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蓝牙无线发射器的设计 摘要 蓝牙技术的出现是为了替代现有电子产品间用于数据通信的大量有线连接，所以它有很大的应用 市场。其针对的市场应用要求蓝牙技术的特点是：低价格，低功耗，系统健壮。为了实现这些要求， 很多公司部致力于单芯片蓝牙系统的解决方案。而其中射频电路的全芯片实现是最大的难点。本论文 就是针对采用c m o sr f 工艺实现蓝牙无线发射器。 无线射频电路的设计不同于一般的电路设计，它是一个非线性时变系统，由于从天线上接收到的 信号动态范围非常大，所以我们非常关注电路的噪声性能和非线性性能，电路噪声过大会淹没有用的 弱信号，输入信号过强会驱使电路进入非线性区，强干扰信号会降低信号增益，产生的新的频率分量。 所以在无线射频电路设计中引入一些特有的电路性能衡量指标。 无线射频系统的架构设计至关重要，它影响整个系统的性能，集成化程度，功耗性能等。传统的 外差式架构，集成度较差，而且没法很好的解决m i n o r 信号的抑制；零中频架构又深受基带寄生信号 的困扰。但在模拟域引入复信号处理的方法后产生很多新的无线射频系统的架构，这些架构结构简 单性能理想，集成度高。 受到c m o s 工艺的限制：寄生效应显著，损耗大，高频增益较小。高频电路是射频电路设计的难 点，工艺的改进，成熟使这部分电路的实现成为可能。升频器，功率放大器是发射器中的重要组成部 分，根据蓝牙射频设计的需要，选取合理的电路结构，充分考虑寄生效应，微波效应，才能保证其设 计成功。 蓝牙发射器还包括很多中低频电路，l p f ，v g a d a ，等等，涵盖了大多数经典模拟电路由于 其设计指标不是特别苛刻，其设计过程比较成熟，论文中投有作详细介绍。 高频电路的版图设计非常具有挑战性，版图设计时对隔离，匹配又很高的要求。 蓝牙系统要得到蓝牙商标，必需通过蓝牙认证委员会的认证，为此蓝牙s i g 颁布了一系列关于蓝 牙的测试规范，其中包括射频部分测试标准。蓝牙系统本身也提供了一种测试的工作模式，在这种模 式下，待测器件在测试设备的控制下写入具体的配置参数，发射接收信号，由特定仪器测试其性能。 关键词：蓝牙，射频无线发射器，无线接收器，混频器功率放大器 中图书目分类号：t n 4 5 ，t n 4 6 v i 堕至歪些苎堑墅塑墨! a b s t r a c t b l u e t o o t ha i m st h e w i r e l e s sc o n n e c t i o nb e t w e e ne l e c t r o n i cp r o d u c t s ，s u c ha st h ec o n n e c t i o nb e t w e e n c o m p u t e ra n di t sp e r i p h e r a l s f o ri t sa t t r a c t i n gf i g u r e ：l o wc o s t ，l o wp o w e r l o wc o m p l e x i t y , r o b u s t n e s s ，i th a s al a r g em a r k e t m a n yb l u e t o o t hs y s t e mm a n u f a c t u r e ma d o p tt h em o n o l i t h i cs o l u t i o nw h i c hm e a n st h er a d i o a n db a s e b a n da r ei n t e g r a t e di n t oo n ec h i p r a d i oi n t e d a t i o ni sag r e a t e s tc h a l l e n g ei nt h i ss o l u t i o n ，w h i l et h i s t h e s i sa i m st h ec h a l l e n g e ，i n t e g r a t i n gr a d i ou n d e rc m o sk f p r o c e s s r fs y s t e mi sat t m e - v a r i a n tn o n l i n e a rs y s t e m t h es i g n a lf r o ma n t e n n ah a sal a r g ed y n a m i cr a n g e ，n o i s e p e r f o r m a n c ea n dh n c a r i t yp e r f o r m a n c ea r cl a i dm u c he m p h a s i so n w h e nw ed e s i g nt h ec i r c u i t s l a r g en o i s ei n c i r c u i t sw i l l s u b m e r g et h ew a n t e ds i g n a l ，w h i l et h el a r g er fs i g n a lw i l l d r i v et h ec i r c u i t si n t oan o r d i n e a r r e g i o n l a r g ei n t e r f e r e n c ew i l lr e d u c et h eg a i no f w a n t e ds i g n a l ，b r i n gi n t e r f e r e n c ei nt h eo p e r a t i o nc h a n n e l s on e w c o n c e p t i o nf o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c e o f r fc i r c u i t sw i l lb ei n t r o d u c e d g o o da r c h i t e c t u r ei sv e r yi m p o r t a n tt oar fs y s t e m ，w h i c hw i ul o o s et h er e q u i r e m e n tf o re v e r yb l o c k ， i m p r o v et h ei n t e g r a t i o na n dr e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n c l a s s i ch e t e r o d y n ea r c h i t e c t u r eh a sal o wc a p a b i l i t y o fi n t e g r a t i o n ，u s i n ge x t e r n a lc o m p o n e n t sf o rm i r r o rs u p p r e s s i o n ，w h i l ez e r o - i fa r c h i t e c t u r es u f i e r s f r o m p a r a s i t i c b a s e b a n ds i g n a l h e r em e t h o do fp r o c e s s i n gc o m p l e xs i g n a li s i n t r o d u c e di nt h ea n a l o gd o m a i n ， r e s u l t i n gi nm a n yn e wa r c h i t e c t u r e sf o rr fs y s t e mt h e s en e wa r c h i t e c t u r e sa v o i dt h ep r o b l e mc l a s s i co n e s h a v es u t i e r e d ，r e d u c i n gt h ec o m p l e x i t ya n dh a v eah i g hc a p a b i l i t yo fi n t e g r a t i o n c m o s p r o c e s sh o b v i o i l ss h o r t c o m i n g sf o ri m p l e m e n t a t i o no fr fc i r c u i t s ，s u c h a sg r e a tl o s si nt h e s u b s t r a t e ，p a r a s i t i cd e v i c e s ，l o wg a i na th i g hf r e q u e n c y w i 也t h ei m p r o v e m e n to ft h ep r o c e s sa n da c c u r a t e d e v i c em o d e l s ，h i 曲f r e q u e n c yc i r c u i tc a nb ei m p l e m e n t e di nc m o sp r o c e s s u p - m i x e ra n dp o w e ra m p l i f i e r a r et h ei m p o r t a n th i g hf r e q u e n c yc i r c u i t si nt h et r a n s m i t t e r i fw ec a l ls e l e c tas u i ts t r u c t u r eb a s e do nt h e s p e c 蛳c a t i o no fb h i e t o o t hr a d i o ，u s ea c c u r a t ed e v i c em o d e l s ，t a k ep a r a s i t i cd e v i c e s i n t oc o n s i d e r a t i o n ，w e c a nm a k eas u c c e s s f u ld e s i g n t h e r ea r ea l s ol o t so fm e d i a t ef r e q u e n c yo rl o wf r e q u e n c ya n a l o gc i r c u i t si nt r a n s m i t t e r m e t h o d o l o g yo f d e s i g n i n ga n da n a l y z i n gt h e s ec i r c u i t sa r ew e l ld e v e l o p e d a n ds p e c i f i c a t i o no f t h e s ec i r c u i t sa r en o tt 0 0 u g h h e r et h e ya r cn o tp a i dm u c h a t t e n t i o nt o i fy o uw a n ty o u rb h i e t o o t hp r o d u c t st oo w nab h i e t o o hl o g o ，y o u rb l u e t o o t hp r o d u c t sh a v et op a s st h e q u a l i f i c a t i o nt e s ti n d i c a t i n gy o u rp r o d u c ts a t i s f ya l lt h es p e c i f i c a t i o no f b l u c t n o t hs y s t e m t h e r ei sar ft e s t s p e c i f i c a t i o nf o r b l u t e o t hr a d i o k e y w o r d s ：b l u e t o o t h 。r a d i o ，w i r e l e s st r a n s m i t t e r , w i r e l e s sr e c e i v e r , m i x e r , p a c a t e g o r y ：t n 4 5 ，t n 4 6 v 蓝牙无线发射嚣的殴计第一章蓝牙简介 第一章蓝牙简介 1 1 蓝牙现状 蓝牙作为一种短距离数据和语音无线通信技术，有非常广泛的应用，主要是替代 现在电子产品中数据传输的有线连接。目前蓝牙产品层出不穷，显示出良好的市场前 景。f i g 1 显示了近年来蓝牙市场的发展规模。根据蓝牙产品的不同应用，大致可以 分成四类，其中类与类之间存在重合，见文献【i l 】。 1 适配器：例如p c m c i a ，u s b 蓝牙适配器，c f 卡蓝牙适配器，这些器件实现了在 已有的电脑，p d a ，或打印机上加上无线连接的功能。 2 电气产品：无线耳机，电脑和其外围设备的连接，例如：无线键盘，无线鼠标， 无线游戏操纵杆。 3 嵌入式系统：这里的系统通常指电脑或其外围设备。蓝牙系统直接集成在这些 设备里，对于p c 而言，它最终会将把蓝牙系统直接集成在主板上，已经有主 板厂商推出了这样的产品，这就不必采用第一类中的蓝牙适配器了。 4 移动电话：通过适配器或者直接嵌入等方式将蓝牙功能集成到移动电话中。针 对蓝牙的这些不同应用，设计时所要考虑的侧重点，设计的指标，测试方法也 有所不同。文献【1 2 】 2 5 m i l l i o ni n2 0 0 2 8 5 1 v i i i i i o ni n2 0 0 3 f i g 。1 蓝牙市场规模 疽牙无线发射器的设计 第一章蓝牙简介 1 9 9 8 年爱立信，诺基亚等几家大公司发起成立了蓝牙特殊利益集团( s i g ) ，并于 1 9 9 9 年合作公布了蓝牙l 0 的协议规范，这是一个公开的规范，但所有公司开发出 的蓝牙产品如果要获得蓝牙标识，必须经过蓝牙认证委员会的认证，通过兼容性测试 和互通性测试，保证蓝牙产品符合蓝牙的协议规范，实现不同品牌蓝牙产品的互通。 文献【1 3 】 1 2 蓝牙技术简介 蓝牙选取2 4 g h z 的i s m 的公用频带作为其传输频段，不同的地区由于当地通信频 带开放标准的不同，其工作频率范围也有所不同，在大多数国家该频带为 2 4 0 0 g h z 。2 4 8 3 5 g h z ，所以其工作频率信道有7 9 个或2 3 个之分，见文献【1 3 】。相 邻信道间隔为l 心z ，数据传输率i m b h z 。 蓝牙采用跳频方式，以减小干扰和信号衰退，提高了通信的安全性，正常情况下 要求跳频率1 6 0 0 h o p s s 。调制方式采用g f s k ：两进制的f m 调制，降低了收发器的复杂 性，经过高斯滤波后的码型，使频谱更集中。 每个通信通道以时隙( s l o t ) 作为基本通信单位，正常的时隙长度为6 2 5 u s ，对于 双工数据发射，采用时分双工架构( t d d ) ，双向交替发射接收。信息以数据包( p a c k e t ) 方式传输，通常每个数据包占用一个时隙，最长可占用5 个时隙( 低干扰接收环境下， 异步数据传输可以采用这种数据包格式，用以提高传输效率) ，对于每个数据包，蓝牙 采用固定的频率传输。 蓝牙支持同步传输( 语音传输) ，和异步传输( 数据传输) 两种方式。对于同步传 输，在有规则的时间间隔内，蓝牙使用保留的时隙传输数据，保证数据传输的实时性。 蓝牙可以同时支持一个异步传输通道和最多三个同步语音传输通道，或者一个通道同 时进行数据异步通信和同步语音通信。每个语音通道支持6 4 k b s 的单向语音传输，异 步通道在非对称模式下支持最大7 2 3 2 k b s 的数据传输( 此时在返回方向上数据传输 率为5 7 k b s ) ；在对称模式下支持双向4 3 3 9 k b s 的数据传输率。 蓝牙技术支持两个蓝牙器件之间的点对点通信( f i g 2 a ) ，以及一个蓝牙器件和多 个蓝牙器件之间的一点对多点的通信( f i g 2 b ) ，此时多个蓝牙器件共享通信通道，组 成一个蓝牙网络：匹克网( p i c o n e t ) 。在匹克网中，一个蓝牙器件作为主器件，其他器 蓝牙无线发射器的设计第一章蓝牙简介 件作为从器件，主器件决定跳频序列。最多可有七个从器件和主器件保持数据通信， 与此同时还允许更多的器件和主器件处于同步状态。多个匹克网重叠组成散射网 ( s c a t t e r n e t ) ，如图( f i g 2 c ) 。一个匹克网中的主器件在另一个匹克网中可以是从器 件。每个匹克网根据主器件的地址产生唯一的跳频序列，匹克网中的其他器件都要遵 循这一的跳频序列。文献【1 3 】 f i g 2 匹克网和散射网 1 3 蓝牙系统的解决方案 蓝牙应用主要是将有线连接替代为无线连接，所以要求低价格，低功耗，低复杂 性，系统健壮。为了满足这些要求，蓝牙采用跳频方式，同时设计时更强调低功耗， 健壮性，要求对i s m 频带内众多的无线信号干扰，有很强的免疫力。完整的蓝牙系统 由射频单元，基带的链接控制单元，和链接控制软件组成，见f i g 3 ( a ) 。 目前已有爱立信，诺基牙，飞利浦等很多公司提供通过认证的蓝牙芯片，或芯片组， 见文献【1 1 】。其中有些厂商采用多芯片的解决方案，用c m o s 器件实现基带的d s p ，微 控制器，用双极型器件实现射频部分：另有一些厂商采用完全c m o s 工艺实现单芯片的 蓝牙系统。，我们采用后一种解决方案，f i g 3 ( b ) 给出了我们蓝牙系统的实现框图。 我们蓝牙系统的设计主要针对后一种解决方案，主要考虑到这种解决方案更能迎 蕴牙无线发射器的设计 第一章蓝牙简介 合市场对蓝牙系统低价格的要求：随着c m o sr f 工艺的成熟，c m o s 工艺实现高频电路 完全胜任：很多芯片代工厂都能提供成熟的c m o sr f 工艺下的器件模型，例如m i m 电 容，平面螺旋电感，高频的m o s 管模型等。事实上t i 公司已经能够在大批量生产的前 提下，提供价格低于四美元的单芯片蓝牙系统。 f i g 。3 ( a ) 蓝牙系统框图 f i g 。3 ( b ) 蓝牙系统框图 1 3 1 无线射频电路用集成电路实现的优点 射频部分完全用集成电路实现有其独特的优点。因为在中低频集成电路中，电 蓝牙无线发射器的设计 第一章菔牙简介 路的尺寸远小于电路处理的信号频率对应的波长，所以基尔霍夫电流定理和基尔霍夫 电压定理适用。但是当电路的工作信号频率对应的波长和电路的尺寸可以相比拟时， 上述两个定理不再适用，必须考虑微波效应，所以电路只能作为一个离散的系统来处 理。如果用集成电路来实现射频电路，则由于器件尺寸很小，当其远小于信号波长时， 电路仍然可以看作是一个集总系统。另一方面如果在集成电路设计时，电路作为一个 离散系统设计，电路几乎没法设计。假定一个集成电路中，最大的尺寸是l m i n ，如果 远小于认为是相差十倍以上，那么在空气中，集总方法适用的最短的信号的波长为 c m ，对应频率3 0 g h z 。因为硅，二氧化硅的介电常数都大于l ( 分别为1 1 7 ，3 9 ) ， 可作为集总系统分析的工作频率小于3 0 0 h z ，但对大多数目前的通信系统来讲，已经 是足够了。 全片上射频电路的解决方案，要求r f 信号的处理过程在一块芯片上完成，这就不 需要额外驱动电路驱动5 0 0 h m 的滤波器，传输线等外接元件，可以大大降低功耗。 在集成电路制造中，寄生器件的存在，使连线延迟不可避免，通过减小寄生器件 可以减小延迟，但是这种减小总是受到工艺条件的限制，不可能无限制地减小下去， 所以将电路作为集总系统分析时，会发现传输带宽受到寄生器件的限制。但如果此时 能把连线看作传输线，用微波理论进行分析，那么可以发现，在连线上同样可以传输 很高频率的信号。见文献【1 5 】 1 4 参考文献 【i l 】。“b t u e t t o o t h r f m e a s u r e m e n t f u n d a m e n t a l s 叫却p l i c a t i o n n o t e1 3 3 3 2 ，f r o m h t t p ：w w w a q i l e n t c o m f i n d b l u e t o o t h 【1 2 】。“b l u e t t o o t h r f m e a s u r e m e n t f u n d a m e n t a l s a p p l i c a t i o n n o t e1 3 3 3 一l ，f r o m h t t p ：w w w a g i l e n t c o m f i n d b l u e t o o t h 【1 3 】。“s p e c i f i c a t i o no ft h eb l u e t o o t hs y s t e mv e r s i o n l t ”，f r o m h t t p ：w w w b l u e t o o t h o r g 【1 4 。“浅谈蓝牙无线测试”，来自安立公司的蓝牙测试仪介绍。 【1 5 】。t h o m a sh l e e “t h ed e si g no fa m o sr a d i o f r e q u e n c yi n t e r g r a t e d c i r c u i t s ”，c a m b r i d g ep r e s s 蓝牙无线发射器的设计第二章无线射频电路设计的基本概念 第二章无线射频电路设计的基本概念 无线系统是一个非线性时变系统，相对传统的线性时不变系统的分析方法，有 其独特性，本章对对其设计中的一些基本概念作简单的介绍。： 2 1 非线性时变系统 2 1 1非线性系统 如果一个系统是线性的，那们它的输出可以表示成它每个输入响应的线性组 合。如果对于输入z ，( f ) ，z ! ( f ) ，相对应的系统输出响应分别为：( f ) ，y ：( r ) x l ( f ) _ y l ( f ) ，z 2 ( t ) 一y 2 ( t ) ( 1 ) 这里，箭头表示系统的传输特性。如果对于所有的常数a ，b 都存在： o x 1 ( t ) + b x 2 ( t ) _ a y l ( f ) + 印2 ( t ) ( 2 ) 那么这样一个系统是线性系统，任何不满足上述条件的系统都是非线性系统。 2 1 2时变系统 如果一个系统的输入在时域上的平移，其对应的系统输出是相同的时域上平 移，那么这个系统是时不变系统。即：如果工( f ) _ y ( t ) ，那么x ( t f ) 寸y ( t f ) 。 任何不满足上述条件的系统都是时变系统。 2 1 3系统函数 如果一个系统是无记忆系统，那么它的输出不依赖于输入的过去值，对于一个 无记忆线性系统，系统函数可以表示成： y ( t ) = 口o + 口l x ( t ) 十岱2 x ( t ) + 口3 x ( t ) + ( 3 ) 这里，铲；( 等儿，。 如果该系统是时变系统，那们a ，是时间的函数。如果当i 为偶数时，口。= 0 ，那么 该系统是奇对称的电路，称之为“差分电路”或“平衡电路”。 无线系统是一个非线性时变系统，但可以用线性模型加以近似，以获取它对小 信号输入的输出响应。简单起见，把这些电路近似看作无记忆时变电路用式( 4 ) 加以近似，这里为了简化，三次以上高阶项忽略了。 y ( t ) = 口l x ( t ) + 口2 x ( t ) + 岱3 x ( t ) ( 4 ) 蕊芽无缓发射嚣的设计 第二章笼线射攘锻鼯设计的囊本概念 2 2 系统中豹专车线注阂素静影嚷 无线系统作为 # 线性系统，要考虑系统j # 线性引入的些特殊效应。 2 2 1谐波 褥一个正弦壤号输入 # 线蛙系绕，羧如孛含露输入傣号频率整数傍豹频率成分 ( 谐波) 。如果输入为：x ( t ) = a c o s c o t ，那么对于式( 4 ) 表示的系统： y ( f ) = 搿l a c o s o j t + 岱2 a 2 c o s 2 耐+ 甜，a 3 c o s3 耐( 5 ) 锄翩s 耐十吉c z 2 a z ( 1 + c o s 2 咖竿( 3 c 撼联+ c o s 3 叫) ( 6 ) = 竿+ 国t a + 竿冲s 甜+ 竿c o s z 硝+ 竽c o s 融 输入频率, 6 0 称巍基频，蟪入频率豹整数倍2 0 j ，3 0 , 分别繇为二次，三次谐波。 可以观察到，如果采用麓分结构，可以去除输出的偶数阶谐波。对于小信号输入丽 蠢，式( 7 ) 孛a 远大子其氇会有a 靛磺e 2 ，2 。2增益压缩 对于输入小信号而裔，式( 7 ) 中谐波分蠹可以忽略，所以小信号增益为： ( 蠢+ 竿) “嘶蠢，因为输入的是小僚号+ 3 a 4 3 a 3 蝴。毽随着输入箔度瓣 增大，三号 在总的小倍号增益中比重增大，不能忽略不计。黼为猩电路里 般是负德，故三笔 是嫩值，所以随着输入幅度的增大，小信母增益降低。( 对 般电路可以观察浏，当输入幅度增大时输出达到饱和，增益降低) ，如图f i g 。1 。 憋小信粤增益下降为l d b 聪豹戆入幅度，豫为“1 一d b 魇缨点”。 2 0 1 0 9 a o t t o ； f i g 。1 l d b 压缩点 由式( 7 ) 可计弊l d b 压缩点： 亨 蓝牙j 邑线发射器的设计 第二章觉线射频电路设计的基本概念 2 0 1 0 9 t 嚣f 十三4 “3 2 i 一i = 2 0 1 0 9 t d lf l ( 8 ) 聋。2 p s l 毒l 2 2 3镲号失灵粒隰塞 当一个有用弱信号和个高强度干扰信号同时输入式( 5 ) 系统时，设输入 工( f ) = a lc o s t t + a 2c o s o u 2 fr 其中a 1c o s o j i f 为有糟的输入信号，a 2c o s c 0 2 t 是干扰 馕号，则 t y ( f ) = ( 群i “1 + 言a 3 爿3 i + 吾搿3 4 t 4 2 2 ) c 。s i f + ( 1 0 ) 黼为a i a 2 ，所以式( 1 0 ) 可以简化为 y 露) = ( g t + 妄盘，菇；) 碡c o sl + t ( 1 1 ) 嗣为鳓 0 ，所以当于扰信号强度a ：增大时，有用信号的增益弛，+ 昙岛爿2 2 ) 卫；下蹲， 阻塞有用弱信号，当干扰信号强度信号足够大时，有用信号增赫可能下降为零。 2 2 4互灞效应 2 2 4 1i i p 3 的定义 当两个不同频率的信号输入一个如式( 7 ) 瓣示的j 线性系统时，商于菲线性 离次项的存在，输出的频率戒分中不仅裔这两个信号频率的基频和谐波，还有它们 谐波频率的差值，这样的效应h q 做互调。 设输入饺号：x ( t ) = a lc o s d o l t + a 2c o s o ) 2 t 粼； y ( f ) = 口i ( a lc 0 8 0 9 l t + a 2c o s o d 2 f ) 十盘2 ( 一lc o s q f + a 2c o s o ) 2 f ) 2 + 口3 ( 4 ic o s 0 9 i f + a 2c o s 脚2 ) 3 ( 1 2 ) 游装( 1 2 ) 爨开，忽臻鼹个骧入缓率匏 雾渡分妻粒壹渡分鳖，褥垂g 互调产生熬频攀 成多子：= 0 3 l 土掰2 ：口2 a l a 2c o s ( e u i + 2 弦+ 口2 a i a 2c o s ( d ) l 一曲2 ) f ( 1 3 ) ：2 掰、：3 a ，a 4 2 1 a , c 。s ( 2 甜，+ ：) f + 三曼丢堕c 。s ( 2 掰，一：) f ( 1 4 ) 勘：蛔：塾笋删毡十嘞抄3 0 t 3 a 4 2 2 a i c o s ( 2 蛾一q ( 1 5 ) 基频成分：掰= ：扭函+ 三如t + 寻嘞爿，a 2 2 ) c 。8 皱f 蕴牙无线发射器的设计第二章无线射频电路设计的基本概念 甜：( a ，爿：+ ；a ，43 ：+ ；口，爿：爿2 ) c 。s 国：r ( 1 6 ) 在无线电路设计中，特别关心互调产生的三阶频率分量2 c a 一奶，2 0 2 ：一，：当一个 有用的弱信号和两个邻近信道的强干扰信号同时进入一个r f 电路时，这两个干扰 信号产生的三阶互调信号常常落入有用的频带内，降低有用信号接收质量，见 f i g 2 a i n t e r f e r e n c e 八 d e s i e d c h a n n e l 一 厂_ 一2qm 2 2 2 一1 f r e q f i g 2 互调产生干扰 这种效应可用三阶截点( 球3 ) 来表征。假设邻近两个信道的干扰信号的强度都 为a ，式( 1 4 ) ，( 1 6 ) 可改写成： 2 舭叫竿c o s ( 2 蚴h 竿c o s ( 2 旷蚴f ( 1 7 ) ：( 口。4 + ；a ，“3 ) c o s ( 0 2 t , ( d 1 ：( g t a + 詈a ，4 3 ) c 。s f ( 1 8 ) 当a 足够小时，式( 1 2 ) 中产生的非线性高阶项可以忽略，基频信号增益为小信 号增益口，随着a 的增大，输出基频。，m ：的幅度正比于a 增大；而三阶互调项 2 0 ) l 0 3 ：，2 0 ) 2 一国i 的幅度正比于a 3 增大( 见式( 1 4 ) ，( 1 5 ) ) ，如f i g 3 ( a ) 所示。 三阶截点就是在对数坐标系中这两根线外延线的交点，见f i g - 3 ( b ) 。 o i a 3 ) f i g 3 ( a ) i p 3 点图示f i g 3 ( b ) i p 3 点在对数坐标系的图示 边 蓝牙无线控射器的设计 第二章无线射频电路设计的基本概念 f i g 3 ( b ) 中交点的横坐标称做l i p 3 ( 输入i p 3 点) ，纵坐标称作o i p 3 ( 输出i p 3 点) 。i p 3 用以表征电路的非线性程度，电路的i p 3 越大，表明电路线性度越好。 2 2 4 2l i p 3 的计算 见式( 1 8 ) ，如果口，) 罢a 3 4 2 ，那么根据i i p 3 的定义，当输出( o l , o j 2 与 2 。一：，2 ：一甜t 强度相等时，i 口i 一一，= ；i 口，i 一，p ，3 ( 1 9 ) 锄2 挣詈l ( 2 0 ) 对于电路l i p 3 测量也可以采用输入单频率信号m ，逐步增大其强度，考察其输出 中的基频和三次谐波分量，当两者强度相等时，对应的输入信号强度就是l i p 3 点。 2 2 4 3级联非线性系统的i i p 3 如果两个非线性电路级联，见f i g 4 f i g 4 非线性级联系统 第一级电路可以用线性模型近似为：儿( f ) = 口【z ( f ) + a 2 z ( f ) + x ( f ) ( 2 1 ) 第二级电路可以用线性模型近似为：y ：( f ) = 屈z ( f ) + 岛z ( f ) + 岛z ( f ) ( 2 2 ) 将( 2 1 ) 代入( 2 2 ) 得到级联系统的最终输出，如果只考虑一次项和三次项： y 2 ( r ) = 口l p i x 0 ) + ( 口3 i + 2 口l 口2 卢2 + , 口f l3 ，弦3 ( f ) + ( 2 3 ) 最终级联系统的i i p 3 ： t3i 口3 卢ll + i2 盘i d 2 卢2l + i 口? 3 万i 2 i 下丽t _ 一 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 这里 ；p 3 , 1a 。：代表第一级电路和第二级电路各自的h p 3 点。式( 2 5 ) 中，等式右 边第二项的分子i2 口口2 2j ，是由第一级电路输出中的二次谐波t 粉2 0 ) ，2 0 ) ：和基频 成分。，0 3 ：，在第二级电路中互调产生的三阶互调项2 q 一国2 ，2 a ) ：一q 。而在无线 南警赤 蔫牙无线发射辑的设计 第二章无线射频电路设计的基本概念 级联系统设计时，每级之间都有一个窄带的选频网络，所以第一级电路输出中的谐 波频率成分2 c o ，2 c a ：将被输出选频网路衰减掉。因此在式( 2 5 ) 中第二项可以忽略。 ( 2 6 ) 推而广之，对于一个多级的级联系统，它的i i p 3 点和每级电路的各自l i p 3 点关系 有 一1 ；l + l + 乓盟十石4 万i + 一a 2 m 3 , 2 + 蕉嘉 ” ( 2 7 ) 如果级联系统中的每级电路小信号增益乘积平方a 2 远大于l ，那么可以看到：最后 一级电路的i i p 3 点对整个级联系统的i i p 3 点有巨大的影响。 2 2 5噪声系数 常常用噪声系数，表征电路的噪声性能。噪声系数的定义为：输入信噪比s n r 。 与输出信噪比淞。的比值：黑磬，表明经过电路之后，输出的信噪比的降低程 度。如果噪声系数为1 时，说明电路不引入噪声。式( 2 8 ) 进一步阐述了噪声系数 的含义。这里a 是电路的功率增益：p s ，i 是输入的信号功率：n ，i 是输入噪声功率 ( 信号源内阻产生) ；风，0 输出的信号功率，p n ，0 是输出的噪声功率 p n ，i n t 是由 电路内部噪声源在输出端产生的噪声功率。可以观察到噪声系数与电路内部噪声成 正比，与输入噪声功率和电路对输入噪声的增益乘积成反比。 二堕：掣：= 掣：! ：a p , , , i + p n , i n t ：l + p n , i n t ( 2 8 ) 洲w a 乡乞，。胁只f + 眠i n t ) 一只，爿只，。 一 对于一个各级之间阻抗匹配的级联系统，设各级的功率增益为：却，i ，各级电 路的噪声系数为n f i ，系统总的噪声系数n f t o l 为： + ( 蝇_ 1 ) + 等+ e oe + 面( 2 9 ) 可以看到，如果前级电路的功率增益很大，那么后级电路对整个系统噪声系数的贡 献就减小，所以第一级电路的噪声系数对一个级联系统的总的噪声系数影响至关重 要。这就是为何在无线收发器中，对低噪声放大器的噪声性能有很高的要求。 ，燕赤去 堕要歪塑垄塑翌塑堡生 墨三兰重些塾堡皇堕堡生竺苎查塑鱼一一 2 3参考文献 c 1 1 ，j a n c r o s ，m i c h i e ls t e y a e r “c m o s w i r e l e s s t r a n s c e i v e r d e s i g n ”，k a t h o l i e k e u n i v e r s i t e i tl e u v e nh e v e r l e e ，b e l g i u m 【c 2 】，b e h z a d r a z a v i ，“r f m i c r o e t e c t r o n i c s ”，u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，l o s a n g e l e s 12 p r e n t i c eh a l lp t r ，u p p e rs a d d l er i v e r 。n j 0 7 4 5 8 蓝牙无线发射器的蹬计第三章靛牙收发器的架构设计 第三章蓝牙收发器的架构设计 无线收发器按其实现的功能分为前端和后端，前端实现频率的迁移( 升频至发射频 段或降频至基带频率) 主要在模拟域实现；后端完成对基带原始信号的调制解调。这 里讨论蓝牙收发器前端的架构设计。3 。1 节简单介绍了复信号处理的概念，3 。2 介绍 了采用复信号处理的接收器架构，3 。3 节介绍了采用复信号处理方式的发射器架构， 3 。4 节介绍了蓝牙收发器的架构选择和和各模块的指标。 3 1 复信号处理方式 无线收发器的架构按其降频方式分为外差式中频架构和零中频架构。中频接收 器将r f 信号先降频至中间频率，然后再通过一次或多次降频，将信号降至基带频 率：而零中频接收器则将r f 信号直接从工作信道一次降频至基带频率。发射器的 架构与接收器的架构类似，只是频率迁移方向不同。 在传统的架构中，仅在零中频接收器中才使用正交两路信号处理，实际上这种 信号处理方式同样可以应用于单级和多级的外差式收发器中，这就产生了一种新的 模拟信号处理方式和一类新的收发器架构。这种架构中，它把正交的两路信号作为 一路复信号处理，认为这两路信号只是一个复信号的实部与虚部，整个收发器实现 的就是对这个复信号在复数域的放大，滤波，和相乘操作。这里简单介绍复信号相 乘和复信号滤波的过程。 3 1 1复信号相乘 f i g 。l 是复信号x = z ，+ 肛，与l o 复信号c 0 8 0 ) 。h i s i n c o d f 在模拟域相乘的 电路实现过程，采用双正交相乘，这里l o 信号的i ，q 两路分别看作复l o 信号 的实部与虚部。对于任意一个实信号c o s 咖。：( 口”一+ e 1 坼形是由一个正频率信号 p 一和一个负频率信号e - ，“一组成，这两个信号能量相同，都为总信号能量的l 2 。 当两个实信号相乘就会产生r f 信号与m i r r o r 信号的混叠( f i g 。2 ) ，无法将它们 分离。而对于一个复信号e ，“一或e - ，。而言，它只是一个单纯的正频率信号甜。或 一个负频率信号一”，所以采用复数相乘( f i g 。l ( a ) ) ，只是实现在频率坐标上 的迁移。因为产生的i ，q 两路信号中仍然保留着分离r f 和m i r r o r 信号所必需的 信息，在后续的信号操作过程中，仍然可以将它们两者区分，将m i r r o r 信号进行抑 旋牙无线发射器的设计第三章蓝牙收发器的架构设计 制( f i g 。3 ( a ) ) ，获取有用的r f 信号。复信号相乘，在频谱上可以用f i g 。l ( b ) 表示，这里假定输入的r f 是一个理想的正频率信号( i ，q 两路信号幅度相位完全 匹配，【，q 失配会产生正负频率之间的串扰，例如i 的幅度误差，在正负频率之 间产生一4 0 d b 的串扰，对镜像信号抑制为4 0 d b ，l 。的相位误差会产生- - 3 5 d b 的 正负频率之间的串扰，对镜像信号抑制为3 5 d b 。见文献 a 1 】) 。 l ( t ) l l ( t ) f i g 。l ( a ) 复信号相乘 p s d l r fm i r r o r f 一门门 2 f i 10 f r e q l 一。一竺拶= 一孟v _ 。忑- - l 一一一一一一眨梦一一一一j p s 。 r fm l r r o r 厂门 一 f i 一f i f r e q 3 1 2 f i g 。l ( b ) 复信号相乘在频域上的表示 复信号滤波 与常规的滤波器不同，复信号滤波器区分频率的正负性，在整个频域内对信号 进行选取，见f i g 3 具体实现见文献【a l 】。最常用的复信号滤波器是p o l y p h a s e 滤 蕊牙无线发射器的设汁第三章蓝牙收发器的架丰暂设汁 波器，有有源和无源之分：无源序列非对称滤波器( f i g 3 ( a ) ) 是一类带阻滤波 器，多用于高频电路：有源综合序列非对称滤波器，是一类复信号带通滤波器，多 用于低频电路。( f i g 3 ( b ) ) a 见文献 a 1 】。 - 。一一一一一一一一一：糟：一一 4 t 一一一一 o 吐兰i o n 。e o n v o l u t i o n i o n “x 一。j。【j：、。，一 f if if f r e q f i g 。2 实信号相乘在频域上的表示 p s d 一一1 i l 行茹，一一f f 一一一一一1 i m i r r o r r f 门型q k 一一陛磐釜 o h zf r e q f i g 。3 ( a ) 无源p o l y p h a s e 滤波器 f i g 。3 ( b ) 有源p o l y p h a s e 滤波器 3 2 采用复信号处理方法的接收器结构 3 2 1零中频接收器 只经过一次降频，直接将有用的r f 信号从工作信道降至基带频率，这样的接 收器就是零中频接收器( f i g 。4 ) 。降频过程中的m i _ r t 0 r 问题仍然存在，这时m i r r o r 信号就是r f 信号本身，r f 信号的上下边带互为彼此的m i r r o r 信号。外差式接收 器中的m i r r o r 信号可能高于有用r f 信号，而在零中频架构中，m i r r o r 信号和有用 r 、 一 一 r 、 一 m 广 上 ，l赢 盯 一 圳；ii 阿 一 译 f 1 ，： 蒴 一 蓝牙无线发射器的设计第三章蓝牙收发器的架构设计 r f 信号的强度相同，所以对于m i r r o r 信号的抑制要求降低，一般通过采用i ，0 正 交调制，可以达到所要求的对m i r r o r 信号的