（微电子学与固体电子学专业论文）用于无线局域网的双频段rf+cmoslna设计研究.pdf

2 0 0 8 届华东师范人学硕i ：学位论文 摘要 近年来随着无线局域网的广泛使用，市场上呈现多种无线标准共存的局面 ( 8 0 2 1 l a b g ) ，因此对兼容多频段多协议的收发机需求显得愈发迫切。随着降 低成本的要求和各供应商之问的激烈竞争，采用多套独立系统来实现对多标准兼 容的方法已经显得过时。无线网络设备能够兼容多种工作模式，同时工作于多个 频段成为一种有效的解决方案，于是无线局域网领域的多频段技术研究引起了人 们的广泛关注。 本文就多频段无线局域网接收芯片中的关键模块之一双频段低噪声放 大器( d u a l b a n dl n a ) 的设计进行了研究。 在充分的文献调研基础上，本文取得了以下成果： 1 ) 首先对双频段低噪声放大器所在的二次变频接收机进行了结构和性能分 析，为本文的l n a 设计提供了系统背景。依据i e e e8 0 2 1 l 系列协议标准提出 无线接收机前端的系统要求，并且对各个模块进行了指标分配，给出了适合无线 局域网接收机的低噪声放大器的性能指标； 2 ) 在讨论m o s f e t 的高频噪声和共源共栅放大器的噪声机理基础上，结合 低噪声放大器的设计要求采用一种功率受限条件下的匹配技术优化电路，以达到 噪声与阻抗的同时匹配； 3 ) 基于t s m c0 2 5 1 a mr fc m o s 工艺提出了实现双频段( 2 4 g h z 5 2 g h z ) 低噪声放大器结构的两种方案：采用开关切换谐振回路和两个独立信号通路并 联。文中给出了双频段切换低噪声放大器的详细设计过程。在相同的功耗下对两 种方案分别进行设计仿真，比较了两种结构的双频段低噪声放大器的优缺点； 4 ) 总结了射频版图设计过程中应考虑的各种因素，分析了射频开关和焊盘 的寄生效应对于双频段低噪声放大器的影响。针对两种结构的l n a 完成了版图 绘制，并利用m e n t o r 公司的c a l i b r e 提取版图寄生参数，进行后仿真，最后对前 后仿真结果进行了比较，还给出了芯片设计时对于测试的考虑，目前该芯片正在 流片过程中。 关键宇：低噪声放大器无线局域网频段切换r fc m o s 共源共栅结构 本文资助项目：8 0 2 11a b gw l a n 射频前端双频切换技术研究( 编号：0 6 s a l 4 ) 多模8 0 2 1 1 无线局域网射频前端中低噪声放大器和压控振荡器的设计 ( 编号：j s i c k 0 6 0 1 ) 2 0 0 8 届。产东师范人学倾i ：学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h ew l a nm a r k e ts h o w sam u l t i s t a n d a r d s c o e x i s t i n gs i t u a t i o n t h e r e f o r e m a r k e tn e e d sm u l t i b a n dt r a n s c e i v e r s a p p l y i n gm u l t i t r a n s c e i v e r s f o rm u l t i - - b a n d sb e c a m eu n s u i t a b l ea st h e c o s ti s c o n t i n u o u s l yg o i n g d o w nd u et ot h e c o m p e t i t i o na m o n g m a n u f a c t u r e s i ti so b v i o u st h a tt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sn e e d t ob ec o m p a t i b l et oa l lo p e r a t i o nm o d e s w h i c hb e c o m ea na t t r a c t i v et r e n d c m o st e c h n o l o g yi sa na t t r a c t i v es o l u t i o nd u et ot h e1 0 wc o s t h i g hl e v e l i n t e g r a t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c ei nt e r m so fc u t o f ff r e q u e n c y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed u a l b a n dl o w n o i s ea m p l i f i e r , o n eo ft h e c r i t i c a lp a r t so fm u l t i b a n dw l a nr e c e i v e r s a n di m p l e m e n t e di nr f c m o s t e c h n o l o g y c h a r a c t e r i s t i cw o r k si nt h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) t h ep e r f o r m a n c eo fl o wn o i s ea m p l i f i e rd e t e r m i n e st h ew h o l er f f r o n t e n d s ot h er e c e i v e ra r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e df i r s t l y ，a n dt h e r e c e i v e rg a i np l a ni ss p e c i f i e d t h er e q u i r e dp e r f o r m a n c ef o rd u a l b a n d l o wn o i s ea m p l i f i e ri sd e r i v e do u t 2 ) a f t e r d i s c u s s i n gt h em o d e lo fh i g h f r e q u e n c yn o i s ef o rm o s f e t a n dc a s c a d e u n a u s e di nt h i st h e s i s t h ec r i t e r i ao fm o s f e t n o i s e - m a t c h i n ga n dp o w e r - m a t c h i n gi s a l s od e r i v e do u tb a s e do nt h e p o w e r - l i m i to p t i m i z a t i o nt h e o r y 3 ) o nt h ef o u n d a t i o no fa b o v ea n a l y s i s t w ok i n d so fd u a l b a n dl o w n o i s ea m p l i f i e ri sd e s i g n e db a s e do nt s m c0 2 5 t mr fc m o sp r o c e s s t h ed e t a i l so fd e s i g np r o c e d u r ea r ed e s c r i b e d c o m p a r i s o ni sg i v e na tt h e s a m ep o w e rd i s s i p a t i o n 4 ) t h ei 心l a y o u td e s i g nm e t h o d o l o g yi nt h ed e s i g ns u c ha st h e p a r a s i t i ce f f e c to fs w i t c ha n dp a di sd i s c u s s e d t w ok i n d so fd u a l b a n d l n a l a y o u ti sg i v e n a n dt h er e s u l to fp o s t s i m u l a t i o ni sa l s og i v e nb y m e n t o rc a l i b r e k e y w o r d ：l o w - - n o i s ea m p l i f i e rw l a nb a n d s w i t c hr fc m o sc a s c o d e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：二醢盈 日期：1 1 1 垒石：0 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：飞迅 日期：尘里垒16 吾 导师签名： 旅簪 ， 日期：印缸6 ，) 2 0 0 8 届仁东师范人学顾i ：学位论文 1 1 选题意义与背景 1 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 信息需求的不断增长有力推动着信息技术的进步，人们希望打破地域等客观 条件的制约，实现在任何时候、任何地方与任何人以任何方式交换所需要的各种 信息。由于传统的有线网络受到设计和环境条件的限制，特别是当涉及网络移动 和重新命局时在地理位置、资金等方面存在着一系列问题，促使传统的计算机网 络由有线向无线发展。所有这些都刺激了对于无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) 的需求扩展。 无线局域网标准的提出和完善大大促进了无线局域网产品的推广和普及，据 报道从2 0 0 1 年到2 0 0 5 年全球w l a n 相关产品的销售额复合增长率达到2 9 ， 2 0 0 5 年销售额达到7 7 亿美元 1 】，另据市场调查公司i n f o n e t i e sr e s e a r c h 预测， 到2 0 0 9 年，全球w l a n 设备的销售额将达到3 8 2 亿美元【2 】。按照这样的趋势 发展，更多的公司将会进入w l a n 产品市场，激烈的市场竞争要求产品价格不 断下降、利润空间持续压缩。 由于受到工艺条件的限制，早期的无线局域网接收芯片往往基于b i p o l a r 或 b i c m o s 工艺制作。随着c m o s 工艺尺寸不断降低、特征频率不断提高，r f c m o s 器件的高精度模型的提出以及高性能的片上无源元件的实现( 特别是片上 电感) 为高性能c m o s 射频集成电路设计提供了有力保证。以c m o s 技术来实 现的高性能射频集成电路已成为一项现实而富有意义的工作。 无线局域网接收机系统中的第一级电路往往为低噪声放大器，其主要功能是 将天线接收到的微弱信号进行放大，提供给后级电路处理。为了克服后继电路的 噪声往往需要低噪声放大器提供较大增益，为了保证灵敏度，低噪声放大器本身 的噪声要足够小。无线局域网标准已从早期的速率为l o m b p s 左右的单频段 8 0 2 1i b 标准发展到传输速率达5 4 m b p s 乃至更高的8 0 2 1l g 、8 0 2 1l n 等多协议 标准。当前无线局域网接收机市场上多种协议的共存局面将在可预见的时期内长 期维持，多种协议兼容已成为一个令人关注的研究热点。实现一款高性能的多模 ( m u l t i - m o d e ) 、多频段( m u l t i - b a n d ) 兼容的无线局域网的接收芯片可以显著降 低多芯片组装成本，将能占据更多的市场份额和拓宽产品的应用范围。 2 0 0 8 届华东师范人学硕l ：学位论文 1 1 2 研究现状 本论文的研究重点定位在双频段低噪声放大器。我们通过相关文献调研，可 以发现目前国内外研究的g h z 级的双频段低噪声放大器所采用的结构众多，通 常可以分为四类：即采用高阶谐振网络实现多频点匹配的双频段放大器；两个频 段独立信号通路并联放大器；开关切换谐振网络及覆盖较大带宽的超宽带放大 器。 1 ) 采用高阶谐振网络实现多频点匹配 2 0 0 2 年加州理工的h o s s e i nh a s h e m i 9 等人首次提出了采用0 3 5 p mc m o s 工艺，以高阶l c 滤波器作为输出负载。同时实现2 4 5 g h z 5 2 5 g h z 双频带匹配 的低噪声放大器，由于它仅有一条电流路径故能较大降低功耗，但其片上无源元 件的q 值过低会对双频段的传输函数特性造成制约。 2 0 0 5 年i l l i n o i s 大学的s a m ih y v o n e n 1l 】等人提出2 4 5 g h z 5 2 5 g h z 双频段 低噪声放大器。在电源电压0 5 v 下，两个频段的放大器线性度分别达到了 2 8 7 d b m 和3 2 3 d b m 。输入匹配采用了l l c 匹配网络使得在两个工作频段下都满 足要求。输出匹配采用了串联l c 谐振负载，两个频段通过不同的输出端口。但 此种结构使用了6 个电感，芯片面积较大。 2 0 0 6 年由s f a x 工程学院的m e r i a m b a 1 4 提出了采用0 3 5 岬c m o s 工艺 工作于9 4 7 m h z 和2 1 4 g h z 的双频段低噪声放大器。两级放大叠成类c a s e , o d e 结 构提高了增益，在两个频段分别达到了2 8 d b 和1 7 d b 。利用高阶滤波器作为负载 可分别提供了两个频段的负载，如图1 1 所示。 f o s - f u 町摹 图1 1 一种采用高阶谐振网路作为输出负载结构 2 2 0 0 8 届华东师范人学硕i ：学位论文 2 ) 两个频段独立信号通路并联 2 0 0 7 年l i n k o p i n g 大学的n a v e e da h s a 1 6 提出的满足i e e e8 0 2 1 1 a b g 协议 的双频段可调低噪声放大器采用0 2 9 mg a a s 工艺。文中提出的结构，如图1 2 所示，使用了两个低噪声放大器并联，输出端采用单刀双掷开关结构，控制两个 低噪声放大器分别工作在不同频段。低噪声放大器使用了共源共栅和共源结构的 两级串联放大，这样增益较高。并且负载端的l c 谐振网络中采用可调电容来适 当调整输入匹配，增益和噪声。该结构存在的问题是功耗和面积都比较大。 l 一一一一一一一一一一一一一一l ：l n a 2 a g t i z ： ：l n a 5 2 g i - i z 卜t e s t c h i p - 一 图1 2 一种采用两个频段独立信号通路并联的低噪声放大器 3 ) 开关切换谐振网络 2 0 0 4 年f l o r i d a 大学的z 1 i 和k k o 1 0 提出了基于0 1 8 1 m ac m o s 工艺的双 频段两级可调增益的射频前端电路。其中低噪声放大器通过两输入管分别对 2 4 g h z 和5 1 5 g h z 的信号进行输入匹配，输出端采用通过电压控制m o s 开关 切换调节输出回路负载。但m o s 开关会引入寄生电阻和电容，使电感的q 值下 降，对受调节回路造成影响。 2 0 0 5 年，国立交通大学的w i n m i n gc h a n g 1 3 等人提出了一种4 级增益可 调的双频段低噪声放大器。工作频段为2 4 5 g h z 和5 2 g h z 。增益调节通过4 个 共栅极n m o s 管并接，输入级采用两个晶体管输入分别实现两个频段的匹配。 输出匹配采用电压控制p m o s 管的开关，从而使输出匹配网络谐振在两个不同 的频段。 2 0 0 5 年国立台湾大学的l h l u 1 2 等人提出了基于2 4 5 2 g h z 的双频段低 噪声放大器，如图1 3 所示。该结构利用开关控制输入晶体管和输出电容，使得 在2 4 5 2 g h z 处得到了窄带的增益和噪声匹配。这种结构仅使用了3 个电感， 与其他同类结构相比芯片面积比较小，这有利于实现多频段接收机的全集成。 3 2 0 0 8 扁华东师范人学颂i ：学位论文 图1 3 一种典型的采用开关切换谐振网络的低噪声放大器 2 0 0 7 年，i c u 的v uk i e nd a o 1 7 等人提出了使用o 1 8 9 mc m o si 艺实现的 双频段射频前端结构。工作频段分别为在2 4 g h z 和5 2 g h z 。该结构为典型的开 关控制型低噪声放大器，利用三个n m o s 开关来控制输入和输出匹配保证在两 个频段上的j 下常工作。在2 4 g h z 和5 2 g h z 的噪声分别为3 6 d b 和2 6 d b ，增益 分别为1 0 d b 和1 6 d b ，功耗都是5 2 m a ( 电源电压为1 8 v ) 。 4 ) 覆盖较大带宽的超宽带放大器 2 0 0 6 年，由国立台湾大学的w e i c h a n gl i 1 5 等人提出的采用o 1 8 9 mc m o s 工艺实现的多频段低噪声放大器可分别工作在2 4 g h z ，3 5 g h z 和5 2 g h z 。文 中提出采用l c 带通滤波器能够实现2 g h z 到6 g h z 的输入匹配，输出端采用多 抽头电感实现多个频段匹配，节省了芯片面积。但该结构需要对电感进行详细建 模以覆盖多个频段，加大了仿真的复杂程度。 由南洋理工大学的q i a n gl i 1 8 等人于2 0 0 7 年提出了一种2 g h z 一9 6 g h z 的超宽带低噪声放大器，该结构可覆盖多种无线协议，节省了大量的成本。由于 没有使用电感节省了大量的面积，其面积只有o 0 5 删n 2 为带电感的同类结构的 大约二十分之一，其结构如图1 4 所示。 4 2 0 0 8 屙华东师范人学硕l ：学位论义 ： 图1 4 一种超宽带低噪声放大器0 8 l 针对文献中提出的结构，通过比较可以发现：第一类l n a 性能受限于片上 无源元件的q 值，但由于仅有一条电流路径可有效降低功耗；第二类l n a 可分 别对不同频段的噪声和匹配性能进行优化，但需要两条电流路径；第三类l n a 复用谐振网络减小了芯片面积，但由于器件工作于两个以上频段降低了总体性 能；第四类这种超宽带信号的低噪声放大器结构难以适应目前窄带通信的需求， 本文在此不予详述。 与此同时，据最新报道b r o a d e o m 公司推出的b c m 4 3 1 2 和i n t e r s i l 公司推出 的i s l3 6 9 0 收发芯片均能兼容i e e e8 0 2 1 i a b i g 协议：b r o a d c o m 公司推出的 i n t e m i f i 芯片组系列和s i g e 半导体公司推出的s e 2 5 4 7 a 射频前端芯片也可同时 满足8 0 2 11 8 0 2 1l a b g n 多种协议。 1 2 本文的研究内容 基于上述调研，为了更好的比较不同结构双频段低噪声放大器的各项性能， 本文拟采用上述调研中的两种方案( 开关切换谐振网络和两个频段独立信号通路 并联) 来实现可应用于i e e e8 0 2 1 1 系列标准的低噪声放大器。文章的主要研究 内容包括： 1 ) 依据i e e e8 0 2 1 1 系列协议标准提出无线接收机前端的系统要求，结合 所采用的接收机结构，将系统指标在电路的各个模块上进行合理分配，使所设计 的双频段低噪声放大器的具有针对性。 5 2 0 0 8 届4 芦东师范人学颁f ：学位论义 2 ) 低噪声放大器的设计需要涉及多个指标的折衷考虑，通过讨论m o s f e t 的高频噪声和共源共栅l n a 的噪声，结合低噪声放大器的设计要求采用一种功 率受限条件下的匹配技术优化电路，以达到噪声与阻抗的同时匹配。 3 ) 基于t s m c0 2 5 9 mr fc m o s 工艺提出了实现双频段低噪声放大器结构 的两种方案：开关切换谐振回路和两个独立信号通路并联。在相同的功耗下对两 种方案分别进行设计仿真，通过仿真结果，从谐振网络、噪声系数、阻抗匹配、 电压增益、反向隔离等诸多方面进行了详细的分析，比较了两种结构的双频段低 噪声放大器的各自优缺点，总结两者的适用环境。 4 ) 最后研究版图设计过程中应考虑的各种因素对于电路设计的影响，还应 分析射频开关和焊盘的寄生效应对于双频段低噪声放大器的影响。根据t s m c 0 2 5 9 mr fc m o s 工艺绘制两种结构的l n a 版图。 5 ) 利用m e n t o r 公司的c a l i b r e 提取版图寄生参数进行后仿真，通过比较前 后仿真结果，指出了下一步工作的方向。 1 3 本文的章节安排 第一章为绪论，叙述了选题的意义、采用的方法、论文的重点。 第二章给出了由开关、多频段低噪声放大器、混频器、多频段压控振荡器、 信道选择滤波器等关键模块构成的多频段c m o s 无线局域网接收机的结构。讨 论了接收机的总体性能要求，推导出无线局域网接收机射频前端中低噪声放大器 所需达到的具体技术指标。 第三章从低噪声放大器的常用结构入手，探讨了低噪声放大器的噪声来源， 为低噪声放大器的噪声优化提供理论依据。详细阐述了低噪声放大器设计中所使 用到的重要元件片上无源电感，结合t s m c0 2 5 “mr fc m o s 工艺分析了影 响电感性能的各种因素。 第四章在接收机结构与放大器噪声理论的研究基础上提出了采用t s m c 0 2 5 p r or fc m o s 工艺实现的两种结构双频段低噪声放大器，详细讨论了两种方 案不同的切换技术以及电路设计流程，给出了电路仿真结果。 第五章在简单的介绍工艺特征后，讨论了版图设计中的各种布局布线问题， 给出了电路的后仿真结果，并对结果进行讨论分析。 第六章对全文的工作进行总结，指出了下一步研究的方向。 6 2 0 0 8 届华东师范人学硕i ：学位论文 第二章双频段射频接收前端实现方案 2 1 无线局域网协议对双频段的需求 由于制定标准的组织不同，国际上出现了多个无线局域网标准共存的局面。 它们所使用的频段、数据速率和调制方式都不同 3 】，所面对的应用领域也各有 差别。表2 1 对目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准进行了比较。 表2 1 无线局域网标准 标准频段( g h z ) 调制方式数据速率( m b s ) h o m e r f2 4f s k1 - 2 b l u e t o o t h2 4g f s kl 8 0 2 1 12 4f h d s1 2 8 0 2 1 l a5 2o f d m6 5 4 8 0 2 1 l b 2 4 q p s k c c k 1 1 8 0 2 1 l g 2 4o f d m5 4 8 0 2 1in ( d r a f t )2 4 5m i m oo f d m 1 0 8 h i p e r l a n 25o f d m2 0 i e e e8 0 2 委员会成立了i e e e8 0 2 4 l 工作组开始进行无线局域网的标准化工 作，又于1 9 9 0 年7 月成立了独立的i e e e 8 0 2 1 l 工作组。同时，欧洲也成立了关 于高速无线局域网( h i p e r l a n ) 的标准化组织，1 9 9 7 年完成了h i p e r l a n 1 标 准的制定，开发了5 1 3 5 3 5 g h z 和1 7 1 1 7 3 g h z 两个2 0 0 m h z 带宽的频段。 这促使f c c 发放了包括5 15 - - 5 3 5 g h z 和5 7 2 5 - - 5 8 2 5 g h z 频段。i e e e8 0 2 11 速率最高只能达到2 m b p s ，但其传输速率过低不能满足需求，于是在1 9 9 9 年9 月又提出了i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 i b 标准，它们允许通过的最高传输速率 分别为5 4 m b p s 和1 1 m b p s ，分别工作于5 2 g h z 和2 4 g h z 。2 0 0 3 年6 月，又通 过了i e e e8 0 2 1 l g 标准，它允许最大的传输速率为5 4 m b p s ，但仍工作于2 4 g h z 频段，且与i e e e8 0 2 1 i b 兼容。同时，h i p e r l a n - 2 标准也制定完成，与i e e e 8 0 2 1 l a 类似，工作于5 g h z 频段，最大传输速率为s 4 m b p s 4 5 ，目前在欧洲 被广泛使用。 在无线局域标准中，i e e e8 0 2 1 1 系列标准是世界范围内使用最为广泛的协 议。8 0 2 1 1 系列标准由8 0 2 1 l a ( 1 9 9 9 年) ，8 0 2 1 i b ( 1 9 9 9 年) ，8 0 2 1 1 9 ( 2 0 0 3 年) 以及其他的一些子标准构成，由i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s 7 2 0 0 8 届华东师范人学颂i ：学位论文 e n g i n e e r ) 负责制定，目前市场销售的产品也主要由采用这三种标准的产品为主。 目前i e e e8 0 2 1 1 n 协议还没有正式推出，但市场上已出现了兼容8 0 2 1 l n 协议( 草 案) 的无线网络产品，i e e e8 0 2 1 1 n 协议同时支持2 4 g h z 5 g h z 双频段工作模 式。由于该协议正处于修订阶段，本文暂不讨论i e e e8 0 2 1 l n 协议。 中国市场上的w l a n 产品基本采用了e t s i 版本的i e e e8 0 2 1 l 系列标准 6 】 7 】。本文所研究的w l a n r fc m o sl n a 相关内容均系基于i e e e8 0 2 1 l 系列标准。 2 1 1 i e e e8 0 2 1 l a i e e e8 0 2 1 l a 标准扩充了8 0 2 1 1 标准的物理层，规定该层使用5 g h z 的频 段，这个频段被称为免许可证国家信息基础设施频段u n i l ( u n l i c e n s e dn a t i o n a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 。在美国，u - n i l 频段分成3 个子频段：u - n i l 低频段 ( 5 1 5 g h z 5 2 5 g h z ) ；u n i i 中频段( 5 2 5 g h z 5 3 5 g h z ) ：以及u - n i l 高频段 ( 5 7 2 5 g h z - 5 8 2 5 g h z ) 。u - n i l 低频段和中频段提供8 个信道，占用2 0 0m h z 带宽；u - n i l 高频段提供4 个信道，占用1 0 0 m h z 带宽。每个信道带宽2 0 m h z ， 每个信道里的信号带宽为1 6 6 m h z 。 该标准采用正交频分多路技术o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，支持的数据传输速率有：6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 和5 4m b p s ， 其中6 ，9m b p s 采用b p s k 调制方式；1 2 ，1 8m b p s 采用q p s k 调制方式；2 4 ， 3 6m b p s 采用1 6 q a m 调制方式；4 8 ，5 4m b p s 采用6 4 q a m 调制方式【5 】，这 样的速率既能满足室内的应用，也能满足室外的应用。在i e e e8 0 2 1 1 a 标准中， 每个频道包括5 2 个子载波，其中4 8 个用于数据传输，4 个作为副载波( p i l o t c a r r i e r ) 【7 】。子载波的频宽是3 1 2 5 k i - i z ，但是子载波通过正交的方式互相交叠以 高效地利用可用频谱。为了避免d a 和a d 转换器偏置困难以及载波在r f 系 统中的馈通( f e e dt h r o u g h ) ，落在d c 上的载波( 零次载波) 并未被使用。 由于i e e e8 0 2 1 l a 标准有8 种不同的速率，所以接收机的灵敏度和数据速率 有关。接收机灵敏度和数据速率的关系如表2 2 所示。在物理层会聚协议服务数 据单元p s d u ( p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c p r o t o c o ls e r v i c ed a t au n i t ) 的长度为 1 0 0 0 字节，天线接头处输入信号强度为灵敏度下限时，接收机的误帧率p e r ( p a c k e te r r o rr a t e ) 要小于1 0 。相邻信道抑制测试是通过在测试信道用高于 最小灵敏度3 d b 的o f d m 信号，在邻近信道- 6 3 d b m 的非同步o f d m 信号来实 现的，如表2 2 所列出。在这种测试信号下，接收机必须在输出端口保持不高 于1 0 的误帧率。隔台信道测试中，待测信道的测试信号和相邻信道抑制测试中 8 2 0 0 8 届4 仁东帅范人学硕i ：学位论文 的相同，而在隔台信道中所加的非同步o f d m 信号的强度为4 7 d b m 。 表2 2i e e e8 0 2 1 l a 对接收机的性能要求 数据速率最小灵敏度 相邻信道抑制 隔台信道抑制 ( m b i t s ) ( d b m ) 输入信号 相邻信道输入信号隔台信道 ( d b m )( d b m ) ( d b m )( d b m ) 68 2 7 96 3 7 9- 4 7 98 17 86 3 7 84 7 1 27 97 66 37 64 7 1 87 77 46 37 4- 4 7 2 4 7 47 16 37 1- 4 7 3 67 06 76 3 6 7- 4 7 4 8 6 6 - 6 3- 6 3 6 34 7 5 46 56 26 36 24 7 2 1 2 i e e e8 0 2 1 l b i e e e8 0 2 1 l b 标准工作在2 4 g h z 频带，在不使用特殊天线的情况下，其传 输距离约为1 5 0 - - 2 0 0 0 英尺。8 0 2 1 l b 的工作频率范围在不同的国家有所差别： 在美国及欧洲，工作频率范围规定在2 4 2 4 8 3 5 g h z ；在日本，工作频率范围规 定在2 4 7 1 2 4 9 7 g h z 。美国的频率规划中，把2 4 1 2 g h z ，2 4 3 7 g h z 和2 4 6 2 g h z 规定为高速率传输频道，每个频道的带宽为2 5 m h z ，功率输出主瓣零值到零值 ( n u l lt on u l l ) 带宽为2 2 m h z 。 i e e e8 0 2 1 i b 支持的数据传输速率有：l ，2 ，5 5 和1 1m b p s 。对于这四种 数据传输速率的调制方式规定：基本数据访问速率为1 m b p s ，采用差分二进制相 移键控( d b p s k ) 调制方式；增强型数据访问速率为2 m b p s ，采用差分正交相 移键控( d q p s k ) 调制方式；更高的数据访问速率，如5 5 m b p s 和1 1 m b p s ，都 采用补码键控( c c k ) 调制方式。信噪比低于相应阈值时，传输速率能够从 ll m b p s 自动降到5 5 m b p s ，或者根据直接序列扩频技术调整到2 m b p s 和1 m b p s ， 多速率机制的介质访问控制可以确保当通讯设备之间距离太大或干扰太大时保 证设备正常运行与稳定【8 】。 对于1 1 m b i t s 的补码键控而言，接收机的灵敏度为定义为输入信号在7 6 d b m ( 从天线接头处测量) 时的误帧率f e r ( f r a m ee r r o rr a t i o ) 要小于8 x1 0 _ 2 。 另外，在信号达到1 0 d b m 时( 从天线处测量) ，最大误帧率不能超过8 1 0 - 2 。 接收机的相邻信道抑制定义适用于任何两个相距为2 5 m h z 的信道。 9 2 0 0 8 届华东师范人学颂i ：学位论义 2 1 3 i e e e8 0 2 1 l g 为了提高2 4 g h zi s m 频段的数据传输速率，i e e e8 0 2 1 l g 工作组于2 0 0 3 年6 月发布了i e e e8 0 2 1 1 9 高速无线局域网协议。i e e e8 0 2 1 l g 是工作在i e e e 8 0 2 1 1 b 频段( 2 4 g h zi s m 频段) 的i e e e8 0 2 1 1 a 标准。i e e e8 0 2 1 l a ( 5 4 m b p s ) 和i e e e8 0 2 1 l b ( 1 1 m b p s ) 相比有更高的数据速率，但是由于i e e e8 0 2 1 l a ( 5 g h z ) 的频率高于i e e e8 0 2 1 l b ( 2 4 g h z ) ，所以i e e e8 0 2 1 1 a 的自由空i 、日j 路径损耗比 i e e e8 0 2 1 1 b 严重。这就是说在相同的发射功率下，i e e e8 0 2 1 l a 的传输距离会 小于i e e e8 0 2 1 l b 。在这种情况下，为了支持更高的数据速率和相同功耗下更远 的传输距离，i e e e 定义了工作在2 4 g h z 的i e e e8 0 2 1 l g 标准。i e e e8 0 2 1 l g 标准的射频模块可以兼容i e e e8 0 2 1 l b 标准，同时具有i e e e8 0 2 1l a 标准的最 大数据传输速率5 4 m b p s 并采用o f d m 复用技术【6 】。 依据上述讨论，本文将i e e e8 0 2 1 l 系列标准总结如表2 3 所示。 表2 3i e e e8 0 2 1 1 标准 8 0 2 1 1 a8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 1 9 最大传输距离 5 0 m1 0 0 m1 0 0 m 工作频率 5 g h z ( u n i i )2 4 g h z ( i s m )2 4 g h z ( i s m ) 信道数 1 2 ( u s ) 8 ( e u )3 3 4 ( j a p a n ) 调制方式o f d mq p s k ( c c k )o f d m 最大功率1 7 d b m ( u s )3 0 d b m ( u s )3 0 d b m ( u s ) 2 4 d b m ( e u )2 0 d b m ( e u )2 0 d b m ( e l i ) 3 0 d b m ( j a p a n )1 0 d b m ( j a p a n )1 0 d b m ( j a p a n ) s p r e a d i n g o f d md s s sc c ko f d m 接收机灵敏度一6 5 d b m ( 5 4 m b s ) 7 6 d b m ( 1 1 m b s )7 4 d b m ( 3 3 m b s ) 2 2 双频段接收机的系统方案 经文献调查，常见的射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 接收机结构主要有：超外 差结构( h e t e r o d y n ea r c h i t e c t u r e ) 和直接变频结构( d i r e c t - c o n v e r s i o n a r c h i t e c t u r e ) 。为满足协议的指标要求，必须首先确定合适的接收机结构，然后 对系统指标进行合理规划分配。本节简要分析了两种结构的特点和存在的问题， 通过比较提出了二次变频零中频双频段接收机结构，并给出系统指标和分配方 案。 1 0 2 0 0 8 届。仁东师范人学硕i ：学位论文 2 2 1 接收机构架分析 对于i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议来说，许多接收机方案都可以用来实现这 些协议的接收机。在选取接收机结构时，需要从成本、功耗、设计复杂度以及性 能等角度去共同衡量。无线局域网是商用产品，因此低成本是最为关键的因素。 对于一个多协议无线局域网产品来说，单片集成显然要比多芯片组装成本更低。 此外，减少片外元件的个数也是降低产品成本的重要手段。 超外差式接收机是应用最广泛的一种拓扑结构，如图2 1 所示。 v t o a n 晚o t 图2 1 超外差式接收机射频部分的结构框图 它的基本原理是将从天线接收到的高频信号经小信号放大器放大下变频后 转换为一固定的中频信号，然后经过进一步下变频或者直接进行解调。虽然超外 差接收系统具有较好的性能，但是这种接收机需要大量片外滤波器来抑制镜像干 扰以及信道选择。这不仅降低了集成度，提高了产品成本，而且使整个系统的稳 定性大大降低。更为严重的是驱动这些外部低阻抗的分立元件和由封装引入的寄 生电抗需要消耗很大的功耗，滤波器工作频率越高，功耗越大。 另一种典型接收机结构是直接变频( 零中频) 接收方式，其中低噪声放大器 输出的射频信号直接进入混频器后被变换到基带，经过自动增益控制放大器再通 过低通滤波器将干扰信号滤除。直接变频( 零中频) 接收方案如图2 2 所示。 图2 2 零中频接收机结构框图 q 2 0 0 8 屈华东师范人学硕i ：学位论文 由于有用信号被直接下变频到基带，也就不会存在镜像频率干扰问题，就不 需要难以集成的高q 值的高频或者中频带通滤波器，消除了超外差式接收机的 主要缺点。然而，零中频接收方案同样存在一些设计难点，例如本振泄漏、本振 自混频以及直流偏差等问题。 上述两种接收方案对f q 信号相位和幅度的精度有着非常高的要求。这对 5 g h z 频段无线局域网电路硬件来说是一个巨大的挑战。为了解决i q 支路匹配 的难点，可以在图2 1 基础上，改进为将射频信号通过两次下变频到零中频。 近年来，二次变频零中频接收方案被广泛使用于多协议无线局域网接收机 【4 1 1 1 9 】。相比于超外差接收机结构，这种接收机的集成度更高；相比于零中频接 收机结构，由于采用了二次变频，本振自混频以及高频段u q 支路匹配问题得到 了很大程度地缓解。虽然这种接收机结构仍然存在一些零中频接收机中的设计难 点，比如直流偏移等问题，但是从成本、功耗、设计复杂度以及性能等角度折衷 考虑，二次变频零中频接收机方案非常适合全集成i e e e8 0 2 1 l a b g 无线局域网 接收机，如图2 3 所示。 图2 3 本文采用的二次变频零中频接收机框图 从图2 3 中可以看到，这种二次变频零中频接收机由带通滤波器，低噪声放 大器( l n a ) 、一次混频器( r fm i x e r ) 、二次混频器( i fm i x e r ) 、低通滤波器( l p f ) 、 可变增益放大器( v g a ) 和基带电路组成。对于工作在不同频段的射频信号而 言，除了采用不同工作频段低噪声放大器之外，其它硬件全部被复用，这样可以 在很大程度上降低芯片成本和设计复杂度。第一本振( l 0 1 ) 频率高达3 8 4 6 g h z ， 但是其工作频率固定不变，降低了设计难度。第二本振( l 0 2 ) 工作频率被分为 两个频段，但是其工作频率在相对较低的1 - 2 g h z 频段，设计难度相比于5 g h z 频段本振来说有所下降。此外，该接收机结构很好地解决了i q 支路匹配，因为 正交信号的产生是在频率相对较低的1 - 2 g h z 频段。 1 2 2 0 0 8 届华东师范人学硕i ：学位论义 我们所承担的研究项目j 下是基于这种接收机结构，对此本文提出的二次变频 零中频接收机频率接收方案，如图2 4 所示。射频信号首先通过频率为3 8 4 6 g h z 的第一本振( l o ，l o c a lo s c i l l a t o r ) 下变频至第一中频。其中，i e e