（微电子学与固体电子学专业论文）cmmb调谐器的cmos射频前端设计.pdf

摘要 由于无线接收便利、电视内容丰富，数字多媒体广播已经在世界上多个地区得到了广泛 的关注。中国移动多媒体广播( c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，c m m b ) ，作为中国地 区数字多媒体广播标准，于2 0 0 6 年由国家广播电影电视总局正式推出。单芯片全集成的 c m m b 调谐器成本低廉，是接收c m m b 信号的最佳选择。本文所讨论的接收机射频前端即 为c m m b 调谐器单芯片解决方案的一个重要部分。 文中首先对多种流行的接收机架构进行了介绍和比较，并选择了零中频接收机架构作为 解决方案。本文详细论述了该接收机的系统要求，并根据特定的通信协议要求，计算了整个 系统及其中每个模块的噪声和线性度等要求。 在接收机射频前端，低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r , l n a ) 和混频器是两个最重要的 模块。本文详细研究了低噪声放大器设计要点如输入阻抗匹配和噪声优化等问题。为了与其 他类似的标准相兼容，如欧洲的d v b h ，韩国t - d m b ，甚至包括f m 无线电，本接收机采 用三个并联的低噪声放大器以分别覆盖三个不同的频带。这三个频带分别为8 0 2 4 5 m h z ， 4 7 0 8 6 0 m h z ，1 4 5 2 1 4 9 2 g h z 。每个低噪声放大器拥有两种增益模式以权衡噪声与线性度 指标。 为了能够接收大动态范围的输入信号，实现高灵敏度的系统要求，三级射频可编程增益 放大器( r a d i of r e q u e n c yp r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r , r f p g a ) 插入在低噪声放大器和混频器 之间。由于低噪声放大器的输出是单端信号，而片上差分信号有着更为优异的性能，所以第 一级r f p g a 实现了有源平衡不平衡( b a l a n c e dt ou n b a l a n c e d ，b a l u n ) 变换器的功能。第二级 r f p g a 采用了多栅晶体管结构( m u l t i p l eg a t e dt r a n s i s t o r , m g t r ) 结构以提高线性度。第三级 r f p g a 增加了增益步长调节精度。 本文还讨论了混频器的闪烁噪声和线性度问题，最终选择了一种无源结构的混频器并对 其做了详细分析、设计，同时给出了仿真结果。 为了使l n a 和r f p g a 的增益动态可调，该接收机引入了射频接收信号能量检测器( r a d i o f r e q u e n c yr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r , r f r s s i ) 电路以及增益控制环路以稳定混频器的 输入点信号能量。 以上模块均在台湾联电( u m c ) o 1 8 岬射频工艺下设计并制造，采用q f n 4 0 封装。本文 给出了相关的仿真和验证结果。 关键词：c m o s ，中国移动多媒体广播，低噪声放大器，混频器，可编程增益放大器，噪声 系数，线性度，自动增益控制 中图分类号：t n 4 a b s t r a c t d u et oi t sc o n v e n i e n c ei nw i r e l e s sr e c e i v i n ga n dr i c h n e s si nt vc o n t e n t s ，d i g i t a lm u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n gh a sb e e nr e c e i v i n ge x t e n s i v ea t t e n t i o ni nm u l t i p l ea r e a sa r o u n dt h ew o r l d c h i n am o - b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ( c m m b ) 嬲t h ed i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs t a n d a r di nc h i n a , i sf o r m a l l yp r o p o s e di n2 0 0 6b yt h es t a t ea d m i n i s t r a t i o nf o rr a d i o f i l ma n dt v as i n g l ec h i pi m p l e m e n t a t i o no ft h et a l l e rw i t ht 1 1 e1 0 w e s tc o s ti st h eb e s to p t i o no r i e n t e dt or e c e i v ec m m bs i g n a l 1 h st h e s i sd e a l sw i t ht h er a d i of r e q u e n c y ( i 强) f r o n te n do ft h er e c e i v e r , w h i c hi sa ni m p o r t a n t p a r tf o rt h ef u l l yi n t e g r a t e ds i n g l e c h i ps o l u t i o no fc n 吣t u n e r s e v e r a lp o p u l a rr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e sa r ef i r s t l yi n t r o d u c e da n dc o m p a r e d az e r o i fr e c e i v e r a r c h i t e c t u r ei sc h o s e na st h es o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m s y s t e mr e q u i r e m e n t so ft h er e c e i v e ra r ed i s c u s s e d t h en o i s ea n dl i n e a r i t yr e q u i r e m e n t sf o rt h ew h o l es y s t e ma n de a c hb l o c ko fs y s t e ma r e c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s i nt h er ff r o n te n do ft h er e c e i v e r , l o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) a n dm i x e ra r et w oc r i t i c a l m o d u l e s d e s i g ni s s u e ss u c ha si 肋u ti m p e d a n c em a t c h i n ga n dn o i s eo p t i m i z a t i o no fl n aa r ec o y e r e d t ob ec o m p a t i b l ew i t ho t h e rs i m i l a rs t a n d a r d ss u c ha sd v b hi ne u r o p e t - d m bi nk o r e a a n de v e nf mr a d i o t h e r e r et h r e eu n a si np a r a l l e lt oc o v e rt h et h r e eb a n d sr e s p e c t i v e l y , i e 8 0 2 4 5 z 4 7 0 8 6 0 z 1 4 5 2 1 4 9 2 g h z e a c ho ft h e s el n a sh a st w og a i nm o d e st ob a l a l i c e t h en o i s ea n dl i n e a r i t ys p e c i f i c a t i o n s t oa c c o m m o d a t et ot h e1 a r g ed y n a m i cr a n g eo fi n p u ts i g n a l sa n dh i g hs e n s i t i v i t yr e q u i r e m e n t s o ft h es y s t e m t h r e es t a g e so fr a d i of r e q u e n c yp r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ( r f p g a ) a r ei n t e r p o s e db e t w e e nt h el n a sa n dt h em i x e r s i n c et h el n ao u t p u ti ss i n g l ee n d e ds i g n a lw h e r e a sd i f - f e r e n t i a ls i g n a li sp r e f e r r e do nc h i p t h ef i r s ts t a g er f p g ar e a l i z e st h ea c t i v eb a l a n ( b a l a n c e dt o u n b a l a n c e d ) c o n v e r s i o nf u n c t i o n am u l t i p l eg a t e dt r a n s i s t o r ( m g t r ) s t r u c t u r ei si n t r o d u c e dt o i m p r o v et h el i n e a r i t yi nt h es e c o n ds t a g er f p g aw h i l et h et h i r ds t a g ei 讧p g ai m p r o v e st h ep r e c i - s i o no fg a i ns t e p t h ef l i c k e rn o i s ea n dl i n e a r i t yo f m i x e ra r ea l s od i s c u s s e da n dap a s s i v em i x e rs t r u c t u r ei sc h o - s e n t h ec i r c u i ti sc a r e f u l l ya n a l y z e da n dd e s i g n e d b e s i d e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n t ot u n et h eg a i no fl n a sa n dr f p g ad y n a m i c a l l y , ar a d i of r e q u e n c yr e c e i v e ds i g n a l s t r e n g t hi n d i c a t o r ( r f r ss i ) c i r c u i ta n dg a i nc o n t r o ll o o pa r ea d o p t e dt ot r yt os e t t l ed o w nt h es i g h a lp o w e ra tt h ei n p u to fm i x e r 越lt h ea b o v eb l o c k sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e di nu m c0 18 雌lr ft e c h n o l o g ya n dp a c k a g e d i i lo f n 4 0 t h es i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：c m o s ，c m m b ，l o wn o i s ea m p l i f i e r , m i x e r ，p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r , n o i s ef i g - a r e ，l i n e a r i t y , a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 v c h a p t e ri ：i n t r o d u c t i o n c h a p t e ri ：i n t r o d u c t i o n j 1 d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs y s t e m s i nt h ei n f o r m a t i o n e x p l o s i o ne r a , p e o p l en ol o n g e rs a t i s f yt r a d i t i o n a le n t e r t a i n m e n t sa sa mo r f m r a d i o d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ( d m b ) c o m e s t oe x i s t e n c et h e na n de v e ng o e sf u r t h e r t h a np e o p l ee x p e c t e d i ti sad i g i t a lr a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e db ys o u t hk o r e aa n d s o m e t i m e si sk n o w na sm o b i l et v i na d d i t i o n a lt oo ft r a d i t i o n a la u d i op r o g r a mw i t hc d - q u a l i t y , i t a l s ot r a n s m i t s t e x t , i m a g e ，v i d e o ，p r o g r a m a t t a c h e d d a t aa n ds oo n s i n c ed m ba d o p t s a l l - d i g i t a l p r o c e s s i n gt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , a n yi n f o r m a t i o nt h a tc o u l db ed i g i t i z e dc a nb es e n d b yd m b s e r v i c e sp e o p l ea c z l u a i n t 、加mi n c l u d et e x ti n f o r m a t i o no ft r a f f i ca n dw e a t h e r , u r g e n t a l a r m i n g ，p a g i n gs e r v i c e s ，s t o c ke x c h a n g ei n f o r m a t i o n , g p s ，e t c a st h ep r o s p e c to fd m bi ss oc h a r m i n g ，m a n yd i f f e r e n ts i m i l a rs t a n d a r d sh a v ec o n c u r r e n t l y b e e nw o r k e do u ta r o u n dt h ew o r d , s u c ha st h em a i nc o m p e t i n gm o b i l et vs t a n d a r d , d v b h t a b l e i - 1g i v e ss o m et y p i c a ld i g i t a jm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gi nd i f f e r e n tc o u n t i e s 1 - c h a p t e rhi n t r o d u c t i o n t a b l el 一1c o m p a r i s o n sa m o n gd i f f e r e n tm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n go rm o b i l e ivs t a n d a r d s 2 c h a p t e rhi n t r o d u c t i o n n a m e c o u n t r y ； ；i n t e - d i g i - t e r 脚 g r a t e d c h i n at a l ：。f o r ，s e r - m u l t i - b 瑚d ；涨d d i g i t a l ， m e d i ac a s t - = l i n kb r o a d b r o a d - i n g h = o n h a s t - ， ic a s t i n g + a h n e d 。d - c a s 衄一虹t e r l e s t r ：h e l d 一擘。 i ，j 。，j 一i 。! a l 。j i c he u r o d ：k o j j a m u l t i p l e xt e c h n i q u e f r e q u e n c yb a n d i n ae，l e a s ap a n “1 。”。? “”“。4 ”“。、” “ 一 m e - ， m u l t i diaf ；p l e x il o f r a m epo v e rt sl o g ia， 。s t r u c t s；c ； ； ： ；t l i l ec h a ， ! n n e l i ”一鼍“一一一“一。t 一“| 一一 u ； ； ji + b a n d ：。，b a n d ：一 4 7 0 - 7 9 8 ；u1 7 4 - 2 4 5u ： ；h 此b a n d ：n zb a n 。b a n d ：! ；s4 7 0 8 6 ；l ，d ：4 7 0 - 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c e p t i o n a m o n gt h e s e ，d v b t i s d b - t t - d m bb e l o n gt ot h ef o r m e ra n dc m m b ，m e d i a f l o ， d v b - ht ot h e1 a t t e r t h e r e sd os t r i c td i s t i n c t i o nb e t w e e nt h et w o s u c ha st - d m bc a nw o r k sf l a w - l e s s l yi nv e h i c l e st r a v e l i n gu pt o12 0k m h s t a n d a r d sa i m e da tm o b i l er e c e p t i o np o s s e s sf e a t u r e st o m e e tt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fh a n d h e l d ，b a t t e r y p o w e r e dr e c e i v e r s m a i nr e q u i r e m e n t si n c l u d e - 4 - c h a p t e rl ：i n t r o d u c t i o n b r o a d c a s ts e r v i c e sf o rp o r t a b l ea n dm o b i l eu s a g e 谢也a c c e p t a b l eq u a l i t y ；at y p i c a lu s e re n v i r o n - m e r i t ，a n ds og e o g r a p h i c a lc o v e r a g e ，邵m o b i l er a d i o ；a c c e s st os e r v i c ew h i l em o v i n gi nav e h i c l ea t m 曲s p e e d ( a sw e l la si m p e r c e p t i b l eh a n d o v e rw h e nm o v i n gf r o mo n e c e l lt oa n o t h e r ) t i m es l i c i n g t e c h n o l o g yi se m p l o y e dt or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o nf o rs m a l lh a n d h e l dt e r m i n a l s f o rr a d i of r e q u e n c y ( i 疆) a n da n a l o gd e s i g n , s i g n a lf r e q u e n c y , b a n d w i d t ha n d s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s a r et h ep r i o r i t i e s s oi nt h i sp a p e r , t h e s ef a c t o r sd e s e r v em o r ec o n c e r n s i n c ec m m bo r i e n t e dt op o r t a b l ed e v i c e s ，p o w e ri sa l s oas i g n i f i c a n tp o i n t 1 2 1c m m bs t a n d a r d c t 血_ am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 【11 ( c m m b ) i sam o b i l et e l e v i s i o na n dm u l t i m e d i a s t a n d a r dd e v e l o p e da n ds p e c i f i e di nc h i n ab yt h es t a t ea d m i n i s t r a t i o no fr a d i o ，f i l m ，a n dt e l e v i - s i o n ( s a r f t ) i ti sb a s e do nt h es a t e l l i t ea n dt e r r e s t r i a li n t e r a c t i v em u l t i s e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ( s t i m i ) ，d e v e l o p e db yt i m i t e c h , ac o m p a n yf o r m e db yt h ec h i n e s ea c a d e m yo fb r o a d c a s t i n g s c i e n c e a n n o u n c e di no c t o b e r2 0 0 6 ，i th a sb e e nd e s c r i b e da l sb e i n gs i m i l a rt oe u r o p e sd v b - s h s t a n d a r df o rd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s tf r o mb o t hs a t e l l i t e sa n dt e r r e s t r i a l g a pf i l l e r s t oh a n d h e l dd e - v i c e s c m m bu s e sf r e q u e n c i e si nt h er a n g e2 6 35 - 2 6 6 0m h z ( s b a n d ) f o rs a t e l l i t ea n d ”g a p f i l l e r ” t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t , w i t ha d d i t i o n a lt e r r e s t r i a lb r o a d c a s ti nt h eu h fb a n d4 7 0 8 6 2 z t h e c h a n n e lb a n d w i d t hc a r lb ee i t h e r2o r8m h z ，d e p e n d i n go nd a t ar a t e i ta d o p t sm o d u l a t i o nm o d eo f c o f d mw i ms u b c a r r i e rm o d u l a t i o nm o d e so fb p s k , q p s ko r16 q a m t h ec o v e r a g eo fc m m b n e t w o r ki ss h o w ni nf i g u r ei - 1 c m m ba n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa l ed e s i g n e dt oe n a b l eb o t hm o b i l ea n ds t a t i o n a r yd i g i t a lt vr e - c e p t i o n 丽吐1c o m b i n e ds a t e l l i t ea n dt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g f o rt h i sp u r p o s e ，an a t i o n w i d ec m 旧 n e t w o r ki st ob es e tu pi nc h i n a ；t h en e t w o r kw a sa l r e a d yi no p e r a t i o ni ns e v e r a lc i t i e sd u r i n gt h e 2 0 0 8o l y m p i c s t h er e c e i v e r sc a r lr e c e i v et h et e r r e s t r i a lc m m b s i g n a lt h a ti sb r o a d c a s t i n gv i ar e t r a n s m i t t e r sa sw e l la st h ed i r e c ts a t e l l i t es i g n a l - 5 c h a p t e rl ：i n t r o d u c t i o n b r o a d c a s ts e r v i c e sf o rp o r t a b l ea n dm o b i l eu s a g e 谢也a c c e p t a b l eq u a l i t y ；at y p i c a lu s e re n v i r o n - m e r i t ，a n ds og e o g r a p h i c a lc o v e r a g e ，邵m o b i l er a d i o ；a c c e s st os e r v i c ew h i l em o v i n gi nav e h i c l ea t m 曲s p e e d ( a sw e l la si m p e r c e p t i b l eh a n d o v e rw h e nm o v i n gf r o mo n e c e l lt oa n o t h e r ) t i m es l i c i n g t e c h n o l o g yi se m p l o y e dt or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o nf o rs m a l lh a n d h e l dt e r m i n a l s f o rr a d i of r e q u e n c y ( i 疆) a n da n a l o gd e s i g n , s i g n a lf r e q u e n c y , b a n d w i d t ha n d s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s a r et h ep r i o r i t i e s s oi nt h i sp a p e r , t h e s ef a c t o r sd e s e r v em o r ec o n c e r n s i n c ec m m bo r i e n t e dt op o r t a b l ed e v i c e s ，p o w e ri sa l s oas i g n i f i c a n tp o i n t 1 2 1c m m bs t a n d a r d c t 血_ am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 【11 ( c m m b ) i sam o b i l et e l e v i s i o na n dm u l t i m e d i a s t a n d a r dd e v e l o p e da n ds p e c i f i e di nc h i n ab yt h es t a t ea d m i n i s t r a t i o no fr a d i o ，f i l m ，a n dt e l e v i - s i o n ( s a r f t ) i ti sb a s e do nt h es a t e l l i t ea n dt e r r e s t r i a li n t e r a c t i v em u l t i s e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ( s t i m i ) ，d e v e l o p e db yt i m i t e c h , ac o m p a n yf o r m e db yt h ec h i n e s ea c a d e m yo fb r o a d c a s t i n g s c i e n c e a n n o u n c e di no c t o b e r2 0 0 6 ，i th a sb e e nd e s c r i b e da l sb e i n gs i m i l a rt oe u r o p e sd v b - s h s t a n d a r df o rd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s tf r o mb o t hs a t e l l i t e sa n dt e r r e s t r i a l g a pf i l l e r s t oh a n d h e l dd e - v i c e s c m m bu s e sf r e q u e n c i e si nt h er a n g e2 6 35 - 2 6 6 0m h z ( s b a n d ) f o rs a t e l l i t ea n d ”g a p f i l l e r ” t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t , w i t ha d d i t i o n a lt e r r e s t r i a lb r o a d c a s ti nt h eu h fb a n d4 7 0 8 6 2 z t h e c h a n n e lb a n d w i d t hc a r lb ee i t h e r2o r8m h z ，d e p e n d i n go nd a t ar a t e i ta d o p t sm o d u l a t i o nm o d eo f c o f d mw i ms u b c a r r i e rm o d u l a t i o nm o d e so fb p s k , q p s ko r16 q a m t h e c o v e r a g eo fc m m b n e t w o r ki ss h o w ni nf i g u r ei - 1 c m m ba n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa l ed e s i g n e dt oe n a b l eb o t hm o b i l ea n ds t a t i o n a r yd i g i t a lt vr e - c e p t i o n 丽吐1c o m b i n e ds a t e l l i t ea n dt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g f o rt h i sp u r p o s e ，an a t i o n w i d ec m 旧 n e t w o r ki st ob es e tu pi nc h i n a ；t h en e t w o r kw a sa l r e a d yi no p e r a t i o ni ns e v e r a lc i t i e sd u r i n gt h e 2 0 0 8o l y m p i c s t h er e c e i v e r sc a r lr e c e i v et h et e r r e s t r i a lc m m b s i g n a lt h a ti sb r o a d c a s t i n gv i ar e t r a n s m i t t e r sa sw e l la st h ed i r e c ts a t e l l i t es i g n a l - 5 ss a t e l l i t e up-link，鹿broadcast；suo-lintjokchannel n b i s t h i i t j n n k u 占谳：f2 甜 s i g n a lu p l i n k t r a n s m i s s i o n s y s t e m m o b i l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k 1 2 2c 埘br e c e i v e r 。 d o w n 1 i n k b r o a d c a s l c h a n n e is 一萤舔 n o r b i tsb a n dd u a s a t e l l i t en e t w o r k d o w n 1 i n k d i s t r i b u t i o n c h a n n e lk u s u p p l e m e n t 【一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 r e c e i v i n gt e r m i n a l f i g u r ei 1t h ec o v e r a g eo fc m mbn e t w o r k ac m m r e c e i v e ri sa l le l e c t r o n i cd e v i c et h a tr e c e i v e sc m m b s i g n a lf r o ma n 觚t e 肌文u s e s e l e c t r o m cf i l t e r st os e p a r a t eaw a n t e dc h a n n e ls i g n a lf r o m a l lo t h e rs i g n a l sp i c k e du pb yt h j sa 1 1 t e r u l a a m p l l f i e s1 tt o al e v e ls u i t e df o rf u r t h e rp r o c e s s i n g ，a n df m a l l yc o n v e r t st h es i g n a lt h r o u g l ld e m o d u 1 a t l o na n d d e c o d i n gi