（微电子学与固体电子学专业论文）无线局域网射频接收机的研究与实现.pdf

茎呈奎兰耋圭耋堡堡兰 摘要 近年来无线局域网技术得到了迅速发展，虽然目前无线局域网主要应用于 笔记本电脑和网络设备中，但是它将会越来越多地应用于手持设备之间的宽带 数据传输。现在市场上大多数的无线局域网射频收发芯片包含了很多分立元 件，体积比较大，同时需要很大的功耗，不适合在手持设备中使用。 本文介绍了一种低功耗直接转换结构的无线局域网射频接收机，包括低噪 声放大器，下混频器，增益可变放大器和信道选择滤波器。接收机电路具有很 高的集成度，采用中芯国际o 1 8 9 mc m o s 工艺实现。它可以工作在1 8 v 电源 电压下，整个射频接收机电路的功耗为9 0 m w 。测试结果显示接收机高增益下 的双边带噪声系数为4 1 d b ，输入三阶交调为一7 5 d b m 。 本论文首先是接收机电路的系统设计。从i e e e 8 0 2 11 b 协议规定的天线端 信号和接收机误码率要求出发，定义射频接收机的各个指标：噪声系数，线性 度等，并将这些指标分配到每个电路模块的设计指标。 论文第二部分是接收机的电路设计。在低噪声放大器设计中，详细分析了 射频放人器的噪声性能，讨论了输入阻抗匹配和噪声性能优化问的折中关系。 提出了种两级结构的有源混频器，非常适合低电压下_ t 作，并且具有很高的 线性度。为了提高接收机的动态范围，在信道选择滤波器的前后分别有增益可 变的放大器，滤波器前的增益可变放大器具有很高的带宽以减少干扰的影响。 采用了种模拟反馈的方式来处理零中频接收机中的直流失调，反馈环路可以 快速建立，建立时间小于5 1 t s 。 最后是射频接收机的测试。对接收机电路的增益，噪声，线性度等主要参 数进行了测试，通过与仿真结果的比较，对测试结果作了一定的分析。 设计的射频接收机已经集成在单片集成的无线局域网收发器芯片中。 关键词无线局域网射频接收机低功耗低噪声直接转换零中频 a b s t r a c t t h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) m a r k e th a sb e e ng r o w i n gr a p i d l yi n t h er e c e n ty e a r s a l t h o u g hi ti sm a i n l yu s e di nt h en o t e b o o ka n dn e t w o r ke q u i p m e n t a r e aa tp r e s e n t , w l a ni ss u p p o s e dt op l a ya ni n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n tr o l ei nt h e h a n d s e tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r , m a n ye x i s t i n gw l a nt r a n s c e i v e r sc o n s i s t o fa l a r g en u m b e ro fd i s c r e t ec o m p o n e n t sa n de x h i b i th i g h l e v e lo fp o w e r c o n s u m p t i o n t h i st h e s i sd e s c r i b e sal o wp o w e rd i r e c tc o n v e r s i o nr e c e i v e r ，i tc o n s i s t so fl o w n o i s ea m p l i f i e r , d o w n - c o n v e r t e r , v a r i a b l eg a i na m p l i f i e ra n dc h a n n e ls e l e c t i o nf i l t e r t h er e c e i v e ri sah i g h l yi n t e g r a t e ds y s t e ma n di ti si m p l e m e n t e dw i t hs m l c0 18 u n c m o sp r o c e s s i tw o r k sa tp u r e1 8 vp o w e rs u p p l ya n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s 9 0 m w t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h er e c e i v e rd o u b l es i d eb a n d ( d s b ) n o i s ef i g u r ei s 4 1 d b ，a n dt h e3 i n p u ti n t e r - m o d u l a t i o np o i n t ( 1 1 p 3 ) i s - 7 ，5 d b ma th i g hg a i ns e t t i n g t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i si st h er e c e i v e rs y s t e md e s i g n b a s e do nt h ei e e e 8 0 2 11bs t a n d a r d ，t h er e c e i v e rd e s i g np a r a m e t e r sa r ed e f i n e df r o mt h es i g n a la tt h e a n t e n n aa n dt h er e c e i v e ro u t p u tb i te r r o rr a t i o ( b e r 、t h e s e sp a r a m e t e r sa r et h e n d i s t r i b u t e dt oe a c hb l o c kd e s i g nr e q u i r e m e n t s t h es e c o n dp a r ti st h er e c e i v e rc i r c u i t sd e s i g n t h en o i s eo p t i m i z i n go fr a d i o f r e q u e n c y ( r f ) l o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) i sf u l l ya n a l y z e d ，a n dt h et r a d eo f f b e t w e e ni m p e d a n c em a t c h i n ga n dn o i s ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o ni sd i s c u s s e d t h e n at w os t a g ea c t i v em i x e ri sp r o p o s e d i ti ss u i t a b l ef o rl o w p o w e rs u p p l ya p p l i c a t i o n w i t hh i g hl i n e a r i t yp e r f o r m a n c e i no r d e rt oi n c r e a s et h er e c e i v e rd y n a m i cr a n g e ，t h e v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ( v g a ) i sd i s t r i b u t e db e f o r ea n da f t e rt h ec h a n n e ls e l e c t i o n f i l t e r t h ef i r s tv g ah a sb e e nd e s i g n e dw i t hl a r g e - b a n dw i d t hf o rl e s sd i s t o r t i o n a n a n a l o gf e e d b a c km e t h o di si n t r o d u c e dt oc a n c e it h ed c o 疗s e ti nz e r oi fr e c e i v e r t h e f e e d b a c kl o o pc a nh es e tf a s ta n dt h es e t t i n gt i m ei ss m a l l e rt h a n5 u s t h er e c e i v e rm a i n l yp a r a m e t e r s ，i n c l u d er e c e i v e rg a i n ，n o i s ef i g u r ea n dl i n e a r i t y , h a v eb e e nt e s t e d b yc o m p a r i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et e s tr e s u l th a sb e e n a n a l y z e d t h er e c e i v e rh a sb e e ni n t e g r a t e di nas i n g l ec h i pw l a nt r a n s c e i v e rw i t hl o c a l o s c i l l a t o ra n dt r a n s m i t t e rc i r c u i t s 塞墨查兰堡圭耋竺兰兰 k e y w o r d s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ko v l a n ) ，r a d i of r e q u e n c yr e c e i v e r , l o wp o w e r l o wn o i s e ，d i r e c tc o n v e r s i o n ，z e r oi f v 塞呈銮耋堡圭耋堡鎏兰 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 8 9 4 年无线电报的发明标志着无线通信开始进入人类生活，目前宽带无线 网络允许使用者收发图片和视频并享受一系列高速面向数据的服务，无线传输 技术已经成为信息领域最有活力的部分。美国著名的 e l e c t r o n i cb u s i n e s s ) 杂志评选的十大最具生命力技术中，包括了手机、8 0 2 1 1 无线网络 f l c m o s 技 术。以c m o s 技术制造的集成电路，正是无线通信发展的重要推动力。 目前无线局域网标准包括i e e e8 0 2 1 l b ，i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 1 9 。 前者是目前最成熟，应用最广的标准，它可以提供最高1 1 m b p s 的传输速率； 后两种应用o f d m 调制方式，可以提供最高5 4 m b p s 的传输速率。虽然只有短 短六年的发展，但是无线局域网技术已经得到了迅速的普及，并且发展前景更 加广阔。根据市场研究机构i n s t a i ，的预期，无线局域网芯片组的出货量，将 从2 0 0 5 的t 亿4 0 0 0 万件l 升到2 0 0 9 年的4 亿3 0 0 0 万件。 在过去五、六年问，这一市场的增长： i 要是由传统网络设备所推动的，同 时还有内置了无线局域网芯片的笔记本电脑。今后支持无线局域网的消费设各 逐渐成为市场的主角，包括蜂窝电话、p d a 、游戏机及其他手持设备。与传统刚 络设备应用不同的是，手持设备应用中要求无线局域网产品体积更小，功耗更 低，以及更省成本，这对无线局域网产品的设计提出了新的要求。 图1 1 超外差结构的射频接收机 无线局域网系统中最关键的技术是射频发送利射频接收，对接收机来说， 目前应用最广泛的是超外差结构，如图1 1 所示。其中高频滤波器通常采用声 表面滤波器，其他的高频电路通常用g a a s i 艺或者硅双极型工艺，中频电路用 硅双极型工艺或者c m o s i 艺。由于采用多种t 艺制造的模块，使得接收机在 体积、功耗、成本上都难以满足手持设备应用的要求。 近年来c m o s 技术的发展，为c m o s 射频电路的实现创造了条件，主要 包括以下几个方面：m o s 器件特征尺寸的减小使得特征频率进一步提高， 第l 章序论 0 1 8 9 m 的n m o s 在特定偏置下特征频率已经达到5 0 g h z 以上；片上高q 值螺 旋电感的发明；衬底隔离技术的发展，使得衬底耦合效应更小。目前世界上少 数的几个公司，如b r o a d c o m ，m a r v e l l ，a t h e r o s 已经开发出全c m o s 的无线局 域跚射频收发器。但是c m o s 射频电路在性能和功耗方面还需要进一步改进， 而低电源电压设计又是另个非常有意义的挑战。 1 2 论文的主要工作和创新之处 本论文主要研究和实现低功耗高性能无线局域网射频接收机电路，工作在 2 4 g h z 频段，采用0 1 8 9 i nc m o s 工艺，单电源1 8 v 供电。整个项目的目标是 实现低功耗单片集成的无线局域网收发器。 论文工作主要包括以下几个方而： 接收机系统结构的研究和系统指标的定义。系统指标定义是电路设计的指 导，它保证整个接收机电路符合协议指标的要求，又使接收机每个模块工作得 非常合理。这部分将研究影响接收机输出误码率的，卜要因素，比较适合无线局 域网的接收机结构，然后根据协议要求分配接收机每个模块的指标。 接收机电路设计。包括低噪声放大器，混频器，中频放大器，利巾频滤波 器。低功耗，低噪声，高线性度是接收机电路设计的主要日标。在低噪声放大 器设计中，重点研究电路的噪声性能；混频器设计中，主要着重于低电源电压 下的高线性度设计；直接转换结构接收机中对中频电路的噪声和线性度也有很 高的要求，另外分析了零中频接收机的直流失调问题。 射频版图的设计。射频电路的版图设计主要考虑版图的对称，差分和i q 两路的匹配性；以及模块之问的隔离。限于篇幅本文中没有对这方面详细描 述。 射频接收机的测试。射频测试板的设计和射频接收机电路的测试也是本论 文的重要工作，包括射频输入的匹配，高频参数的测试以及测试结果的分析。 论文的主要创新之处包括： 从无线局域网8 0 2 1 1 b 协议出发，通过接收机系统设计，电路设计，以及 流片测试，完成了低功耗直接转换结构的无线局域网射频接收机的研究和电路 验证。 接收机电路具有很高的集成度，采用中芯国际0 1 8 u1 1 1c m o s 工艺实现， 它可以工作在1 8 v 电源电压下，整个射频接收机电路的功耗为9 0 m w 。测试结 果显示接收机高增益下的双边带噪声系数为4 1 d b ，输入三阶交调为7 5 d b m 。 低噪声，高线性度和低功耗的电路设计。对低噪声放大器的噪声性能做了 比较完整分析和优化；提出了一种两级结构的有源混频器，非常适合低电源工 作，并具有很高的线性度；在保证电路性能前提下，对巾频放大器和滤波器的 功耗做了非常好的优化。 分析了零中频结构接收机中的直流失调问题，采用了种模拟反馈的方法 来抵消直流失调，反馈环路中的电容适合片上集成，同时直流失调抵消电路又 可以快速建立。 l - 3 论文的组织安排 论文各章内容安排如下：在第二章中主要介绍无线局域网接收机体系结 构，包括射频接收机主要指标，接收机结构比较和无线局域网接收机系统设 计：第三章是低噪声放大器设计，主要包括低噪声放大器的噪声性能优化和阻 抗匹配，以及全差分低噪声放大器的设计；第四章是混频器设计，首先比较备 种常用的混频器，分析噪声和线性度性能，最后是低电压高线性度的混频器设 计：第五章是中频增益控制电路和低通滤波器设计，还包括直流失调抵消电路 的设讨；第六章是接收机的实现与测试，包括输入匹配，噪声性能，线性度等 方面的测试；本文最后是对整个论文的总结和对接下去工作的展望。 第2 章无线局域网接收机系统指标 数字无线通信系统中的接收机包括最基本的三个部分，如图2 - 1 所示：射 频接收机接收天线端微弱的无线信号，模数转换器将信号转化到数字域，最后 通过数字基带处理电路完成解调等工作。对整个接收机的工作要求可以简单归 纳为两个方面：天线端微弱、复杂的信号可以被接收机处理；解调完的数字信 号达到一定的误码率( b e r ) 要求，保证数据能被可靠还原。 天线接 求 图2 1 接收机基本框阁 对于射频接收机而言，天线端的信号是它直接处理的对象。天线接收到的 不仅是有用信号，而曰还有干扰信号，不仅硼、i 刊协议问的信号会互相影响，而 且任何一个无线协议都将整个频段划分为几个信道供多个用户同时使用。所以 通常的情况是有用信号由于接收发送距离远而信号比较微弱，同时在临近的频 段存在比较强的干扰信号。射频接收机输出端的信号不仅信号大小、信号频率 要适合模数转换器( a d c ) 处理，而且要有一定信噪i ：l ( s n r ) ，保证数字解调后满 足误码率要求。所以射频接收机的设计应该结合输入和输出要求，合理定义各 方面的参数指标。 2 1 射频接收机主要参数指标 从上面的描述可以看到，接收机设计的主要任务是尽可能减小影响接收机 输出误码率的因素，所以首先要了解射频接收机内部主要指标，比如接收机电 路噪声，电路非线性因素，时钟相位噪声等和接收机误码率的关系。 2 1 1e b n 0 和s n r 在通信系统中通常用e b n 0 来表征接收机输出的信噪比，e b 定义为单位比 特信号的能量，n o 为噪声能量密度( w h z ) ，在加性高斯白噪声近似中n o 在频 域上是个恒定值。些特定的调制方式比如f s k ，b p s k ，q p s k ，在一些假设 条件下误码率年h e b n 0 的关系可以用概率论的方法得到 1 】。但是实际接收机中 滤波器的设计，以及解调中存在的非理想因素都会影响输出误码率，在一些更 复旦大学硕士学位论文 复杂的调制方式下，误码率和e b n o 的关系需要通过仿真得到。 电路设计中更习惯将信号能量和噪声能量的比值作为信噪比( s n r ) 。信噪比 和滤波器的设计有关，在匹配滤波器条件下，接收端的信噪比可以达到最佳 值：但是e b n 0 的值不受接收滤波器的影响。e b n 0 和s n r 的关系可以表示 为： s n r e bd rf 2 n n ob w 其中d r 表示数据传输速率( 比特秒) ，b w 为接收机滤波器带宽。系统设计 中可以根据误码率要求以及调制方式，计算或者仿真得到所要求的e b n o 值， 然后根据式( 2 1 ) 计算相应的信噪比。 需要注意的是，在接收机中并不仅是电路的噪声会影响误码率，接收电路 中的其他非理想因素，比如电路的非线性，本振信号的相位噪声都会影响输出 的信号质量，所以一种更严格的方法用“信号对噪声失真比( s i n a d ) ”来定 义。计算中一般可以将各种噪声以及干扰看作非相干性的，不区分这两者对信 噪比影响的差别，直接将它们的能量叠加作为总的噪声干扰源。 2 1 2 级联系统噪声系数 接收机的灵敏度定义为在保证输出误码率的条什下，接收机输入端能检测 到的最小信号。接收机电路的噪声是决定接收机灵敏度的重要因素，通常用噪 声系数来衡量电路的噪声性能，噪声系数的定义为 2 】： f = 笋( 2 - 2 ) n ，” 圯+ 。，表示电路输出的总噪声能量，。+ ：。表示输出噪声中南输入源噪声引起 的部分，输出总噪声中的另外部分就是由电路产生。可见噪声系数总是相对于 某一源噪声，同一个电路如果源噪声不同，电路的噪声系数值也不同，所以在 通信系统中一般都相对于5 0 f l 的电阻噪声源。式( 2 2 ) 也可以写成输入端等效噪 声的形式，相当于除以电路增益。如果在式( 2 2 ) 中的分子分母都乘以输出端信 号能量，噪声系数又可以表示为： f =c 。n 。一 c n |箬簪2 ：一s n p 、( 2 - 3 )c 。n 。ts n r o 。 所以噪声系数又表示输入端信噪比和输出端信噪比的比值，它体现了电路 对信噪比的恶化程度。通常用n f 表示以d b 为单位的噪声系数，在不考虑其他干 扰源的情况下，接收机输入信号，噪声系数和输出信噪比的关系可以表示为 【3 ： s n r ( d b ) = 只。( d b m ) + 1 7 4 ( d b m ) 一1 0 l o g ( b w ) 一v f ( 2 4 ) 其中- 17 4 d b m 为5 0 q 阻抗在常温下的噪声频谱密度，式( 2 4 ) 中右边前三项表示 w a n t e d s i g n a lp o w e r m 似t o t a in o i s e t h e r m a in o i s e ( 2 z m h z ) t h e r m o in o i s e ( 1 h z ) 图2 - 2 噪声系数和接收机灵敏度关系 接收机输入信噪比，所以式( 2 4 ) 和式( 2 3 ) 完全是等同的。图2 - 2 反映了接收机 噪声系数和灵敏度的关系，假设信道带宽是2 2 m h z ，输出要求信噪比是9 d b ， 如果要求接收机的灵敏度为7 9 d b m ，那么接收电路的噪声系数不能超过 1 2 6 d b 。 凶为任何的接收机电路都是几个电路模块的级联系统，所以就有各个模块 噪声系数如何累加的问题。图2 - 3 为一典型的级联系统，r 。和r 。i 为第1 级 图2 - 3 级联系统 的输入输出阻抗，f i 为第1 级相对于r 。的噪声系数，g i 为每一级的有效功率增 益【3 】。在上述条件下，级联系统的噪声系数可以表示为： ，- 只+ 等g + ”+ 者g 去g 陆s ， 1 g “ 增大前级电路的增益可以抑制后级电路的噪声贡献，如果己知每一级的功率增 益和噪声系数，就可以求得整个级联系统的噪声系数。 应用式f 2 5 ) 在传统的分立系统中比较合适，因为此时每个模块输入输出都 匹配到特定阻抗( 一般为5 0 n ) ，但是在射频集成电路中，除了射频输入端，其 他模块没有必要做阻抗匹配，每个模块的输入输出阻抗都由电路性能优化决 定，一般它们的值都是不相同的。此时就不能应用式( 2 - 5 ) 求级联噪声系数，因 6 兰呈查耋竺圭耋竺丝三 。 图2 4 噪声模块的级联系统 为每个模块相对的源噪声都不相同，而且每一级计算有效功率增益的电阻值也 不相同。 考虑图2 - 3 中每一级模块的输入等效噪声，此时级联的噪声模块如图2 - 4 所示，其中露，巧分别为第n 级的输入等效噪声电压和输入等效噪声电流， 4 。为第n 级的电压增益。将所有噪声都等效到输入端，可以得到输入等效噪声 电压为： 瓦= 4 k t r s + ( l 。r s + ) 2 + 。墨型生+ 霹- c 彘j ( i 。r o 。，+ k 。) 2 ( g m l 制1 2 形2 ( 丽r m 2 2以) ( 蔫 2 ( 2 - 6 ) 射频接收机集成电路中，除了输入端需要与片外电路阻抗匹配，内部模块间并 不需要阻抗匹配，而且一般都满足8 。 r 。1 ，所以( 2 - 6 ) 可以简化为： 一万 尹 k：m=47毽+。m磁+kl2+：；ii葡+：；：；：蔬 此时级联系统噪声系数可以表示为： f 。= e q - 什 i2-1 砥霜+ 十l 可( 2 - 8 ) 南2 锄2 霹t 一，i r o , t 1 需要注意的是这里每一级的噪声系数都是相对于源电阻噪声，所以在计算 级联系统噪声系数时，可以先计算( 或者仿真) 每- 船相对于源噪声的噪声系数 和每一级的电压增益，然后应用( 2 8 ) 得到整个系统的噪声系数；也可以依据该 式在系统设计时分配各级模块噪声指标。 第2 章无线局域网接收剖【系统指标 2 1 3 线性度 接收机不仅需要处理小信号，而且在大信号输入下也能保证误码率要求， 一般无线协议都要求射频接收机具有8 0 d b 一1 0 0 r i b 的动态范围【2 】。上节中的噪 声系数决定了接收机的灵敏度，接收机对大信号的处理能力由电路的线性度决 定。非线性问题主要表现为输出幅度饱和和谐波失真等【3 】。 输m 幅度饱和用l d b 压制点来表示，它定义为使电路增益相对小信号增益 降低】d b 时的输入信号幅度，通常都是用相对于5 0 1 1 的功率值来表示。电路的 l d b 压制点限制了电路所能处理的最大信号幅度。 另一个在射频系统中更加重要的非线性指标是电路的输入( 输出) 三阶交 调。如图2 - 1 中描述的，天线端接收的不仅包括有用信号，还往往存在很强的 临近信道干扰。如图2 - 5 中位于国1 和1 的干扰信号经过非线性电路时，它们 产生的三阶分量将位于2 0 2 一l 和2 a d 0 9 2 。如果三阶分量刚好落在所需信号 信道内( 比如临近信道干扰和次临近信道干扰产生的三阶交调量) ，就会影响信 号信噪比，因为滤波器并不能抑制这种干扰。当输入干扰信号幅度彳增加时，三 阶交调量将以正比于爿3 增加，它们的延长线交点称为输入或者输出三阶交调 点，如图2 - 5 右边所示。如果己知电路的输入三阶交调点i i p 3 ，对于不同的输 m a i ns i 9 n o l lj p l t 滕阑 图2 - 5 三阶交调干扰和三r 交调点 入干扰信号下( 双频) ，输出三阶交调量和一阶分量的差值为 3 ： a p ld b = 2 ( 嵋ld b m 只i d b ) ( 2 - 9 ) 相当于在输入端引入的三阶千扰量为： n t u ，= 只1d b a p ld b = 3 p , 。id b 一2 嵋1 d b m ( 2 - 1 0 ) 如果仅仅存在临近信道干扰时，按照上面的描述将不会产生三阶交调量影 响有用信道。但是实际的干扰信号并不是某个单频信号，而是具有一定带宽的 调制信号，其中任何两点频率信号都会产生三阶分量。这样由于三阶非线性将 会使干扰信号频谱扩展 4 ，可能部分进入有用信道中，如图2 - 6 所示。同样有 用信号本身也会产生三阶分量形成干扰。这两种情况的指标要求都没有前面双 复旦_ 人学硕士学位论文 豳蕊； 图2 6 临近信道干扰信号产生的三阶分量频谱扩展 频干扰测试的指标要求高，所以系统非线性指标定义时，都以双频干扰作为测 试要求。 和级联系统中的噪声系数一样，如果已知每一级模块的电压增益和输入三 阶交调点电压v ip 3 级联系统的三阶交调可以表示为： ( 2 - 1 1 ) 甲监 a 警 + 血 + 上 刽 上吃 信号泄漏到接收端，这对本振的带外相位噪声性能提出了很高的要求。 另一方面，所需射频信号本身与中一t l , 频率附近整个信道带宽内的相位噪声 混频，形成的噪声也落在信道带宽内，在射频输入端等效噪声为： 8 嘭 。= 只。m + i 三( r ) d f ( 2 - 1 4 ) ； 这就对本振的带内噪声谱密度l ( f ) 提出了要求。 本振信号的相位噪声也会在发送器中造成相位误差，频谱扩散等问题，相 关内容在 5 有详细介绍。 2 1 4 2 滤波器要求 图2 - 8 滤波器对干扰的抑制要求 基带滤波器需要抑制干扰信号，使其不影响输出信噪比，一般要求滤波后 干扰比噪声低6 d b 。由于往往天线段干扰信号比所需信号大许多( 可以达到 5 0 d b 左右) ，所以对滤波器的临道抑制要求会非常高。所以通常会采用模拟滤 波器和数字滤波器结合的方式，这样可以减少模拟滤波器的硬件开销。但是对 模拟滤波器而言，应保证后级电路的线性工作范围，干扰信号不能饱和后级电 路，干扰信号所产生的非线性量也要在指标以下。 模拟滤波器的另一个要求是作为a d c 前的抗混叠滤波器，根据采样定理 【6 ，如果采样时钟频率为z ，那么如图2 - 8 中z 一厶，到z 问的干扰信号会被 混叠到信号带宽厶，内，所以这部分的干扰抑制必须完全由模拟滤波器完成， 滤波器的阻带抑制指标通常由f 一厶。点的要求决定。 接收机中还有其他一些非理想因素，比如在正交调制中i q 两路的增益和相 位不平衡，a d c 中的量化噪声，临近信道的频谱泄漏等都会影响接收机的信噪 比。所以图2 - 2 中的决定接收机灵敏度的将不仅仅是电路噪声系数，需要将 兰呈态耋堡圭耋堡璧兰 w a n t e d s i g n a lp 眦r m o x “，t a l n o i s e 矗d i s t a r t i o n t h e r t n a in o i s e f 2 2 m h z ) t h e r m a ln o i s e ( 1 h z ) 图2 - 9 接收机中的噪声和干扰 上述所有非理想因素产生的噪声或者干扰能量叠加，使其满足接收机灵敏度要 求，如图2 - 9 所示。 2 2 接收机结构比较 从上一节接收机指标定义可以看到，接收机的性能刈以简单归结为两点： 灵敏度和选择性。高的灵敏度意味着接收机可以接收很弱的射频信号，高的选 择性使得当天线端存在很强干扰信号时，接收机仍旧可以处理有j i j 信号。由于 射频滤波器的阻带抑制能力有限，以及它不能作为信道选择的滤波器，所以后 级的电路既要处理干扰，又不能引入太多的噪声和失真。同时高集成度，尽量 少的片外元件，低功耗的设计要求又成为接收机设计中新的挑战。 不同的无线协议对数据传输率，信号带宽，灵敏度以及干扰强度都有不同 要求，所以根据特定的协议要求选择合适的接收机结构非常重要。当前在无线 通信系统中，应用最多的是超外差结构的射频接收机，如图2 一1 0 所示，这得 益于这种结构的接收机设计自由度大，具有非常好的性能。射频信号到基带信 号的转换过程中，经过两次( 或两次以上) 频率搬移，因此时钟泄漏的影响非常 小：在各个频率段应用相应的滤波器，可以有效抑制镜像干扰，临道干扰信号 图2 1 0 超外差结构射频接收机 第2 章无线局域网接收机系统指标 以及带外阻塞，可以增大接收机的动态范围。所以超外差结构接收机可以做到 非常好的灵敏度和选择性。 但是这种结构的接收机最大问题就是集成度不高。如图2 1 0 所示，为了 达到比较好的性能，高频滤波器通常采用声表面滤波器，其他的高频电路通常 用g a a s 工艺或者硅双极型工艺，中频电路用硅双极型工艺或者c m o s 工艺。由 于采用多种工艺制造的模块，使得超外差结构滤波器在面积、功耗、成本上都 难以满足当前无线系统的要求。直接转换结构的接收机由于更适合系统集成， _ 已经受到越来越多关注，并已经成功在一些射频产品应用。直接转换结构又可 以分为低中频结构和零中频结构( 有些文献中直接转换结构专指直接转换的零中 频接收机) ，相对超外差结构接收机，这两种接收机电路结构简单，但是各自又 存在一些问题，目前只是适合应用于某些特定协议的接收机。 2 2 1 低中频接收机 图2 - 1 l 低中频结构接收机 低中频接收机的典型结构如图2 1 l 所示 7 】，射频段的信号经过一次频谱 搬移到一个非常低的中频段。由于省略了中间的几个高频滤波器，所以这种结 构接收机可以达到非常高的集成度。但是低中频接收机中的主要问题是存在镜 像干扰，如图2 - 1 2 中当喀，相对于。的镜像处存在强干扰时，该干扰被下混 频到同一中频处将信号掩盖。如果提高中频来增加射频滤波器对镜像干扰的抑 制，这会使a d c 的带宽要求非常高，一般是不切实际的。所以目前通常采用多 二：圆： 一一 一一，7i 赢i 、 气勰 。o 饰 。 图2 1 2 低。p 频接收机中的镜像干扰问题 墨呈查耋璧兰耋堡篓三 相位滤波器或者复数滤波器的方法抑制镜像干扰，但是镜像抑制能力( i r r ) 受 i q 两路增益和相位偏差的影响。所以般低中频结构只能应用于对镜像抑制 要求不高的系统中。 2 2 2 零中频接收机 零中频接收机和低中频接收机结构非常相似，从射频到中频也是只采取一 次频谱搬移，只是它的中频是零频，这样镜像信号就是本身。零中频结构接收 机电路结构更加简单，是最适合设计低功耗，单芯片系统的结构，但是这种结 构接收机主要有直流失调，1 f 噪声和偶次谐波问题。 图2 - 13 零l 卜l 频接收机中的直流失调问题 在零中频接收机中，任何直流失调都会被中频放大器放大影响输出信号， 更严重的是直流失调叫+ 能使后级电路饱和。如图2 - 1 3 中引起直流失调的主要 有以下儿个原因： 本振信号泄漏到射频输入端与本振信号混频产生直流值，由于天线端的阻 抗可能受到外界环境的影响，所以这种直流失调值可能是时变的。 当天线端有很强的阻塞信号时，这种阻塞信号可能耦合到本振输入端，从 而产生直流失调。 混频器和中频放大器中的任何不匹配都会造成直流失调，通过中频放大器 进一步放大，不过这种直流失调是静态的。 针对不同的无线协议目前主要有以下几种直流失调抵消方式：对于信道带 宽比较大的协议或者在零频处信号能量比较小的调制方式中，往往采用高通滤 波器的方式将直流失调抵消【8 】【9 】；另外一种是通过a d c 采样直流失调值，然后 通过数字基带算法返回相应的直流失调抵消值【1 0 】。无论哪种方式，因为总要 通过闭环总抵消低频的失调值，所以总是和处理时间相矛盾的，这是目前直流 失调抵消中最难解决的问题。 1 f 噪声是零中频接收机中重要的噪声源，在4 1 1 有关于1 f 噪声的详细描 述。因为无线局域网协议定义了非常大的信号带宽( 8 0 2 1 l b ，2 2 m h z ) ，相比其 他协议更容易处理直流失调和1 ，f i 噪声问题；同时相比较低中频接收机，零中频 第2 章无线局域网接收机系统指标 接收机没有镜像干扰问题，中频采用低通滤波器具有更好的信道选择性和更高 的集成度。所以在单片集成的无线局域网收发器中，零中频接收机是比较台适 的结构。 2 3w l a n 接收机系统设计 以上分析了影响接收机输出信噪比的各种因素，以及如何将各种非理想因 素折算成输入等效噪声干扰源。比较了两种常用的接收机结构，选择直接转换 零中频结构设计无线局域网接收机。本节将根据i e e e8 0 2 1 1 b 协议定义噪声， 线性度等指标要求，以及分配各个模块的具体指标。 2 3 1i e e e8 0 2 1 l b 介绍【1 1 】 l61 l 2 4 0 02 4 1 22 4 3 72 4 6 2 l3579】l 2 4 0 02 4 1 22 4 2 22 4 3 22 4 4 2”5 22 4 6 22 4 7 22 4 8 35 m h z 图2 - 1 41 e e e s 0 2 1l b 信道编排( 北美) i e e e8 0 2 1 1 b 由电气和电子工程师协会( i e e e ) 于1 9 9 9 年公布，工作在 2 4 g h zi s m 频段，目前已经成为应用最广的无线局域网连接标准。 在2 4 0 0 m h z - - 2 4 8 3 5 m h z i 作频段上，可以采取非交叠或者交叠两种信道 编排方式，如图2 。1 4 所示，分别允许3 个或者6 个( 北美6 个，欧洲7 个) 信道 同时工作，每个信道带宽2 2 m h z 。在非交叠情况下，可以提供i m b p s ， 2 m b p s ，5 5 m b p s 和1 1 m b p s 四种数据传输速率，分别采用d b p s k ，d q p s k j i j 数据传输率1 m b p s2 m b p s5 5 m b p s1 i m b p s 灵敏度 - 8 3 d b m8 0 d b m7 9 d b m7 6 d b m 最大输入信号强度 1 0 d b m 信道选择性要求 信号强度 7 7 d b m7 4 d b m7 3 d b m7 0 d b m 临道干扰 3 5 d b m3 5 d b m3 5 d b m3 5 d b m 次临道干扰 一3 5 d b m3 5 d b m3 5 d b m一3 5 d b m 阻塞干扰 3 0 d b m3 0 d b m3 0 d b m3 0 d b m 表2 1i e e e8 0 2 1 l b 天线端信号要求 1 4 复旦大学硕士学位论文 c c k 调制方式；在交叠编排方式下，可以提供i m b p s 和2 m b p s 的传输速率。 对于接收机输出，要求解调后误帧率( f e r ) d 于8 ，每一帧包括10 2 4 个8 进制字节。对接收机天线端信号要求如表2 - 1 所示。 当有临道干扰或者次临道干扰存在时，此时信号强度比测试灵敏度时高 6 d b m ，另外【1 l 】中并没有同时定义临道干扰和次临道干扰，我们的设计中要求 满足临道干扰和次临道干扰共存的情况。 2 3 2 接收机指标要求 接收机的指标由输入信号和输出误码率两方面决定，指标定义的误帧率要 求可以得到误码率要求【1 】： b e r = l n 一0 0 8 ) 17 8 1 9 2 = 1 0 - 5 f 2 1 5 ) 对于d p s k 调制方式，高斯加性白噪声信道假设条件下的最优接收机误码率为 【l 】： b e r = 1 2 e 。 ( 2 - 1 6 ) 所以对于1 m b p s 和2 m b p s 传输速率下，e b n o 为1 0 8 。对于5 5 m b p s 和1 1 m b p s 传输速率采用c c k 调制方式，可以通过a d s 仿真得到最优解调接收机误码率。 6 5 三圭三= j 葺i 一二二- 譬) 1 “ = ：= 丰i = ，圭彳斗= = e 三二4 一二划 日48 b& 89 09 29 4g e9 b1 0 08 4& 目 b 82 9 48i o d b e r d f e b n o b e rd f ( a )( b ) 图2 1 5c c k 调制下接收机误码率和信喋比关系( a ) 5 5 m b p s ( b ) 1 1 m b p s 另夕b e b n o 和信噪比的关系可以由式( 2 一1 ) 得到，假设基带低通滤波器等效 带宽为8 m h z ，这样所有接收模式下信噪比要求( 3 d b 裕量) 如表2 2 所示。 数据传输率( m b i t s ) 调制方式e b n o ( d b )s n r ( d b l l d b p s k1 3 84 8 2 d q p s k 1 3 878 5 5 c c k i i 81 0 2 1 l c c k1 21 3 4 表2 - 2 不同传输速率下的信噪比要求( 3 d b 裕量) 2 1 中已经给出了接收机各种非理想因素等效到输入端的噪声或者干扰，所 第2 章无线局域网接收机系统指标 b a s e b a n df i l t e r f r s q u e n c y 01 01 42 5 a u e n u a t l o l02 03 55 5 h i g h s i g n a lc a s e睡n a is i g n | 枷a i t 矗 d j a n a l o gr xg a i nn b l 3 o4 7 g6 3 o d e s i r e ds i g n a lea r p d b m l- 1 0 o- 7 0 o一7 0 g i n t e r f e r i n gs i g n a l e a r p b m l c p r i o rt o “b l o g 日b “l t e r i “g )_ 3 6 03 5 o i n t e r f e h n gs i g n a l e a r p m b m c a f t e ra a l o g l i bf i i t e r in 曲 - 6 5 o9 0 m d e s i g np a r a m e t e r s n e l s es o uc i nb a n d p h a s en o i s e 阳e c 一3 0 n l o ( i nb a n 一1 0 6o4 00 p h a s en o i s e b c l h z 2 0 m h z l一1 3 0 n i o ( o u tb a n a n a h hn an a s i g n a l 皂a d c ( d b m ) 一71 月07一2 b7 a n a l o gr xi f p 3f d b i n !n i m ，a d l n an l o ws i g n a l 一2 0n a n 一9 2 6一6 06 h i g hs i g n a l 2 h i q i o o43 44 a d ja gb l o c k e r一9n n a n a l o gr xn e l s ef i g u r ef d b l o ws i g n a l8 h i g hs i g n a l 4 f l一9 i7 4 9一2 58 j 0 a d j ，a r b l o c k e r 8 i i q i m b a l a n c ep h a s e 【d e g r e e s 】2 1 5 91 50l35i q - i m b a l a n c ea m p l i t u d e 【d b oj s s l n a i d 【d a drlq3；rementmargint 鬟23 1 3 43d34 a d jt xd i r e