须间隔至少2 5 m 。图表2 一l 描述了北 美地区组建局域网的典型配置隋况。 1l b 无线技术的成功使得接入点迅速增加。一般来说，局部区域网络的配置， 通常使用三个互不交叠的频道( 如北美地区的l ，6 ，1 1 频道) 。也有方案讨论四 个间隔近一些的频道同时存在的方案( 4 l ，声称会有更大的传输比特数( 不幸的是， 更多的系统集成商选择了三通道的方案) 。本文只讨论三个频道的方案。 表2 1 北美地区频道分布表 t a b l e 2 1n o r t ha m e r i c a nc h a n n e ll o c a t i o n s e t n u m b e ro fc h a n n e l s c h a n n e in u m b e r 13 l ，6 ，1 1 261 3 5 7 9 11 北京t 业大学t 学硕十学位论文 图表2 1 北美地区非交叠的频道分布 f i g 2 1n o r t ha m e r i c a nn o n o v e d a p p i n gc h a n n e ll o c a t i o n a m 删1a 翻州3a 口m d 5a 翻州7c h a m a 口a 胃憎1 1 c h a n n a l 3 2 4 1 2 2 4 2 2 m h z2 4 3 2 2 4 4 2 m h z2 4 5 2 m h z2 4 6 2 m h z 2 4 7 2 m h z 图2 2 北美地区交卺的频道分布 f i g 2 - 2n o r t ha m e r i c a no v e r l a p p i n gc h a n n e ll o c a t i o n 表2 2 欧洲地区频道分布表 t a b l e 2 - 2e u r o p e a nc h a n n e ll o c a t i o n s e t n u m b e ro fc h a n n e l sc h a n n e ln u m b e r 13 1 ，7 ，1 3 27 1 , 3 ，5 ，7 ，9 ，11 ，1 3 图2 3 欧洲地区非交叠的频道分布 f i g 2 3e u r o p e a nn o n o v e r l a p p i n gc h a n n e ll o c a t i o n c h a n n e l1c h a n n e l3c h a n n e l5c h a n n e l7 c h a n n e l9c h a n n e l1 1c h a n n e l1 3 2 4 1 2m h z2 4 2 2m h z2 4 3 2m h z2 4 4 2m h z 2 4 5 2m h z2 4 6 2m h z2 4 7 2m h z 图2 4 欧洲地区交叠的频道分布 f i g 2 4e u r o p e a no v e r l a p p i n gc h a n n e ll o c a t i o n 2 4 经典链路预算理论 2 4 1 无线i e e e 8 0 2 1l b 噪声预算 存标准 3 】中的1 8 4 6 章节中，定义了调制方式是1 1m b i “sc c k 的时候，存 8 第2 鼋射频接收机的系统预算 p s d u 长度为1 0 2 4 个b y t e ，接收机信号功率为7 6 d b m 的条件下，系统能够接收 的帧误码率为8 70 。 如果基带信道解调算法需要垒少7 d b 的s n r 才能正确解调到规定的误码率， 从圈2 5 可以看到，我们立即可以算出接收机所输入点需要的最小的信噪比如下 式： 踯n p u r m m l m 一2 溉i t i v i t y 一( 一1 7 4 d b 掰+ 1 0 1 0 9 ( b ) ) = 一7 6 一( - 1 7 4 + 1 0 l o g ( 2 2 m ) ) = 2 4 6 d b 图2 5 系统信号和噪声预算图 f i g 2 5s y s t e mb u d g e to f s i g n a la n d n o i s e 故此，根据上面算出来的最小信噪比，根据噪声系数的定义，立即可以得到： n f = s n r , p 。，。一s 毪 “。= 2 4 ，6 7 = 1 7 6 d b ( 2 2 ) 表2 3 噪声系数和灵敏度的关系 t a b l e2 3r e l a t i o n s h i po f n o i s ef i g u r ew i t hs e n s i t i v i t y n fo fr e c e i v e r s e n s i t i v i t y 1 7 6 d b7 6 d b m 1 3 6 d b8 0 d b m 8 6 d b 一8 5 d b m 3 6 d b9 0 d b m 算出来的1 7 6 d b 的噪声系数，是针对【3 】中所提出的一7 6 d b m 的最低要求的 若是需要史好的接收灵敏度，当然必须对噪声系数提出更高的要求，从理论上说 9 北京t 业大学】掌硕十掌位论文 n f 降低l d b ，系统灵敏度相应提高l d b m ，举例说明的话，若是需要设计一个 1 l b 系统，要求具有8 8 d b m 的系统灵敏度，重新推导上面的公式，可以得到接 收机必须具有小于5 6 d b 的噪声系数，当然这只是考虑噪声对解调的影响，实际 上除开噪声，还需要考虑其余因素对信道中的信号产生的影响。比如信号的失真、 相位噪声、差分信号失配等等都会使得f e r 升高。可以将系统灵敏度随着噪声 系数变化而产生变化列成表2 3 。 2 4 2 交调线性度的计算 在线性度的考量中需要特别注意b l o c k e r 信号，在标准中会给出测试标准， 根据b l o c k e r 信号和频道中自己信号的情况有四种要考虑，分别是：强信号、弱 b l o c k e r ；强信号、强b l o c k e r ；弱信号、弱b l o c k e r ；弱信号、强b l o c k e r 。其中 要注意区分到底是信号还是b l o c k e r 决定了系统的线性度。 8 0 2 1 1 b g 的b l o c k e r 信号示意图如下： b i o c k 8 r - l o d b m b l o c k e r 一2 3 d b m 、 、 1 r ( i n m h z ) 0 2 55 04 2 5 图2 68 0 2 1i b g 阻塞信号测试图 f i g 2 68 0 2 ，il b gb l o c k e rt e s t i n gs i g n a l 需要注意的几种情况分别阐述如下： 如输入信号是弱信号、强b l o c k e r 的情况。为了正确解调，需要链路增益比 较大，这时，对线性度的压力来自强b l o c k e r 产生的交调量，若要要求交调产物 f i 能影响解调的b e r ，必须要求交调产物比接收机等效输入噪底还要小，或者 至少相当，町以得到下面的关系式： 皿p 3 = ( 3 兄一，3 j ) 2 ( 2 3 ) ，0 “= 1 0 l o g ( k t b ) + n f ( 2 4 ) o 第2 章射频接收机的系统 自算 表示了等效噪底( 有时上式还需要加上一定的裕度) 。上式包含了带内i i p 3 和带外l i p 3 的计算。可以看出来，往往带外i i p 3 的要求要严格f 带内i i p 3 ( 因 外，土往带外的b l o c k e r 信号要大f 带内b l o c k e r 信号) 。 举例说明，l l b g 的情况来说，如果考虑带外1 5 m h z 和2 5 m h z 的地方有 3 5 d b m 的强b l o c k e r 信号，那么可以1 t ( 2 3 ) 立即得出，这时要求的i i p 3 大约为 1 0 d b m 。 当带内信号比较高的时候，系统增益需要比较低，这时对线性度要求最高的 信号来自信号本身，标准【3 】中规定当前频道最大信号为。1 0 d b m ，这说明这时接 收机的输入i d b 压缩点，必须比1 0 d b m 高才能够使得后面的解调顺利进行。 表2 4 不同情况下线性度的要求 t a b l e 2 4l i n e a r i t yr e q u i r e m e n tu n d e rd i f f e r e n ts i g n a lc o n d i t i o n c a s en u m b e r c o n s t r a i n t s i n p u tp l d b 1 i n p u tp o w e r i n - b a n ds i g n a lc o n s t r a i n t m a x i m u m i s l a r g ei n p u tp o w e r 2 i n p u tp o w e ra d j a c e n tb l o c k e rs i g n a lc o n s t r a i n t 3 5 d b l s i g n a lb a n d + a l i a s i n gb a n d 图2 1 0 频谱混叠所产乍的影响图 2 5 m f 咖 f i g 2 一1 0a dd y n a m i cr a n g ew i t ha l i a s i n g 表2 8 a d c 动态范围的计算 t a b l e 2 - 8a d cd y n a m i cr a n g ec a l c u l a t i o n s n r r d rp a p r q n o i s em a r g i n s u m 8 0 2 1 1 b1 0 d b0 d b3 d b1 0 d b1 0 d b3 3 d b 8 0 2 1 1 9 2 4 d b0 d b7 d b1 0 d b1 0 d b5 l d b g s m1 0 d b 4 5 d b3 d b2 0 d b1 0 d b 8 8 d b w c d m a一8 d b2 0 d b1 2 d b2 0 d b1 0 d b5 4 d b ” 北京t 业大学t 学硕十学位论文 行文至此，我们已经研究了噪声系数的要求和线性度的要求，还有结合a d 转换器的采样率和有效s n r 之后的基带滤波器的要求，综上所述，可以将1 1 b 接收机需要达到的基本指标罗列如下表。 表2 9r e c e i v e r 链路的系统指标 t a b l e 2 9r e c e i v e rc h a i np e r f o r m a n c eb u d g e t p a r a m e t e r sl i bs p e c r e q u i r e d p e r f o r m a n c e s e n s i t i v i t v 7 6 d b m 一8 0 d b m1 0 0 d b mn o i s ef l o o r m a x r xs i g n a ls t r e n g t h1 0 d b m1 0 d b m c h a n n e ib a n d w i d t h2 2 m h z2 2 m h z s n r = 7 d bf o r1 1 mc c k n o i s ef i g u r e1 4 6 d b1 0 d bn o i s ef a c t o r = 2 8 8 i n p u tp l d b ( h i g hg a i n ) 一3 5 d b m i n p u tp - l d b ( l o wg a i n ) 1 0 d b m g a i nd y n a m i cr a n g e6 6 d b7 0 d b f i l t e rp a s sb a n dl l m h z1 l m h z f i l t e rs t o pb a n d2 5 m h z2 5 m h zw i t h 3 5 d bg a i n 2 6 模块指标的定义和计算 系统指标的计算，是设计芯片所必须走的第一步，设计工程师必须根据标准 所规定的灵敏度和测试环境去算出系统所需要的s n r 值和线性度等指标。系统 设计的第二步，便是在整个系统中，如何将第一步所得到的系统的指标，转化成 每一级所必须具备的指标，以往的设计工程师需要借助于计算表格，或者系统仿 真工具( 举例来说，a d s 或者m a t l a b ) 去尝试分配这种指标，然后根据自己以 往的经验进行指标的分配，但是这样的方法有如下的缺点： 设计人员必须在很多指标上进行折衷考虑，而这种折衷不仅和设计的每一级 有关，而且还和整个系统各个级的指标有关，这导致了问题复杂化，往往只能从 经验入手，预先分配各级指标，然后靠工具在这个初始点上进行优化。 这样就会导致各级的指标很有可能不会到最优，而仅仅落到“够用”的范畴， 这时最优的概念已经变成和工程经验有关，很有可能会导致设计过度，进一步导 致整体成本上升。 所以最好能够设计一种优化的方法，使得设计过程简便明了而且快捷，并且 最好和工程经验无关或者联系较少。为此需要研究一下如何去逼近的问题。 有三种逼近的方法可以达到上面的目标： 1 第一种方法是建立存方程的基础上，我们可以对每级建立噪声方程，线 性度方程和功耗的方程，然后我们可以调整各项参数，利用尝试法去逼近目标， 第2 尊射频接收机的系统预算 这种方法可以从图2 1 1 清楚的展现出来。我们称作方程逼近法( 通常是纯系统 人员使用的方法) 。这种方法的j 廿j 题在于： 有可能在逼近的过程中，得到的最优点是电路所小能达到的点，公式展现的 指标需要很复杂的电路，或者根本就不能实现的电路去实现。这时，系统设计 人员就必须降低最优点的要求，以便照顾到电路设计人员，至少要在图中要实现 一个方程所示的范围，和电路能力范围两个圈的交集。 可是，从方程往外移动，由于方程中的影响因素很多，就有可能会导致移动 方向不正确，就会导致进一步远离电路。换句话说，没有经验依靠的话，设计人 员根本刁i 知道将最优点向哪个方向移动。 2 第二种方法称作电路逼近法( 相对第一种方法，这是纯电路设计人员的 设计方法) ，这种做法必须从基本的电路参数入手，然后，根据电路设计人员的 经验，不断修改电路的各种参数，不断将电路的各种指标拿到整体性能的方程中 进行评估，从而不断地向着系统指标逼近，最后完成设计。其示意图为图2 - 1 2 。 这种方法的问题在于： 此方法还是不能很明确的告诉设计人员电路调整的方向，如图所示，可能调 整的路径是，也有可能是，明显的可以看出，路径要比路径方便快捷， 而且省成本。 这种方法的问题还在于，这种方法和第一种方法一样，同样不能告诉设计人 员到底没有没有达到最优点，而只能告诉我们够不够用。这样可能会导致设计过 度，造成资源浪费。 存观察了前面所述的两种逼近方法，我们发现需要对上面两种方法进行改 进，以便以多快好省到达优化点，虽然第二种以电路设计人员为中心的设计方法， 是使用最多的方法，但是我们必须找出另外一种方法，以最短路径到达优化点， 避免路径混乱的问题。 图2 1 1 基于方程式的电路优化方法 。图2 1 2 基于电路的优化力法 f i g 2 - 1ie q u a t i o ni t e r a t i o nm e t h o d f i g 2 1 2c i r c u i t si t e r a t i o nm e t h o d 3 本文要阐述的第三种方法可以从图2 1 3 看得很清楚，第一步，我们要从 1 9 北京1 性大学丁学硕十学位论文 系统的角度，得到要求的最小指标( 图中的m i n i m u ms p e c s 的圆圈) ，然后我们 以现有的电路为出发点，建立一个方程，其中包含了各级的性能指标，如噪声、 线性度和增益的要求，接下来我们要寻找两个圆圈的切线方程，存切点处一定是 满足指标的点，而且并没有设计过度。若是在寻找切线方程中，使用的是线性逼 近的方法，那么从始发点到切点的路径，一定是直线寻址的过程。 一。 图2 - 1 3 直接的优化逼近方法 f i g 2 - 1 3d i r e c to p t i m u la p p r o a c h 第一步就是要建立系统的指标。不失一般性，可以将链路对系统的失真表示 成为如下： t o t a l l m p a i r ( 1 ) = f 1 ( i m p a i r l l ，i m p a i t 2 1 ，) t o t a l l m p a i r ( 1 ) s e e c 。 t o t a l l m p a i r ( 2 ) = e ( i m p a i r l 2 ，l m p a i t 2 2 ，琏t o t a l l m p a i r ( 2 ) s e e c s ( 2 1 4 ) 举例来说，若将噪声和线性度看成是对信号的失真，那么可以使用( 2 1 4 ) ， 写成如下的方程： 乃m l n o 西g = 舅( d 鹂，d i s e 2 ，n o 西e 3 ) 乃加胁i s e s p e c s ( 2 1 5 1 t o t a l d i s t o r t i o n = e ( 鸩，h d 2 ，h d 3 ) t o t a l d i s t o r t i o n s e z c , 、 第二步我们要以一个初始电路为基础，建立一个需要优化的函数，而且这个 函数应该是各级模块对信号失真程度的函数，表示如下： o p t i m a l g o a l = g ( 却口川”i m p a i r l 2 ， (216)i m p a i r 2 l ，l m p a i t 2 2 ， i m p a i r 3 i ，i m p a i r 3 2 ) 最后可以使用数学的方法，对上式求最小值或者最大值。对谁求导取决于系 统设计的要求，可以是功耗最小，可以是噪声最小，可以是线性度最好，还可以 是芯片面积最小等等。 第2 章射频接收机的系统预算 现在的问题变成如何寻找在条件( 2 1 4 ) 下式f 2 1 6 ) 的最优值。我们必须首先找 到包含各级性能的方程f 2 1 6 ) ，然后从它出发，寻找最优点。 那么必须先研究级联系统的性能，以便建立需要的边界条件。 2 7 级联系统性能方程 我们将注意力放在噪声级联和线性度级联上。 2 7 1 噪声电压的级联 级联噪声的大小，取决于两个方面，一是每一级的噪声大小，二是每一级的 增益大小。这一点很好理解，如果将噪声等效算到最前级，那么，噪声的大小必 定和在它前面的增益有关。故此，还可以得出一个结论，系统中，越到后级的噪 声容忍度越高，f r i i s l 5 ) 将其量化为： ，：e + 掣+ + 万毒_ ( 2 1 7 ) g i g l g 2 g g 一。 、 其中f 。是第n 级的噪声系数，g 。是第n 级的功率增益。上式成立的一个重 要条件是级与级之间的功率必须完美的传输，在标准5 0 欧姆( 或者7 5 欧姆) 的 分离器件时代，上面的公式不会造成误差，阻抗自然是匹配，但是在c m o si c 设计中，功率驱动被电压驱动所代替，在负载是栅输入的情况下，很难确定有效 的功率增益，从而利用( 2 1 7 ) 计算i c 中的噪声系数级联是不方便的。 故此，需要建立一套用噪声电压和电压增益代替功率增益和噪声系数来表示 噪声系数和噪声级联的理论。 首先研究如何将实际电路中的输出噪声和输入噪声进行转换的问题。 图2 - 1 4 曲瑞 j 獭出等双嗓户囝2 1 5 曲瑞口等效输八噪芦 f i g 2 - 1 4t w o p o r tn o i s er e f e r r e dt oo u t p u tf i g 2 - 15t w o p o r tn o i s er e f e r r e dt oi n p u t 磊c 彘m 2 a 2 瓦v 2 j i = 事c 警，： 图袁2 1 4 中展示了一个两端口的噪声等效申略冈。然后。为了等鞠刮图2 1 5 北京tq k 大学t 掌碗十学位论文 所示的模型，必然能够得到( 2 1 8 ) 。 ( 2 1 8 ) 清楚地揭示了输入等效噪声和输出等效噪声之间的转换关系 而根据噪声系数的定义，可以得到： n f ：! 茎坠堡业( 2 1 9 ) = l 二! = 旦 ( 2 1 9 ) 4 k t r s 有些地方还包括了输入电流噪声，表示如下： 胛= 坚产 口z 下面的推导说明，可以只使用输出噪声电压或者输入噪声表示电路处理噪声 的性能： f ：1 + ! 匦冱! 1 4 k t r s