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蓝牙射频接收器的设计 摘要 摘要 本文论述了一个r fr e c e i v e l 电路的设计过程。这个r e c e i v e r 应用于 b l u e t o o t h 系统，是b l u e t o o t hr f 前端的重要组成部分。 按照北美b l u e t o o t h 的标准，r e c e i v e r 电路工作频率在2 4 g h z 到2 4 8 g h z 之间。电路采用f h s s 方式，一共包括7 8 个信道，其中每个信道的宽度为1m h z 。 数据传输速率最大为1m b s 。 r e c e i v e r 电路选用l o w i f 的结构，避免了片外器件的使用。从信号处理 方面，r e c e i v e r 电路采用了p o l y p h a s e s i g n a l 和m u l t i - - p a t h 的处理方式。为了 降低共模形式的噪声影响，所有的电路都是差分输入和差分输出。 按照r e c e i v e r 电路的信号流方向，文章依次介绍了所设计的l n a 、m i x e r 、 p o l y p h a s ef i l t e r 、a g ca m p l i f i e r 和a d c 子电路模块。 此r e c e i v e r 模拟和制造都采用的是t s m c0 1 8 mc m o sr f 工艺，并且 和其他电路部分集成在单片上形成一个完整的b l u e t o o t hs o c 。 关键字：蓝牙系统，射频集成电路，0 1 8 mc m o sr f 工艺，低中频接收 器，镜像压制，低噪声放大器，商线性度降频混频电路，多相位滤波器，r s d p i p l e l i n ea d c 。 第1 页共8 1 页 麓牙射频接收嚣盼设计 a b s t r a c t a b s t r a c t a d e s i g no fr fr e c e i v e r f o rb l u e t o o t hs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ob l u e t o o t hr a d i o , s p e c i f i c a t i o nb yf c c ，t h ed e s i g n e dr e c e i v e r 5 s w o r k i n gf r e q u e n c yi sf r o m2 。4 g h zt o2 4 8 g ，b a s e do nf h s sp a t t e r n t h e w h o l eb a n d w i d t hi sd m d e di n t o7 8c h a n n e l s e a c hc h a n n e w i t hw i d t ho f1m h z ， t h ec i r c u i tc a np r o v i d eam a x i m u md a t ar a t eo f1m b s t h i si sal o 、* i fr e c e i v e r t h er e c e i v e r e m p l o y sl 一i fa r c h i t e c t u r ea n dp o l y p h a s es i g n a lt o r e a t i z eh i g hf r e q u e n c ya n a l o g s i g n a lp r o c e s s i no r d e rt or e d u c et h ei m p a c t f r o mc o m m o nm o d en o i s e ，d i f f e r e n c i a li n p u t sa n do u t p u t sa 糟w i l d l yu s e di n c i r c u i t i nt h ed i r e c t i o no fs i g n a lf l o w , t h ep a p e rd e s c r i b e so f fa l ls u b c i r c u i t s ：l n a 、 m i x e r 、p o l y p h a s ef i l t e r 、a g c t k m p l i f i e ra n da d c t h er e c e i v e r o p e r a t e sa tas u p p l yv o l t a g eo f1 8 v , a n dw a ss i m u l a t e da n d m a n u f a c t u r e dw i t ht s m c 0 1 8 j f mc m o sr fm o d e t a s 辅i m p o r t a n tp a r to f b l u e t o o t hs o c ，a l lo ft h er e c e i v e rc i r c u i t sw e r em a d ei nas i n g l e c h i p k e yw o r d s ：b l u e t o o t hs y s t e m ，r fi c ，0 1 8 , u mc m o sr f l o w - - i f r e c e i v e r ，i m a g er e j e c t i o n ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ，h i g hl i n e a rd o w n c o n v e r s i o n m i x e r ，p o l y p h a s ef i l t e r ，r s dp i p e l i n ea d c 。 第2 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 序言 序言 虽然整个世界电子市场由于各种因素发展放缓，但通信电子却依然保持旺盛 的增长，其中主要的增长来自个八无线通信领域。除市场需求以外，在个人无线 通信( p e r s o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 领域的技术发展也是增长的重要推 动力。 根据个人无线通信的特点，集成度高，能耗低，性能好成为主要的技术要求。 近些年来，半导体工艺和集成电路设计技术的快速进步使这些要求变得越来越现 实。 集成电路设计技术的进步主要体现在数字调制和解调( d i g i t a lm o d u l a t i o n & d e m o d u l a t i o n ) 和数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术在无线通信芯 片中的大量应用。这种数字化革命源于c m o s 工艺尺寸的不断减小，发展到今 天的深亚微米( d e e ps u b - m i c r o n ) ，甚至报道中的纳米级线宽。它使得各种数 字功能，包括调制和解调、错误拓灏i 和纠正、复杂的系统逻辑控制都可以在非常 小的芯片区域上集成。 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 作为近几年比较热门的技术受到了很多研究单位和公司企 业的关注，包括我们的一些高校，但是，真正从事具体电路设计和实现的却并不 多。根据我们已的情况来看，国陡这些从事蓝牙电路芯片设计的公司和院校，主 要工作的也是集中在基带这一数孚电路部分，而r f 部分却很少涉及。 无线通信射频前端( r ff r o n l e n d ) 是指介于天线和数字处理部分中间的电 路，可分为接收部分和发送部分。接收部分( r e c e i v e r ) 需要探测非常微弱的天 线信号，而这些信号的频率却有1t 3 h z 甚至5 g h z 之高。发送部分( t r a n s m i t t e r ) 要发出最大到1 瓦的信号功率。目f 以射频前端的模拟电路，包括a c t i v ed e v i c e s 和p a s s i v ed e v i c e s ，都要求高性能的工艺保证。原来的r ff r o n t e n d 大多采用 了双极型( b i p o l a r ) 工艺和砷化镓( g a a s ) 工艺。这两种工艺都有很好的高频 性能，但很明显无法和数字部分集成在同一个芯片上。随着c m o s 尺寸的不断 缩小，c m o s 工艺特征频率凡得到很大提高，已经能够满足大部分通信电路旮勺 要求，使得单片集成成为可能，另外在加上c m o s 低成本这个特点，使得它越 来越成为无线通信芯片的主流技术。 正是基于以上的些考虑，作者从全集成化的角度出发，设计实现了一个蓝 牙r fr e c e i v e r 电路，本文就描述了整个电路的设计实现过程。 整个芯片设计过程反映了作者的电路设计思想，从对标准的理解，设计指标 的理解，整个电路架构的选择，具体电路模块的设计，到芯片的版图和测试方法 第3 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 序言 都给出了较详细的描述。 整个文章采用一种从整体到部分的叙述方法。系统依照每个部分之间的相对 独立性分作若干个章节，期望这种描述方法能给读者一个清晰的思路，便于本文 的说明，电便于读者自身的思考。 第4 茄共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 系统 第一章b l u e t o o t h ( 蓝牙) 系统 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 e t o o t n ，是1 9 9 8 年5 月由e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、 n o k i a 、t o s h i 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 数据传输输率1m 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 m 的无线通信。b l u e t o o t h 的称呼取自欧洲中世纪的一位国王。 出于简化日常设备连接方式基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 简单的连接。当然，蓝牙应用不止蜀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，可以想象的到，蓝牙带给我们的将是一个巨大的市场。 1 1 蓝牙协议简介 蓝牙( b t u e t o o t h ) s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 是蓝牙协议的制定组织。 s i g 向全球各个蓝牙开发使用组织趄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 一就是支持多种蓝牙应用的完整蓝牙协议栈的 结构。 如图11 所示。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 ( 链路管理挤议) 和l 2 c a p ( 逻辑链路控制和适配执议) ；另一部分是 非蓝牙专有的协议，比如：p p p ( 点对电协议) 和w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o n p 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 l ( 主机控制接e 1 ) 、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 o 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 t c t i p 、o b e x ( 对象交换协议) 、w a p 、v c a r d ( 电子名片交换格式) 、v c a l ( 电子日历及e l 程交换格式) 、w a e ( 无线 应用环境) 。 第5 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 系统 图1 1 蓝牙协议栈 在一项具体的蓝牙应用里，并：百会用到所有的协议，但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v 、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 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 ) 有且只有一个，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。为了简亿网络的控制，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 cr 3 n e t 构成一个s c a t 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 e 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 t 间 不必以时间或频率同步。各p i c o n e t 有各自的调频信道。 蓝牙设备网络组成结构如下图所示： 第6 西共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 a 固 以、 b b l u e t o o t h ( 蓝牙) 系统 c 爨1 2( a ) 最麓肇豹p i c o n e to ) 多个葳孳元的p i c o n e t ( e ) s c a t t e m e t l 。3 蓝牙r f 麓介 蓝牙r f 电路工作在2 。4 g h z 昀l s m ( i n d u s t r i a ts c i e n t i f i cm e d i c i n e ) 频段。 毽器上夫帮分营家静1 s m 额段范国怒2 4 2 4 8 3 5 g h z ，但有髓国家有不同的限 制，可能使得频段宽度变化。几个主疆的国家和地区定义如下： 衰1 ， 不鲻藿家稿魄区的b t u e t o o t h 频段范黼 国家 甄区频段范目可选频率 美国秘殴潮2 4 童4 8 s 露电& 凇+ 戈f v , 4 zk = 0 ， ，7 8 日本2 4 7 1 2 4 9 7 m h zf = 2 4 7 3 + k m h zk - 4 3 ，1 ，2 2 法满2 4 4 6 5 - - 2 4 8 3 。5m 晓f = 2 4 5 4 + k m h zk = 0 ， ，挖 西班牙 2 4 4 5 2 4 7 5m h 晓f = 2 4 4 9 + k m h zc 4 3 ，1 ，2 2 l s 麓频段是对联富无线壤系统舔开藏戆，霹藏，霹阻慈象孕攀巅其疆额率设备 会对b l u e t o o t h 设备工作发生干扰，撼至是没有建立对话连接的b l u e t o o t h 之间 连i 会发生千挽。为此，蓝牙特别采用了扩频谖裁中的f h s s ( f r e q u e n c yh 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 11 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 m s p r e a d i n g ) 方式。 f h s s 技术跫把频带分成若干个调频信道。在一次连接中，r a d i o t 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她从一个僖道跳到另一个 信遥，这个弼序掰是通信双方在建立迄接释确定的，不会受到其谴码痔翔通信韵 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 于拨黥影嫡。蓝牙系统豹每个c h a n n e | s p a c i n g ( 僖遘塞度) 帮为 m h z ，雾i 额 速率是1 6 0 0 次，秒，也就是每隔6 2 5 螂c h a n n e l 变化次。但由于不同国家或 她区可能会蠢不震蛉频谱宽度，攘应媳，不墨嚣家应该袋震不霹的舜颧冀法，这 也就导致来囱不同国窳的产品有可能不兼容。 筵7 趸筵8 茭 甲：；： 蓝牙射频接收器的设计 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 系统 蓝牙采用高斯滤波的二进制f s k 调制，或称为g f s k 调制。在调制前先对 n r z 信号进行高斯滤波，可以大二i 降低旁瓣幅度，提高频谱的利用率。高斯滤 波器b t = 05 ，调制指数在02 8 和o 3 5 之间。 第8 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 r f 基础概念 第二章r f 基础概念 这一章对一些重要的概念做了描述，这些概念包括：n o i s e ( 噪声) 、d i s t o r t i o n ( 干扰) 、i s o l a t i o n ( 隔离) 、i m p e n d e n c em a t c h ( 匹配) 和f r e q u e n c y c o n v e r s i o n ( 频率转换) 。这些概念是理解整个r e c e i v e r 及其子模块电路设计的基础，同时 也作为一些电路的重要性能指标。 2 1n o i s e 在以上所有的参数概念中，列r e c e i v e r 来说，最重要的就是n o i s e 了。虽 然应用于8 1 u e t o o t h 的r e c e i v e 接受距离要近于g p s 和g s m 等系统的 r e c e i v e r ，所收到的信号还是很微弱的，如果系统本身的n o i s ef l o o r ( 噪声背 景) 就比较大的话，那么w a n t e ds i g n a l ( 有效信号) 可能会被完全“淹没”在 噪声中。 噪声可以认为是和信号无关的随机干扰。噪声通常包括1 f 噪声，t h e r m a l n o i s e ( 热噪声) 和c h a n n e ln o i s e ( 通道噪声) 。在此r fr e c e i v e r 中，后两个 噪声起主要作用。 t h e r m a l n o i s e 是由于器件中电子运动的不确定性引起的。表达式如下： v ：= 4 k t b r 其中k 为b o l t z m a n n 常数，t 是绝对温度，b 是噪声带宽，r 是热噪声电阻 值，v 。是等效的热噪声电压。 c h a n n e ln o i s e 是流过e n e r g yb a r r i e r ( 能结) 的电流随机扰动的结果。表 达式如下： ： i ：= 2 q l 其中g 是电荷电量，i 是电流值，。是等效的噪声电流。 ( a )( b ) ，： 图2 1( a ) t h e r m a ln o i s e ( b ) c h a n n e ln o i s e 第9 页共8 1 页 一+玲 蓝牙射频接收器的设计 r f 基础概念 一个系统的噪声性能通常并用噪声的绝对数量来表示，因为不具有太强的指 导意义。在r f 系统中定义了n o i s ef i g u r e 简称n f 。表达式如下： l 唔7 ：s n r , s n r 。 公式中的s n r 是s i g n a lt on o i s er a t i o 缩写，这个参数常常用在a n a l o g 电 路中，表示输入或输出信号的属性，由于任何一个电路模块必然有寄生电阻，可 以想像到：5 懈。 s n t t ，所以n f 是始终大于1 的值。习惯上n f 用“d e c i b e l s ” 表示，1 0 l o g l o 运算后，n f 一定大于0 。 2 2d i s t o r t i o n 线路的n o i s e 特性决定了它虽小可探测的信号强度，也就是s e n s i t i v i t y ( 灵 敏度) ，而d i s t o r t i o n 则决定了最大可处理的信号强度。综合起来，n o i s e 和 d i s t o r t i o n 电决定了整个线路的动态接收范围。 d i s t o r t i o n 特性又可以称为l i n e a r i t y ( 线性度) 特性。 实际上，所有的所谓“线性”系统都不同程度地具有n o n l i n e a r i t y ( 非线性) 特征，通常用这样一个简单的泰勒喂开式来表示： v 倒r = 口o + 口v ，。+ 日2 v 三+ 口3 v 未+ 式中的、口l 、c 2 和口3 分别代表d co f f s e t ( 直流偏移) 、g a i n ( 增益) 、2 阶干扰因子和3 阶干扰因子。 倘若有一个包括两个临近频率构正弦信号输入到此系统，电压表达式如下： v 。= a 1c o s 8 i r + a 2c o s o ：f 则输出将会是包括不同频率的多项式，频率为脚q + n 口：，n = 0 、i 、2 、。 多相式的各阶项表示为： 一阶项： 频率吼相：( q 十三。，一 1 2 + ；a ，髯 4 c 。s q r c z ， 频率c ，：相：( a 。+ ；a ，。a ；+ 三a ，一? 4 ：c 。s c ，：， c 。， 二阶相： 第1 0 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 r f 基础概念 频率z z 。相：( ；。：4 ) c 。s 纫t r 频率z 珂。相：( ；a ：一；) c 。s z 一：， 。- a ， 频率矾土万2 相：一a 2 ) c o s ( 口1 + 万2 ) t + c o s ( t 口l 一口：) f 】 ( 2 5 ) 三阶相： 频率。z 。相： ( j 吧爿1 c 。s s 矾， c z e ， 频率3 一：相：( 1 。a 3 a ；l 一。列 ( 2 ，) 频率2 珂t - - + 玎z 相： 专钆爿? 4 ) c 。s ( 2 珂+ 珂：) t + c o s ( 2 a t ：一玎：) f ( 2 8 ) 频率2 缸：q 相： ( 丢q 髯4 ) c 。s ( 2 口：+ 口。) t + c o s ( 2 珂：一q ) f ( 2 9 ) 在上述描述中，三阶以上的幅度相和三阶以上的频率相都不予考虑。由于口， 和吗的符号相反，所以当输入信号幅度增加时，三阶幅度相将会逼近一阶相。 所以三阶相直接决定了系统的线性度。 如果输入的信号只有单一的频率，此时输出变为( 。+ ；口3 一? 4c 。s q f ，增 益为( “+ ；a ，爿? 。通常定义实际增益比理想增益减小1 d b 的位置为1 d b c o m p r e s s i o np o i n t ( 1d b 压制点) 。根据定义计算如下： z 。- 。s i n ，i - l d ，= 2 0 l o g i n 。+ 詈a 3 a 孟 一l 打= 通常1 d b 压制点都以输入为参考，d b m 做单位。 当两个频率相近的信号输入非线性系统，就会有一个t h i r d o r d e r i n t e r m o d u l a t i o n ( 三阶互调) 相产生。前面公式运算在数学上就描述了此过程。 为了描述方便起见，假设两个输入的信号幅度相同，则一阶和三阶的信号幅度分 第1 1 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计r f 基础概念 别近似等于川4 和言k i a 3 。i p 3 的定义：一阶信号幅度等于三阶信号幅度的点 在图形上就是两条信号曲线的交叉点。得到等式： 川爿2 水p a = 阚 所得的a 就是到达i p 3 点时能输入幅度值，通常表示为一。，单位是d b m 。 a 1 。和a 。，都可以用来系统的线性度情况，从上面所得到的公式可以推断出 两者的关系： 堡：一o , q 6 雨7 。一9 6 船 a m 3 因此，在具体模拟或测试的时候，得到一个值就可以了。 一止墨显血 q 吐 万 2 3i s o l a t i o n qq万 2 甄一吼2 口2 一吐 图2 2 非线性系统的互调效应 1 d b l i p 3 c o m p r e s s i o np o i n t n d a m e n t a f m 3 1 n p u t l e v e i 图2 3 1 d 8 压制点和l i p 3 的定义 由于此r f 收发电路的设计目标是单片实现，所以就像其他复杂的s o c 芯 第1 2 页共8 1 页 ，。簦，。笙 蓝牙射频接收嚣的设计 r f 基础概念 片一样，存在比较明显的i s o l a t i o n 问题。此r f 系统包括数字和模拟两个电路部 分，漠拟部分接受的信号很弱，一般是微伏数量级，而数字部分工作幅度超过一 伏，数字部分很可能通过衬底干扰陵拟部分的工作：另外，模拟部分是一种l o w i f 的结构，传送频率和l o c a lo s c i l l a t o r ( 本机振荡器) 频率相距很近( 只有 1 m h z ) ，因此模拟部分工作本身就会产生干扰。从以上的几个原因可以看出 i s o l a t i o n 在本设计中是一个关键的问题。 干扰主要是衬底的电容耦合引起的。虽然寄生的物理效应不能完全除去，但 采用合适的l a y o u t ( 版图) 可以兀大的减小干扰。除此以外，还常常通过改变 电路结构来实现i s o l a t i o n 。 一般来说，计算机模拟能算出点对点的i s o l a t i o n 情况，用s 参数表示。运 算得出的精确度与工艺模型的精确度直接相关。 2 4 i m p e d a n c e m a t c h 高频电子线路对阻抗比较敏感。如果某一点阻抗不匹配，信号经过时会被反 射回来，造成有效信号损失，也就是导致s n r 下降。 在通信线路中习惯选择5 0 , q 作为标准匹配值，但实际上的匹配值可以自由 选取。比如在本设计中，有些b l o c k ( 模块) 的输入阻抗本身就很小，如果非要 按照5 0 q 来做的话就需要比较复杂的阻抗匹配网络，很明显会增加芯片面积， 即使在电性能上考虑，也不一定划尊。 b l o c k 输入和输出阻抗的计算一定要考虑到c m o s 器件寄生效应的影响， 这种影响通过软件模拟可以得到一个比较准确的阻抗估计。同前面提到的 i s o l a t i o n 问题一样，模拟结果也是用s 参数表示的。 2 5 f r e q u e n c y c o n v e r s i o n 通常r f 信号都被调制在一个 e 较高的频率。根据不同的应用和工业标准， 分别选择相应的c a r d e r ( 载波) 频率，蓝牙的c a r d e r 频率在24 g h z 以上。附 加在高c a r e e r 上的信号对于d e m o d u l a t i o n ( 解调) 和模数转换来说都是很困难 的。为了处理方便，r f 接收电路都采用i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y - - 中频) r e c e i v e r 结构，也就是先把r f 信号降到一个较低的频率，再进行d e m o d u l a t i o n 等处理。整个这个过程被就是f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 。 r ft r a n s c e i v e r 中的m i x e r ( 混频器) 是完成f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 的电 路- 具体对t r a n s m i t t e r 和r e c e i v e l l 来说，m i x e r 分别实现的是上混频和下混频。 几乎所有的m i x e r 都基于相同的原理：两个正弦或余弦信号相乘，从而得到两个 第1 3 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 r f 基础概念 频率的和或差。以余弦为例： 2 c o s ( e r l r ) c o s ( 玎：，) = c o s ( q f + 巧：，) + c o s ( d t l t 一缸2 ，) 对m i x e r 来说，输入的信号分别是高频的r f 信号和l o 信号，如果用上面表达 式中的c o s ( q f ) 和c o s ( n r 2 ，) 分别代表这两个信号的频率部分，那么在m i x e r 的输 出就会得到c o s ( r a t + 万2 f ) 和c o s ( w l ，一口2 r ) 的频率分量。c o s ( q t + 口2 r ) 和 c o s ( a 7 、f 一万。r ) 分别代表着升频和降频，根据功能的需要线路会选择一个而滤去另 外一个。 通常r f 信号和l o 信号不相同，于是会就会带来关于i m a g e s i g n a l 的问题。 这里我们以r e c e i v e r 中降频过程为例说明。 m i x e r 无法区别两个输入频率的极性，而只是体现它们频率差值的绝对值。 这一点从上l 酊的数学表达式中可以比较容易的看出，因为c o s ( q t 一万。，) 和 c o s ( z # ：卜吼r ) 是相同的。从r e c e i 、r7 e r 频谱上来分析，l o 频率和r f 频率位置相 距i f 值大小，但在降频过程中，以l o 为中心和r f 频率对称的频率点的信号也 会降频道i f 频率位置，这个频率点就叫做r f 信号的i m a g e ( 镜像) 信号，简 称i m a g e 。i m a g e 的形成过程见下图 m a g es i g n a l w a n t e d 二 刃，m 口e6 匠。砰矿 万 卜啄- + 卜稚叫 d o w n c o n v e r s i o n i m a g e l r i t e r f e r e n c e 啄 万 图2 4 镜像干扰的产生过程 明显地，i m a g e 的信号并不是：有效的信号可能是噪声也可能是其他干扰， 它会对有效信号的处理带来干扰，如果i m a g e 功率比较大的话，它甚至可以完 全将有效信号“淹没”。因此，在j fr e c e i v e r 结构中有必要去除i m a g e ，这个 过程称为i m a g er e j e c t i o n ( 镜像压制) 。不同的r e c e i v e r 采用不同的压制方法， 见随后的相关章节。 第1 4 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 r fr e c e i v e r 架构 第三章r fr e c e i v e r 架构 t r a r 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 中的位置如下图 所示。 8 l o c ki ) i a 口- a m 图3 1 b 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。相对来说， 本文说论述的r e c e i v e r 更为关键。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。在这一章里，几种常用的r e c e i v e r 结 构将被描述，包括它们的结构特征，可集成性、以及其他优缺点。 一个经典的w i r e l e s sr e c e k ，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 d 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“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i f ( 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 l 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。接下来本文 就基于这两种f f 方案，描述3 种v v i r e l e s sr e c e i v e r 架构：s u p e rh e t e m d y n e 第1 5 页共8 1 页 菹牙射频接收器的设计 r fr e c e i v e r 架构 r e c e i v e r 、z e r o 一1 fr e c e i v e r 、l 0 w i fr e c e i v e r 。 3 1 s u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r 这种s u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r 结构比较早的出现，由a r m s t r o n g 在19 18 年发明。它是使用最普遍的一种r e c e i v e r 结构，比如一般的收音机大采用这种 结构。虽然从1 9 1 8 年以来人们在无线领域理论和应用方面已经取得了大量进步， 但并没有抛弃这种架构，事实上s u p e rh e t e r o d y n e 已经成为大多数现代 r e c e i v e r 的基础。下图是这种r e c e i v e r 的结构简图 r f i f ，i f v | 一卜 ， 坚p ! 州丕，h，x 、 abc 。 l o ， 图3 2s u p e rh e t e r o d y n e 结构 第1 6 页共8 1 页 蓝牙射频接收嚣的设计 r fr e c e i v e r 架构 图33 s u p e rh e t e r o d y n e 信号频谱变化过程 从图32 可以看出，天线接受到的r f 信号按照频率高低之分，大概经过了 3 个部分：r f 频率段( 也可以叫做c a m e r 段) 和两个i f 段，频率依次降低。 r f 信号先经过一个b p f ( b a n dp a s sf i l t e r - - 带通滤波器) 滤波，然后经过l n a ( l o wn o i s ea m p l i f l e r - - f 氏噪声放：器) 放大，这一段信号维持高频状态，也就 是图中的r f 段。l n a 的输出信号与l 0 ( l o c a l0 s c i l l a t o r - - 本机振荡器) 信号 l 0 1 相乘，完成了第一级降频。c a r n e r 放除去，频率变低，信号进入l f l 段。在 这一频率段，信号要完成滤波，有时还要进行信号放大。虽然此时的信号已经属 于中频范围，但频率还是相对较高，不适合模数转换和d e m o d u l a t i o n ，因此需 要第二次降频，j f 2 段的信号很接近d c ，一般在1 m h z 左右，可以比较容易地 实现后面的信号处理。如图所示，这一频率段也需要滤波和放大，分别由一个低 频b p f 和a g c ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l l e da m p l i f i e r - - 自动增益放大器) 完成。 使用两级或更多级降频，也就：黾会有两个或更多个l f 产生。相对于过g h z 的r f 信号来说，通常第一个l f 的频率会有几十兆大小，按照上一章对镜像频 率的描述，镜像信号的频率大小等二f 厶。，= 0 2 ，也就是说镜像频率二。 和k 在频谱上相距比较远，这对于b p f 设计是有很大帮助的。 按照前章f r e q u e n c yc o n v er s i o n 里的介绍，镜像信号必须被压制。置于 天线后的b p f 就是实现镜像压制的。经过b p f ，f 被压制而厶，信号得以保 留，因此厶，也就是此b p f 的中心频率，可见b p f 的中心频率超过1 g h z 。如 果矗和：。相距较近的话，那么就要求b p f 的通带很窄，因此很难实现的。 加入一个相对较高的中频后，第一个b p f 的要求被放宽，甚至可以去掉不用， 而借助l f 段的b p f 来完成镜像压制。 从本质上来说，实现降频操作的m i x e r 就是一个模拟乘法器( 具体细节将在 后面的m i x e r 章节中描述) 。由于这种非线性系统本征具有高噪声特性，所以在 m i x e r 前面通常是一个低噪声放大器。因为根据c a s c a d e 结构的噪声公式： 第1 7 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 r fr e c e i v e r 架构 帆小( 瓶m n f d - 1 + _ + 孚 n p in mz x pl | m - q 它描述了一个m 级c a s c a d e 系统约噪声。明显可以看出，位置越靠前的电路对 系统的噪声越具决定作用。因此在m i x e r 前加一个l n a 能大大改善系统总的噪 声特性。 在b u e t o o t h 应用中，设计的 j 标是尽量减少使用片外器件，实现单片集成， 包括压制镜像信号的b p f 。s u p e rh e t e r o d y n e 结构采用的多级降频方式降低了 对b p f 的设计要求，但即使如此，要实现b p f 的片上集成还是一件很困难的是， 因为现在普通的集成电路工艺很难得到高q 值的器件。以它们常包括的i n d u c t o r ( 电感) 为例，t s m c 的0 1 8 r i qr f 工艺库所提供的i n d u c t o r 只能有不足1 0 的q 值，这显然很难满足设计的需要。 另外，在某些具体的s u p e r h e t e m d y n e 结构中需要b p f 的中心频率虽滤波 信号的频率变化，这无疑也增加了片上实现b p f 的难度。 s u p e rh e t e m d y n e 虽然原理简单，使用最广，但由于一些片上p a s s i v e 器 件的q 值无法提高，所以很难实i m 单片集成。一般的解决方法都是使用片外电 感和电容来完成滤波。 3 2z e r o i fr e c e i v e r z e r o - - i fr e c e i v e r 又称作h o m o d y n e 或d i r e c t - - c o n v e r s i o nr e c e i v e r 。从 名称上可以直接看出它的特点，那就是接收到的信号直接降频到b a s e b a n d ( 基 带) 。和前面的s u p e r h e t e r o d y n e 结构相比，也可以说它的l o 频率就是c a r e e r 频率，i f 只有一个并且位置在频谱上的零点。 结构筒图如下： 竖! li ! e ( 三里) l y f 一残量椤阳园 f l o 图3 4z e r o - - i fr e c e i v e r 结构 第1 8 页共8 1 页 蓝牙射频接收器的设计 w a n t e d s i g n a l r fr e c e i v e r 架构 图3 ，5z e r o i f 信号频谱转换过程 正如上图所显示的，所有接收到的的能量，包括周围信道的干扰，通过一个 m i x e r 直接转换到z e r o i f 的位置，而后简单地用一个l p f 滤去不想要的信号。 这里的l p f 频率较低，比较容易实现片上集成。在z e r o i fr e c e i v e r 中，l 0 频率等于c a r r i e r 频率，所以不存在i m a g e r e j e c t i o n 问题( 注：信号采用双边 带调制时仍需要i m a g e - - r e j e c t i o n ，g f s k 就是双边带调制) 。 虽然z e r o i fr e c e i v e r 结构简单，再加上它具有的高集成性带来的低成本 优势，但长期以来却并没有占据主导地位。这些源于z e r o f f 结构所带来的一 些自身缺点，主要是d c - - o f f s e t s 、f ，qm i s m a t c h 等问题。 z e r o i fr e c e i v e r 的d c 0 1 f s e t s 是在信号降频的过程中产生的。它主要 是来自于m i x e r 两端的l o 和r f 信号的s e i f m i x i n g ( 自扰) 。例如，当l 0 信 号作用于m i x e r 的一段时，由于m i x e r 的i s o l a t i o n 效果不好，使得l o 信号“渗 漏”到r f