（电路与系统专业论文）018μm+cmos工艺正交调制器和上变频器设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着无线局域网技术的广泛需求和迅速发展，w l a n 不仅能够满足移动和 特殊应用领域网络的要求，还能覆盖有线网络难以涉及的范围。由于c m o s 工 艺的长足进步，器件的截止频率已能满足多数现代无线通信应用要求。在实现 w l a n 射频前端收发器的设计中，其噪声性能也能符合要求。 本论文完成了应用于w l a ni e e e8 0 2 1 1 a 的正交调制器和上变频器的设计， 给出了详尽的优化方法。首先介绍了射频收发机的结构和原理，接着对混频器的 不同结构选择进行了比较，然后详细地对正交调制器和上交频器的工作原理进行 了分析，同时对系统中要求比较高的线性度进行了细致分析，比较了各种不同的 线性化技术的优缺点。由于正交调制器需要i g i - i z 的正交差分四路本振信号，本 次设计通过四分频器来实现；四分频器由两个二分频构成，二分频由两个锁存器 ( 1 a t c h ) 构成的负反馈回路组成，而每个l a t c h 单元采用了源级耦合场效应管逻辑 ( s c f l ) 电路。接着介绍了版图设计和芯片测试，对其中出现的问题进了详尽地分 析。由于采用键合测试，键合线的长短将会对电路性能产生很大影响，本文进行 了详细分析。最后文章对整个电路的实现进行了总结。 本次设计，采用t s m co 1 8 a m6 层金属混合信号射频c m o s 工艺实现。正 交调制器在传统g i l b e r t 单元的基础上，采用负反馈跨导放大器来提高线性度； 上变频器采用l c 谐振网络作g i l b e r t 单元负载来提高增益，增加电压输出摆幅。 对芯片的测试结果表明：芯片完成了调制功能，同时芯片的各项性能指标基本与 模拟结果相仿，达到了设计要求。 【关键词】 射频集成电路无线局域网c m o s 工艺正交调制器上变频器g i l b e r t 单元 查堕查兰堡主兰些堡苎 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h ed e m a n d so f t h ew i f e l e s sl a n si si n a e u s i n gg r e a t l y t h ew i r e l e s sl a n s c o u l dn o to n l ys u p p l yt h er e q u i r e m e n t so f m o b i l ea n ds p e c i a la p p l i c a t i o n s ，b u ta l s oc o v e rt h ef i e l d t h a tt h ew i r ec n o t f o ras o c ，a l lb l o c k sw i l lb ei m p l e m e n t e di na s i n g l ec h i p w h e t h e ra n a l o g o rd i g i t a l t h er e a s o ni st h a tt h ec h i pr e a l i z e de n t i r e l yi nc m o s p r o c e s sc a nm a k et h ec o s ta n dt h e c o m p l e x i t ys c a l ed o w ne f f i c i e n t l y , a n dt h ed e v i c ef r e q u e n c yf ra l r e a d yh a ss a t i s f i e dw i t ht h e r e q u i r e m e n t so f m o s t o f m o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s o ，t h ec m o s p r o c e s sw a s u s e di nt h ec u r r e n td e s i g nw i d e l y i nt h i sp a p e r , i th a sa c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fq u a d r a t u r em o d u l a t o ra n d u p - c o n v e r t e r , w h i c ha p p l i e do f fw i r e l e s sl a n8 0 2 1l a , a n dt h em e t h o d sa r eg i v e ni nd e t a i l i nt h ep a p e r , t h e p r i n c i p l eo f t r a n s c e i v e ro f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dd i f f e r e n ts t r u c t u r e so f m i x e ri si n t r o d u c e d s e c o n d l y , b e n e f i t sa n dd e f e c t so f v a r i o u sl i n e a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa l ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h t h e m b e c a u s eq u a d r a t u r em o d u l a t o r sn e e di g h z q u a d r a t u r ea n dd i f f e r e n t i a ls i g n a l s ，t h e yw e r e r e a l i z e db yad i v i d e - b y - f o u rc i r c u i tw h i c hi sc o m p o s e do ft w o d i v i d e b y t w oc i r c u i t s e a c h d i v i d e - b y - t w oc i r c u i tw a sr e a l i z e da st w ol a t c h e s man e g a t i v el o o p ，a n de a c hl a t c hw a s i m p l e m e n t e db ys o u r c e - c o u p l e - f i e l d l o g i c ( s c f l ) t h e nt h ed e s i g no fl a y o u ta n dt h e m e a s u r e m e n t sa r ei n t r o d u c e d ，a n da n a l y z et h eq u e s t i o n sa m o n gt h e m b e c a m et h eb o n d i n gw i r e f o rt e s t i n ga r ed e p l o i t e d ，t h el e n g t ho fb o n d i n gw i r ei sc r i t i c a l t h e nt h er e s u l t so fm e a s u r e m e n t s m u s tb ea n a l y z e d 协d e t a i l t h ep a p e rh a sa l s oa n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo f o t h e r p a r a m e t e r s ，s u c h a si i p 3 ，n o i s ef a c t o r , s f d r , e t c a tl a s t , ac o n c l u s i o no f t h ew h o l e d e s i g np r o c e s si sg i v e n t h ed e s i g ni si m p l e m e n t e di nt s m c s0 1 8t u n6 - m e t a lm i x e d - s i g n a l r fc m o s t e c h n o l o g y ac u n e n tf e e d b a c kl o o pi su s e df o rt h eq u a d r a t u r em o d u l a t o rt oi m p r o v et h el i n e a r i t y w i t h t r a n s c o n d u c t o r , a n di nt h eu p - c o n v e r t e r , a nr cr e s o n a n tn e t w o r ki su s e da st h el o a dt oi m p r o v et h e g a i na n di n c r e a s et h ev o l t a g es w i n g t h er e s u l t so f m e a s u r e m e n t se x h i b i t ：t h ec h i pm a k e sa g o o d p e r f o r m a n c ea n dc o u l db ef i tf o rt h ew l a n a p p l i c a t i o n s k e yw o r d r f i c ；w i , a n ；c m o st e c h n o l o g y ；q u a d r a t u r em o d u l a t o r ；u p - o o n v e r s i o nm 虹e r ：g i l b e r tc e l l i l 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： j 虚章日期：丝；玉选 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。 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 近几年来，计算机网络技术的逐渐成熟和飞速发展使之迅速地渗透和普及到了社会的各 个领域，并在许多方面改变了人们原有的生活方式和生活观念。无线局域网( w l a n ) 技术 作为计算机网络技术的一个分支也渐渐地浮出水面，得到了众多业内人士的关注。 最早的w l a n 产品运行在9 0 0 m h z 的频段上，速度大约只有l 2 m b l p s 。1 9 9 2 年，工作在 2 4 g h z 频段上的w l a n 产品问世，之后的大多数w l a n 产品也都在此频段上运行。目前的 w l a n 产品所采用的技术标准主要包括：i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 1 l b 、h o m e r f 、i r d a 和蓝 牙( b l u e t o o t h ) 。由于2 4 g h z 的频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的任 何一个频段都有可能遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微 波炉等等。 1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第一代无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 。该标准定义了物理层和 介质访问控制子层( m a c ) 的协议规范，允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立 互操作网络设备。任何l a n 应用、网络操作系统或协议( 包括t c p ，i p 、n o v e l ln e t w a r e ) 在遵守i e e e8 0 2 1 1 标准的无线l a n 上运行时，就像它们运行在以太网上一样容易。 为了支持更高的数据传输速率，i e e e 于1 9 9 9 年9 月批准了i e e e8 0 2 1 1 b 标准。i e e e 8 0 2 1 l b 标准对i e e e8 0 2 1 1 标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在i e e e8 0 2 1 1 的基础上增加了两种更高的通信速率5 5 m b p s 和l l m b p s 。 由于现行的以太网技术可以实现1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 乃至1 0 0 0 m b p s 等不同速率以太网 络之间的兼容，因此有了i e e e8 0 2 1 i b 标准之后，移动用户将可以得到以太网级的网络性 能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种l a n 技术集成起来，形成一种能够最大限 度地满足用户需求的网络。1 e e e8 0 2 1 1 b 的基本结构、特性和服务仍然由最初的i e e e8 0 2 1 1 标准定义。i e e e 8 0 2 1 1 b 规范只影响i e e e8 0 2 11 标准的物理层，它增加了更高的数据传输 速率和更健全的连接性。 i e e e8 0 2 1 l b 可以支持两种速率：5 5 m b p s 和1 l m b p s 。而要做到这一点，就需要选择 d s s s 作为该标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违反f c c 规定的前提下，采用跳频扩 频技术无法支持更高的速率。这意味着i e e e8 0 2 ，1l b 系统可以与速率为i m b p s 和2 m b p s 的 i e e e8 0 2 11d s s s 系统兼容，但却无法与速率为1 m b p s 和2 m b p s 的i e e e8 0 2 1 1f h s s 系 统兼容【i i1 。 为了增加数据通信速率，i e e e8 0 2 1 1 b 标准不是使用1 1 比特的b a r k e r 序列，而是采用 了补充编码键控( c c k ) ，c c k 由“个8 比特长的码字组成。作为一个整体，这些码字具 有自己独特的数据特性，即使在出现重大噪声和多路干扰的情况下，接收方也能够正确地予 以区别。i e e e8 0 2 1 1 b 规定在速率为5 5 m b p s 时，对每个载波进行4 比特编码。而当速率为 1 1 m b p s 时，对每个载波进行8 比特编码。这两种速率都使用q p s k 调制技术。 尽管目前8 0 2 1 l b 实际上已成为无线局域网( w l a n ) 的主流标准，被多数厂商所采用， 但是不可否认，许多w l a n 的新标准正在崭露头角，其中，8 0 2 】a 和8 0 2 1 l g 更是倍受业 界关注。 8 0 2 1 l a 标准是己在办公室，家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用的8 0 2 1 1 b 无 线联网标准的后续标准。它工作在5 g h z u n i i 频带，物理层速率可达5 4 m b s ，传输层可达 东南大学硕士学位论文 2 5 m b p s 。采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术；可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口 和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口；支持语音、数据、图 像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。现在一些厂商对于该标准 的计划已提到议事日程。例如，i n t e l 公司推出比现行无线技术快5 倍的、实现台式机与便 携机无线连接的新型联网产品。 w l a n8 0 2 1l a 协议规定采用正交频分复用( o f d m ) 传输方式，采用二进制移相键控 ( b p s k ) ，四进制移相键控( q p s k ) ，1 6 进制正交幅度调制( 1 6 q a m ) ，6 4 进制正交幅度 调制( 6 4 q a m ) 调制方式，1 6 q a m 、6 4 q a m 调制属于线性调制的范畴，b p s k 、q p s k 调 制属于非线性调制的范畴。其工作频段包括：5 1 5 g h z - 5 2 5 g h z ，5 2 5 g h z - 5 3 5 g h z 和 5 7 2 5 g h z 一5 8 2 5 g h z 。 o f d m 技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是 非平坦的，而o f d m 技术的主要思想：就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在 每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，从而有效的抑制无线信道 的时间弥散所带来的i s i 。这样就减少了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡 器，仅通过插入循环前缀的方式消除i s i 的不利影响。 o f d m 技术有非常广阔的发展前景，已成为第4 代移动通信的核心技术。i e e e 8 0 2 1 l a 标准为了支持赢速数据传输都采用了o f d m 调制技术。目前，o f d m 结合时空编码、分集、 干扰f 包括符号间于扰i s i 和邻道干扰i c i ) 抑制以及智能天线技术，最大程度的提高物理 层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等 技术，可以使其性能进步优化。 有分析家认为，8 0 2 1 1 a 技术的普及虽然需一段时间，但将是无线联网产品的主流。与 此同时，尽管这两种标准并不兼容，但硬件厂商将会设法提供能够同时支持这两种标准的产 品。三种标准8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b 的比较见表l 。 另外，由于无线通信的广泛需求和迅速发展，射频集成电路已成为i c 集成电路设计中 被普遍关注和大量研究的课题。尤其是因为c m o s 工艺的长足进步，而且器件的截止频率 已能满足多数现代无线通信应用要求。在实现无线局域网( w l a n ) 射频前端收发器的设计 中，其噪声性能也能符合要求。 表1 1 三种标准之比较 8 0 2 1 18 0 2 1 1 b8 0 2 1 l a 频率 2 4 g h z2 4 g h z5 g h z 带宽 1 - 2 m b p s可达1 1 m b p s可达5 4 m b p s 距离1 0 0 m功率增加可扩展1 0 0 m5 1 0k m 业务数据数据、图像语音、数据、图像 1 2 射频集成电路设计流程 就射频收发机而言，首先要根据系统要求确定整个系统的结构。然后根据结构以及相应 的性能指标进行系统仿真，确定各个单元模块的性能要求，同时进一步优化系统结构。接下 来根据各个单元模块的性能要求搜集资料，筛选优化结构，利用软件进行电路仿真和优化， 在各个性能参数间进行很好的折中，令电路性能最优化。在模拟结果达到要求的情况f ，采 第一章概述 用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 ) ，版图与电路图对照( l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ，l v s ) 。然后对版图提取寄 生参数后做后仿真，对后仿真的结构和前仿真的结构进行比较和分析。如果后仿真结果不能 达到要求，找出问题出现的原因。如果问题是由版图设计带来的，那么修改版图。如果问题 是由前仿真带来的，那么重新在a d s 下进行前仿真。在后仿真结构达至要求的情况下，将 版图的g d s i i 格式文件交付芯片制造厂商流片。屉后对制作的芯片进行测试，根据不同要 求选择在芯片测试或者是制作p c b 板测试，确定电路性能是否达到预期指标。 1 3 收发射机 1 3 1 接收机 图1 1 电路的设计流程 由于传输路径上存在的损耗和多径效应，接收机接收到的信号是微弱且变化的，同时伴 随着许多干扰，这些信号强度往往远大于有用信号，因此接收机的主要指标是灵敏度和选择 性。 接收机主要有以下四种结构：超外差结构、零中频结构、镜像抑制结构、数字中频结构 f 耵盯】 1 3 1 1 超外差( s u p e r - h e t e r o d y n e ) 结构 超外差接收机将射频信号转换到固定中频，然后在中频进行带通滤波、自动增益控制 等处理。它使用大量的高品质因素的分离元件构成单元电路来实行高选择性和高灵敏度， 主要包括低噪声放大器、混频器、射频，中频和镜像频率滤波器和压控振荡器等等。它的 结构如图1 2 所示。 采用超外差接收机方案主要基于三个方面的考虑：首先，中频比信号载频低很多，在 中频段实现对有用信号的选择比在载频段选择对滤波器的q 值要求低得多；其次接收机从 天线上接收到的信号非常微弱，一般在一1 2 0 一l o o d b m ，一般需要放大1 0 0 2 0 0 d b 才可 东南大学硕士学位论文 以用来解调或a d 变换，为了放大器的稳定和避免振荡，在一个频带内的放大器，其增益 一般不超过5 0 6 0 d b 超外差接收机将总增益分散到高频、中频、和基带三个频段上；其 三，在较低的固定中频上解调或a d 变换也相对容易。但是超外差结构也有它的缺点所在： 组合干扰频率多。在接收机中单元电路都是非线性器件，变频器也不是一个理想的乘法器， 它会将进入的有用信号( d r f 和本振信号( a l o ，以及混入的干扰信号( 假设为t 和( 0 2 ) 通过 变频器非线性特性中的某一高次方项组合产生组合频率，如i p ( o l o - + - q o o r f l 或者 i p 蜘。士( m r n ( 0 2 ) | ，若它们落在中频频带内就会对有用信号产生干扰。 图1 2 超外差结构接收机 1 3 1 2 零中频r o - l v ) 或直接下变频( d i r e c t - c o n v e r s i o n ) 结构 零中频方案是把载频直接下变频( d i r e c t c o n v e r s i o n ) 为基带的方案。在理想情况下，不存 在镜像频率干扰问题。它的困难在于需要设计射频频率综合器，频率综合器的性能对于零中 频接收的影响很大。零中频接收存在的最主要问题是直流失调。这在超外差接收机中就不 容易发生，因为超外差接收机的本振频率和信号频率相差很大，一般本振频率都落在前级 滤波器的频带外。 图1 3 零中频结构接收机 在零中频接收机中，由于本振与接收信号的载波频率相同，在本振和混频器的射频输入 端口之间不能理想隔离的情况f ，造成本振信号泄漏到低噪声放大器和混频器的输入端，通过 自混频形成直流失调。而从天线到模数转换器输出端间增益一般可以达到1 0 0db 以上，即使 是很小的直流失惆也可能对基带部分造成很大的干扰。要消除直流失调，最简单的方法就是 采用高通滤波器，但是通常信息调制方案产生的有用信号的频谱低端可以到几十赫兹，要求高 通滤波器的通频带边缘频率非常低。这样不仅实现困难而且反应速度慢，很难消除变化较快 的直流失调( l c 如越区切换时) 。较好的矗流补偿方法是在基带进行数字处理后，在模拟信号通 路减左调整量：或者采用频谱结构不包含直流分餐的调制方案，比如寻呼机系统。零中频接收 还存在其它问题，比如在混频器自身对称性退化情况p ，有效信道附近存在的两个较强干扰在 4 第一章概述 下变频过程中可能混叠到基带中造成偶阶失真。i q 两个正交通道的混频器失配造成对基 带部分的干扰等。这些问题都可以通过基带的数字处理来消除。特别是泄漏到天线的本振信 号，经天线发射出去又从运动的物体反射回来被天线接收，通过高频放大器进入变频器经混 频后，构成的直流偏差可能还是时变的，要消除这些干扰就更困难。此外本振泄漏还会从天 线发射出去，对其它接收机造成干扰。 1 3 1 3 镜像抑制( i m a g e - r e l i e c t ) 结构 在接收机中镜像抑制非常重要，以h a r t l e y 结构和w e a v c t 结构为例，我们来描述一下镜 像抑制的原理。首先考虑相移9 0 0 的作用。从时域上来看，对于周期为t 的正弦信号，相移 9 0 0 就意味着延时t 4 ，如图1 4 a 所示，对于正弦信号s i n c o t 延时t 4 变成- - c o s 0 7 l ，c o s o i 延 时t 4 变成s i m o t 用指数函数表示如下： s i 删2 寺虬e 。， c o s d g t ：一三( e j “+ e 一，“)“( 7 ”+ ”i 2 ( 1 2 ) 相移9 0 0 可以理解为图1 4 b 所示操作，即相移后信号的频谱是相移前的信号频谱乘以 函数 g ( ) = 一j s g n ( c o ) 褥 ( a ) 时域9 俨移相 b 。士：丌 ( b ) 频域9 0 * 移相 ( 1 3 ) 图1 4 相移9 0 * 的时域频域图 从图1 4 中可以发现，对于实数信号，相移的过程对于正频率和负频率产生不同的相位 变化。 假设h a r t l e y 接收机( 如图1 5 所示) 的输入为v r f ( t ) = p oc o sm f ，镜像干扰信 号为v 。( ，) = c o s 口。t 。这些输入信号与两个正交的本振信号c o sc o z o t 与 s i nm f 相乘并通过低通滤波器后，滤除了高频分量，那么图中的( f ) 和v 8 ( t ) 为 嘣，) _ 等s i i l ( 0 ) 5 0 - - c o r f 等s i i l ( c o i x ，- - o j l m ) f ( 1 4 ) 吲f ) i 等。嘞”等c 。s ( c d l o - - c d ，m ) f ( 1 5 ) 其中( 一甜”) ( 0 和( 国一。) ) 0 ，应此v ( ，) 移相9 0 。后变为 5 东南大学硕士学位论文 v c ( ，) = 等c o s ( m m 嘶) f - 等c o s ( ( o l d - - ( o t t o ) f ( 16 ) 将v 。( t ) 和v 口( ，) 相加后的输出为： 所示 v f ( ，) = v 。( ，) + v 口( ，) = 矿 c o s ( 甜一”) f 。h a r t l e y 结构的频谱搬移如图1 6 射 图1 5h a r t l e y 结构镜像抑制 一| f i f 出 图1 6h a r t l e y 结构频谱搬移原理图 镜像抑制混频的原理在于有用射频信号和镜像干扰信号位于本振信号的两边，它们和本 振信号混频后取出的差拍信号频率，一个为正，一个为负。而移相9 0 0 对频率为 ( o j 。一。，) c0 和( c o 。一m ，。) 0 的信号有不同的作用结果，叠加后即可抑制镜像干扰。 镜像抑制好关键要做到两点。首先两条支路必须完全一致，其中包括本振信号的幅度，混 频器的增益低通滤波器的特性必须一致。其次是正交要精确，即两路的本振信号要精确 地相差9 0 。 对于w e a v e r 镜像抑制接收机如图1 7 所示，频谱搬移原理图如图i 8 所示。假设 甜，f i2 一缈l2 甜l 一( 1 9 i m g t ，f2 ( 0 i f l 一22 珊一缈l 一2 ，且彩l ，2 v 。= 爿肝c o s ( o r f ，+ a ，c o s ( 1 ) i m g f ，则在a 点和b 点有 第一章概述 v 。= 等s 访o ) m3 t + 等咖r v a = 争c o so ) i f i t + 争c 。s ， 在c 点和d 点有： 咋= 专c 。卜嘲呼c 。嘶w + 动每c 。s 研一瑚争。s 钳+ 刎 场每c 。蛳一动呼c 。蛳+ 瑚争。蝴刊争。蛳+ 嘲 输出信号为 a b 射 ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) v 。= v 。一。：兰 c 。s 国，+ 兰簧生c 。“o ) l f l t + 0 2 t ) z ( 1 1 1 ) 图1 7 w e a v e r 结构镜像抑制结构 出 + 吐 图1 8w e a v e r 结构频谱搬移原理 通过推导可以发现镜像干扰所得到的中频信号二笔 c 。s ( r - o t f ) t - - ( 0 2 t ) 受到了抑制， 而有用信号的中频则顺利通过。在输出信号中仍然有镜像干扰引起的分量 7 东南大学硕士学位论文 二 c 。s ( o ) i f i t + a ) 2 t ) ，但它的频率比中频( o i f l - - ( 0 2 高，若本振频率选择适当，这一 分量可以滤除。因为这一结构实际上进行了两次变频，输入信号中在2 2 一置f + 2 甜l 频 率附近的干扰经过第一次变频后被搬移到2 0 2 一”+ 1 ，从而成为第二次变频时的镜 像干扰，因此必须在第二次变频前予以滤除。 1 3 1 4 数字中频结构 在二次混频方案中，可以将第二次混频和滤波数字化。如图1 9 所示，第一次混频后的 信号经放大直接进行a d 变换，然后采用两个正交的数字正弦信号做本振，采用数字相乘 和滤波后得到基带信号。 1 3 2 发射机 图1 9 数字中频方案 q 发射机主要完成的功能是调制、上变频、功率放大和滤波。发射机的方案比较简单，大 致可以分为两种：一是将调制和上变频合二为一，在一个电路里完成，这称为直接变换法。 二是将调制和上变频分开，现在较低的中频上进行调制，然后将己调信号上变频搬移到发 射的载频上，图1 1 0 和图1 1 1 分别画出了直接变换的正交调制发射机方案和两步变换的 正交调制发射机方案。 基带i 基带q ， 1 、一卜 7 7 l功放 图】1 0 直接变换正交调制发射机 第一章概述 躲 图1 1 l 两步变换正交调制发射机 直接变换法虽然简单，但它有明显的缺点。由于发射信号是以本振频率为中心的通带 信号，经功率放大或者发射后的强信号会泄漏或反射回来影响本振，牵引本振频率。特别是 为了节省能源，需要频繁的接通断开功率放大器时，产生的干扰更大，本振频率不稳，则 直接影响发射机的各项性能指标。改进的方法可以让本振频率和调制的载频( 即发射的频 率) 不同，如图1 1 2 所示，两个较低的本振频率珊，和，合成为( - 0 。+ 缈2 ，以此新的频率 作为载频。这样，由于发射的频率和本振频率相差很远。不易发生强信号对本振频率的牵 引。 图1 1 2 带有两个偏置本振的直接变换发射机 弼次变换法明显地可以减弱直接变换法的缺点，同时由于调制在较低的中频上进行， 正交的两支路容易一致。其缺点是第二次上变换后必须采用滤波器滤除另一个不要的边带， 为了达到发射机的性能指标，对整个滤波器的要求是比较高的。 1 4 本论文的主要工作 1 4 1 本项目所采用的收发机方案 本项目采用了如图1 1 3 所示的收发机方案，采用二次变频的超外差式结构。 在本设计中次变频的本振频率为i g h z ，二次变频的本振频率为4 g h z 。在发射机中， 基带信号首先被搬移到i g h z 附近，二次变频时，7 g h z 的镜像频率与4 g h z 的本振混频后 9 东南大学硕士学位论文 会与下边带3g h z 混叠在一起，而我们想要得到的上边带中心频率5 g h z 与下边带的中心频 率相差2 g h z ，使得发射机输出端的滤波器对镜像频率和下边带有足够的抑制力”h “j 。 4 g h z 的本振信号由系统频率合成模块产生，经过四分频后获得两个正交的1 g h z 信 号。由于功率放大器工作在5 g h z 频段上，与频率合成模块的中心频率相差1 g h z ，从而可 以避免对后者的干扰。间接变频结构的好处还表现在以下两个方面：( 1 ) 频率合成模块工作 频率由直接变频结构所需的5 g h z 降到4 g h z ：( 2 ) 调制模块的变频器1 和变频器2 本振端 所需的正交信号频率为1g h z ，而不是直接变频结构所需的5g h z ，比较容易实现幅度和相 位匹配，而正交信号的相位和幅度匹配是影响调制器性能的关键因素“。 图1 1 3 应用于8 0 2 1 l a 的收发机的前端结构 1 4 2 本次设计的必要性以及设计任务 由于目前市场上，商用于i e e e8 0 2 1 1 a 标准，即工作于5 - g h z 频段的芯片尚未成熟， 而且目前研制成功的功能模块，如调制器( 包括上变频器和下变频器) ，一般工作于1 3 g h z 。 因此本次设计也是应运而生。 本论文主要任务是完成基于i e e e8 0 2 1 1 a 标准、应用于5 - g h zw l a n 发射机中的正 交调制器和上变频器的设计。如图】1 4 框图所示，整个混频单元两个模块：正交调制模块 和上变频模块。其中正交调制模块包括两个载波为1 g h z 的调制器和四分频器( 产生1 g h z 的本振信号) 。i q 基带信号经过正交调制器调制至1 g h z ，再通过上变频器调至5 g h z 。 0 第一章概述 ii 、甲l i雅j u 垮麓喇婶 ij 上i i i 基趁攀叫v rl i叫v l 一一- 銮黎2 - 一 1 5 章节介绍 正交调制模块 上变攮模块 图1 1 4 发射机的整个混频单元 论文共分六章，结构如下： 第一章是概述，主要介绍无线局域网的特点及标准，同时介绍了收发机的几种方案，最 后说明射频集成电路的设计流程； 第二章从混频器的主要性能指标介绍到无源、有源混频器的结果，最后讲了本次设计的 选择； 第三章先简单地介绍了c m o s 工艺，然后详细介绍了正交调制器的各个单元模块结构 选择和设计，以及四分频器的设计，最后给出了仿真结果； 第四章先详细地介绍了上变频器的设计，然后利用系统级联模块之间的性能指标的计算 推导对整个混频模块进行了优化，给出了仿真结果； 第五章详细描述了电路的版图设计和芯片的测试工作； 第六章对本次设计过程中所遇到的问题进行了总结。 第二章混频器的基本参数和电路结构 第二章混频器的基本参数和电路结构 这一章主要讨论混频器的一些基本概念。线性时不变系统的频率是不能变化的，这时就 必须要用到混频器。混频器设计的关键在于怎么协调好各个性能参数之问的平衡，进行折衷， 以达到最好的效果。 2 1 混频器的主要性能参数 2 1 i 混频器的变频增益 混频器的增益为频翠燹挟增益，定义为输出中频信号的大小与输入射频信号大小之比。 电压增益a v 和功率增益g p 分别定义为 4 = ( 2 1 ) 7 h q = ( 2 2 ) 由于射频口与中频口的阻抗可能不同，功率增益和电压增益的关系是 q 哮= 糌= 彳鲁 眩， 如果以d b 表示，则功率增益和电压增益的分贝数值就不同1 7 l 。 2 1 2 混频器的噪声系数 混频器的噪声有两种定义，即双边( d s b ) 和单边( s s b ) 噪声系数。 对于超外差式接收机，射频( r f ) 信号位于本振( l o ) 信号的一侧，经过混频后，混频嚣不 仅将有用信号频带内的噪声搬到了中频，并且还将位于镜像频带内的噪声( 镜像干扰) 也搬到 了中频，此时，测得的混频器的噪声系数称为混频器的单边带噪声系数( s s b ) 。如果r f 输 入信号是存在于关于l o 信号镜像对称两边的双边带信号，那么测得的噪声系数称为双边带 噪声( d s b ) 。 显然，单边带噪声要比双边带噪声大，因为在两种情况下都有相同的输出中频噪声，而 单边带输入的信号是双边带输入信号的一半。因此，在测量时如果仪器测出的噪声系数是双 边的，只要加上3 d b 就是单边噪声系数。 2 1 3 混频器的线性度 a 、p i - d b ( 1 d b 压缩点) 在研究系统的非线性时，通常用三阶麦克劳林展开式来表示其传输特性： 3 东南大学硕士学位论文 v 。p ) = q o ) + 锡巧2 0 ) + a 3 v ，( t ) ( 2 4 ) 当输入为一个单频信号a c o s ( a u ) 时，输出的基波分量幅度为 q 一+ 3 a 了，a 一 ：q 一( 1 + 3 。3 - a 2 马。如果呜和喁的正负特性相反( 对于差分电路，包括b i p o l a r q * “ 和c m o s ，们和啦都具有相反的正负特性) ，那么信号的增益将随幅度a 的增大而减小。 当用对数来表示输入和输出的幅度，可以清楚得看到输出功率随输入功率的增大而偏离理想 线性的情况。当输出功率和理想线性情况偏离达到i d b 时，此时对应的输入信号功率被称 为1 - d b 增益压缩点( 1 - d bg a i nc o m p r e s s i o np o i n t ) ，如图2 1 。 b 、n r 3 _ - - 阶互调点 o i p 3 o 有用二二二) 夕甭+ 三阶互- 。忑誉3 l 矗点肼， r 二d b ) 图2 1 混频器的线性动态范围 设混频器的输入两个射频信号矗，和矗：，它们的三阶互调分量2 盘，一名：( 或 2 ：一0 ) 与本振混频后也位于中频带宽内，就会对有用中频产生干扰。与放大器的三阶 互调截点定义相同，使三阶互调产生的中频分量与有用中频相等时的输入信号功率记为 i i p 3 ( 或对应的输出记为o i p 3 ) ，见图2 1 。 一般来说，i i p 3 和l d b 压缩点越大，那么电路的线性度就越好，这是混频器设计中一个 非常重要的特征参数。 2 1 4 混频器的端口隔离度( 本振泄漏) 混频器的各口间的隔离不理想会产生以下几个方面的影响。本振( l o ) n 向射频( r f ) 口的 泄漏会使本振( 大信号) 影响l n a 的工作，甚至通过天线辐射。r f 口向l o 口的窜通会使r f 中包含的强干扰信号影响本地振荡器的工作，如产生频率牵引等现象，从而影响本振输出频 率。l o 口向i f 口的窜通，本振大信号会使以后的中频放大器各级过载。r f 信号如果隔离 不好也会直通主中频输出口，但一般来说，由t - r f 频率很高，都会被中频滤波器滤除，不 会影响输出中频。 4 2 1 5 混频器的阻抗匹配 对于单个模块的设计，由于测试系统都是5 0 q 系统，所以要求输入和输出都要匹配到5 0 o 。这样使得信号输入和输出的效率最高，反射系数为零，可以保证测试结果的正确性和可 行性通常用来表示阻抗匹配的性能指标有s 参数和电压驻波比( v s w r ) 。 一般使用s m i t h 圆图来表示双端口网络的输入和输出阻抗匹配，s 。表示输入阻抗系数， s ：z 表示输出阻抗系数，可以表征为： 墨，= 2 0 崦纠( 2 5 ) 一 一l 其中p = 7 “_ - - z ；- a ，p 表示反射系数，z l n 、z 。分别表示输入，输出阻抗，s 1 1 至少要小于 z m + z d 。 一1 0 d b ，这样才能保证有9 0 的能量被送到混频器中。 电压驻波比( v s 、r ) 的定义是用传输线上最高电压和最低电压的比例。v s w r 越x ，失 配就越严重。v s w r 的定义表达式为： 一= 瑚 ， 当v s w r s 2 ：1 时，说明输入信号有9 0 j 差x 混频器中。 对混频器的三个口的阻抗主要要：一是要求匹配，混频器r f 及i f 口的匹配可以保证与 各口相接的滤波器正常工作，l o 口的匹配可以有效地向本振汲取功率，但对m o s 管由于栅 极的输入阻抗很高，匹配往往是很难做到的；二是每个口对另外两个口的信号，力求短路【1 3 l 。 2 1 6 混频器的误差矢量幅度 误差矢量幅度是数字通信的一个非常重要的指标，主要是测量失真的星座图与理想的星 座图的平方根( r m s ) 误差。通常这些失真是由于电路的非线性、延时、工艺失配、信号失配 等造成的1 6 l 。 q i l x 埘， 1 一 f 1 、 q 固1 ) i l 驯i l 石 弋 ( a ) 理想1 6 q a m 星座图( b ) 失真的1 6 q a m 星座图 东南大学硕士学位论文 q 天 t ) 哎，q + ， 叭”一0 7 ，一 误差矢量幅度的计算 ( ，口) 是理想点的坐标 ( ，q ) 是失真点的坐标 ( c ) 矢量偏差示意图 图2 2 矢量偏差的星座图 e v m w s = 2 2 有源混频电路 2 2 1 基于平方关系的混频器 ( 2 7 ) 混频器中晟简单的结构是利用漏源电流与栅源电压的之间的平方关系而设计的混频器 如( 2 8 ) 式所示： v l n = v r fc o s ( ( d r f t ) + v l dc o s ( c o l o ，) ( 2 8 ) 这种混频器叫做基于平方关系的混频器，如图2 4 所示 图2 4 常规的平方律混频器 在平方律中，输出展开式只有c l ，c 2 为非零，假设输入为l o 和r f 的线性组合： = v r fc o s ( m p j ) + v l 。c o s ( o c o t ) ( 2 9 ) 输出表达式可写成 v o l 口。v 舢“+ v