（电磁场与微波技术专业论文）tdscdma移动终端射频发射芯片正交调制器的设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 本文主要研究内容是t d s c m d a 移动终端中射频发射芯片的正交调制器 的设计。近些年来，基于t d s c d m a 标准的移动通信系统相关技术的研究成 为业界关注的焦点；其中，其移动终端核心芯片的研究更是得到了各个方面的 重视。作为其射频芯片组中的一个重要的模块，正交调制器在直接转换射频发 射芯片中同时完成移动终端基带信号的调制和上变频功能，其性能的优劣对移 动终端的发射芯片的性能起着决定性的作用。为此，作者采用j a z z 公司的0 3 5 u r n 的锗硅b i c m o s 工艺，进行了有关设计，得到了一个符合t d - s c d m a 标准的 移动终端射频发射芯片的正交调制器设计结果，有关仿真结果证实了电路设计 的有效性，版图设计通过了设计规则验证。 作为对相关工作的介绍，本文首先对作者在熟悉t d s c d m a 技术特点、 该标准下移动终端的射频发射芯片结构，以及正交调制器和混频器的基本原理 等方面的过程中的体会进行了概述；并基于吉尔伯特混频器结构定义了混频器 的相关性能指标。其次，从考察射频发射芯片结构入手，分析了正交调制器的 性能指标及其相应的工艺的选择；并基于这些分析对混频器进行了设计与进一 步的优化。这些优化针对移动终端射频发射芯片的特点，主要集中在功耗、偏 置、本振幅度、增益、线性度、噪声以及阻抗匹配等方面。在此基础上，给出 了基于这些优化结果的一种混频器设计电路图以及相应的仿真结果。更进一步， 基于上述混频器的设计，给出了正交调制器的设计电路图及输出频谱、隔离度、 功耗、线性特性、温度特性、器件快慢模型、邻道泄漏功率比等性能指标的仿 真结果，并给出了正交调制器的版图设计要点与相应的版图。最后，对相关工 作进行了总结。 关键词：t d - s c d m a ，发射芯片，正交调制器，混频器 (tpit i；f，；，llft 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t i l i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do nt h ed e s i g no fi qm o d u l a t o ri nr a d i of r e q u e n c y i n t e g r a t e dc i r e u i t s ( r f i c s ) o f t d - s c d m am o b i l et e r m i n a l , w h i c hi se x o e e t e dt ob e ac o n t r i b u t i o nt ot h eh i e , ht e c h n i q u ep r o g r a m ( 8 6 3 ) n a m e d d e v e l o p m e n to ft h e r f i co ft d s c d m at e m l i n a l $ i nf a c t , t h er e l a t e dr , e s e a z e h e so i lt h e3 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h et d s c d m as t a n d a r dh a sm o r l ，a n dm o l e a t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no ft h ei n d u s t r yi nr e c e n ty e a l - s 。a m o n gw h i c ht h ek e m e l t e c h n i q u e s l i k er f i c d e s i g na mr e c o g n i z e d 豁e h a u e n g e st ot h ed o m e s t i c t e l e c o m m u n i e a t i o nm a n u f a c t u r e r s b e i i l go n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm o d u l e so ft h e s p e c i a l i z e dr h c i qm o d u l a t o rw i l la c tn o to n l yam o d u l a t o r , b u ta 1 8 0 雅 u p - c o n v e r t e r , t ot h eb a s e - b a n ds i g n a li nad i r e c tc o n v e r s i o ni r a n s m i t t e r or f i c d e s i g no ft h em o b i l et e r m i n a l , a n dt h ed e s i g nr e s u l tw i l lh a v ea no v e r w h e l m i n g i m p a c t0 1 1 1t h el j e r f o r m a n e eo ft xr f i c i nt h i st h e s i s , ad e s i g ne f f o r th a sb e e n p r o v i d e dw i t hu s i n gt h e0 3 5 u r ns i g eb i c m o sp r o c e s so ft h ej a z zc o m p a n y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n 啪w e l lm e e tt h er e q u i r e m e n to fr f i co f t h e1 1 ) - s c d m at e r m i n a l i ti sv e r i f i e dt h a tt h ec i r c u i tc a t lw o r kw e l l 锄d8 1 s ot h e l a y o u td e s i g nc 龃b e a c c o r dw i t hl t 屯l a t e dd e s i g nr u l e s a smi n t r o d u c t i o nt or e l a t e dw o r k , ab r i e fr e v i e wi sp r o v i d e df i r s t l y b a s e do n t h ec o m p r e h e n s i o no f t h ea u t h o rt ot h ef e a t u r e so f1 1 ) - s c d m a , t h es t r u c t u r eo ft x r f i c a n dt h ep r i n c i p l eo fm o d u l a t o ra n dm i x e r a sw e l la sr e l a t e dp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so f m i x e ra 把d e f i n e db yu s i n gt i l eg i l b e r tm i x e ra s 锄骸锄p l e s e c o n d l y , w i t hr e s e a l c h i n gi n t ot h es t r u c t u r e so ft xi 强i ca sas t a r t , a n a l y s i so ft h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ei om o d u l a t o ra n dt h es e l e c t i o no fc o r r e s p o n d e n t d n 脚a 肥p r o v i d e d t h e nt h em i x e ri sd e s i g n e da n df u r t h e ri m p r o v e db a s e do nt h e a b o v ea n a l y s i s a i lt h e s ei m p r o v e m e n t sa r ct a r g e t e d 越t h ef e a t u r e so f t h et xr f i c w h i c he o n e e n l a a t eo na r c f l l ss u c h 器p o w e rc o n s u m p t i o n , b i a s , l o c a lo s c i l l a t o r ( l o ) a m p l i t u d e g a i n s , l i n e a r i t y , n o i s ea n di m p e d a n c em a t c h i n g a sar e s u l t , s c h e m a t i co f m i x e ra n dc o r r e s p o n d e n ts i m u l a t i o nr e s u l tw i t l at h e s ei m p r o v e m e n t sa 地p r o v i d e d f u r t h e r , w i t ht h ea b o v em i x e rd e s i g n e d , t h i st h e s i sa l s op r o v i d e das c h e m a t i ca n d s o m es i m u l a t i o nr e s u l t so fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ei qm o d u l a t o rs u c h 舔 o u t p u t $ p e c l l u l n i s o l a t i o n , p o w e rc o n s u m p t i o n , l i n e a r i t y , t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s , $ p e l o do rl o wd e v i c em o d e l , a n dt h ea d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g er a t i o ( a c l r ) s 咄 d e t a i l e dc o n s i d e r a t i o n sa b o u tt h el a y o u td e s i g no ft h ei qm o d u l a t o r 撕a l s o d e m o n s t r a t e da n dt h ec o r r e s p o n d e n tl a y o u ti sg i 吼f i n a l l y , s o l n er e l a t e d c o n c l u s i o n st ot h i sw o r ka l * ep r o v i d e d k e yw o r d s ：t d - s c d m a , t r a n s m i t t e ri c ，i qm o d u l a t o r , m i x e r i：， t s y 藩，；鼍tt! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庞唑电太堂或其他教 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谢意。 沙石年如彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖整电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王墨2 导师签名； 孕雾气 签字日期：2 朋饵j 月彤日签字日期：) 肋佴上月侈日 ；， ifr p轧，f舡i；、 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d s c d m a 系统概述 近2 0 年来，随着科技的不断发展，移动通信技术获得了飞速的进步。一般 地，移动通信技术的发展大致经历了三代【1 2 1 ，第一代移动通信系统主要是采用 频分多址( f d m a , f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和蜂窝技术的模拟通信 系统，它主要以美国a m p s 、北欧的n m t 和英国的t a c s 系统为代表，提供 了基本的语音业务。但是随着使用范围的不断扩大，它暴露出了业务种类单一、 频谱利用率低、保密性差，漫游困难等缺点，因此推动了第二代移动通信技术 的产生与发展。 第二代移动通信系统主要是采用时分多址( t d m a , t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 和码分多址( c d m a , c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术的窄带数字 系统，主要以欧洲的g s m 和北美的i s - 9 5 为代表，它是随着大规模集成电路和 计算机技术的飞速发展，以及语音数字处理技术的不断成熟而发展起来的。与 第一代模拟系统相比，具有保密性强，频谱利用率高，业务种类丰富等特点。 第二代系统提供了较高质量的语音及低速的数据业务，基本满足了人们的需要。 但是随着人们对全球漫游以及多媒体、互联网等高速数据业务的需求，第二代 移动通信系统已经不能满足需求，因此第三代移动通信逐渐发展起来。 第三代移动通信系统融合了无线通信与多媒体通信技术，在提供高质量的 语音功能的基础上，增加了图像、音乐、视频等多媒体形式和多种信息服务； 它利用卫星和地面的移动通信网，形成对全球的无缝覆盖；具有全球化、综合 化、个人化三个主要的特性。目前，具有代表性的三种第三代移动通信标准是 中国提出的1 1 d - s c d m a ( 时分一同步码分多址) 标准，欧洲提出的w c d m a ( 宽带码分多址) 标准以及北美在i s - 9 5 基础上提出的c d m a 2 0 0 0 。 作为我国自行提出的第三代移动通信标准，t d s c d m a 有着优秀的性能， 它采用时分双工的方法，综合了智能天线、联合检测、动态信道分配和接力切 换等先进的技术，在1 2 8 m b s 的码片速率、1 6 m h z 的信道带宽下实现高质量 的语音、丰富的多媒体业务和高速的数据服务，具有频谱利用率高，空中接口 灵活，抗干扰能力强，系统容量大等特点，是我国具有自主知识产权的第一个 通讯标准，对于我国的通信事业的发展有着积极重要的作用，日益成为当前我 国第三代移动通信系统发展的重点。 ； 鼍 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 i 1 1 i d s c d m a 系统性能特点 t d s c d m a 是采用时分双工模式的第三代移动通信系统，它综合了时分双 工和码分多址技术的优势，具有频谱利用率高，抗干扰能力强的特点，并且它 采用了智能天线，联合检测，动态信道分配和接力切换等先进技术，系统容量 大，适合于在人口密集的大、中城市传输对称与非对称业务；更重要的是其在 布网方面具有终端费用低，运营成本低的特点1 2 。下面具体介绍t d - s c d m a 系 统的主要性能特点。 1 、时分双工技术 时分双工技术主要是根据不同的时间片来区分发送和接收信号。而 t d - s c d m a 是目前第三代移动通信系统三大标准中唯一采用时分双工模式的 标准。在时分双工的工作模式下，其上下行链路采用统一频率，上下行数据的 传输主要由上、下行的发送时间来决定，可以对发送和接收时间片的比例的进 行灵活控制，特别适合于互联网等非对称业务的数据传输，并且这种技术的频 谱利用效率比较高，有效的缓解了当前频谱紧张的问题。 2 、智能天线 智能天线技术主要是利用信号传输的空间特性和数字信号处理技术，根据 信号的来波方向，自适应的调整天线的方向图，将主瓣对准信号方向，零点对 准干扰方向，大大降低移动通信系统中的多径干扰，提高系统的载干比，有效 的增加了系统容量。 另外，智能天线的采用，也可有效的提高天线的功率效率，可以采用多个 小功率的线性功率放大器来代替单一的大功率线性放大器，大大降低基站的成 本。 更重要的是在t d - s c d m a 系统中采用时分双工的模式，上下行链路的空 间特性相同，基站的发射机可以根据在上行链路中获得的信号来估计下行链路 多径信道到的特性，能够充分发挥智能天线的作用。 3 、联合检测 联合检测通常是将所有信道的信号同时解码，从复合信号中减去其他信道 的信号来获得每个信道的信号。采用联合检测技术可以减弱或者消除多址干 扰、多径干扰和远近效应，简化功率控制，降低功率控制精度，改善系统性能， 提高系统容量，增大小区覆盖面积。在t d s c d m a 中采用联合检测技术，更 是实现了智能天线和联合检测技术的有机结合。 4 、动态信道分配 在t d - s c d m a 系统中采用了动态信道分配技术，它通常将若干个信道集 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 中起来由基站控制器统一控制，然后根据实际的移动通信需要来分配信道，使 信道重用距离最小化，提高了系统容量，降低了干扰，有效的利用了有限的信 道资源。 5 、接力切换 t d - s c d m a 系统所采用的接力切换主要基于智能天线、上行同步和系统特 殊的帧结构。在切换的过程中，系统在移动台与原小区通信保持不变的情况下 与目标小区建立连接，提前获取同步信息，从而减少了切换的时间，提高了切 换的成功率，降低了切换掉话率。 另外，在t d - s c d m a 系统中，智能天线技术的采用，可以大致确定用户 的方位和距离，更加有利于接力切换技术的实现，进一步降低系统的复杂度， 提高系统运行稳定性。 6 、知识产权 t d s c d m a 是我国自行提出的第三代移动通信标准，具有自主的知识产 权，非常有利于国内相关厂商进行自主开发，提供更为详细的服务，积累的丰 富运营经验，走向国际运营市场。并且制造商不用支付巨额的专利费用，降低 了生产成本，提高商品的竞争能力，增加我国通信事业的竞争能力。 1 1 2 三大主流标准的比较 国际电信联盟( 1 1 u ) 确定了t d s c d m a 、w - c d m a 和c d m a 2 0 0 0 作为 第三代移动通信技术的推荐标准，下面对这三种技术进行了比较。 w c d m a 主要是由爱立信、诺基亚等公司为代表的欧洲通信厂商提出，采 用频分双工和带宽为5 m h z 的c d m a 技术，其扩频码速率为3 8 4 m c h i p s ，上 下行快速功率控制，下行发射分集，基站之间可以异步操作。w c d m a 可以顺 利的从g s m 系统进行过渡，具有很好的市场优势。 c d m a 2 0 0 0 主要是在i s 9 5 系统的基础上由高通、朗讯、摩托罗拉和北电 等公司提出的，同样采用频分双工技术，提供反向导频信道和前向快速功率控 制，占用1 2 5 m h z 的带宽，扩频码速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，最大限度的考虑了 i s 9 5 系统的后向兼容问题。c d m a 2 0 0 0 是目前各标准中研发进度最快的，已 经有许多3 g 手机面世。 ， t d - s c d m a 是我国提出的第三代移动通信标准，在我国分配了3 个频段： 1 8 8 帖1 9 2 0 伽、2 0 1 她0 2 5 z 和2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 。它主要采用时分双工和 t d m a c d m a 多址方式工作，载波带宽为1 6 m h z ，扩频码速率为1 2 8 m e h i p s ， 综合了智能天线、联合检测，动态信道分配、上行同步和接力切换等先进技术， 具有系统容量大，频谱使用灵活，频谱利用率高和抗干扰能力强的优点，非常 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 适合于互联网等非对称数据业务。 表l 三种第三代移动通信系统标准差异点比较表 绛c 刃勃珥t d s c d m ac d m a 2 0 0 0 载频问隔 5 z1 6 m h z l - 2 5 m h z 码片速率3 8 4m c s1 2 8m c s1 2 2 8 8m c s 帧长1 0 m s1 0m s ( 分两个子帧)2 0 m s 基站同步 可选 需要 需要 检测方式相干解调联合检测相干解调 网络覆盖一般较低一般 系统基本成熟，终端系统基本成熟，终端最成熟，在多个国家 设备成熟度 缺乏，商用网络少缺乏，无商用网络已经运营 国外厂商拥有拥有较多的知识产国外厂商拥有 知识产权 成本高权，设备成本低成本高 综合相关文献 4 , 5 1 ，表l 给出了三个标准中差异点。从其中的比较来看， t d s c d m a 标准与其他标准在很多方面还有很多要改进的地方，还有很多工作 要做：但是它采用了众多最新的技术，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、 频率灵活性及成本等方面的独特优势，具有很大的发展空间，并且它是我国自 己提出的通信标准，在掌握通信领域的核心技术有着重要的意义。因此我们要 大力发展我国的t d - s c d m a 第三代移动通信标准，争夺未来移动通信发展的 制高点。 1 2t d s c d m a 射频发射芯片基础 从目前t d s c d m a 技术的应用发展来看，相应的移动终端成为了其发展 的一个瓶颈；更重要的是第三代移动通信技术主要以丰富的多媒体及高速数据 业务为特点，移动终端是其重要的载体，直接面向最终用户，其在第三代移动 通信的推广和普及过程中起着重要的作用，因此设计符合t d - s c d m a 标准的 移动终端对于标准的普及，增强标准的竞争能力，进一步使我国的通信标准本 地化，发展我国通信事业具有极为重要的战略意义。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 无线通信移动终端根据电路结构主要可以分为基带部分和射频部分【3 ，4 】。基 带部分完成数字信号的处理以及多种业务的实现，而射频部分则完成对基带信 号的调制、上变频、功率放大；对天线接收到的射频信号进行低噪声放大、下 变频和调制解调的功能。移动通信实际运行的恶劣环境决定了射频部分性能的 优劣对整个移动终端的性能起着非常重要的作用。 无线通信移动终端的射频部分根据功能可以分为两个部分，一为发射机部 分( t r a n s m i t t e r ) ，二为接收机( r e c e i v e r ) 部分。发射机部分实现信号的上变 频以及功率放大功能，接收机部分则完成信号的接收、放大、下变频及解调功 能，图1 1 显示了一个典型的直接转换的移动终端射频收发机框刚5 。”。 图i i 移动终端直接转换射频接收机框图 天线根据时隙的不同来发送和接收已调信号，接收到的射频信号首先由带 通滤波器进行滤波，然后通过低噪声放大器进行射频信号的放大，通过进一步 的滤波以后，信号进入正交解调器进行下变频和解调，转换为基带信号，接着 通过低通滤波器后经可变增益放大器( v g a , v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ) 放大后送 入基带处理芯片处理。经过基带处理过的需要发送的信号首先经过v g a 处理 然后进入到正交调制器中进行调制和上边频，经过预放大和滤波器后送入到功 率放大器中进行功率放大，最后由天线辐射出去。 1 2 1 射频发射芯片原理及结构 t d s c d m a 射频发射芯片的主要功能是完成基带信号的调制和上变频，以 及保证信号具有足够大的功率供给天线的发射，主要由调制器，功率放大器等 模块组成。目前适用于t d s c d m a 标准的移动终端射频发射芯片的结构主要 有两种：二次转换和直接转换【5 9 1 5 f l ! 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 l 、二次转换 二次转换( 又称为超外差) 发射芯片结构主要由正交调制器、上变频器和 功率放大器组成。其结构框图如图1 2 所示1 5 1 。基带信号首先进入调制器中，在 低频完成信号的调制，然后再通过上变频混频器将调制信号转换到发射所需要 的高频，最后通过功率放大器将信号放大到合适的功率水平由天线发射出去。 混频器1 天线 混频器1 图1 2 二次转换射频发射芯片结构框图 二次转换发射芯片的主要优点有： 1 ) 在低频实现信号的调制，对与载波信号和i q 信号的匹配要求不太严 格，容易实现对信号的精确调制。 2 ) 窄带滤波器和增益控制器可以在中频上得到很好的实现，并可以避免 本振牵引的问题。 但是它还存在以下主要缺点： 1 ) 需要额外的滤波器进行滤波，抑制上变频混频器产生的边带和本振泄 漏； 2 ) 对滤波器的要求较高，要求中频滤波器抑制调制器产生的中频高阶组 合频率分量，同时具有宽带噪声抑制； 3 ) 高q 值的带通滤波器在集成电路芯片中占用很大面积且不易实现，增 加了系统成本。 2 、直接转换 图1 3 显示了直接转换发射芯片结构1 5 1 ，它将调制和上变频同时在正交调制 器中实现，与二次转换发射芯片结构相比，它不需要两个滤波器和中间的锁相 环，也不需要额外的上变频器将频率转换到射频。其主要优点如下： 1 ) 减少了带通滤波器、上变频器和本振的需求； 2 ) 结构简洁，减少了出错的概率； 3 ) 系统功耗低； 4 ) 系统的集成度高，成本低。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 混频器 图1 3 直接转换射频发射芯片结构框图 其主要缺点有： 1 ) 相关的部件的性能指标要求比较高； 2 ) 容易产生本振牵引的问题，但是可以通过采用本振分频或者倍频的方 法来解决； 3 ) 存在直流偏移的问题，不易在信号中滤出； 4 ) 存在i q 失配问题，即在高频段，保持i 端口和q 端口的相等的幅度和 相位非常困难，会造成误码率的增加。 1 2 3t d s c d m a 射频发射芯片设计要求 射频发射芯片的设计在射频收发机的设计中极为重要，其设计或者结构如 果不合适，所发射的信号就会干扰其他的无线电通信设备，而且对接收机对信 号的处理也有很大的影响。射频发射芯片在设计时主要考虑信道带宽、输出功 率、集成度、功耗、线性度和临近信道干扰等因素，3 g p p 对t d - - s c d m a 终 端发射机射频部分规定很多技术指标，现介绍主要指标如下【2 1 ： 1 、信道带宽 通常指以指定信道的中心频率为中心，包含总发射功率9 9 能量时所对应 的频带宽度。t d在码片速率下占用带宽为 。 2 、输出功率_ s c d m a 1 2 8 m c s 1 6 m h z 最大输出功率通常定义为在参考条件下，在天线接口处，一个激活时隙上， 每个载波的平均功率电平。t d s c d m a 标准规定了在不同功率等级下的发射机 最大输出功率。l 到5 级的最大输出功率分别为+ 3 0 d b m 、+ 2 4 d b m 、+ 2 1 d b m 、 + 1 0 d b m 。 最小输出功率通常定义为在功率控制设置为最小值时的终端输出功率。标 准要求最小输出功率要小于- 4 9 d b m 。 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 3 、频率稳定度 发射机频率稳定度通常是指终端在指定载频上工作时其发射信号的频率稳 定能力，用工作频率的百分比来表示。发射机的频率稳定度主要决定于参考时 钟的频率稳定度。标准的要求是：用户已调载波的频率应该稳定到与基站接收 到的载波频率在一个时隙内相差不到o 1 p p m 范围内。 4 ，互调特性 互调特性通常描述了在有用信号和通过天线进入发射机的干扰信号共同存 在时，发射机对于由非线性器件所产生的互调信号的抑制能力。标准要求在电 平为- 4 0 d b e 的连续波干扰信号偏移1 6 m h z 时，互调产物要低于3 1 d b e ；偏移 3 2 m h z 时，互调产物要低于- 4 1 d b c 。 5 、调制精度( e v m ，e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ) 调制精度一般是指理想调制波形与实际测得的调制波形之问的偏差，或者 称为误差向量幅度e v m 。通常定义为误差向量平均功率与参考信号平均功率之 比的平方根，用酉分数表示。标准要求调制精度必须小于1 7 5 。 影响e v m 指标的因素主要有：输入i q 信号幅度不平衡，正交调制器移相 误差( i q 相位不平衡) 、载波泄漏、通道幅度不平坦性、通道相位失真、本振 相位噪声、非线性失真等。 6 、邻道功率泄漏( a c l r ，a d j a c e n tc h a n n e lk 钮k a g ep o w e rr a t i o ) 邻道功率泄漏比描述了由于调制扩散及发射机非线性因素的影响在信道带 宽以外所形成的辐射，通常定义为该信道发射功率和泄漏到相邻信道功率的比 值，是衡量发射机非线性失真程度的个重要指标。标准要求相邻信道的a c l r 应小于- 3 3 d b c ，隔一个信道的a c 氓要小于- 4 3 d b e 。 1 3 射频集成电路的设计难点 射频通常是指频率3 0 0 m h z 到1 0 0 g i - i z 左右的频谱范围，射频技术在各个 领域获得了广泛的应用，例如移动通信、无线接入、智能识别及控制等方面。 在移动通信领域，射频技术更是起着至关重要的作用，可以说移动通信技术的 飞速发展主要是是依赖于射频技术的不断进步的。 射频集成电路的设计是移动终端设计的一个重点，也是目前移动终端通信 系统性能提高的一个瓶颈【1 ，3 ，悱2 1 。从各个方面来看，射频集成电路的设计都是 非常复杂的： 首先，射频集成电路中的有源器件模型交的复杂，例如晶体管在高频情况 下要使用混合兀型电路来描述晶体管的性能，并且其性能又受限于晶体管的截止 频率。另外，在高频情况下需要对有源器件进行隔离，减少器件之间的串扰和 8 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 互耦。 其次，射频集成电路中的无源器件的性能发生了很大的变化，无源器件的 模型精度变的很差，寄生参数很多，噪声的分析和计算变得非常困难。 图1 4 正方形螺旋电感 以电感为例，在集成电路中通常使用最顶层的金属构成的正方形螺旋来实 现电感，图1 4 为一个螺旋电感的示意图，其电感量可以表示为【1 1 1 ： * 辔2 2 r1 4 a ( 1 2 ) 一 、 其中，1 1 为螺旋电感的匝数，a 为螺旋的平均直径，f 为螺旋的半径。 图1 5 i z a a 公司的正方形螺旋电感的电路模型 。 图1 5 为本设计所采用的j a z z 工艺中的单端电感模型1 1 3 1 ，其中，c p 为互连 线的并联电容，b 为串联电感，为通孔电阻，r 1 r 4 为金属绕线上趋肤效 应产生的电阻，l 1 l 4 为金属绕线的互感电感成分，c 。为螺旋电感与衬底之 间的电容，r 妯为衬底电阻，c 曲为衬底电容，i 为螺旋电感线的总长度，可以 看出与低频情况下的电感相比，高频电感要考虑很多因素，并且应用在集成电 9 。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 路中的这种螺旋电感具有很多的缺点： 1 ) 电感的q 值比较低，在高频情况下，通常只有1 0 左右。并且由于高频 的趋肤效应，电感的损耗增大，更是降低了电感的o 值。 2 ) 螺旋线圈与衬底之问存在的寄生电容有可能与电感产生谐振，限制了 电感的最高可用频率。 3 ) 这种电感占用了很大的芯片面积，相对于普通的晶体管4 m 5 啪左右 的面积，其1 0 0 r a n * 1 0 0 u r n 以上的面积是相当大的，更重要的是整个芯 片的面积也不过3 m m * 5 m m 左右。 ；i 0 2 一闲慰燃 睾 ( b ) 等效电路图 图1 6 互连线模型 第三，射频集成电路中互连线的模型也发生了变化，图1 6 显示了在射频 集成电路中的互连线模型i 嘲，图1 6 ( a ) 为互连线的截面图，图1 6 ( b ) 为其等效电 路图，其中硒。和l i 。分别为互连线上的电阻和电感，c 。为s i 0 2 绝缘层的寄 生电容，c s u b 和r 妯分别为互连线与衬底产生的寄生电容和电阻。在设计中主 要考虑互连线以下几个方面： 1 ) 高频电流的趋肤效应使互连线电阻。增大，从而使信号在传输路径 中的损耗增大，因此在设计时需要充分考虑，特别是在集成电路的版 图设计中，为了保证差分信号的对称性，减少共模噪声，其传输路径 长度要保证相等； 2 ) 高频情况下，互连线的走线与走线之间存在耦合电感，对于高频信号 的传输具有滤波作用，可能会产生损耗，在版图设计时需要注意。 综上所述，相对于传统的电路设计，射频集成电路的设计需要考虑更多的 方面，其设计难度也就大大增加了。 目前我国移动终端中的射频芯片主要是依赖国外进口，我国的设备商在这 个方面要花费大量的经费，更重要的是纯粹的购买国外厂商的产品对于发展我 国自由知识产权的t d - s c d m a 标准也使很不利的，因此，制造具有中国自主 知识产权的射频芯片对于发展我国自有知识产权的t d - s c d m a 标准，推进我 国移动通信事业的发展具有很重要的意义 ； # 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 论文主要工作及论文结构 本文的工作是国家8 6 3 项目“t d s c d m a 终端射频芯片开发”( 项目编号： 2 0 0 5 a a l 2 3 7 3 0 ) 相关工作的一部分。该项目根据i t u3 gt d s c d m a 通信系统 标准的要求，自主完成t d s c d m a3 g 手机单片收发信机r f i c 的设计和电路 测试工作，并最终实现产品商业化。 正交调制器是射频发射芯片中的重要组成部分，在直接转换发射芯片中它 完成信号的调制和上变频功能，它的性能决定了发射芯片的主要性能。为此， 本文采用j a z z 公司的0 3 5 u m 的锗硅b i c m o s 工艺设计了一个符合t d - s c d m a 标准的移动终端射频发射芯片的正交调制器。 论文主要分为五个部分： 第一部分为绪论，简要介绍了t d s c d m a 标准、射频发射机结构以及射 频集成电路的设计难点，并介绍了本文的组织结构。 第二部分对正交调制器的基本概念进行了阐述，主要包括q p s k 和8 p s k 的调制方式、正交调制器以及混频器的基本原理等方面，并以吉尔伯特混频器 为例介绍了混频器的相关特性参数。 第三部分从考察射频发射芯片结构入手，分析了正交调制器的性能指标及 其相应的工艺选择，并基于这些分析对混频器从功耗、偏置、本振幅度、增益、 线性度、噪声以及阻抗匹配等方面进行了设计与优化，并给出了基于这些优化 结果的一种混频器设计电路图及其相应的仿真结果。 第四部分基于上一部分的混频器的设计，给出了正交调制器的设计电路及 输出频谱、隔离度、功耗、线性特性、温度特性、器件快慢模型、邻信道泄漏 功率比等性能指标的仿真结果。在此基础上，文中给出了正交调制器的版图设 计要点与相应的版图。 第五部分总结了整个设计工作，并针对在设计中出现的问题对下一步的工 作提出了建议。 重庆邮电大学硕士论文第二章正交调制器基础 第二章正交调制器基础 本章首先介绍了t d - s c d m a 的调制方式和正交调制器的理论知识，然后 介绍了混频器的原理及分类，并基于吉尔伯特混频器结构定义了混频器的主要 性能指标。 2 1t d - - s o d g a 调制方式 为了保证信号在无线信道中有效的传输且不互相干扰，并且解决频带资源 紧张的问题，就需要对所要传输的数字信号进行调制。在t d s c d m a 系统中 主要采用q p s k 的调制方式，在高速率数据传输时采用$ p s k 调制方式脚。 2 1 1 调制基础 调制就是按照基带信号的变化规律去改变载波信号的幅度、频率和相位等 参数。调制方式对一个通信系统是非常重要的，往往决定一个通信的性能【4 ，1 4 】。 通常调制方式可以分为模拟调制和数字调制两种方式模拟调制是用连续 信号去控制载波的某些参数。数字调制则是用数字信号控制载波参数。数字调 制与模拟调制相比，具有更好的抗噪声性能和更强的抗信道衰落能力，因此在 通信领域获得了飞速的发展。 目前，主要的数字调制方式为幅移键控( a s k , a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 、 频移键控( f s k , f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 和相移键控( p s k , p h a s e s h i f tk e y i n g ) 。 一般地，在恒参信道下相移键控比a s k 及f s k 具有较高的抗干扰性能，而且 能较高地利用频带，所以在数字通信中被广泛采用【l ”。 当前，衡量调制方式好坏的主要性能指标有： 1 ) 调制方式的频带利用效率。较高的频带利用效率可以降低信号传输所 使用的带宽，充分利用有限的频率资源； 调制方式的功率有效性。较高的功率有效性可以保证在功率一定的情 况下使用更长的时间，延成了移动终端的使用时间，这对于移动终端 的应用来说是非常重要的； 3 ) 调制方式的抗干扰能力。良好的调制方式可以使通信系统在同样的信 道环境下获得更好的输出信号质量。 l 重庆邮电大学硕士论文 第二章正交调制器基础 2 1 2q p s k 和8 p s k q p s k ( q u a d r a t u 化p h a s es h i f tk e y i n g ) 即正交相移键控，又称为四相移键 控( 4 p s k ) ，是目前最常用的一种调制方式。它用两个比特的数据来表述一个 信号，其可以表示为： 蜘序坤咖旷- 净 ， 其中，毛= 彳五为每比特能量，a c 为正弦载波的幅度，1 r 瓦，k = l ，2 ，3 ，4 。 正交q ， | 气 、同相j t 们0 1 1 l 正交q 唑 蛳厂 、0 1 i 、 、同枫 0 0 1 o 1 0 0 1 0 1 、 图2 1q p s k 星座图 图2 2 8 p s k 星座图 q p s k 用载波的四个相位代表基带信号的i q 的四个电平，“0 0 ”代表相位 饨2 ，“1 0 一代表相位冗，“1 1 ”代表相位一们，。0 1 ”代表相位0 。其星座图 如图2 1 所示。 出 并 转 换 图2 3 q p s k 调制原理图 q p s k 信号产生的原理图如图2 3 所示，将二进制数据流进行串并转换，即 将需要调制的一串二进制数据流分裂成并行的两串，每串数据的速率是原来数 据速率的一半。然后在每个符号间隔t s 中用一对比特数据分别去调制两个正交 重庆邮电大学硕士论文第二章正交调制器基础 的载波，合成后就是q p s k 信号，可以看出q p s k 为两个b p s k 信号的合成。 在相移键控中，如果采用三个比特的数据来描述一个信号，一般称为8 p s k 。 其可以表示为： 跚) _ 片o o s m f + - i 净 i 2 2 ) 其中，毛= z 瓦为每比特能量，a c 为正弦载波的幅度，l - t 瓦，k = l 2 ，8 。 其星座图如图2 2 所示。 q p s k 是通信系统中最常用的一种调制方式，相对于其他调制方式来说 q p s k 主要具有以下优点： 1 ) 频谱利用率高； 误码性能好； 3 ) 抗干扰性能好； 4 ) 实现容易，电路结构简单。 8 p s k 比q p s k 具有更高的频谱利用效率，可以有效地增加信噪比，并且 在采用适当措施以后可以获得较好的性能，适用于高传输速率。 2 2 正交调制器 正交调制器是目前在通信系统中广泛应用的调制电路，这种结构可以很容 易的实现振幅和相位的联合调制。适合于多种调制方式，是射频发射芯片的关 键模块之一f 5 ，1 5 。2 5 1 。 图2 4 是一个正交调制器的结构框图，同相信号i 加入到i 端口与本振进行 混频，进行调制和上变频，正交信号q 输入到q 端口，与经过9 0 。相移的本 振信号混频，进行调制和上变频，然后二者进行线性相加。其输出表示为： 巧f ( f ) = f i o c o s ( n i ) + g ( f ) s i n ( 哆【o f ) ( 2 3 ) 这里，f ( r ) ，g ( r ) 分别表示基带同相信号和正交信号，c o s ( o 口j ) 是1 支路的载 波，s i n ( c o w t ) 是q 支路的载波。 由三角函数公式可得： f 0 i t ) = a ( t ) c o s c o j 一声( f ) 】( 2 4 ) 其中，口( r ) = 廿2 ( ，) + 口2 i t ) 为已调载波的相对幅度，o ) = 伽。1 i q ( t ) i ( t ) ) 为已调 载波的相位。， 从方程2 4 中我们可以看出，基带信号砸) ，g ( f ) 定义了已调载波的相位和幅 度，又因为任何一个射频信号的都能表示成一个同相正交( i n p h a s e q u