（电力电子与电力传动专业论文）低噪声放大器和混频器的研究与设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eg p sa p p l i c a t i o n sd e v e l o p e dr a p i d l y ，a n dh a v es p r e a df r o maf e w o fr e s e a r c hi n s t i t u t e sa n dm i l i t a r ys e c t o rt ot h ev a r i o u sc i v i l i a nf i e l d s t h ew i d e a p p l i c a t i o n so fg p sh a sc h a n g e dt h ew a yo fp e o p l ew o r k ，i m p r o v e dw o r ke f f i c i e n c y a n db r o u g h th u g ee c o n o m i cb e n e f i t s ，i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i ns h a r p c o n t r a s tt os u c hal a r g ed e m a n d ，a l lg p sr e c e i v e rc h i p sa n do e mb o a r d sa l m o s tr e l y o ni m p o r t s t h eg p sc h i pm a n u f a c t u r e r sa b r o a ds u p p l yal a r g en u m b e ro fc h i p st o c h i n a , w h e r e a st h e yh a v es e tu pv a r i o u sr e s t r i c t i o n so nt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，t h e h e i g h ta n dt h em o b i l es p e e d ，s oi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n to fc h i n a ss e l f - p o s i t i o n i n g s y s t e mi so fg r e a ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c ea n dt h em a r k e tp r o s p e c t s c o n d u c t i n gas t u d y o nt h eg p s ，u s i n gc m o st e c h n o l o g yt oa c h i e v el o w c o s t ，h i g h l yi n t e g r a t e dg p s r e c e i v e rr ff r o n t e n dc h i pa n dm a k i n gi tm a r k e t o r i e n t e di so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e ss e v e r a ls t r u c t u r e so fr fr e c e i v e ri nb r i e f , a n a l y s e s t w oi m p o r t a n ti n d i c a t o r si m p a c t i n go nt h er e c e i v e rp e r f o r m a n c e ，a n dg i v et h ec a s c a d e f o r m u l ao fm u l t i - l e v e ls y s t e m sn o i s ea n dl i n e a r i t y t h el o w i fa r c h i t e c t u r ew a sc h o s e n a st h es y s t e ma r c h i t e c t u r eb yc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s t r u c t u r eo fs e v e r a lr e c e i v e r s a r c h i t e c t u r e a c c o r d i n gt og p sr e c e i v e rp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s ，a na n a l y s i so fs y s t e ml i n kb u d g e t ，c o m p l e t i o no ft h er a t i o n a la l l o c a t i o n o fm o d u l ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a n das y s t e m l e v e ls i m u l a t i o no nt h es y s t e mw i t h a d sw e r ed o n e t h e nt h el o w - n o i s ea m p l i f i e ra n dt h em i x e ra r ed e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw i t ht h et s m co 18 u r np r o c e s s i n t h ed e s i g np r o c e s so fl n aa n dm i x e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e i rb a s i c w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，d e s i g n st h ec i r c u i ta c c o r d i n gt ot h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ，a n a l y z e st h ec i r c u i t s n o i s ea n dl i n e a r i t ya n dd o e st h e s i m u l a t i o n so i lt h e mw i t ht h es i m u l a t i o nt o o lo fs p e c t r e r fo fc a d e n c e t h es i m u l a t i o n r e s u l t sm e e tt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：r e c e i v e rl n am i x e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈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中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盈魈日期2 咝：墨：乞 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保 密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：迸霾罄经日期之堕：三，2 导师签名： 幺丛丛! ：e日期型2 ：! ：2 专 | 绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 全球导航卫星系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，g n s s ) 是以人造卫星 作为导航台的星际无线电导航定位系统，是一种利用人造地球卫星进行用户点位 测量的技术，是用导航卫星发送的导航定位信号确定载体位置和运动状态、引导 运动载体安全有效地到达目的地的一门新兴科学。卫星导航在军事和民用领域具 有重要而广泛的应用。它可以提供高精度的三维位置、速度、姿态和精确时间信 息。 目前，国内g p s 应用发展势头迅猛，短短几年间，g p s 在我国的应用已从少 数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，g p s 的广泛应用改变了人们的 工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济效益，具有广阔的应用前景。与 如此大量需求形成鲜明对比的是中国这个g p s 应用大国所有的g p s 芯片和o e m 接收板几乎都是靠进口，国外g p s 芯片厂家向中国大量供货，但是在定位精度、 定位高度、移动速度等方面对我国设置了各种限制，因此独立开发我国自主的定 位系统具有重大的战略意义与市场前景。目前国内很少有用c m o s 工艺实现的 g p s 射频前端接收芯片，因此对g p s 进行研究，用c m o s 技术实现低成本，高 集成度的g p s 射频前端接收芯片并将其市场化，具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 国内g p s 未来市场容量的巨大吸引力使得芯片产业得以快速发展，目前已有 十余家厂商推出了g p s 芯片。2 0 0 5 年，西安华迅公司推出了国内第一块g p s 芯 片，中电科技2 4 所采用s i g e b i c m o s 工艺，制作了g p s 卫星导航接收机射频前 端单片r f i c 和g p s 、g l o n a s s 卫星导航兼容接收机射频前端单片r f i c ，2 0 0 6 年中国科学院微电子研究所也成功开发出了两款g p s 基带s o c 芯片。2 0 0 7 年1 2 月，中科院微电子所成功自主开发出我国首款c m o s 全球卫星导航接收射频及基 带芯片，但国内企业、研究机构的g p s 芯片在性能上与国外产品有很大差距，现 有的芯片市场基本上还是国外几大厂商占据，这其中影响较大的有s i r f 、g a r m i n 、 u b l o x 、摩托罗拉、索尼、富士通、n x p 、n e m e r i x 、u n a v 等厂商，s i r f 、u b l o x 尤其引人注目。到目前为止，各国外厂商均已推出一系列的g p s 和g l o n a s s 的高集成度的导航芯片组，并开始向集成其它芯片功能的方向发展。2 0 0 5 年s i r f 收购了摩托罗拉的g p s 芯片业务，未来将合作在摩托罗拉的智能手机中集成g p s 功能。无独有偶，高通公司在增强型3 g 手机芯片c d m a 2 0 0 0e v - d o 中也设计了 2 低噪声放大器和混频器的研究与设计 集成的g p s 功能。n e x t e l 公司也正在使用s i r f 的技术来实现其手机中的g p s 功 能。2 0 0 8 年6 月，c s r 发布了第7 代b l u e c o r e 芯片，这是迄今为止唯一款集成 了蓝牙、e g p s 、f m 的芯片。 1 3 集成电路设计流程 对于一个大而复杂的模拟电路而言，在进行具体的电路设计之前，对其进行 系统上的分析与设计是非常有必要的。通过对整个系统的研究，可以从全局上把 握及验证该系统的可行性及合理性，并确定该电路中各个子模块应达到的设计指 标，做到对接下来的电路设计心中有数。本课题采用图1 1 所示的流程进行设计。 疆勃醚翁葡系反彝n e 亡褊 r 掣+ f 7 j “，二埘y 。一 体方案确定，模块s p e b 5 ? ，“i 篆磊祷粪毪9 9 礞形磋 t j ，4 m 。o 女磁 4 簇豉路谥霁”第弘 磊。? 矗；j g 自测g ， 模块 乜路仿真 “鼍一 * 簪7 7 7 7 翳 版图布局设计 “ ；，锄。& d r c 和l v s 7 7 参数提取和后仿真 芏 露虿巧z 可曩黟露 。 投片，测试 图1 1 集成电路设计流程 项目开始进行，首先确定设计的系统功能为接收g p s 信号，根据g p s 信号 结构确定系统的中频频率，系统增益，系统噪声系数以及系统线性度，然后合理 的分配模块性能参数，用a d s 对系统建模及仿真。系统仿真成功后，根据模块性 能参数要求设计模块电路，使用c a d e n c e 的s p e c t r e r f 对模块电路进行仿真。仿 真结果符合要求，开始使用c a d e n c e 的v i r t u s o 工具进行版图设计以及使用c a d e n c e 的d r a c u l a 对版图进行d r c ，l v s ，寄生参数提取和后仿真，最后进行流片及 测试。由于本人时间和能力有限，仅做到模块电路仿真。 1 4 设计工具 由于器件模型的复杂性，集成电路设计还需要e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 工具来帮助设计者分析电路，加快设计速度，缩短设计周期。近年 来，出现了不少用于射频集成电路设计的e d a 工具，比较有名的有c a d e n c e 和 a d s 。c a d e n c e 是一个大型的e d a 软件，在仿真、电路图设计、自动布局布线、 版图设计及验证等方面有着绝对的优势。c a d e n c e 提供模拟集成电路设计整个流 绪论 程的e d a 工具，v e r i l o g 。a 工具用于系统综合，s p e c t r e r f 工具用于模拟晶体管级 电路，v i r t u s o - r 具用于版图设计。a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 是美国 a g i l e n t 公司推出的电路和系统分析软件，它集成多种仿真软件的优点，仿真手段 丰富多样，可实现包括时域和频域，数字与模拟，线性与非线性，高频与低频， 噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小至元器件，大到系统级的仿真分析设计； a d s 能够同时仿真射频( r f ) ，模拟( a n a l o g ) ，数字信号处理( d s p ) 电路，并 可对数字电路和模拟电路的混合电路进行协同仿真。由于其强大的功能，很快成 为全球内业界流行的e d a 设计工具。由于用c a d e n c e 的v e r i l o g - a 工具进行系统 综合需要对模块电路建模，而a d s 软件可以直接调用模型，鉴于时间关系，本文 选择a d s 做系统仿真，c a d e n c e 的s p e c t r e r f 做子模块电路仿真。 1 5 工艺选择 随着c m o s 工艺的发展，其特征尺寸不断减小，c m o s 工艺的特征频率f r 不断提高。对应于0 3 5 u r n ，0 2 5 u r n ，0 1 8 u m 栅长的c m o s 工艺的特征频率分别 为1 3 5 g h z ，1 8 g h z ，4 9 g h z ，已经能满足r f 电路的应用。此外，工艺的诸多改 进提高了c m o s 工艺模拟电路的性能： 1 提高无源器件的品质因数，使得电感能够集成到芯片上； 2 提高有源器件的隔离度： 3 利用钛合金，降低多晶硅和n 型，p 型有源区的电阻率，降低引线电阻 等。 因此，用c m o s 工艺实现射频集成电路，与采用同种工艺的基带电路集成在 同一块芯片上已成为可能。本文将采用台湾半导体制造公司( t s m c ) 的 0 1 8 u m c m o s 工艺来设计低中频g p s 射频前端的低噪声放大器和混频器。 1 6 论文结构 论文总共分为五个部分。 第一部分提出本论文的研究背景，介绍国内外的发展状况，给出本文所使用 的集成电路设计流程，选择e d a 工具和c m o s 工艺。 第二部分介绍g p s 工作原理，介绍射频接收机的几种结构及其优缺点，然后 根据g p s 的信号结构设计g p s 射频前端接收电路的系统参数要求，并对系统的 各个子模块的关键参数要求进行了合理的规划，使用a d s 对系统进行建模及仿 真。 第三部分介绍了低噪声放大器的工作原理和性能参数，设计了低噪声放大器 的电路结构，并对设计的l n a 电路进行噪声分析和线性度分析，在功耗为3 6 m w 4低噪声放大器和混频器的研究与设计 的限制下，使用t s m c 0 1 8 u r n 工艺对低噪声放大器的关键器件进行了设计。最后， 使用c a d e n c e 的s p e c t r e r f 仿真工具对l n a 进行了仿真，仿真结果满足性能要求。 第四部分介绍了混频器的工作原理和性能参数，设计了混频器的电路结构， 对混频器进行了增益分析，噪声分析和线性度分析，用于指导混频器的设计。最 后，使用c a d e n c e 的s p e c t r e r f 仿真工具对混频器进行了仿真，仿真结果满足性 能要求。 第五部分为整个设计工作的总结与展望。 第二章g p s 射频前端系统设计 第二章g p s 射频前端系统设计 2 1g p s 工作原理 广义的g p s ，包括美国g p s 、欧洲伽利略、俄罗斯g l o n a s s 、中国北斗 等全球卫星定位系统，也称g n s s 。狭义的g p s ，即指美国的全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 。 g p s 是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位 和时间传递系统。g p s 系统包含2 4 颗空间卫星或空间运载器( 每个都用唯一的伪 随机噪声编码识别) 、地面控制站以及用户设备( 接收机) 。空间部分由2 4 颗卫星组 成，卫星高度2 0 1 8 2 千米，位于6 个倾角为5 5 度的轨道平面内，周期近1 2 小时。 卫星用2 个l 波段频率发射单向测距信号，区别不同卫星采用码分多址。它是一 个军民两用系统，提供两个等级的服务，为军事用户提供l 1 ( 频率1 5 7 5 4 2 m h z ) 、 l 2 ( 频率1 2 2 7 6 m h z ) 双频精码口码) 测距；为其他用户提供l 1 单频粗码( c a 码) 测距的标准定位服务( s p s ) 。美国计划以后逐步增加两个民用频率，即l 2 增 加粗码和民航安全专用的l 5 ( 频率l 17 6 m h z ) ，希望以此来抑制其他国家建立与其 平行的另一个系统，并提倡以g p s 和美国政府的增强系统作为国际使用的标准。 对于民用g p s 和g a l i l e o 系统，卫星通过频率1 5 7 5 4 2 g h z 的l 1 波段进行通信。 g p s 接收机必须捕获到至少四颗卫星的信号才能进行可靠定位，信号捕获和跟踪非 常复杂，因为每颗卫星和接收机的位置时刻都在变化。g p s 系统实际上是一个简单 的扩频通信系统。图2 1 提供了一个民用g p s 系统的信号发生电路。首先，5 0 b p s 的 导航信息重复2 0 次，形成1 0 0 0 b p s 的比特流。然后这个重复信号被长度为1 0 2 3 码片 ( 伪随机噪声( p r n ) 码的码速) 的唯一粗捕获码( c a ) 进行扩频，形成1 0 2 3 m b p s 的基 带信号。用这种扩频方法后，4 3 d b 大小的g p s 系统的总处理增益可以很好地恢复 比热噪声电平低得多的信号。每颗卫星都有唯一的c a 码或者说g o l d 码，由于具有 很好的自相关和互相关性，g o l d 码被广泛用于各种c d m a 通信系统，如w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 。基带信号经过二元相移键控( b p s k ) 调制后被上变频至i j l l 波段进行 传输。 图2 1 民用g p s 系统的信号发生电路 因为g p s 是一种c d m a 通信系统，所以作为解调数据的先决条件，接收机必须与 p r n 码进行同步。实现代码同步通常需要两个步骤：用来实现粗对准的代码捕获 低噪声放大器和混频器的研究与设计 和用来实现精细对准的代码相位跟踪。更明确地讲，g p s 接收机必须首先确定它对 某颗卫星是否具有视距上的可视性。我们知道，每颗卫星都由唯一的c a 码来区分。 当卫星可视时，由捕获过程判断信号的频率和代码相位，然后确定相应的解调参 数。由于存在多普勒效应，根据卫星相对于接收机的速度，接收信号的频率一般 会偏移标称值5 k h z 到1 0 k h z 。当捕获和跟踪过程建立起初始同步后，系统能够解码 出导航比特。将1 0 2 3 m b p s 的输入信号解扩为1 0 0 0 b p s 的比特流后就开始解调数据。 然后利用比特同步从1 0 0 0 b p s 的数据流中恢复, 卜h , 5 0 b p s 的信息。比特同步需要通过寻 找零交叉沿( o 来识别比特流的起始位置。如果这个交叉沿是已知的，我们可以用 2 0 m s 的间隔分割1 0 0 0 b p s 输入流，因为导航数据信息( 5 0 位) 的持续时间为2 0 m s 。最 后，以2 0 m s 间隔排列的比特取样累加起来取平均值，从而解码出导航数据。 2 2 接收机结构 射频i u ( r a d i of r e q u e n c y ) 接收机通常有三种结构：超外差结构 ( s u p e r - h e t e r o d y n ea r c h i t e c t u r e ) 、直接变频结构( d i r e c t c o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e ) 和低中频变频结构( l o w i fa r c h i t e c t u r e ) 。这三种结构各有优缺点，接收机的结 构由系统指标决定，包括系统工作频率、接收机动态范围、功耗和集成度等。 下面具体讨论这三种结构，并对比它们的优缺点，选择合适的结构作为本文 的系统结构。 2 2 1 超外差结构 图2 2 超外差结构 图2 2 所示为一超外差接收机，它是射频接收机中最早被采用的，使用得也最 为广泛的一种接收机。图2 2 中方框之内的部分是集成在芯片内部的。天线接收到 的射频信号首先通过带通滤波器( b a n d p a s sf i l t e r ，b p f ) 将频段以外的信号滤除。 低噪声放大器( l o wn o i s e a m p l i f i e r ，l n a ) 将接收到的微弱信号在引入较低噪声 的条件下放大，输出信号通过片外的滤波器滤除镜像干扰信号，再由混频器通过 本振信号( l o c a lo s c i l l a t o r ，l o ) 将射频信号变换到高中频信号( i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y , i f ) ，最后再经一次滤波、放大、混频进入模数变换器( a d ) ，变换到解 第二章g p s 射频前端系统设计 7 调器( d e m o d u l a t o r ) 能处理的数字基带信号。 外差式接收机最重要的特征是它的选择性，它可以将很微弱的信号从强干扰 中选出来，并加以处理。接收机通过两次频率变换，从而使得信号的选择发生在 较低的频率上，利用q 值不必太高的滤波器( 第三个滤波器) 即可实现信号的选择。 外差式接收机的另一个显著特点是：每一次的频谱下变换都会把载频f c 附近的有用 信号和载频+ 2 f ；( 或f c 2 ) 附近的镜像信号同时变换到中频( 如果采用高( 或低) 的本振的话) ，从而使得有用信号在中频被严重恶化，因此必须在每次混频之前进 行镜频抑制。在超外差结构中，往往是在每次混频前采用专门的镜像抑制滤波器 来实现镜像抑制，或者在中频使用信道选择滤波器来同时实现镜像抑制和信道选 择。由于有用信号和镜像信号的能量的强弱关系是不可预知的，为了在最坏的情 况下保持好的性能，必须对镜像信号有很好的抑制，外差式接收机一般要求对镜 像信号能量的抑制比达到6 0 7 0 饵。 如果载频与下变换后的中频比r d r i 约等于1 0 ，则高频滤波器的q 值必须要接近 1 0 0 ( q 值定义为中心频率除以3 d b 带宽，经验公式：所需的q l o ( 觚) ) 。其 结果是： 1 ) 为了达到这个q 值，若采用高频有源滤波器实现单片集成，至少要在6 阶以 上，并且还需要有可调的中心频率，这使得电路的复杂性大大提高，难以集成； 2 ) 这种有源滤波器的功耗与它的q 值的平方成正比，因此，即使能够集成， 其功耗代价也难以接受； 3 ) 由于上述困难，往往采用片外的无源的高频或中频滤波器来实现镜像抑制 ( s a w 滤波器) ，而采用无源的片外元件的代价是：元件昂贵，板级成本增加( 需 要更大的p c b 面积) ，芯片管脚增加( 封装成本增加) ，外接元件的寄生电容很大， 寄生电容很大又造成芯片驱动外接元件和外接元件驱动芯片管脚时都必须是驱动 低阻抗节点( 典型5 0 欧姆) ，否则无法工作在这么高的工作频率( 近似有仁1 瓜c ) ， 而驱动低阻抗节点又直接导致电路功耗的增加； 4 ) 为了使得所需滤波器的q 值不会太高而难以实现，并且为了使得高频滤波 器无需调谐，一般设计时取f ；5 。因此，一般取一个高中频逐级下变换，这就 必然导致了多级变换结构，而这种结构显然无论从复杂度、代价、功耗( 每级下 变换都需要外接元件驱动低阻抗节点) 等方面来说都是不利于集成的。 低噪声放大器和混频器的研究与设计 2 2 2 直接变频结构 图2 3 直接变频结构 在直接变频结构 1 1 】中，有用信号被直接下变频到基带，因此也成为零中频结 构。这样，镜像信号是有用信号本身，但是这样并没有消灭镜像抑制的问题。信 号的上下边带将被叠加到一起，成为不可分离的，因此，除非信号的上下边带完 全一致，否则仍然要采取镜像抑制措施。这个问题可以采用两次下变频的方法来 解决，一次和s i n e 信号混频，第二次和c o s i n e 信号混频，这个拓扑的简单结构如图 2 3 所示。其中i 、q 两信号是由本地振荡器产生的相位差为9 0 度的正交信号。 零中频接收机的特点是： 1 ) 由于零中频接收机的镜像信号是有用信号本身，镜像信号与有用信号能量 相同，所以对镜像信号抑制的要求大大减轻，但是在高质量接收机中，3 0 d b 的镜 像信号抑制度还是需要的。对镜像信号的抑制是通过彼此正交的本振信号与射频 信号混频来消除的。 2 ) 由于不需要难以集成的高q 值的射频或者中频带通滤波器，消除了外差式 接收机的主要缺点。但为了减小对下变频器的动态范围的要求并且阻止带外射频 信号与本振信号的高次谐波分量混频而产生落在有用信号带内的干扰，大多数接 收机还是在前端放置了一个高频滤波器，对这个滤波器的性能要求是很低的，而 且也不要求频率可调节。 3 ) 混频后的低通滤波器很容易用模拟集成电路来实现单片集成。 4 ) 由于有用信号被直接下变频到基带，这样对a d 转换器的要求大大降低了。 综上所述，零中频接收机是一种易于集成的接收机拓扑结构，并且由于外接元件 大大减少，功耗可以显著降低。 但直接变频也带来了不少问题： 1 ) 直流偏移( d c o f f s e t ) 由于混频器各个端口之间的信号泄漏产生的自混频会直接干扰基带信号，如图 2 4 所示： 第二章g p s 射频前端系统设计 9 图2 4 零中频d c o f f s e t 本振信号会有一部分泄漏到混频器的射频输入端，这个泄漏的部分会与混频器的 本振信号进行混频。而射频信号也会有一部分泄漏到混频器的本振输入端，在混 频器中与射频信号进行自混频。自混频后所得的信号可以由以下的表达式表示， z 咖f o 【f ) = 4 。4 出油) 。g o ( f ) 口o 【f ) = 4 删汹) a 工oc o s b c f + e ) a l oc o s 如c t + e ) = - 么咄) 4 三d ( 1 + g o s2 0 。t + 0 ) ) 工咖t 妇( f ) = 4 训汹) 口妇( f ) 口妇( f ) = 4 删( b ) _ kc o s2 白。f + 啊( f ) + 甲) = 彳删曲) 4 二叮白冒( 1 + c 2 0 。f + 研( f ) + 甲) ) f 2 一】、 由式( 2 1 ) 可以看出，所得信号有直流分量，此分量即为直流偏移量，它与有用 的信号处在相同的频率，需要将其消除掉。 2 ) 正交失配( i qm i s m a t c h ) 混频器端的正交本振信号，其相位和幅度的失配会严重影响基带信号的数据 判决，从而增加系统误码率，高频时影响更为严重。 2 2 3 低中频接收机 低中频接收机 1 2 】是从零中频接收机发展而来的，它也通过正交下变频来完成 镜像信号抑制，但与零中频接收机不同的是，下变频后信号处于一个比较低的中 频( 一到两倍的信号带宽) 。由于镜像信号不再与有用信号互为镜像，它的能量与 有用信号相比是不可预知的( 在最坏情况下，可能高达5 0 d b ) ，这样对镜像信号抑 制度的要求就非常的严格。在现有的技术条件下，混频器之间的不匹配和正交振 荡信号的幅度及相位误差使得只靠正交下变频来完成对镜像信号的抑制是不够 的，必须加进其它的元件来增强抑制度。由于下变频后信号的频率不再为零，这 样就消除或大大减小了直流失调，通过滤波器和正交下变换只是抑制了镜像信号 的负频率分量，使之不与变换后的有用信号的正频率分量混叠，镜像信号的正频 率分量并没有消除，而是随着有用信号的正频率分量一起下变频到了低中频，并 且在低中频处与有用信号一起组成“一对”信号( 即从频谱上看，是一对正负频 率) ，因此，如何在低中频消除这个对称信号值得考虑。 综上所述，可以得出接收机结构选择的基本准则 1 3 】如下。在接收机射频前端 的系统设计中，零中频和低中频结构所需的射频元件数目最少，系统结构也相对 l o 低噪声放大器和混频器的研究与设计 简单。零中频结构虽然不存在镜像抑制的问题，却存在严重的直流漂移和闪烁噪 声问题，因此它比较适合于基带信号带宽很宽的应用，因为这时可以采用简单而 易行的片上电阻电容组成的高通滤波器来滤除这些分量，而不会严重恶化信号质 量。低中频虽然避免了直流漂移和闪烁噪声问题，但是它的镜像抑制度由于i q 之 间的增益和相位的不匹配，往往只能取得不超过3 5 d b 的片上镜像抑制度，这使得 低中频一般适用于镜像抑制度要求不是很高的场合，同时由于低中频结构的a d c 一般采用4 倍信号最高频率的抽样率，使得数字部分的实现非常简便容易，但同时 也相应地提高了对a d c 速度的要求。如果当系统指标非常苛刻，难以用上述利于 单片集成的结构来实现时，采用外差式结构仍然是值得欢迎的。 考虑到系统要采用c m o s 工艺实现高集成度，同时g p s 基带信号带宽为 2 0 4 6 m h z ，为了避免直流偏移问题，我们将采用低中频结构，并基于该结构设计 g p s 射频前端接收机中的低噪声放大器和混频器。 2 3 接收机系统的模块指标 接收机最重要的两个特性是灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 和选择性( s e l e c t i v i t y ) 。灵敏 度是接收机对于弱信号放大和解调能力的测度，数值上它等于接收机在解调出可 以接受的信号的前提下，所能接收的最小信号电平。根据应用的不同，通常有以 下几种参数来表征灵敏度：信噪比( s n ) 、信纳比( s 小d ) 、最小可检测信号电平 ( s ) ，其中接收机的设计中主要用m d s 来表示接收机的灵敏度。选择性是衡量 接收机选取带内信号和抑制带外信号的能力的参数，影响选择性的因素主要有： 发射机和接收机之间的距离、系统的定时同步、频率的分配和规划、调制方式等 等。选择性主要反映在镜像抑制、邻信道抑制、抗杂散信号等参数指标上。 2 3 1 噪声与灵敏度 无线通信系统中的噪声包括各种干扰和射频电路元件本身的各种噪声，如m o s 晶体管所产生的各种噪声。对于接收机的设计来讲，为了提高性能，就必须降低 噪声的影响，提高接收机的灵敏度。对射频系统中噪声进行衡量的参数是噪声系 数，其定义为系统总输出噪声功率与信源产生的输出噪声功率之比，它等效为输 入信噪比与输出信噪比的比值，考虑用分贝表示，则噪声系数( n f ) 的表达式为： ，c i k i 、 n f ( d b ) = 1 0 l o g l 上正= l 、7 。l 瓦，虬， ( 2 2 ) 根据噪声系数，可以得到接收机的最小灵敏度( m d s ) 公式： s i n ( d b m ) = n f ( d b ) + k t b ( d b m ) + s n r m i n ( d b ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 是假定绝对温度为2 9 0 k ，系统带宽为b ，解调门限为s n r m i n 的情况下的 第二章g p s 射频前端系统设计 推导结果。s n r 通常是由误码率并结合信号调制解调方式推导出来的。前面n f 的 讨论针对的都是单级系统，对于由多个子系统级联而组成的系统，其中各子系统 的噪声因子为f n ，可获得功率增益为g n ，则整个系统的噪声系数为： n f = 1 0 l o g - om 叫+ 譬+ + 器 像4 ， 由式( 2 4 ) 可以看出，前面几级的噪声系数对系统影响较大。为降低级联系统的噪 声系数必须降低第一、第二级的噪声系数并适当提高它们的功率增益以降低后面 各级的噪声对系统的影响。从提高系统灵敏度的角度来讲，也要求第一级子系统 具有尽量低的噪声系数和尽可能高的增益。 2 3 2 线性度与失真 任何系统从本质上说，都是非线性系统。通常认为的线性系统，当输入信号 很强时，也会表现出很强的非线性特性，从而对信号造成一定程度上的非线性失 真。在射频电路设计中为了描述这种非线性，引入了l d b 压缩点( p - l d b ) 和三阶 交截点( i p 3 ) 两个参数。前者定义为系统的功率增益下降l d b 时输入信号的功 率；后者定义为小信号输入条件下的有用信号与三阶互调沿固定斜率延伸到交点， 通常接收机的线性度用输入三阶截点( i i p 3 ) 衡量。 假设在小信号输入条件下，射频系统的传输函数为： ，2 局+ 如吃+ 乜吃 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，k l ，k 2 ，k 3 为系统的电压增益、二阶和三阶非线性项系数。同时假 定有一个输入信号a c o s ( i ) t ，则系统输出为： ，= 竽+ 卜+ 竿 c 0 s 研+ 等c o s 2 c o t + 竽c o s 3 研 像6 ) 根据该结果，可以给出p 1 d b 的数学表达式 1 4 为 只l 曲2 ( 2 - 7 ) 若同时有两个频率很接近的输入信号a c o s l t 和a c o s 2 t ，根据系统传输函数， 可知系统输出中将出现很多频率分量。其中，三阶频率分量2 6 01 ( i ) 2 和2 ( 1 ) 2 一1 由于很接近信号频率，对系统性能影响很大，因此对它们作单独考虑，可得到这 两个频率分量分别为： 竿c o s ( 2 q 一哆) r 协8 ) 1 2 低噪声放大器和混频器的研究与设计 3 k 3 d a 3 c 。s2 - c 0 1 ) f 4 7 同时考虑一阶输出，推导出三阶交截点 1 5 为： 弛= 阚 同样对于多级系统来讲，假设每个子系统的1 3 p 3 为i i p 3 n ， 功率增益为g a n ，则可将整个系统的i i p 3 表示为： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 每个子系统的可获得 上：上+ 鱼+ 鱼坠+ 鹏鹚t 魍2鹚， ( 2 1 1 ) 上述参数的意义不仅在于定量地给出了系统的线性度，它还决定了系统的动态范 围，也即最大可接收的信号电平。一般而言，要求接收机的l d b 压缩点大于通信 系统标准规定的l d b 压缩点。而对i i p 3 的要求，一般不会由通信标准直接给出， 一方面，它可以根据最大输入信号和噪声基准来求出，另一方面，还可以根据通 信标准对邻信道抑制度的要求，结合调制方式和解调门限推出，然后二者之中取 其最大的一个。 2 4 系统设计 在设计之前，我们需要了解g p s 的信号结构，由本章第一节介绍的g p s 工作原 理可知，g p s 信号以1 5 7 5 4 2 g h z 的载波为中心，它由两个扩频( 扩展信号) 组成， 一个信号强度较强的c a ( c o a r s ea c q u i s i t i o n ，粗获取) 码也是在带宽上较窄的。 另一个较弱的然而带宽较宽的p ( p r e c i s i o n ，精密) 码是为军事应用设置的，这里不做 进一步的讨论。下面进行系统的规格设计，包括中频频率，系统增益，系统噪声， 系统线性度的设计，并合理分配各模块的性能参数。 2 4 1 中频频率设计 每一个接收机中的一个基本设计是中频的选择。对于g p s 信号，由于p 码的存 在，中频的选择变得容易些。那个频带只被p 码占用，因而没有强信号。我们因此 可以自由地选择一个低的中频，而不至于发生棘手的抑制问题。此外，p 码相对大 的带宽为我们提供了对任何选定的中频滤波器的相当大的过度频带。这里，我们 选择2 0 4 6 m h z 作为中频，留下了3 - 8 m h z 作为滤波器的过渡频带。 2 4 2 系统增益设计 由系统噪声公式( 2 4 ) 和系统线性度公式( 2 1 1 ) 可知，系统噪声和线性度是 第二章g p s 射频前端系统设计 增益的函数，因此在系统中频选定后，进行系统增益设计。首先确定g p s 链路的总 增益，设a d 输入电平的满量程( f u l ls c a l e ) 峰峰值为3 5 0 m v ，按照5 0 欧姆的阻抗 匹配计算： p a n i n = ( o 3 5 2 ) 2 ( 2 * 5 0 ) = 0 3 0 6 2 5 m w = - 5 1 4 d b m ( 2 1 2 ) 在噪声等效温度为2 0 摄氏度时，噪声功率谱密度为1 7 4 d b m h z ，在c a 码信号 主波瓣的近似为2 m h z 带宽内积分的噪声功率谱密度大约为1l l d b m ，所以对于c a 码总增益为5 1 4 d b m ( 一1 1 l d b m ) = 1 0 5 8 6 d b ，可以做到1 1 0 d b 。其次，分配各个 模块的增益。分析过程中，从天线到混频器输出工作频率为射频频率，考察功率 增益；而剩余的模块工作在2 m 中频，主要考虑电压增益。各级增益分配情况下： 有源天线增益为2 5 d b ，l n a 增益为1 3 d b ，混频器增益为9 d b ，考虑到射频滤波器 一6 d b ，功率分离器一3 d b ，传输线等损耗，总共射频部分的增益为3 8 d b 。混频器功 率为1 1 1 d b m + 3 8 d b 一7 3 d b m 一1 0 3 d b w ，混频器的输出阻抗为5 0 欧姆，则对应电压 幅度平均值为5 0 u v ，中频部分放大器将上述信号放大到峰峰值为3 5 0 m v 的输出， 这样中频部分的增益有6 8 d b 左右就足够了，给予充足的设计余量，将增益定在了 7 0 d b 。考虑到输入干扰信号的影响，a g c 增益变化范围定为5 0 d b 就足够了。 o 2 4 3 系统噪声设计 由于发送p 码和c a 码的卫星在功率上是受到限制的，因此一个典型的接收到 的信号在一1 3 0 d b m 数量级，留下1 0 d b 的裕量，本文设计在误码率小于1 0 。5 的情况下 灵敏度为一1 4 0 d b m 的g p s 接收机射频前端。 g p s 是扩频通信系统，它的灵敏度公式为 s i n ( d b m ) = n f ( d b ) + k t b ( d b m ) + s n r ( d b ) ( 2 1 3 ) s n r = s o u t n o u t ( d b ) ( 2 1 4 ) 其中，n f 为系统的噪声系数，k ，t 分别为波尔兹曼常数和开氏温度( 此处= 2 9 0 k ) ， b 为扩频带宽。由于误码率b e r ( b i te r r o rr a t e ) 是通过比特能量e b 来衡量和计算 的，且s n r = e b * r ( n 0 ，c b ) ，r 是数据比特速率，b 是信号占用带宽而不是r f i f 通道 的带宽在扩频系统中通常和扩频信号的c h i pr a t e 取同样的值，e b 为每比特信号能 量，n o 为噪声功率谱密度，实际上s o u t n o u t = e b n 0 一g p ( d b ) ，其中扩频增益 g p = l o g l o ( b r ) ，r 为用户数据波特率，则灵敏