（电路与系统专业论文）用于无线局域网的低噪声放大器研究与设计.pdf

i i i i i 1 1 11 i i i t li lli l l l1 1 1 11iii ! y 17 5 3 5 2 8 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：銎盘日期：z 2 i 翌：里 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：皇匿! 堑导师签名： 神 日期：丝蟹r 摘要 摘要 近十几年来，随着人们对无线通信的需求日益扩大，无线通信网络正得到迅猛发展， 全球个人手持通信和无线局域网( w l a n ) 也在不断发展，对应的无线收发机设计成为了 研究热点。低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r ，l n a ) 作为接收机的第一级，除必须要具 有低噪声、高线性度外，还应对输入源表现为一个特定的常常为5 0 f 2 的输入阻抗以利于 匹配，并在低功耗的条件下实现上述要求。 本文在介绍接收机结构、类型及性能指标的基础上，比较和总结了当前广泛应用的 各种l n a 电路结构、原理及性能优缺点。以共源共栅结构的电感源极负反馈l n a 为例 对其增益、噪声系数、线性度和稳定性进行分析，给出了演算过程和估算式，并由此得 到对这些参数进行优化的方法。 对于应用于i e e e8 0 2 1 l bw l a n 的接收机，本文采用s m i c0 1 8 1 a mc m o s 工艺设 计了一个差分共源共栅型l n a 。对l n a 输入共源管尺寸进行了优化选择，并对匹配网 络中的元器件参数进行推算，推算结果用仿真软件进行了验证。电路的后仿真结果表明： 1 8 v 电源电压下，l n a 在2 4 g h z 频率处输出最大电压增益为1 8 d b ，此时噪声系数为 2 3 d b ，电流为7 5 m a 。此l n a 已流片并进行了测试，测试结果表明：1 8 v 电源电压 下，电压增益与后仿真结果相比下降6 d b ，噪声系数为5 6 d b ，芯片的功耗为9 m w 。 本文采用g a a sp h e m t 工艺设计的l n a 同样应用于i e e e8 0 2 1l bw l a n 。设计该 l n a 需要注意的问题是该工艺的特殊性。稳懋g a a sp h e m t 工艺库中的晶体管为耗尽 型晶体管，因此要达到相同的性能，与增强型的晶体管相比需要更大的功耗。由于该工 艺没有提供后仿的模型，因此用a d sm o m e n t u m 软件对电路进行了电磁仿真。仿真结 果表明，该放大器工作在2 4 g h z 的中心工作频率下时，输出最大电压增益为2 0 d b ，此 时噪声系数为0 9 3 d b ，o p l d b 是1 0 d b m ，在3 3 v 电源电压下消耗电流4 2 m a 。 关键词：互补型金属氧化物半导体，砷化镓，低噪声放大器，无线局域网，电磁仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t o v e rt h el a s td e c a d e s ，a st h eg r o w t ho fd e m a n do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa r eb e i n gr a p i d l yc o n c e m e da n dd e v e l o p e d ，s u c ha sh a n d h e l d g l o b a lp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma n dw i r e l e s sl a n ( w l a n ls y s t e m a st h ef i r s t b l o c kt h a tas i g n a lf e df r o ma n t e n n a , l n a sa r er e q u i r e dt ob el o wn o i s ea n dh i g hl i n e a r i t y , a n d m u s tb e h a v es p e c i f i ci n p u ti m p e d a n c et ot h es o u r c e ( s i n ) t og e tt h ei m p e d a n c em a t c h i n g ， w h i c hi st ob ef u l f i l l e dw i t hl o wp o w e r i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n ds p e c i f i c a t i o n so fr e c e i v e ra r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h e n , ac o m p r e h e n s i v es u m m a r ya n dc o m p a r i s o n so ft h ec u r r e n tl n ac i r c u i ta r ep r e s e n t e d w h i c hc o n t a i n st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e s ，b o t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si np e r f o r m a n c e a n d c i r c u i t r y r e a l i z a t i o n a sa i l e x a m p l e t h es i n g l e e n d e d c a s c a d e i n d u c t i v e l y s o u r c e - d e g e n e r a t e dl n ai sa n a l y z e d , t h eg 嘁n o i s ef i g u r e a n dl i n e a r i t yo fl n aa r e c a l c u l a t e da n dt h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so ft h e ma r ed e r i v e d a c c o r d i n gt ow h i c h , t h e o p t i m i z a t i n gm e t h o dt oi m p r o v et h e s ep a r a m e t e ra r ed i r e c t e d f o rt h el n ao fr e c e i v e ri ni e e e8 0 2 1 1b 、l a na p p l i c a t i o n , t h i st h e s i sp r e s e n t st h e c i r c u i td e s i g no fac a s c o d ei n d u c t i v es o u r c ed e g e n e r a t i o nl n aw i t hd i f f e r e n t i a ls t r u c t u r ei n s m i c0 18 p mi 江c m o sp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nt h e s i s ，c h o o s eap r o p e rs i z e o ft h et r a n s i s t o r , a n dc a l c u l a t et h ev a l u eo ft h ed e v i c ei nt h em a t c h i n gn e t w o r k , t h e nv e r i f i e d b y 也es i m u l a t i n gs o f t w a r e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nu n d e rc a d e n c es h o wt h a t ：t h em a x i m u m f o r w a r dg a i ni s18 d ba tt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f2 4 g h 乙w h i l et h e 3 d bb a n d w i d t ho ft h e l n ai sa b o u t3 0 0 m h z , n o i s ef i g u r ei s2 3 d b i i p 3i s 17 6 d b mw h i l ec o n s u m i n g7 5 m a c u r r e n tf r o ma1 8 vp o w e rs u p p l y m o r e o v e r , t h eu n aw a sc h i p o u ta n dt e s t e d 1 1 1 e m e a s u r e m e n to ft h ec h i ps h o wt h a tt h el n a o p e r a t e sa tt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f2 4 g h 乙t h e m a x i m u mf o r w a r dv o l t a g eg a i no f14 d b ，n fo f5 6 d b ，w h i l ec o n s u m i n g9m w ：i tc a nb es e e n l a tt h ec u r r e n to ft h el n ai ss m a l l e rt h a n 也ep o s t s i m u l a t i o nr e s u l t t h el n af o ri e e e8 0 2 1 l bw l a na p p l i c a t i o n sd e s i g n e dw i mw i n so 1 5 9 mp h e m t p r o c e s sa d o p t ss i n g l e e n d e d c a s c o d es t r u c t u r e s i m u l a t i o nu n d e ra d v a n c e d d e s i g n s y s t e m ( a d s ) s o f t w a r es h o wt h a tt h em a x i m u mf o r w a r dg a i ni s2 0 d b ，n o i s ef i g u r e i s 0 9 3 d b ，o p l d bi s1 0 d b ma tt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f2 4 g h zw h i l ec o n s u m i n g4 2 m ac u r r e n t f r o ma3 3 vp o w e rs u p p l y b a s e do nt h et e c h n i q u ed o e sn o tp r o v i d ep o s t - s i m u l a t i o nm o d e l l i b r a r y , t h el n ai sc a r r i e do u ta l le l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nt ov e r i f yt h el a y o u tb yu s i n g m o m e n t u mt o o l su n d e ra d ss o f t w a r e k e y w o r d s ：c m o s ，g a a s ，l n a ，w l a n ，e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n i i i 目录 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 第1 章绪论 l - l 1 2 1 3 1 4 i i i 、， 1 课题背景1 相关工艺介绍2 1 2 1 c m o s 工艺2 1 2 2g a a sh e m t 工艺3 论文的主要工作4 论文的组织安排5 第2 章 无线局域网射频接收机概述7 2 1 无线局域网技术概述7 2 1 1i e e e 8 0 2 1l 标准8 2 1 2 无线局域网的应用8 2 2 射频接收机结构。9 2 2 1 超外差式接收机( h e t e r o d y n er e c e i v e r ) 9 2 2 2 零中频接收机( z e r o i fr e c e i v e r ) l1 2 2 3 二次变频宽中频接收机1 2 2 2 4 二次变频低中频结构。1 3 2 - 3i e e e8 0 2 1 l b 射频接收机系统性能指标1 4 2 3 1 噪声15 2 3 2 线性度15 2 3 3 灵敏度。l8 2 3 4 动态范围18 第3 章 低噪声放大器概述和性能分析2 1 3 1 l n a 概述2 1 3 1 1l n a 在射频接收机中的重要性2 l 3 1 2 l n a 设计综述2 l 3 2 l n a 的结构2 3 3 2 1 l n a 几种放大电路结构比较2 3 v 东南大学硕士学位论文 3 2 2l n a 常见的几种输入匹配方式比较。2 5 3 3共源共栅放大结构l n a 的性能指标分析和优化2 8 3 3 1 输入匹配。2 8 3 - 3 2 增益分析3 0 3 3 3 噪声分析j 。3 2 3 3 4 线性度分析3 4 3 3 5 稳定性分析3 7 3 4 低噪声放大器的噪声优化3 7 3 4 1 固定增益求最小噪声系数3 9 3 4 2 固定功耗求最小噪声系数4 0 第4 章c m o s 低噪声放大器的设计 4 1 4 1 c m o s 低噪声放大器的实现4l 4 1 i l n a 的指标要求4 l 4 1 2 结构选取。4 2 4 1 3 主放大电路电路部分设计。4 3 4 1 4 工作电流设置4 j 4 4 1 5 偏置电路设计4 5 4 1 6 输入匹配电路设计4 6 4 1 7 输出匹配电路设计j 4 7 4 2 r fc m o si 艺的器件特性4 8 4 3 l n a 的版图设计4 9 4 4 u 、i a 的仿真5l 4 4 1l n a 版图后仿真结果5 1 4 4 2l n a 的前仿真与后仿真结果比较5 3 4 5 l n a 的测试5 3 4 6 第5 章 5 1 5 2 5 3 4 5 1l n a 测试方案和结果5 4 4 5 2l n a 测试结果分析5 9 4 5 3 改进方法5 9 本章小结6 0 g a a sp h e m t 低噪声放大器的设计6 1 w ng a a s 工艺介绍。6 l m m i c 工艺流程6 2 电路结构设计6 3 5 3 1 匹配及偏置电路设计6 4 目录 5 3 2 电路稳定性分析6 5 5 3 3匹配网络的设计6 5 5 4 仿真结果6 6 5 4 1 电路的前仿真6 6 5 4 2电磁仿真6 7 第6 章总结与展望 参考文献 致谢 附录 v i i 7 l 7 3 7 5 7 7 ，豢 t 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 近十几年来，通信技术以惊人的速度在发展，而射频无线移动通信技术的发展显得 尤为迅猛。如今无线通信已经不仅仅局限在手机，计算机也实现了无线通信，其中的主 要代表是笔记本电脑和手持个人数字助理p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) ，因此无线通 信分为两种：一为移动电话系统，可以在一定范围内对移动的设备进行漫游追踪；另一 种则是小范围内站式的无线系统，可以联系在此范围内的多个无线设备，例如蓝牙和无 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 ) 【1 1 。 现有常用的无线局域网包括i e e e8 0 2 1 l a ，i e e e8 0 2 1 l b ，i e e e8 0 2 1 1 9 和蓝牙标 准等，8 0 2 1 l b 提供1 1 m b p s 的速率，理想情况下可以覆盖1 0 0 米的距离，缺点是产品的 功耗较大，价格较高，相邻频道存在相互干扰，导致网络的容量的有限；8 0 2 1 l g 的速 率提高到5 4 m b p s ，但组网成本高，协议开销大，并且需要接入点；蓝牙的速率是1 m b p s ， 通讯距离为1 0 米，缺点是通信距离短、功耗较大。 本论文研究了基于无线局域网8 0 2 1 l b 标准设计的l n a ，整个电路工作在2 4 g i - i z 的中心频率上，3 d b 带宽大约为3 0 0 m h z 的窄带放大器。现有实际的a d c 因为采样速 率与动态范围的限制，无法直接处理由天线接收到的微弱高频电波信号，必须利用射频 接收机将信号降低至低频并放大至a d c 能处理的范围。微弱的信号会受到接收机电路 本身产生的噪声影响而降低其信噪比，因此必须在接收机的前级加上一级低噪声放大 器，减少后级电路噪声对信号的影响。作为接收通道的关键前端电路，c m o s 射频低噪 声放大器自然是其中一个重点研究域【2 1 。 由于g a a s 工艺具有高的截止频率、高增益以及相对较低的噪声系数等优越性能， 使得它在射频电路中占据了一定的地位。随着g a a s p h e m t 工艺的发展，用p h e m t 工艺可以实现小于l d b 的单片集成的l n a 。目前利用p h e m t 工艺制作的l n a 已经广 泛应用于微波通讯系统，因此本论文还采用g a a s 工艺制作了一个应用于w l a n 的低噪 声放大器，对m m i c 电路的制作过程进行的了研究。 由于制作低噪声放大器要考虑到对于下级电路的连接以及整个接收机的性能，因此 东南大学硕士学位论文 在设计低噪声放大器之前对射频接收机的工作原理进行的研究。射频在无线电传输应用 中指的是1 0 k h z 至i o g h z 的频率范围。在无线通讯系统中，收发模块组成了整个系统 的前端电路。对接收系统而言，射频信号通过天线接收到以后通过低噪声放大器l n a ( l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 、压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ) 、混频器( m i x e r ) 所 组成的下混频器，将射频信号下变频成为中频信号。 在l n a 的设计过程中有许多依旧存在并且需要解决的问题。首先，降低l n a 的功 耗是设计过程中的首要问题。因为在无线通讯应用中，电源的供电大多来自电池，电池 的使用时间是十分重要的指标，要降低电池的使用时间，就必须降低电路的功耗，而在 射频接收机前端中l n a 消耗的功率占了相当大的比例。 其次随着工艺特征尺寸的下降，短沟道效应使l n a 的设计更加复杂，使得器件的 噪声系数增大。低的偏置电压可以克服高场强带来的高噪声，但偏置电压太低又会使得 l n a 的增益下降，线性度变差。 因此，设计l n a 的过程是在各种相互牵制的参数之间做出折中和取舍的过程，在 低功耗的情况下设计出高性能的l n a 是一个重要课题。 1 2 相关工艺介绍 射频集成电路对使用的工艺有特殊的要求，使用不同的工艺往往采用的设计方法和 电路结构实现也不同，版图的布局布线也和工艺有很大的关联。 1 2 1c m o s 工艺 金属一氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 的概念来源于j e l i l i e n f e l d 在1 9 3 0 年申请的专利。然而由于制造技术的限制，m o s 技术走向使用的时间比较晚，在2 0 世 纪6 0 年代初期，早期的几代产品是n 型的。2 0 世纪6 0 年代中期发明的互补m o s ( c m o s ) 器件( 即同时采用n 型和p 型晶体管) ，引起了半导体工业的一场革命【3 j 。 随着硅平面工艺的不断进步，采用c m o s 工艺已经能够实现高q 值的无源器件， 这使得采用c m o s 工艺来实现高性能的射频集成电路成为可能。本次设计的r f i c 电路 中主要用到的无源元件包括电阻、电容和电感，其中在片电感的设计成为设计l n a 的 关键之一。在目前的工艺水平下，在片实现高q 值的大电感仍然是一个技术难题，因此 低q 值的电感中自带的寄生电阻参数大大影响了l n a 的噪声性能，使得单片集成的 l n a 噪声性能更加受到影响。射频集成电路中的电容主要包括p n 结电容、m o s 电容、 2 第1 章绪论 m i m ( 金属- 电介质金属) 电容等，其中以m i m 电容在射频电路中的应用最多，它可以用 于匹配网络，同时具有滤波和隔直等作用。如图1 1 所示为标准c m o s 工艺截面图。 图1 - 1c m o s 工艺截面图 电路的主要噪声源来源于m o s 管，因此研究它们对于电路的噪声性能的影响很有 意义。本论文中c m o sl n a 的设计采用了s m i co 1 8 1 a mc m o s 工艺，该工艺提供了 1 8 v 和3 3 v 的晶体管，以及i u 晶体管( r f 器件模型的特点在第4 章有比较详细的交代) ， 可以通过改变它们的尺寸和叉指数使得电路的参数性能得到调整。随着c m o s 工艺的 发展，特征尺寸不断减小，噪声m o s f e t 的截止频率越来越高，因此m o s f e t 的高频 蠢 特性十分重要。在高频特性中速度和噪声性能尤其重要。 1 2 2 g a a sh e m t 工艺 由于分子束外延技术在材料领域得到广泛应用，多种新颖的器件应运而生， 二 脏m t ( 高电子迁移率场效应晶体管) 就是其中之一。h e m t 是一种场效应器件，它的工 作特性非常类似于m e s f e t 。h e m t 与m e s f e t 的差别在于h e m t 使用了一个垂直的结 蠢 构，在其中合并了多层不同的材料层，选择这些不同的材料用于形成器件的沟道，使沟 道中的电子与其母体施主原子在物理空间上分开。这样降低了离子化杂质对电子的散射 作用，提高了电子的迁移率 3 1 。另外，高电子浓度区成形在一个明确定义的平面上，并 接近于材料结构的表面。 g a a s 高电子迁移率晶体管( g a a sh e m t ) 结构如图1 2 所示，它具有高功率增益、 高效率、低噪声等特点，其工艺和g a a s 金属半导体场效应晶体管( m e s f e t ) 兼容，因 此，h e m t 器件将逐渐取代m e s f e t ，在微波毫米波功率应用中越来越引人注目，其中 赝配高电子迁移率晶体管( p h e m t ) 的表现尤为特殊。在工作机理上，g a a sf e t 是通 过栅极的肖特基势垒来控制导电沟道的宽窄，从而达到控制漏极电流的目的，控制作用 发生在整个有源层：而h e m t 和p h e m t 是通过肖特基势垒来控, i j n 一维电子气的浓度， 从而达到控制漏极电流的目的，控制作用最灵敏的位置在二维电子气的部位。除此之外， 东南大学硕士学位论文 两者同时具有耗尽层，具有夹断特性，可用同样的方法来分析它们的特性。 sgd 当口左 n a l g a a s 一一一一t 未掺杂i n g a a s 未掺杂g a a s 半绝缘g a a s 衬底 棚a a s d e g 图1 - 2g 以s p h e m t 层结构 p h e m t 相对于普通的h e m t 有以下优点：( 1 ) 由于增加了h g a a s 层为传输层材料而 从而消除了深电子陷阱( d x 中心) 的影响，可使器件在更低的温度( 如7 7 k ) 下工作。( 2 ) 显著降低了与产生复合噪声有关的陷阱，从而降低了l 噪声。( 3 ) p h e m t 的薄层载流 子密度比常规h e m t 高两倍，因而能够提供更大的电流密度。( 4 ) 在i n g a a s 层中的电子 迁移率和速度也比常规h e m t 高，有利于提高工作频率。( 5 ) 由于量子阱的作用，改善 了载流子的限制状态，从而能降低输出电导，有利于提高增益。 本论文中采用g a a sh e m t 工艺设计的l n a 采用了稳懋的p l l 5 1 0o 1 5 p mg a a s p h e m t i 艺。该工艺只提供耗尽型的晶体管，跨导最大值为5 5 0 m s m m ，电流密度最大 为5 0 0 m w m m ，提供了空气桥和蚀刻孔两种连接方式。两层金属连接线最大可提供 1 0 m a d m m 的电流。该工艺的截止频率很高，噪声系数和温度稳定性性能优越，但耗尽 型的晶体管往往需要更大的功耗。 1 3 论文的主要工作 在查阅了大量国内外前沿论文之后，本论文设计和实现了应用于无线局域网的射频 低噪声放大器分别使用了c m o s 、g a a s 二种工艺，对电路从结构选取、电路设计、版 图设计以及流片和测试进行了研究。论文的主要工作包括以下几点： 1 对单端共源共栅低噪声放大器的增益，噪声系数和线性度给出演算过程和估算 式，并根据估算式的结果给出改善的这些参数的方法。 2 给出c m o s 差分共源共栅低噪声放大器电路设计、版图设计以及流片测试的过 4 第1 章绪论 程，对仿真结果和测试结果进行了比较和分析。后仿真结果表明电路的增益为1 9 d b ， 噪声系数为2 3 d b ，输入三阶截点为1 7 6 d b m ，测试结果表明流片结果朝s s 工艺角偏， 直流电流下降，造成s l l 有所恶化，又因为在片电感q 值模型的不准确，导致$ 2 2 的 恶化，导致增益下降了6 d b ，噪声系数为5 6 d b 。 3 对g a a sp h e m t 工艺进行了研究，并采用此工艺对工作在2 4 g h z 的l n a 进行 了设计和仿真，最后利用m o m e n t u m 软件对电路进行了电磁仿真。 1 4 论文的组织安排 全文共分为7 章，第一章绪论是对本课题研究内容的分析和背景介绍，包括对低噪 声放大器以及工艺的简单介绍。第2 章分析讨论了应用于无线局域网接收机的结构、指 标、应用和意义。第3 章就r f i c 设计的原则对低噪声放大器的结构、增益、噪声、线 性度等主要指标进行了讨论和演算，并分析了系统指标和射频集成电路中的元器件。第 嗣| 4 章对于低噪声放大器的关键参数一噪声系数进行了分类别的讨论，并对设计时应当注 ， 意的部分进行的分析，给出了噪声分析的模型。第5 章对于2 4 g h zc m o s 工艺设计的 l n a 进行了介绍，全方位介绍了该放大器的设计过程，最后提出测试方案，分析测试 壹 结果。第6 章对2 4g h z p h e m t 工艺设计的l n a 进行了介绍，由于工艺的特殊性，并 对m o m e n t u m 仿真过程进行介绍，并给出仿真结果以及版图的设计。第7 章对已完成的 蠕 工作以及工作的结果提出了改进的措施和展望。 东南大学硕士学位论文 6 第2 章无线局域网射频接收机概述 第2 章无线局域网射频接收机概述 2 1 无线局域网技术概述 随着国际互联1 碉( i n t e m e t ) 和企业内部网( i n t r a n e t ) 的迅猛发展，个人电脑的普及和 商用化，各种信息，包括文字、图片、声音和图像，广泛的通过网络传播到信息终端 个人电脑。同时，各种无线通信技术，如无线寻呼、移动通信蜂窝技术等的相继出现， 使人们摆脱了通信场所的限制，基本实现了随时随地通信的愿望。 无线通信技术的迅猛发展，有线网络的巨大成功及其智能终端的日益微型化为无线 局域网的发展提供了必要的技术条件。该技术综合了有线网络和无线网络的优点：与传 统的有线网络相比，它可以在不破坏楼宇设施的情况下实现信息的共享和传播；与无线 广域网( w i r e l e s sw i d ea r e a n e t w o r k s ) 相比，它可以根据需要实时地建立或撤销一个临时 网络。由于适应了大容量、高速率的多媒体数据业务的传播要求，无线局域网已迅速成 为通讯领域新的热门课题之一。 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同的应 用。目前比较流行的有i e e e8 0 2 11 标准( 包括i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 i b 及i e e e 8 0 2 1 1g 等标准) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准以及h o m e r f ( 家庭网络) 标准等，表2 1 列出了现有各短 距离无线接入技术的性能比较【4 】- 问。 表2 1 短距离无线接入技术性能比较 b l u e t o o t h8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 l ah o m e r f 频率( g h z ) 2 4 2 4 2 45 22 4 最高速率( m b p s ) l l l 5 45 42 调制方式 g f s k c c k o f d m c c ko f d mf s k 最远距离( m ) 1 0 1 0 01 0 01 0 0 1 0 0 1 0 0 扩频方式f h s sd s s s0 f d mo f d mf h s s 7 东南大学硕士学位论文 2 1 1 i e e e 8 0 2 1 1 标准 为了使不同厂家制造的部件能够在同一个系统中协同工作，需要相应的协议或标准 对技术开发加以规范。从无线局域网标准被采用的地域范围来看，无线局域网通常被归 为三个系列：i e e e 的8 0 2 1 1 系列标准、欧洲的h i p e r l a n l h i p e r l a n 2 和日本的m m a c 系列标准。 在8 0 2 1 1 系列标准中，涉及物理层的有4 个标准：8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 。 移动用户利用i e e e8 0 2 1 l b ，能够获得同e t h e m e t 一样的性能、网络吞吐率及可用 性。这个基于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的 网络，满足他们的商业用户和其他用户的需求。和其他i e e e s 0 2 标准一样，8 0 2 1 1 协议 主要工作在i s o 协议的最低两层上，也就是物理层和数字链路层。任何局域网的应用程 序、网络操作系统或者像t c p i p 、n o v e l ln e t w a r e 都能够在8 0 2 11 协议上兼容运行，就 像他们运行在8 0 2 3e t h e m e t 上一样。8 0 2 1 l b 的基本结构、特性和服务都在8 0 2 1 1 标准 中进行了定义，8 0 2 1 i b 协议主要在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特 性和连接的稳定性。 8 0 2 1 1 定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台p c 机器加上一块 无线网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点( a c c e s sp o i n t a p ) ，它的作用是提供无 线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接 1 = 1 ( 8 0 2 3 接口) 构成，桥接软件符合8 0 2 1 d 桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线 基站，将多个无线接入站聚合到有线的网络上。无线的终端可以是8 0 2 1 1p c m c 认卡、 p c i 接口、i s a 接口的，或者是在非计算机终端上的嵌入式设备。8 0 2 1 1 定义了两种模 式：i n f r a s t r u c t u r e 模式和a d h o e 模式，在i n f r a s t r u c t u r e 模式中，无线网络至少有一个 和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端站。这种配置成为一个 b s s ( b a s i es e r v i c es e t 基本服务集合) 。一个扩展服务集合( e s s ，e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 是由 两个或者多个b s s 构成的一个单一子网。由于很多无线的使用者需要访问有线网络上的 设备或服务( 文件服务器、打印机、互联网链接) ，他们都会采用这种i n f r a s t r u c t u r e 模式。 a d h o c 模式又被称为点对点网络模式或i b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) 模式。 2 1 2 无线局域网的应用 无线局域网最直观的应用就是可以替代现存的有线以太网，无需布线、灵活移动、 同等的数据传输速率甚至更高、低的建设成本和维护成本，这些优点使得其应用领域不 断扩展。 8 第2 章无线局域网射频接收机概述 基于无线局域网具有的诸多优点，它可广泛应用于下列领域； 1 接入网络信息系统：电子邮件、文件传输和终端仿真。 2 难以布线的环境：老建筑、布线困难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校园和工 r o 3 频繁变化的环境：频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商以及野外勘测、 试验、军事、公安和银行等。 4 使用便携式计算机等可移动设备进行快速网络连接。 5 用于远距离信息的传输：如在林区进行火灾、病虫害等信息的传输；公安交通管理 部门进行交通管理等。 6 专门工程或高峰时间所需的局域网：学校、商业展览、建设地点等人员流动较强 的地方；利用无线局域网进行信息的交流；零售商、空运和航运公司高峰时间所需的额外 工作站等。 7 流动工作者可得到信息的区域：需要在医院、零售商店或办公室区域流动时得到 信息的医生、护士、零售商、白领工作者。 8 办公室和家庭办公室( s o h o ) 用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。 2 2 射频接收机结构 射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 接收机通常有4 种结构：超外差结构、零中频结构、 二次变频宽中频结构和二次变频低中频结构。这4 种结构有各自的优点和缺点，接收机 的结构选择将直接影响到电路设计，包括电路的复杂度、各级电路的工作频率、增益、 噪声系数等指标，同时收发机结构也会对系统集成度和成本产生影响【8 】【9 】。下面集中讨 论这四种结构，并对比它们的优缺点。 2 2 1 超外差式接收机( h e t e r o d y n er e c e i v e r ) 外差式接收机射频部分的结构如图2 1 所示。天线接收到的高频信号首先通过带通 滤波器b p f ( b a n d p a s sf i l t e r ) 将频段以外的信号滤除，限制输入带宽。低噪声放大器是 接收机的第一个有源模块，在引入较低的噪声的前提下适度放大接收到的微弱的射频信 号。输出信号通过镜频抑制滤波器i r f ( i m a g e r e j e c tf i l t e r ) 抑制由l n a 产生的镜像干 扰。混频器通过本振信号l o ( l o c a lo s c i l l a t o r ) 将射频信号转换成中频信号i f ( i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ) ，输出经中频选频器、增益可变放大器进入解调器( d e m o d u l a t o r ) ，最后转换 9 t 墓 东南大学硕士学位论文 成基带信号。 基带 图2 - 1 外差式接收机射频部分 在此结构中，信号共进行了二次变频。由天线接收的射频信号首先进行了第一次下 变频，产生固定频率的中频信号，然后中频信号经过中频选频器将邻近信道的信号滤除， 再进行了第二次下变频成为了所需的基带信号。值得注意的是，下变频后的中频带通滤 波器用来选择信道，称为信道选择滤波器，在接收机的选择性和灵敏度方面起着非常重 要的作用。第二次下变频是正交的，以产生同相和正交两路基带信号。适当地选择中频 频率、高品质的射频滤波器和高品质的信道选择滤波器，一个超外差式的接收机可以获 得极佳的灵敏度、选择性和动态范围。 这种结构的接收机有以下几个方面的优点：中频频率比射频信号频率低很多，在中 频上实现对有用信道的选择对滤波器q 值的要求比在射频频段选择要低很多。第二，超 外差接收机方案将接收机总增益分散到高频、中频和基带三个频段上。在较低的固定中 频上实现窄带高增益放大器比在射频频段上更稳定。第三，解调或a d 转换在较低的中 频上进行比较容易。综上所述，超外差接收机使用混频器将高频信号搬到一个较低的中 频频率后再进行信道滤波、放大和解调，从而有效地解决了高频信号处理所遇到的问题。 外差式接收机也有其自身的缺点，最大的缺点就是寄生通道的干扰。在射频前端工 作的混频器并不是一个理想乘法器，它是一个非线性器件，它将射频信号r f 和本