（电路与系统专业论文）drmdab接收机射频前端芯片设计中的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着数字电视、因特网等新型传输手段的发展，模拟广播面j 隘着越来越严峻的挑战，其处境日 益艰难。模拟广播数字化是克服模拟广播致命弱点的最佳选择，也是科技发展的必然趋势。尽量数 字广播标准得到了飞速发展，但物美价廉的接收机专用芯片的研发将是数字广播普及的技术瓶颈， 而接收机射频前端的设计则是数字广播接收机专用芯片开发的重点与难点。同时根据无线接收机的 多标准、多模式发展趋势以及各种数字广播标准的特点，论文对一种同时兼容d r a m 、d a b 、模拟 a m 和模拟f m 标准的专用射频前端芯片设计中的关键技术进行了深入研究。 论文完成了d r m d a b 接收机射频前端系统级的频率规划设计、频率综合器的系统结构设计、 并采用s m i c0 1 8 姗混合信号c m o si p 6 m 工艺完成频率综合器中各子模块的结构设计、电路设 计、版图设计、流片和测试工作。论文的研究工作及其论述遵循了自项向下( t o p - d o w n ) 的路线。 第2 章论述了d r m d a b 接收机宜采用上边注入、固定中频的二次变频低中频结构；从理论上 探讨了低中频结构的镜像抑制机理以及二次正交混频结构的镜像抑制性能；从抑制各种干扰的角度 出发，推导出接收机中中频与本振频率，并完善了整个接收机射频前端的结构；采用m a t l a b 对整个 接收机射频前端的镜像抑制性能进行了评估。 第3 章论证了d r m d a b 接收机射频前端中需采用带输出可变模分频器的吞除脉冲式锁相频率 综合技术来实现；并提出了三种可能的频率综合器结构，即采用除2 电路产生正交输出的频率综合 器、带多相滤波器的频率综合器和带延时锁相环的频率综合器，并作性能对比，最终确定采用除2 电路产生正交输出的频率综合器为最佳结构。 第4 章对频率综合器的环路性能进行了研究，包括线性相位模型、相位噪声模型、各元器件对 总相位噪声的影响等；采用两种方法完成了环路参数的设计。 第5 章设计了一种工作在2 5 - 3 0g h z 范围内的宽带低相位噪声l c v c o ，并通过了流片验证。 第6 章设计了一个吞除脉冲式可编程分频器，其中包括一个3 2 3 3 双模分频器，一个5 比特s 计数器和一个1 1 比特p 计数器；整个可编程分频器的分频比m e 【9 9 2 ，6 5 5 3 5 ，并通过流片验证。 第7 章对现有p f d 的结构与性能进行了深度剖析，并从置位方式与复位方式的角度，对现有p f d 进行了分类比较与分析；基于t s m c0 1 8 9 i nc m o si 艺对现有的这些p f d 进行了设计、仿真并验 证了前面的分析结论；提出了一种基本f 类p f d 思想的新型p f d 结构，并通过流片验证。 第8 章对现有的c m o s 电荷泵电路进行了分类与比较；提出了一种电荷泵电路结构，并通过流 片验证。 论文所做的这些创新性的研究工作将为该拥有自主知识产权的d r m d a b 广播接收机专用芯片 的成功研制奠定了理论基础，积累了设计经验。 关键诃：d r m d a b 接收机、射频前端、低中频、镜像抑制、频率综合器、锁相环、相位噪声、压 控振荡器、可编程分频器、鉴频鉴相器、电荷泵 a b s t r a c t a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e wt y p et r a n s m i s s i o nm e t h o d s ，s u c ha sd i g i t a l i n t e r n e te ta l ，t r a n d i t i o n a l a n a l o gr a d i of a c e sa ”t o u g hc h a l l e n g e ”a n dg e t si n t oad i f f i c u l tc i r c u m s t a n c e t h ed i g i t i z a t i o ni st h eb e s t c h o i c et oo v e r c o m et h ew e a k n e s so ft h ea n a l o gr a d i o , a n di ti sa l s ot h ei n e v i t a b l et e n d e n c yo ft h e t e c h n i q u e so fb r o a d c a s t i n g i ns p i t eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lr a d i os t a n d a r d t h er & do ft h e r e c e i v e ri cw i t hah i g hq u a l i t yb u tar e a s o n a b l ep r i c ei st h et e c h n i c a lb o t t l e n e c ko fp o p u l a r i z a t i o no fd i g i i t a l r a d i o a n dt h ed e s i g no fr e c e i v e rr ff r o n t - e n di st h ei m p o r t a n ta n dd i 缅c u l tp o i n ti nt h ed e s i g no ft h e r e c e i v e la c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm u l t i s t a n d a r da n dm u l t i - m o d er a d i or e c e i v e r , a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sd i g i t a lr a d i os t a n d a r d s ad e e p s t u d yo fk e y t e c h n o l o g i e so fd rm d a br e c e i v e r r ff r o n t e n di ci sp e r f o r m e d ，w h i c hi se o m p a t i b l et od r m ，d a b ，a n a l o ga ma n da n a l o gf ms t a n d a r d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es y s t e m 1 e v e lf r e x l u e n c yp l a n n i n go fd r m d a br e c e i v e rr ff r o n t - e n da n dt h e s y s t e m 1 e v e lc o n f i g u r a t i o nd e s i g no ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a v eb e e nc a r r i e do u t t h es t r u c t u r ed e s i g n , c i r c u i t 1 e v e ld e s i g n 1 a y o u ta n dt e s t i n go fe a c hs u b m o d u l e si nt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a v eb e e nm a d e b yu s i n gs c0 18 一p mm i x e ds i g n a lc m o s1p 6 mp r o c e s s a l lt h es t u d ya n dt l l ep r e s e n t a t i o na r e d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f “t o p d o w n ” i n c h a p t e r2 ，i ti sp r o v e dt h a tah i g h s i d ei n j e c t i o n ，f i x e d i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ( i f ) ， d o f i b l e - q u a d r a t u r ed o w n c o n v e r s i o na n dl o w - i fs t r u c t u r ei ss u i t a b l et ot h ed r m d a br e c e i v e r t h e i n h e r e n ti m a g e - r e i e c t i o nm e c h a n i s mo fal o w i fr e c e i v e ra n dt h ei m a g e - r e j e c t i o np e r f o r m a n c eo fa d o u b l e q u a d r a t u r ed o w n - c o n v e r s i o na r ed i s c u s s e d t h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n dt h ef r e q u e n c yo fl o c a i o s c i l l a t o ra r ec a l c u l a t e d ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h er ff r o n t - e n di sp e r f e c t e d ，i no r d e rt oa r e n u a t eo r a v o i dv a r i o u si n t e r f e r e s 。a ne v a l u a t i o no ft h ei m a g e r e j e c t i o np e r f o r m a n c eo f 也et o t a lr ff r o n t - e n di s p e r f o r m e dw i t hm a t l a b 。 i nc h a p t e r3 ap u l s e s w a l l o wp l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rg o n gw i t ham u l t i m o d u l u sd i v i d e ri s p r o v e dt ob es u i t a b l et ot h ed rm 仍a br e c e i v e r t 1 1 r e ct y p e so ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e r s ，n a m e l yq u a d r a t u r e o u t p u t 厅e q u e n c ys y n t h e s i z e rw i t hd i v i d e b y - 2 q u a d r a t u r eo u t p u tf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw i 也p o l y p h a s e f i l t e r , a n dq u a d r a t u r eo u t p u tf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw i t hd e l a y1 0 c k e dl o o p ，a r ep r o p o s e da n dc o m p a r e d ，a n d i ti sp r o v e dt h a tt h ef i r s ti st h eb e s to n e i nc h a p t e r4 。t h el o o pp e r f o r m a n c eo ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , s u c ha st h el i n e a rp h a s em o d e l ，t h e p h a s en o i s em o d e l a n dt h ee f f e c to fe a c hd e v i c eo n 幽et o t a lp h a s en o i s ei ss t u d i e d t w om e t h o d st o d e t e r m i n et h el o o pp a r a m e t e r so ft h es y n t h e s i z e ra r eg i v e n i nc h a p t e r5 an e w2 5 - 3 0g h zw i d e - b a n d1 0 w - p h a s en o i s el c v c od e s i g n e da n dr e a l i z e di ns m 】c 0 18 - b i nc m o sp r o c e s si sd i s c u s s e d i nc h a p t e r6 an e wp u l s e - s w a l l o wp r o g r a m m a b l ed i v i d e rd e s i g n e da n dr e a l i z e di ns m i co 18 - p m c m o sp r o c e s si sd i s c u s s e d i ti sc o m p o s e do fa3 2 3 3d u a l m o d u l u sd i v i d e r , a5 b i ts w a l l o wc o u n t e r , a n d a nl1 b i tp r o g r a m m a b l ec o u n t e r t h ed i v i d er a t i oc a l lc h a n g ef r o m9 9 2t o6 5 5 3 5 i nc h a p t e r7 ad e t a i l e da n a l y s i so ft h es t r u c t u r e sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fe x i s t i n gp h a s e f r e q u e n e y d e t e c t o r s ( p f d s ) a r ep e r f o r m e d a c c o r d i n gt ot h es t y l e so fs e ta n dr e s e to f t h ep f d s 。t h ee x i s t i n gp f d sa r e c l a s s i f i e da n da n a l y z e d d i f f e r e n tp f dt y p e sa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t h1 s m co 18 - l _ t mc m o s p r o c e s st ov e r i f yt h ef o r e g o i n ga n a l y s i s an e wp f di sp r o p o s e db a s e do nt h ei d e ao fc l a s s - fp f d a n d i m p l e m e n t e d i nc h a p t e r8 ，t h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o no fe x i s t i n gc h a r g e - p u m p sa r ep e r f o r m e d an e w c h a r g e - p u m pi sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e d a l lt h e s es t u d i e si nt h ed i s s e r t a t i o nw i l lp r o m o t et ob u i l du pt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n da c c u m u l a t e t h ed e s i g ne x p e r i e n c ef o rs u c c e s s f u ld e s i g no ft h ed r m d a br a d i or e c e i v e rw i t hw h i c hw eh a v ea 如l l y - i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y k e y w o r d s ：d r m d a br e c e i v e r , r ff o n t - e n d ，l o w i f , i m a g er e j e c t i o nr a t i o ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , p l l ，p h a s en o i s e ，v c o ，p r o g r a m m a b l ed i v i d e r , p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r , c h a r g e p u m p i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： l 登羹照 e t期：娑21 ：坌 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：! 堂壅垫导师签名： 日 期： 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 i 1 模拟广播数字化的必然性 第1 章绪论 通常，广播系统根据其所采用的信号调制方式的不同，可分为模拟广播与数字广播。显然，前 者采用模拟调制方式，后者采用数字调制方式。 现有的模拟广播主要包括调幅( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，a m ) 和调频( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) 两种制式。商业a m 广播最早诞生于2 0 世纪2 0 年代，f m 广播也已服务人类达半个世纪，至今广 播作为重要的传媒工具，仍然是人们生活不可或缺的一部分。然而，随着国民经济的发展，城市高 楼林立，家用电器迅速普及，造成工业电磁干扰越来越严重。同时，随着科技的发展，人们对广播 的要求也越来越高，模拟j j 播的弱点也就显褥越来越难以接受。如，a m 自身存在传输质量差、业 务单一和易被干扰等固有缺陷。f m 广播尽管音质要优于模拟a m 广播，但它同样存在很多缺点： 每个台占用的频带很宽，能容纳的电台数量少：f m 广播采用直线传播方式，电台的服务半径 有限。加上数字电视、数字卫星广播、多媒体广播及因特网等新型传输手段的出现，模拟广播面临 着越来越严竣的挑战，其处境日益艰难。 然而，在频率资源越来越紧张的今天，模拟广播所占用的频段应该得到有效利用。尤其，3 0 m h z 以下频段的电波具有优越的传播特性，在该频段内的a m 广播可以非常简单、经济而又高效地实现 远距离和大范围的覆盖，是实现地区性、全国性及国际性广播覆盖的最佳手段之一。且理论上a m 广播能容纳成千上万个电台，加上传播范围宽广，因而国内外节目源极为丰富。既适合于固定和便 携接收，也适合于高速移动接收f 理论上可允许肘速1 0 0 0 k i n ) ，上述该频段下的接收特性是其它传媒 方式所不可比拟的。因此。其它众多媒体的数字化并不能代替模拟广播的数字化。再者，已有电台 基础设施投资巨大，且绝大部分设备目前都完好可用。据美国之音的一项研究统计全世界现有3 0 0 0 多座短波发射台，1 2 0 0 0 多座中波发射台。 因此。寻找模拟广播的出路以适应时代的需求已经迫在眉睫。为此，从2 0 世纪9 0 年代初期人 们就开始研究用数字广播代替模拟广播这一重大课题。研究发现，数字广播相比模拟广播具有以下 优点：显著地改善广播信号传送的总体可靠性和音质；大幅度降低广播的发射功率需求量， 从而节约广播运行费用，降低电磁污染；支持单频网，频谱利用率高；能够提供附加业务和 数据传输：接收机的操作更加简便。 可见，数字技术的迅速发展为提高广播质量提供了一条全新的途径。模拟广播数字化是克服模 拟广播缺点的最佳选择，也是科技发展的必然趋势。模拟广播数字化还会带来显著的社会效益和经 济效益。世界各国也相继出台模拟广播停播的时间表，如日本将在2 0 1 1 年完成模拟向数字化的转换。 中国将于2 0 1 5 年全面停播模拟广播电视。 1 1 2 各种数字广播标准的分析与比较 与数字电视一样，数字广播也有卫星、有线和地面等多种方式。目前发展较成熟的数字广播标 准有数字卫星声音广播( d i g i t a ls a t e l l i t eb r o a d c a s t i n g , d s b ) 、数字音频广播( d 磷t a la u d i ob r o a d c a s t i n g , d a b ) 、数字a m 广播和网上广播等。分别简述如下1 1 叫： 东南大学博士学位论文 ( 1 ) d s b ：卫星广播覆盖面广，对大范围的覆盖、边远地区和人烟稀少地区的广播覆盖效率高。 ( 2 ) d a b d m b 4 , s ：d a b 是用来取代模拟f m 广播的，具有c d 的音质，以本地域广播传播为主， 只支持单一声音广播业务；在d a b 的基础上开展多媒体业务则是数字多媒体广播( d i g n a lm u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ，d m b ) 。目前国际上有三种d a b 系统：欧洲的尤里卡( e u r e k a ) 1 4 7 - d a b 制式、美 国的带内同频( i n - b a n do i l c h a n n e l ，i b o c ) d a b 制式、日本的单套节目d a b 方案。 ( 3 ) 数字a m 广播标准：3 0 m h z 以下频段的广播数字化，目前比较成熟并已进入商业化运作的 体系主要有两个：以欧洲各国为主体的d i g i t a lr a d i om o n d i a l e 联盟公布的d r m 系统和美国i b i q u i t y 公司推出的i b o c 系统。 ( 4 ) 网上( 数字) 广播：指以i n t e m e t 为传播介质提供音频节目服务的一种广播形式。网上广播覆 盖面与i n t e m e t 的覆盖面有关；可采用直播和点播方式；移动性差。它是其它广播手段的补充。 随着广播技术的不断进步，各种数字广播传送手段都在不断向前发展。但不同形式的数字广播 都具有各自的优势与不足，很难决定谁替代谁，同时，它们之间又形成了优势上的互补。因此，各 种广播方式会互补协调发展、相互依存，以多种方式谋求信号的最佳覆盖效果。 1 1 3 国内数字广播标准的选择 正如上节所述，不同形式的数字广播之问互补协调发展，以多种方式谋求信号的最佳覆盖效果。 目前，可对我国提供覆盖的卫星数字声音广播仅有美国世广卫星集团的w o r l ds p a c e 卫星广播。 对于d a b d m b 系统，我国广电相关部门已根据各技术标准的特点与我国的实际国情选择了欧 洲的尤里卡( e u r e k a ) 1 4 7 d a b 制式。 对于网上( 数字) 广播，无需采用专门的接收终端，相关制作与播放技术己相当成熟。 由于数字a m 广播标准发展较晚，相关技术标准还不成熟，我国也还没有确定具体的应用标准。 在此，本文对两种标准作出简单比较，并给出自己的看法与建议。 尽管d r m 系统和i b o c 系统都是在原有a m 广播频段内实现模拟广播数字化的有效方案，也 都得到了国际电信联盟( i t t j ) 的认可。但是这两个系统存在如下差别i l 6 7 】 ( 1 ) d i g i t a lr a d i om o n d i a l e 联盟提出d r m 标准的宗旨是寻求最佳的数字a m 系统。2 0 0 3 年6 月 d r m 正式运行以来，d r m 组织正式成员已超过8 0 个，其中包括世界领先的国际广播公司、设备生 产商、网络运营商、研发者和正规团体。目前，d r m 标准已成为全世界范围内开放性、非专利性数 字广播系统标准。而i b o c 标准是美国出于对美国国情与其自身利益的考虑而提出的一种并不比 d r m 优越的专利技术。 ( 2 ) i b o c 系统目前只能应用于中波数字a m 广播( 白天) 和超短波数字f m 广播。而d r m 则可应 用于3 0 m h z 以下所有波段的数字a m 广播。2 0 0 5 年3 月，d r m 组织还将d r m 扩展到3 0 m h z - - 一， 1 2 0 m h z 的频率范围，以包括现有f m 波段。 ( 3 ) d r m 系统立足子对d a b 和d v b t 系统的补充，因此在设计的指导思想上还是将提高广播 质量放在第一位，基本上是重新设计了一套数字音频广播方案。而i b o c 系统更多地考虑美国国内 广播业实际市场情况，考虑现有的广播运营机构的利益，因此把兼容性放在第一位。 显然，获得全世界绝大部分设备供应商和服务提供商支持的非专利性d r m 标准比缺乏广泛支 持的专利性i b o c 标准更加适合国内a m 广播的数字化。另外，鉴于a m 广播是世界性的广播，尤 其是短波广播，必须使用统一的标准。这样既保障有良好的“空中秩序”，又拥有广大的听众。只有 像现在的模拟a m 广播那样，在全世界到处都使用原理相同的发射技术和接收技术，才能在新技术 实施之后很快使数字接收机通过大批量生产来降低售价。总之，我国的数字中、短波广播比较适合 选择d r m 标准，也更有利于与国际接轨。 - 2 第1 章绪论 1 1 4d r m d a b 广播发展的现状 由于d a b 标准的工作频段包括i i i 波段( 1 7 4 2 4 0m h z ) 和l 波段( 1 4 5 2 - - - - 1 4 9 2m h z ) ，并以本地 域广播传播为主：而d r m 标准包括a m 波段0 4 8 5 k h z - 、, 2 7 m h z ) 和f m 波段( 7 8 1 0 8m h z ) ，适合 地区性、全国性及国际性广播覆盖。两标准完全互补，因此，在本文后续章节中将讨论d a b 与d r m 广播的相关问题。 ( 1 ) d r m 广播的发展现状 2 0 0 3 年6 月d r m 正式运行以来，d r m 广播得到了飞速的发展。主要表现为以下几个方面： 2 0 0 5 年l o 月通过欧洲新标准e t s ie s2 0 19 8 0v 2 2 1 【6 l ：支持d r m 的设备供应商、服务提供商 越来越多： 采用d r m 标准进行广播的电台数量不断增加，播出时间不断延长；发射与接收 设备的种类越来越多，功能越来越齐全，价格越来越便宜。 以下主要介绍d r m 广播发射与接收设备的发展： 通常，原有的现代发射机( p d m 、p s m 、d x 系列和m 2 w ) 只须增加数字编码器和调制器，以及 进行必要的部分改动，如将发射机中的模拟频率综合器更换为数字频率综合器等，即可改装为d r m 发射机i s , 9 1 。显然，这样的改装投资不是太昂贵。这也是d r m 一个令人兴奋的特征。近年来，各大 公司也推出了不少发射设备新产品l 】o j ，如t h a l e s 公司的t m w 2 0 1 0 dd r m 中波发射机等。 但是。在d r m 系统中，听众需要购买新的接收机才能收听d r m 广播。国际上，d r m 接收机 的研发基本上可分为三个阶段【l ：第一阶段，用于功能验证及系统测试目的的接收机原型功能样机。 代表性的产品为：德国弗朗霍夫集成电路研究所开发的d r ms o f t w a r er a d i o 软件接收机1j 0 , 1 2 l ； 德国达姆施达特大学开发的d r e a m 软件接收机1 1 0 , 1 2 , 1 3 】；中国广科院于2 0 0 3 年研制的d r m 接 收机功能样机d i g i t a m f l 4 j ：法国t h a l e s 公司的t s w l 0 0 2 d 数字参考接收机。第二阶段，在原型 样机的基础上开发的基于d s p + f p g a 形式的一体化接收机，代表性的产品为1 1 0 , 1 5 1 ：c o d i n g t e c h n o l o g i e s 、b b c 和德国a f g 合作开发的d r m 接收机；m a y a l l 、c o d i n gt e c h n o l o g i e s 、h i m a l a y a 和a f g 联合开发的d r m 2 0 10 ；c o d i n gt e c h n o l o g i e s 与合作伙伴开发的世界上第一个u s bd r m 接收机数字世界旅行者( d i g i t a lw o r l dt r a v e l e r ) 。目前，d r m 接收机的研发正处于第三个阶段， 即第一代专用接收机芯片，以及基于专用芯片的接收机的研制。 在d r m 技术出现初期，我国就开始了该领域的跟踪研究工作。2 0 0 2 年9 月，广电总局无线电 台管理局等单位即开始进行“数字a m 广播系统功能样机开发与试验研究”项目的研究，建立了d r m 广播试验平台，并进行了试搔测试，为国内d r m 系统的进一步开发与应用奠定了基础。 ( 2 ) d a b 广播的发展现状 目前国际上已形成包括d a b 系统、接收机、发射机和网络、附加数据传输在内的四大系列标准， 体系已经非常完善。欧洲各国、美国、加拿大、墨西哥、澳大利亚及亚洲一些国家和地区，都已经 制定出发展d a b d m b 广播的具体时间表。 我国采用尤里卡1 4 7 d a b 标准，d a b 广播试验已有较长的历史。“九五”期间，广东珠江三角 洲地区、京津塘地区的先导网就已经建立起来；2 0 0 2 年广东网开始尝试从简单音频向包括音频、视 频和多媒体广播( d m b ) 的过渡；2 0 0 3 年正式进行了数字多媒体广播的商业化试验运作。 1 1 5 数字广播推广的瓶颈 对于d r m 系统来说，由于它可以使用已有的频率和带宽，充分考虑到了与i t u 现有的边界条 件相一致以及与现有的模拟业务相兼容，不需要重新进行频率规划，较容易实现从模拟广播到数字 广播的平稳过渡。d r m 可以利用现有的现代发射机，稍加改造即可适应d r m 广播，但必须采用全 新的d r m 接收机才能接收d r m 广播。 3 - 东南大学博士学位论文 而对于d a b 系统来说，由于是全新的技术系统，不能与现行广播制式兼容，首先必须解决频率 分配问题，同时必须使用全新的节目制作、传输、发射与接收设纠。 而且，一项新技术能否在全球推广，技术本身的先进性与可行性虽是前提，却远非决定因素， 市场条件和消费者的接受程度十分关键。或许说，制约数字广播发展的瓶颈不在于标准的完善，也 不在于发射系统改造的技术储备或经费，而在于接收机的性能与价格。物美价廉的接收机是广播数 字化在全球普及的一个决定性因素。事实上，无论是原型样机，还是现有的一体化接收机，其工作 原理基本类似，都是采用通用模块进行硬件解调加软件解码。接收机体积大、功耗大、性能一般却 价格昂贵，从而其应用受到限制。显然，只有随着批量生产的廉价接收机专用芯片的应用，数字接 收机的结构才可进一步简化，数字广播接收机才能以大众可以接受的价位推向市场，从而推动数字 广播的普及。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 课题研究的目的 由1 1 5 节可知，物美价廉的接收机专用芯片的开发将是数字广播普及的技术瓶颈。 从目前的技术背景来看，数字广播接收机可以采用以下三种方案来实现：通用型双芯片方案， 即采用专用d r m d a b 射频接收调谐器( t u n e r ) 实现射频处理，采用通用d s p 芯片实现基带处理。 专用型双芯片方案，即采用专用d r m d a br f 前端实现射频处理，采用专用a s i c 芯片实现 d r m d a b 基带处理：全集成单片方案，即射频与基带处理两部分以单片集成的形式实现。 显然，射频前端是各种数字广播接收方案中必不可少的模块，主要用来进行射频处理，将射频 信号下变频为中频信号。广播接收机的性能很大程度上取决于r f 前端的性能。r f 前端的设计是广 播接收机研发的重点与难点。 目前，国内外设计的所谓一体机中，常用的调谐器芯片有s t 公司的t d a 7 5 1 2 、 i d a 7 5 t 5 及p h i l i p s 公司的t e f 6 7 0 1 ，t e f 6 7 2 1 和t e f 6 7 3 0 等。这些芯片均是原来用于接收模拟广播信号时推出的产品， 而不是根据数字广播标准定制出来的。且大多采用b i c m o s 工艺制造，其外围电路复杂、电源电压 高、功耗大、价格高，无法与基带处理芯片进行单片集成，显然不适合未来d r m d a b 的大规模推 广。国外适用于接收d r m 信号的专用r f 前端尚处在研发阶段，技术方案尚不成熟，暂时无法实行 产业化。尽管有d a b 相关芯片面世，但还不够成熟。价格也不足够低。 模拟广播逐步向全数字广播过渡的过程将是一个漫长的过程，在相当长的时间内，数字广播系 统必须兼容模拟广播。同时，多标准、多模式接收机更是技术发展的必然趋势，所以需要一种能同 时兼容d r m 、d a b 、模拟a m 和模拟f m 标准的专用芯片，以最大程度的降低接收机的成本，以 便顺利推动广播数字化的进程。此类芯片暂时还未见有报道。据我们了解，国内只有本文作者所在 的东南大学射频与光电集成电路研究所正在进行d r m d a b 接收机专用r f 前端芯片的研究与设计。 本文的研究目标就是对兼容d r m 、d a b 、模拟a m 和模拟f m 标准的专用射频调谐器芯片设计中 的关键技术进行深入研究，为该专用芯片的成功研制奠定理论基础与积累设计经验。 1 2 2 课题研究的意义 据d r m 组织统计的全球数字接收机用量约为2 5 亿台，我国收音机数量为2 - - 3 亿台，其经济 效益可想而知。另一方面，对于中国这样地域辽阔、拥有大量广播电台的发展中国家来说，如果直 接采用欧美技术实现广播数字化，必将面临需要巨大的资金和技术投入的困难。显然，掌握拥有自 主知识产权的d r m d a b 广播接收机专用r f 前端芯片设计的关键技术，将为我国数字广播产业及 4 第l 章绪论 其标准制定打下坚实的技术基础，对于推动我国及至世界广播数字化改造工作，带动产业升级，创 造广播事业新的发展空间以及对民族工业的发展都具有重要的意义。 1 3 集成电路工艺的选择 芯片成功设计的前提是选取合适的集成电路工艺。在以往的无线收发机中，数字处理部分通常 采用低成本的标准c m o s 工艺，射频前端一般采用双极型工艺0 3 i p o l a r ) 或b i c m o s 工艺。 尽管b i c m o s 综合了双极型工艺与c m o s 工艺的一些优点，但从实际工程的角度看，它也有不 少缺点：这些工艺通常成本较高：其中的c m o s 工艺总是落后于标准c m o s 工艺的发展进程， 有时很难满足设计要求；更重要的是它们和数字c m o s 工艺不兼容，无法实现单片集成。 与其它工艺相比，c m o s 工艺虽然存在跨导小、频率特性差、噪声大以及无源器件集成困难等 不足。但c m o s 工艺也有很多优势：c m o s 工艺容易获得，流片渠道多；c m o s 工艺的流片 费用相对较低；c m o s 电路功耗小，集成度高：随着c m o s 工艺的不断进步，其特征尺寸不 断减小，c m o s 器件的频率特性和噪声特性也得到不断改善；采用c m o s 工艺实现射频前端电 路的最大优点是可以和基带处理电路及a d 与d a 转换器集成于一个芯片，实现单片集成。因此从 长远来看，c m o s 射频集成电路将是未来的发展趋势。近几年来，一些r f i c 设计公司与科研机构 都在c m o s 射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究与实践，也出现了一批采用c m o s 工艺实现的射频前端的单元电路及收发器。随着c m o s 工艺的发展，c m o sr f i c 的性能将不断得 到提高。 基于上述各种工艺的特点，并考虑到流片成本、未来与基带处理芯片的单片集成等诸多方面的 因素，本课题采用c m o s 工艺来实现。并根据东南大学射频与光电集成电路研究所m p w 服务提供 的流片渠道，本课题设计使用的是中芯国际( s m i c ) 提供的0 1 8 v mc m o s 混合信号1 p 6 m 工艺。该 工艺的特点：i p 6 m ( 铝) 制程；混合信号：深n 阱技术，多种阈值的m o s 管，高电阻多晶硅， m i m 电容器，厚金属电感器：有1 8 v 、3 3 v 和5 v 三种不同电压，供客户选择。 1 4 课题的难点与解决方案 1 4 1 课题的难点 ( 1 ) 由于整个r f 前端的射频频带极宽( 1 5 0 k h z 1 5 g h z ) ，从而对第一中频之前的所有模块，如 l n a 、混频器和频率综合器等，都提出了宽带的要求，尤其采用c m o s 工艺进行设计时难度 更大。 ( 2 ) 由于整个r f 前端的射频频带极宽，从而造成各类干扰频率( 如邻频道干扰、组合频率干扰等) 众多，对系统的选择性与线性度提出了很高的要求； ( 3 ) 对多标准、多模式的支持，使得频率综合器需要输出的频率范围很大，同时由于各种标准下的 频率栅格与信道带宽不同。使得频率综合器的结构更加复杂。 “) 射频频段的低频段频率很低，使得前端芯片中的电感、电容等元件集成难度大。在其高频段， 又需要充分考虑寄生参数的影响。 ( 5 ) 由于广播信号需要进行远距离无线传输，信号的阴影衰落、多径衰落和多普勒频移等比较严重， 使得系统对接收机灵敏度、动态范围和抗衰落要求很高。从而对系统中各模块的性能、系统架 构及自动增益控制系统提出了很高的要求。 ( 6 ) 由于采用o f d m + 4 1 6 6 4 q a m 调制方式，对接收机射频前端的线性度与相位噪声要求较高。 ( 7 ) 由于是便携式应用，要求接收机工作电压低，功耗低，体积小。 东南大学博士学位论文 1 4 2 所采用的技术方案 ( 1 ) 采用二次正交混频低中频结构，并增加射频滤波器组，多相滤波器等模块，及采用合理的系 统级频率规划来实现对镜像干扰、组合频率干扰等的抑制。 ( 2 ) 采用单一信号通道来兼容多标准、多模式接收，以实现功耗小，体积小等目标。 ( 3 ) 采用上边注入、固定中频的二次变频结构来缓解对射频前端各模块的设计要求。 ( 4 ) 采用带有可变模数输出分频器的吞吐式整数分频锁相环频率综合器来产生宽频带、低相位噪 声的本振信号。 ( 5 ) 采用有效的a g c 控制机制来满足系统对动态范围的要求。 ( 6 ) 采用新的电路结构及电路设计技术来实现宽频带、高线性度的l n a 和m i x e r 。 1 , 5 论文的结构安排 论文采用从整体到部分的叙述方法，各章节相对独立而又充分体现所采取的“t o p d o w n ”的设计 思路。 第1 章绪论概述了本课题的研究背景、研究目的与意义、集成电路工艺的选择等。 第2 章讨论d r m d a b 接收机系统级频率规划。首先分析与比较了现有的几种无线接收机射频 前端的体系结构的特点；然后，从d r m d a b 标准出发，讨论了d r m d a b 接收机射频前端的结构 设计：接着，从理论上探讨了二次正交混频低中频结构的镜像抑制性能；然后，从抑制各种干扰的 角度出发，讨论了接收机中频与本振频率的规划设计；接着，讨论了完整的d r m d a b 接收机射频 前端结构及各组成部分的设计：最后，给出了基于m a t l a b 仿真的整个接收机射频前端的镜像抑制性 能。 第3 章讨论d r m d a b 接收机中频率综合器的系统级结构设计。首先分析与比较了现有几种频