（电路与系统专业论文）应用于5ghz+wlan的频率合成器设计.pdf

些旦! ! 坚! ! 坐塑堡主鱼盛矍堡盐 摘要 随着互联网的普及，人们需求更高速率的无线局域网。通过使用免许可证信息基础频段，无线 局域网可以提供高达几十兆比特每秒的速率。 本文的主要目的是设计实现用于5 g t zw l a n 系统收发信机中的频率合成器。频率合成器的主要 作用是产生精确的本振信号，并能根据信道规划产生不同的中心频率。 在本文第二章介绍了不同的射频收发信机结构。选择适当的结构，对系统整体性能至关重要。 因为在射频频率台成器设计中，电荷泵锁相环被广泛使用。困此，在第二章中对电荷泵锁相环 进行了系统级的分析。 在第四章对频率合成器不同结构进行了性能分析。综合考虑，最后采用整数频率合成结构。由 丁二系统级的参数选择，如环路带宽和相位裕量，对环路系统稳定性有重大影响。因此，通过系统级 模型仿真，确定了环路系统的重要参量，如电荷泵电流，环路带宽，相位裕量，压控增益和分频系 数等。 本文随后在系统级模型仿真的基础上进行频率合成器具体电路的发计。鉴频鉴相器采用传统形 式的电路结构。而电荷泵则在传统电路形式的基础上进行了重要改进，通过负反馈提高电荷匹配， 增加单位增益缓冲降低电荷共享。通过改进，仿真结果显示相对于传统电路，参考杂散降低达2 0 d 1 3 c 。 频率合成器通过t s m c o 1 8 u m 工艺流片。测试结果表明，环路工作稳定，工作在41 9 g h z 的参考 杂散为一4 9 d b c ，基本满足设计指标。 【关键词】 无线局域网；频率合成器；电荷泵锁丰目环；系统级模型 东南大学硕士学位论文 应用于5 g h zw l a n 的i 频率合成器设计 a b s t r a c t t h eg r o w i n gp o p u l a r i t yo fi n t e r n e td e m a n d sh i g hd a t ar a t ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k u s i n gt h e u n l i c e n s e dn a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ( u - n 1 1 ) b a n d ，w i r e l e s sl a ns y s t e m sc a np r o v i d ed a t ar a t e s u pt os e v e r a lt e n so fm e g a b i t sp e rs e c o n d t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e a l i z et h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rf o rt h e5 g h zw l a n t r a n s c e i v e rs y s t e mt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sb e i n gu s e dt op r o d u c et h ea c c u r a t el o c a lo s c i l l a t o rs i g n a l a n dt op r o d u c ed i f f e r e n tc e n t r ef r e q u e n c ya c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lp l a n i nc h a p t e r2 ，t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e so fr ft r a n s c e i v e ra r ed i s c u s s e d i ti se s s e n t i a lt ot h ew h o l e p e r f o r m a n c eo ft h er a i d os y s t e mt oc h o o s et h ep r o p e rs t m c t u r e t h es y s t e m l e v e la n a l y s i so ft h ec h a r g ep u m pp h a s e - l o c k e dl o o p si se l a b o r a t e do nc h a p t e r3 ， b e c a u s ec h a r g ep u m pp h a s e l o c k e dl o o p sa r eu n i v e r s a l l yu s e dt od e s i g nr a d i of r e q u e n c ys y n t h e s i z e r s i nc h a p t e r4 ，t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fd i f f e r e n tf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r si sd i s c u s s e d c o n s i d e r s y s t e m a t i c a l l y , t h ei n t e r g e r - nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rs t r u c t u r ei sa d o p t e d s y s t e m - l e v e lp r e f e r e n c e s ，s u c ha s l o o pb a n d w i d t h ，p h a s em a r g i n ，s t r o n gi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fp l ls y s t e m b a s e do ns y s t e m l e v e lm o d e l s i m u l a t i o n ，w ed e t e r m i n a t et h ek e yp a r a m e t e ro ft h ep l ls y s t e ms u c ha sc h a r g ep u m pc u r r e n t ，l o o p b a n d w i d t h ，p h a s em a r g i n ，v c og a i n ，d i v i d e rm o d u l u s ，e t c b a s e do ns y s t e m l e v e lm o d e ls i m u l a t i o n ，t h eb u i l d i n gb l o c k so fs y n t h e s i z e ra r ed e s i g n e d i ti su s e d t r a d i t i o n a lc i r c u i ts t r u c t u r et or e a l i z et h ep f du n i t o n ei m p o r t a n ta p p r o a c hh a dm a d et oi m p r o v ec h a r g e p u m pc i r c u i tb ya d d i n gaf e e d b a c kl o o pt oe n h a n c et h ec u r r e n tm a t c h i n ga n dau n i t y g a i nb u f f e rt or e d u c e t h ec u r r e n ts h a r i n g t h es i m u a t i o nr e s u l tr e v e a l st h a tt h er e f e r e n c es p u r so ft h ei m p r o v e dm e t h o dh a v e d e c r e a s e dm o r et h a n2 0 d b ct h a no f t h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h em e a s u r e m e n ti ss h o w na tl a s tt h es y n t h e s i z e rw o r k sa t4 1 9 g h z a n dt h er e f e r e n c es p u r s a c h i e v e s 一4 9 d b c k e y w o r d s 】 w l a n ；f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r s ；c h a r g ep u m pp h a s e - l o c k e dl o o p ；s y s t e m - l e v e lm o d e 东南大学颁+ 学位论文 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。 关于学位论文使用授权的说明 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，允许沦文被查阅和借阅，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。 一返翩虢盥巡竖盛 壁旦! 鱼坚! 坐堕堕塑垩鱼堕墨垄生 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近几年，无线通信市场已经获得了巨大的增长。人们每天都在通过呼机，蜂窝电话等无线通讯 产品交互信息。对高速率通讯的需求促进了无线局域网作为有线局域网的补充或者替代物的迅猛增 长。基于射频技术的无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 降低了人们对有线连接的需 要，用户可以很方便的共享信息而并不用寻找一个网络接入口，同时网络管理员可以不用网线就能 很轻易的建立或者扩建网络。 与有线网络相比，无线局域网有很多优点。最主要的就是它增加了移动性，使人们从传统网路 链的束缚中解放出来，可以不受约束的移动。使用无线局域网的例子很多。比如，医院的专家不仅 可以获得病人的病情记录，还能得到病人实时的重要信息和相关数据。学生在校园中漫游可以通过 无线连接轻松获得上课信息和讲义。带有实时感应的无线连接能够让异地的工程师检n l i l 维护设备。 安装速度和扩展性是推动无线网络增长的另一个优势。安装一个无线局域网系统快速、便捷、 不必通过墙壁和天花板铺设电缆。在动态环境中，网络管理员通过无线局域网可以减少由于移动、 扩展网络或其它网络改变造成的网络管理费用的增加。在旧式建筑中建立网络成本很高，而无线局 域网是一个成本合理的合适选择。其它环境，如工厂中，运行一个有线网络就不合时宣。 扩展性是无线局域网的另一个主要优势。它能够根据特殊要求配置成不同的拓扑结构。配置可 以轻易的改变，适用范围小到几个人使用的端到端的网络大n j l 干人使用、并可在很大范酮内漫 游的全基础网路设施。 对无线局域网产品有很大的需求，不过，首要和最重要的是产品必须足够廉价，否则无法和现 存的有线网络竞争。因此，低成本的c m o $ 工艺将成为未来成功的无线局域网产品的推动力。另外， 无线局域网产品必须低功耗，其传输数据速率必须和现有的有线网络兼容。而且，终端用户无须许 可就可以购买和使州无线局域网产品。这些诸多的考虑促进了对应用于无线局域网高集成低功耗的 c m o s 接收机的研究。 在国内，w l h n 的技术和产品在实际应用领域还是比较新的。但是，由于其不可替代的优点，将 会迅速地应用于需要在移动中连网和在网问漫游的场合，并在不易布线的地方和远距离的数据处理 东南大学顾+ 学位论文 第一章绪论 节点提供强大的网络支持。可以预见，随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访问 和存储信息的需求愈来愈多，因而w l a n 将会在办公、生产和家庭等领域不断获得更广泛应用。 5 g h z 锁相环频率合成器应用于无线局域网系统中，用于产生本振信号，作用非常重要。冈此， 设计实现5 g h zw l a n 锁相环频率合成器具有重要的现实意义和实际应用价值。 1 2 集成电路的工艺选择 e l 前集成电路制造1 二业中采用的产品工艺主要分为双极性硅( b i p o l a t ) 、砷化镓( o a a s ) 等i l l v 族 化合物工艺和c m o s ( c o m p e n s a t e dm e t a l - o x i d e s i l i c o nf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r s ) - 1 7 艺。与前两种工艺相 比，c m o s 工艺噪声大，速率低。因此，模拟集成电路通常采用g a a sm e s f e t ，l n a i a s i n g a a s i n p h e m t ，l n ph b t ，a 1 g a a s g a a sh b t 等i i i v 族化合物工艺和双极性硅： 艺实现。 早期的m o s 丁艺只有p 型或n 型m o s 晶体管。大约在1 8 世纪8 0 年代中期，出现了n 型和 p 型的m o s 晶体管，于是出现了c m o s 工艺。但其应州远不及双极性硅和1 1 1 v 族化台物工艺。但 c m o s 晶体管只在开关转换时才产生功耗，在被运用到数字电路中后极大的降低了功耗。而且研究 人员也发现，要降低c m o s 工艺的特征尺寸( 栅长) 电相对容易。短短几年，由于低功耗、低成本等 显著优点，c m o s 工艺已经成为数字集成电路的主要工艺。后来考虑用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：f _ ! ；片上，实现在芯片系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，大大 促进了集成电路工业的发展。 随着c m o s 工艺特征尺寸不断降低，c m o s 工艺的特征频率办不断提高。对应于0 3 5 p m 、 0 2 5 9 m 、o 1 8 1 t m 的c m o s 工艺，特征频率 大体为1 2 g h z 、2 0 g h z 、5 0 g h z ，已经可以与双极性 硅和l l l v 族化合物工艺的特征频率相比。 另外，工艺的诸多改进也提高了c m o s 工艺模拟电路的性能：( 1 ) 提高有源器件的隔离度：( 2 ) 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；( 3 ) 提高无源器件的品质冈 数，例如将顶层金属加厚等。同时，c m o s 工艺相对其它t 艺容易获得，而且通过多项目晶圆 m p w ( m u l t i p r o j e c t - w a f e r ) jl 构，高校、研究所和中小型公司可以获得价格可以承受的1 二艺流片服务。 本论文将采用t s m c ( 台湾半导体制造公司) 0 1 8 p mc m o s 工艺设计用于5 g h z 无线局域网系统 的频率合成器。 东南大学硕士学位论文 鏖旦王! ! 旦! ! ! 垒型堕塑! 至垒盛鲨丝盐 1 3 集成电路的设计流程 本文采用如图1 1 所示的设计流程进行课题设计。首先收集了大量相关的文献资料，如 i e e e 8 0 2 11 a 标准，i e e e i e e 相关论文；然后根据无线局域网系统的殴计要求确定系统结构和频率 合成器采用的结构。接下来利用a g i l e n t 公司的a d s ( a d v a n c e d d e s i g ns y s t e m ) 软件进行系统级仿真 和电路设计、仿真和优化。然后采用c a d e n c e 软件进行版图设计，完成版图的一系列验证，包括设 计规则检_ 查( d e s i g nr u l ec h e c k , d r c ) ，版图提取( e x t r a c t i o n ) ，版图与电路图剥, 照( l a y o u tv e r s u s s c h e m a t i c 。l v s ) ，并将版图转化为标准的g d s l l 格式送交工艺厂家。其间，确定芯片测试方案，完 成印制电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 的设计和制造。最后芯片制造完成并切割后进行键合与测 试，并对测试结果进行详细地分析，提h5 改进方案。 东南大学硕十学位论文 图1 1 设计流程 第一章绻论 1 , 4 论文组织 本文的主要目标是设计一个可用于5 g h z w l a n 系统的高频率，低杂散的频率合成器。在接下 米的一章，将介绍w l a n i e e e8 0 2 1 l a 标准和无线局域网收发信机结构。 第三章将分析锁相环频率合成器模型，重点分析锁相环滤波器设计策略。对于环路带宽和相位 裕量对环路建立日_ j 间，杂散程度和输出相位噪声的影响将着重分析。最后，将确定环路系统采用的 结构。 第四章，确定锁相环频率台成器采用的系统结构，同时对频率合成器进行系统级的模型仿真。 模型仿真在安捷伦公司的a d s 软什环境中进行，以确定环路带宽和相关电路的一些具体性能参数。 第五章按照前述章节的理论首先进行各个单元电路设计，进而设计j u 一个完整的频率合成器。 仿真结果表明，电路的设计性能可以达到要求。同时，给出实际的芯片版图和测试结果，并对测试 结果进行相关的分析。 最后一章是对所做的设计工作的总结和将来剥电路进行改进的建议。 东南人学硕士学位论文 4 壁里王! 鱼! ! ! ! 型堕塑主鱼垡堡堡! ! ： 第二章无线局域网 现代无线局域网的概念可以追溯到上世纪7 0 年代。i b m 实验室报告说他们的红外线技术可以 用于室内无线网络。1 9 8 0 年，由于i s m ( 1 n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ：工业、科研和医疗) 波段 被美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 分配山来，w l a n 进入了新的发展 日j j 代。由丁新技术、新电路结构平u 分配的兼容频谱的不断涌现刺激了工业界，最终导致了第一代商 用的w l a n 产品在1 9 9 0 年左右出现。白此之后，对w l a n 系统的需求就一直在稳固增长。在工业 医疗界，w l a n 系统不仅方便了便携式电脑、笔记本和手持设备的无线连接，还提供医疗监测设备 的无线连接。同时，提供快速和移动的连接到配药和个人卫生保健数据库。在t 厂大楼，w l a n 系 统快速接入数据库，为运输卡车提供实时的网络接入。在教学环境中同样可咀享受w l a n 系统提供 的远程教育。 到目前为止，w l a n 系统最大的市场是家庭和小型办公区域。为了扩大实用性，w l a n 系统之 间应该西同： = 作。这样，协同工作能力需要一个普遍可以接受的标准。由于标准连续性的重要性， 首先回顺一些现存的w l a n 标准。 第一代扩频系统标准应用i s m 2 4 g h z 频段，包括i e e e 8 0 2 11 ，蓝牙( b l u e t o o t h ) ，家用射频系统 ( h o m e r f ) 。下表2 1 总结了这三个标准的重要指标【1 1 。它们全部支持在5 0 米问距内1 m b s 速率的数 据传输。它们之间最主要的区别在于监牙采刚a dh o c ( 点对点的不带接入器的网络模式) ，就是几台 带无线网卡的设备在信号覆盖范围内直接相互连接的对等网形式，如l 到2 1 ( b ) 。虽然h o m e r f 和 i e e e 8 0 2 1 1 能够兼容蓝牙专网，但是在它们的主要结构中采用a c c e s sp o i n t ( 带接入器的网络模式) ， 利用接入点的形式来控制局域网的运行，如图2 1 ( a ) 。 表2 1 第一代w l a n 标准 t e e e 8 0 2 1 1h o m e r fb l u e t o o t h 频率波段 2 4 g h zi s m2 4 g h zi s m2 4 g h zi s m 速率 l m b s 1 m b s1 m b s 功耗2 0 d b m2 0 d b m0 d b m ，2 0 d b m 接入距离 5 0 m5 0 m5 0 m 拓扑结构 a s s e s sp o i n ta s s e s sp o i n ta dh o c 东南大学碗上学位论文 5 第二章无线局域网 ( a ( b ) 图2 。1 网络拓扑结构：( a ) a c c e s s p o i n t ，( b ) a d h o c 在美国，已经为高速率无线通讯分配了免许可证信息基础频段( u n l 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 ) 。如图2 , 2 所示，这个频段提供的3 0 0 m h z 频谱包括两部分：一个 2 0 0 m h z ( 5 15 - 5 3 5 g h z ) 的频段和一个 0 0 m h z ( 5 7 2 5 5 8 2 5 g h z ) 的频段。 科i p 暮8 l a nu n j 5 155 + 3 05 ，3 55 7 2 55 8 2 5 ：g h z 图2 2u n i i 和h i p e r l a n 频率波段 在u n i i 波段的w l a n 标准是i e e e 8 0 2 】l a 标准。与i e e e 8 0 2 】l a 兼容的无线局域网系统通过 使用正交频分复用( o f d m ) 技术提供、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b s 的速率。 通常，无线局域网需要提供超过l o m b s 的速率以与现在的有线网络竞争。i e e e 8 0 2 1 l b 标准在 i s m 2 4 g h z 频段可以提供高达11 m b s 的速率。 欧洲在5 g h z 频率范围内可以提供超过2 0 m b s 速率的w l a n 标准是高性能射频局域网 ( h i p e r l a n ) 。该标准使用多调频的专门技术，允许超过单节点的射频范围进行无线连接。一个 h i p e r l a n 节点要么是转发者，要么是非转发者。一个非转发点仅仅是接收数据包，而转发点则是 将收到的数据包转发给邻近的终端。 w l a n 至今仍然没有被普遍接受的标准。正在研发中的新标准，仍然在努力提高服务质量，降 低系统成本，提高速率，因为工作在现存频谱中的系统应该运行在具有很强干扰的恶劣环境中。下 东南大学硕士学位论文6 些生主! ! 坠兰! 型塑塑兰鱼堕堂堡生 面将重点介绍一_ 卜仍然在不断完善、前景非常广阔的i e e e 8 0 21 1 a 标准。 2 1 无线局域网标准i e e e 8 0 2 1l a 1 9 9 7 年，f c c 释放的u n i i 频段( 频段波段5 g h z 到6 g h z ) 为无线局域网应用获得很大的可用频 谱( 频宽达3 0 0 m h z ) ，使得无线局域网系统可以为多媒体应用提供高达几十m h z & 的速率。i e e e 8 0 2 1 l a ”j 将此3 0 0 m h z 分成三个互不交迭的1 0 0 m h z 频段，每段都规定不同的最大输出功率。“低 端”5 1 5 5 2 5 g h z ，最大功率为5 0 m w ，“中端”5 2 5 5 3 5 g h z 为2 5 0 m w ，“高端”5 ，7 2 5 5 8 2 5 g h z 为1 w 。信道规划如图2 3 所示 1 ，中低频段存在8 个信道，高频段4 个，共计1 2 个信道。在低频 段，最外围的信道中心频率距离波段边缘有3 0 m h z 的频宽，在高频段有2 0 m h z 的频宽。每个信道 分为5 2 个子载波，相邻子载波相差大约3 0 0 k h z 。信道中心频率与信道编号存在的关系如下： 信道中心频率= 5 0 0 0 + 5 “n c h ( m h z )( 2 1 ) 其中，n c h = 3 6 ，4 0 ，4 4 4 8 ，5 2 ，5 6 ，6 0 ，6 4 ，1 4 9 ，1 5 3 ，1s 7 ，1 6 1 。 3 0 v l h z 、 ，j3 m 搠飘 5 1 5 05 1 卿05 2 2 0 5 2 4 05 捌5 2 8 0 锄5 女05 3 5 7 2 5曰牾玎6 55 7 娟5 8 皓5 8 巧 图2 3i e e e 8 0 2 1i a 信道规划( a ) 下边带( b ) 上边带 8 0 2 1 l a 标准使用正交频分复用技术( o f d m ) ，采用的调制方法有二进位相移键控法( b p s k ) ，止 交相移键t 擞( q p s k ) ，1 6 正交调幅和6 4 正交调幅，如表2 2 所示。 东南大学硕士学位论文 兰三主垂垡旦墨型 表2 2 i e e e 8 0 2 11 a 标准中传输速率和调制方式关系 速率( m b s 1调制方式 6b p s k 9 b p s k 1 2 q p s k 1 8 q p s k 2 4 1 6 - q a m 3 6 1 6 - q a m 4 8 6 4 - q a m 5 4 6 4 一q a m 8 0 21l a 标准对灵敏度的要求归纳在表2 3 中，它依赖于信号速率、调制方案和编码技术。为达 到所有不同速率对灵敏度的要求，8 0 2 1 l a 建议噪声指数为1 0 d b ，包括5 d b 的实现裕量。 表2 3i e e e 8 0 2 1l a 标准中灵敏度要求 速率( m b ，s )灵敏度( d b m ) 6 8 2 9- 8 i 1 2 。7 9 1 87 7 2 47 4 3 6 - 7 0 4 86 6 5 46 5 无线局域网系统中，系统动态范围与接收机的灵敏度一样，同样依赖于能够成功解码的最大信 号电平。对于长度为要求1 0 0 0 比特的物理子层数据米说，接收机要求检测高达3 0 d b m 的信号，同 时低丁1 0 的包错误率。为判断信道是否忙，接收信号的强度必须监测出来。 东南大学硕上学位论文 堕旦! 鱼旦! ! ! 型堕塑兰鱼盛量堡盐 2 2 无线局域网收发信机结构 图2 4 是一个典型的无线收发信机结构概略图”1 。在发送机中，输入的数据被载波信号c o s ( o c t 调制，通过无线媒介传输。在典型的外差式接收机中，接收的信号首先经低噪声放大器l n a ( l o w n o i s ea m 洲n e r ) 放大，然后与本振信号混频，下变频到一个降低的中频。最终，解调器将收到的信 息检测出来，产生输出数据。 t r n m 眦b f 图2 4 无线收发信机结构概略图 设计一台无线收发机的第一步是选择一个合适的结构。因为无线通讯环境，尤其是在市区尤为 恶劣，对无线收发机的没计强加了诸多苛刻的限制。在无线局域网系统中最重要的约束条件可能是 分给每个子频段的频宽( 只有3 0 0 k j h z ) 。在图2 4 中，发射机必须使用窄带调制、放大和滤波来避免 信号泄漏到相邻信道。而接收机则必须在处理接收信道信号的同时对邻近的强干扰进行足够的抑制。 由于在接收信号中伴随着很强的带内干扰信号，因此低噪声放大器和混频器的线性度就变得非常重 要。在设计收发信机时的另一个重要考虑因素是信号的动态范围。由于多径衰落和路径损失，接收 信号的动态范围一般要大于1 0 0 d b 。最后一个考虑的因素跟功率放大器有关。近年来设计射频收发 机时，功率放大器采用周期性开关以节约能耗。然而，由功率放大器开关产生的瞬态电流( 峰值可达 几安培) 在电源上引入了很大的噪声，在典型的电源输出阻抗上可能改变电源的电压达几百毫伏。因 此，在收发机的所有电路中降低噪声敏感性和对电源噪声抑制变得十分重要。 2 2 1 接收机结构 下面将首先讨论接收机主要的四种结构吼 1 超外差接收机 在传统上，由于优越的选择性和高灵敏度，无线接收机通常选择超外差结构。图2 5 是典型的 超外差结构。在这种结构中，中频知- 韵选择是个很关键的考虑因素，需要在诸多性能折中的情况f 决定，如镜像抑制和半中频问题。不过，在射频系统中，如果没有高选择性的片外滤波器，通常很 东南大学硕士学位论文 第二章无线局域网 难发挥超外差接收机的优势。因此，经常使用其它替代性的结构来实现高度集成的系统。 2 零中频接收机 不同于超外差接收机那样要将接收的信号首先转换到中频信号再转换成基带信号，零中频结构 将接收到的信号直接转换成基带信号，如图2 , 6 所示。因此，在这种结构中，消除了超外差结构中 镜像抑制的问题。但是，它也有诸多的缺点，如信道选择、直流偏移、i q 失配、偶次谐波失真、 1 圹噪声( 又称闪烁噪声) 和本振泄漏等等。不过由于结构简单，非常适用于宽带信号应用中。 图2 5 超外差接收机 l o ( 1 亡 嗡黼 图2 6 零中频接收机 3 镜像抑制接收机 镜像抑制结构的思想是分别处理有用信号和镜像信号。通过增加相反的镜像信号来取消镜像。 通常，镜像抑制结构有两种结构形式：哈特莱( t a r t l e y ) 结构和交织( w e a v e r ) 结构。图2 7 是一个典 型的交织结构。这两种结构的共同缺点就是由于增益和相位失配不能完全抑制镜像。虽然交织结构 避免了增益不平衡的问题，但是，如果第二次下变频将频谱移到非零频率上时，将产生二次镜像的 问题。同时，从一次中频到二次中频的变换过程中，第二本振信号的喈波可能被下变频为无法过滤 的干扰信号。交织结构的一个主要优点就是非常便= 】二频率合成器的在片集成。另外，由于第二本振 可以设置为较低的频率，n i l g e 口使在片无源器件性能较差仍可以达到较好的相位噪声性能。因此， 东南大学硕士学位论文 1 0 应用于5 g h z w l a n 的频率合成器设计 当无线通讯系统有很苛刻的相位噪声的要求时，交织结构仍然很适合在单片集成的接收机中的应用。 l 捣f ) 图2 ，7 镜像抑制( 交织结构) 接收机 4 数字中频结构 一个避免产生与直流偏移和闪烁噪声相关问题的方法是在中频进行模数转换。通过使用数字电 路技术，将信号从中频下变频到基带，同时进行随后的放大和滤波。这样，因采用模拟技术而产生 的问题就可以避免。不过，由于模数转换速率的限制，这个方法只限。 二在低中频使用。基于这种技 术的接收机结构称为数字中频结构，如图2 8 所示i 。由于同样遇到镜像抑制问题，数字中频结构 局限于在距有用信号频偏较小、镜像抑制要求不太严格的情况下应用。 图2 8 数字中频接收机 表2 4 总结了四种接收机结构的优缺点。 东南大学硕士学位论文 第二章无线局域网 表2 4 四种接收机结构的优缺点总结 优点 缺点 超外差结构优异的选择性和高灵敏度分立元件多 零中频结构 射频元件少 直流偏移和闪烁噪声 镜像抑制结构便于低相位噪声本振的集成直流偏移和闪烁噪声 射频元件多 镜像抑制因为增益和相位 失配受到限制 数字中频结构射频元件少模数转换速率要求很高 避免了与直流偏移和闪烁噪声相关问题镜像抑制因为增益和相位 失配受到限制 2 - 2 2 发射机结构 表2 4 四种接收机结构的优缺点总结 射频发射机执行调制、上变频和功率放大功能。因为在发射机中诸如噪声、干扰抑制和波段选 择性等性能要求远没有接收机严格，不像射频接收机有多种实现方法，发射机主要有2 种结构 4 1 ： 1 零中频发射机 在发射机中，如果发射载频和本振频率相同，这种结构称为零中频发射机，如图2 9 所示。这 种结构主要的缺点是发射机本振会受到来自功率放大器信号的干扰。如果采取措施，将功率放大器 的输出频谱远离本振频率，这种干扰将得到改善。 t o f c ) 图2 9 零中频发射机 2 二次变频发射机 在发射机中，分两步( 甚至更多步) 将基带信号上变频。这样功率放大器输出频谱远离本地振荡 器频率，可降低千扰，这种结构如图2 1 0 。它的优势在于正交调制在较低的频率上，i 和q 正交信 东南大学硕+ 学位论文 些旦主! ! 坚! ! ! ! 型塑塑兰鱼些堂鲨生 号匹配性好。难点在于在二次上变频后的带通滤波器必须对不需要的边带进行强抑制，通常要高达 5 0 到6 0 d b 。 最后，在选抒收发机结构时，应该仔细考虑具体实现性能的要求。由于收发机需要精确的本振 信号来进行准确的频率变换，而本文就致力于产生这些本振信号。因此在接下来的章节，将首先讨 论产生这些射频信号的合成器的基础理论，再决定系统的结构。 2 3 总结 u 船 l o l 一国事 q p _ j 图2 1 0 二次变频发射机 r f l n 6 本章讨论了无线局域网系统的历史及它的一些应用实例。简要总结了现有的w l a n 标准的指 标，包括低速率和高速率的系统。同时着重讨论了i e e e 8 0 2 1 l a 标准。 东南大学硕士学位论文 篁三量型塑堡坚型坌堑 第三章锁相环模型分析 频率合成器几乎在所有的射频无线收发信机中都是最重要的模块电路之一。在无线收发机中， 基于锁相环( p l l ) 结构的频率合成器输出符合系统指标要求的本振信号，将中频信号上变频或将射频 信号下变频。锁相环也可用丁频率调制和解调。时钟恢复系统也采用锁相环。在本章，将集中讨论 用于频率合成的锁相环。 3 1 锁相环概述 引31 是一个典型的电荷泵锁相环。鉴频鉴相器( p f d ) 和电荷泵( c h a 唱e p u m p ) 的输出经低通环路 滤波器- ( l o o pf i l t e r ) $ , g ；波后直接控制压控振荡器( v c o ) 。而在反馈支路中的分频器( d i v i d e r ) 将v c o 的输出信号分频后与参考信号( ，劲通过鉴频鉴相器进行比较。在整数分频频率合成器中，是一个 整数。因此，相邻的本振信号频率问隔等于参考频率。而在一个小数分频频率合成器中，分频比是 个小数，冈而本振信号之间的频率间隔是参考频率的几分之一。 3 2 锁相环线性化模型 c h a n n e ls e l e c t i o n 图3 1 典型的电荷泵锁相环 一个典型的锁相环( 如图3 1 所示) 可以用相位作为变量对环路线性化，获得其小信号模型，如 图3 2 所示【5 1 。只要锁相环环路带宽远低于参考频率，也可以使用小信号模型来表示一个电荷泵锁 相环。【乜荷泵锁相环的抽样和保持特性同样也需要一个远小于参考频率的带宽以保持环路的稳定性。 东南大学硕士学位论文 应用于5 g h zw l a n 的频率合成器设计 在模型中，输入变量为相位而非电压。因此，v c o 用一个增益为k v c o 的积分器表示，鉴频鉴相器 存在增益k i f d 。在电荷泵锁相环中，k p f , 9 = i e l 2 x ，式中p 是电荷泵电流。z ( s ) 代表环路滤波器。环 路滤波器的极点数加上v c o 的基本极点，决定了锁相环的阶数。下面将着重讨论高阶锁相环路的 环路特性。 3 2 1 二阶锁相环 阕3 2 锁相环线性化模型 在二阶锁相环中，通过在环路中引入一个额外的积分器( 二类锁相环) 可以迫使静态相位差为0 。 图3 3 展示了一种在电荷泵锁相环中增加一个积分器的方法。通过对电荷泵电流的积分，电容c 提 供了额外的积分器。甚至，cr 和r t 结合在一起在一i r i c i 处产生了一个零点，该零点提高了相位裕 量。在二阶环路中，输入输出相位传输函数是： 等= m k 羔s v i e sk 妒，0 ) + + 式中，k = k p k , 。, m c l ，t = r 】c 1 。 d o w n + ( 3 1 ) =!： 图3 3 二阶锁相环中环路滤波器的无源屯路实现 相对于阶锁相环，二阶锁相环中增加的极点趋向于增加环路建立时间。对于快速调频系统米 说，频率合成器需快速转换到各个频率，尤其需要考虑建立时间的大小。通常，锁相环通过调整乘 东南大学硕士学位论文 m 弘 莘 广卜剑r 第三章锁相环模型分析 法因子m 改变频率。假设在t = - 0 时，m 有一个微小的改变m ，z ( s ) 为滤波器输出阻抗，则输出的 频率等于1 1 ，一1 ： 删2 超删 z 端k v ( + 丝m r - f l l 十一l ，i s j 瓦。z l“7 s + = 一 ( 3 2 ) 相乘部分( i + a m m ) 可以看作参考频率在t = - 0 时的阶跃变化 , m m 。简化后，则输出频率为 趔：吖+ m + 戒 a m e 2 咖卜孵一s 。1 蚓 ( 3 3 ) 假设初始输出频率是岣：，最终值是q 丹m 矿，那么达到频距在a 倍最终输出频率之内的瞬态 时间是： 口+ ) = a m r g 。一7 5 2 脚仃爿 ( 3 4 ) 这里， 2 是二阶锁相环的建立时间。跨越频率越大，那么环路越快，建立时间越短。为了对这 种关系进行定量分析，首先应该注意到二阶锁相环的跨越频率是： 。z = k 2 z 2 + 4 k 4 z - 4 + 4 k 2 2 ：硝r c ，s ， 式中 东南大学硕士学位论文 1 璧旦重! 鱼坚! 兰! 型竺塑至鱼些堡垡生 因此，这里将( 3 4 ) 重新定义为 t s 2 f 2 尬凡爿 ，2 a1 。f 尘 。2l m 口j ( 3 6 ) 这样就决定了建立时间与跨越频率之间反向的依赖关系。如果重复前面对一阶锁相环的分析 可以得到： 丛堕：m + m + 。也， | 白z 去- n ( 舞 。， 这里，i 和纰j - 昂墨。m 分别是一阶锁相环的建立时间和跨越频率。公式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 表明，对 在分析中，已经假定二阶锁相环线性模型总是稳定的。不过，对于电荷泵锁相环来说，只要跨 越频率远小于参考频率，线性模型总是有效的。在实际应用中，因为电荷泵锁相环的抽样和保持特 何失配都将在每个相位比较周期造成v c o 控制电压的突然跳变。这样，在输出中将产生很大的杂 散谐波。因而，通常在环路滤波器中增加一个电容，如图3 4 所示，防止v c o 控制电压的跳变，同 3 2 2 三阶锁相环 三级锁相环中增加的极点可以提供更多的杂散抑制。不过，与该极点相关的额外的相位滞后带 米了稳定性问题。因此，环路滤波器必须精心设计，在保证环路稳定的同时提供足够大的滤波。图 3 4 中环路滤波器传递函数为： 荆2 季 n 8 ， 东南大学硕士学位论文 第三章锁相环模型分析 u d d o w n 肚等东 一t a n 。一潞 c 3 = 丽厅 。一1 陋) 1 恃 因此，最大相位裕量只是b ( c 1 妈) 的函数。当b 小丁- 1 时，相位裕量小于2 0 。( 图3 5 ) 对环路进行进一步分析，当迫使。= i 石r 时，可以得到 k ：v 引c o l p ( 川b b _ = 瓜 东南大学硕_ 上学位论文 啪夸 ” 劫 不 ” b 泔 应用于5 g h zw l a n 的频率台成器设计 ? ，一。一一 ，一一一 f i 口51d 1 52 02 53 d c 1 c 2 图3 5 三阶锁相环中最大相位裕量与c 1 c 2 的关系曲线 对于三阶环路来说，建立时间分析起来很繁琐。总的来说，环路建立时间与分频系数平均变化 值( m 彻成正比关系，即m 越大，建立时间越 乏。可以通过仿真得出，对所有跨越频率来说，当 p m 。5 0 。( b 。6 5 ) 时，建立时间最小”。同时，当相位裕量在4 6 。与5 2 。之间( 5 b 8 ) 时，建立时间只 增加了3 0 。对每一个相位裕量来说，建v ca f n j 总是和跨越频率成反比关系。当( z 伽 o0 4 、 2 0 。 p m 7 0 。时，州以用r 面的经验性公式估计建立时间，精度达到l o p p m ： 幻= 罢删2 - 0 6 3 0 3 p m 一8 】 这里，p m 是度数，可用公式31 2 计算。根据公式( 3 1 4 ) ，当相位裕量在3 0 。至7 0 。之间变化时， 建立时间的变化为： i 5 5 旦氩5 旦 q 3嗥3 ( 3 1 5 ) 在快速跳频锁相环系统中，为了减少建立日_ j 间，设计相位裕量为5 0 。的环路滤波器二作常重要。 正如前面所提到的，在环路中增加第三个极点的主要原因就是降低杂散谐波。二阶锁相环闭环 输入输出相位函数为： 吐，( ，)k p 芷。z ( s ) ，+ 生苎竺z “1 m 、7 式中， 甄s ) 为二阶环路滤波器阻抗( 公式3 _ 8 ) 。图36 就是在相位裕量5 0 。时，输入