（电路与系统专业论文）用于31～48ghz+mbofdm超宽带系统的下变频器设计.pdf

东南大学学位论文独创性声明 l ir lr11 111 11 11 1111l y 17 5 3 5 3 3 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i i i i 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 表示了谢意。 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：童婆导师签名：二垂! 亟日期：丛? ，1 6 摘要 摘要 近年来，伴随着无线通信技术的迅速发展，无线数据传输的速度被寄予更高的期望， 各种高速无线通信协议应运而生。另一方面，对廉价工艺尤其是互补金属氧化物半导体 ( c m o s ) 工艺的持续改进，使通信系统的成本、功耗和其他性能的进一步改善也得以实 现。 超宽带( u w b ，u l t r aw i d eb a n d ) 通信技术是一种应用于短距离的超高速数据传输 协议，近年来以低成本、低功耗、高速率等特性成为国际无线通信领域中一种新兴的无 线通信技术。多带正交频分复用超宽带( m b o f d mu w b ) 是超宽带技术的一种，由于 在收发信机架构和集成电路工艺上与传统无线系统的兼容性，已作为i e e e 标准被推广， 具有极其广泛的应用前景。 混频器是射频收发信机的核心电路。本课题采用中芯国际0 1 3 9 mc m o s 工艺设计了 用于多带正交频分复用超宽带接收机射频前端的下变频器。 论文首先根据系统要求确定了采用的混频器种类吉尔伯特混频器。论文分析了 传统吉尔伯特混频器产生噪声的机制，为设计中的噪声优化提供了理论依据；针对混频 器中比较重要的线性度性能，论文阐述了几种改进线性度的技术。在上述理论分析的基 础上，采用了多种改进噪声、线性度和功耗的措施，并给出了较详尽的理论分析，最终 确定了符合设计要求的混频器结构。仿真结果显示论文设计的混频器在2 6 4 m h z 频带范 围内各项性能具有良好的平坦性，核心电路功耗仅为3 7 m w ，混频器的各项性能均满足 设计指标，验证了混频器设计方法的正确性。论文最后回顾总结了整个设计过程，并对 电路设计的进一步完善提出了想法。 【关键词】 混频器，超宽带，低噪声，低功耗，c m o s 东南大学硕士学位论文 h a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h ef e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ( f c c ) a l l o c a t e d7 5 g h zo f s p e c t r u mf o ru n l i c e n s e du s ef o ru l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g i e si n3 1 1 0 6 g h z f r e q u e n c yb a n d ，u w bh a se m e r g e d a sap r o m i s i n g t e c h n o l o g yf o r w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sa n dl o c a la r e an e t w o r k sd u et oi t sh i g hd a t ar a t e ，l o wc o s ta n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n a m o n gv a r i o u sr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e s ，d i r e c t - c o n v e r s i o nr e c e i v e r ( d c r ) i sp r e f e r r e df o ri t sl o wc o s ta n dl o wp o w e ri m p l e m e n t a t i o n t h ec o n v e n t i o n a l g i l b e r t t y p em i x e ri sc o m m o n l yu s e di nd i r e c t - c o n v e r s i o nr e c e i v e r sf o rp o s i t i v e c o n v e r s i o ng a i n ，g o o dp o r t - t o p o r ti s o l a t i o na n dal o we v e n - o r d e rd i s t o r t i o n h o w e v e r t h eg i l b e r t t y p em i x e ru s e dt oc o n s u m em u c hp o w e rb e c a u s eo ft h el a r g eb i a sc u r r e n t n e e d e df o re n o u g hc o n v e r s i o ng a i na n dl i n e a r i t y i nt h i sp a p e r , al o w p o w e rd o w n - c o n v e r s i o nm i x e r b a s e do ng i l b e r tc e l li s d e s i g n e dt oc o v e r3 1 - - 4 8 g h zu w bf r e q u e n c yb a n d i m p l e m e n t e di ns m i c0 1 3 p , m c m o sp r o c e s s ，t h em i x e ri so p t i m i z e dm a i n l yi nt h ea s p e c to fn o i s ea n dp o w e r c o n s u m p t i o n ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ou w bc o m m u n i c a t i o na n dp o p u l a rt r a n s c e i v e r a r c h i t e c t u r e si sg i v e ni nt h ef i r s tt w oc h a p t e r so ft h ep a p e r i nt h e “r dc h a p t e r ，t h e f u n d a m e n t a lt h e o r yo fm i x e ri sa n a l y z e d ，f o l l o w e db yar e s e a r c ho nt h en o i s e c o n t r i b u t i o ni ng i l b e r tm i x e ri nd e t a i la n dl i n e a r i t yp r o m o t i o nt e c h n i q u e s a n i m p r o v e dg i l b e r td o w n c o n v e r s i o nm i x e rt o p o l o g yb a s e do nd e t a i l e da n a l y s i s o n n o i s ec a n c e l l a t i o na n dp o w e rr e d u c t i o ni si n t r o d u c e d u s i n gs m i co 13i t mc m o s p r o c e s s s i m u l a t i o nr e s u l t sc o v e n n g3 1 - - 4 8 g h zv a l i d a t et h ed e s i g np r o c e s s t h e w h o l ed e s i g np r o c e s si sc o n c l u d e di nt h el a s tp a r to ft h ep a p e ra n dap r o s p e c ti sa l s o g i v e n k e yw o r d s m i x e r , u w b ，g i l b e r tc e l l ，l o wp o w e r , l o wn o i s e ，c m o s 1 1 1 东南大学硕士学位论文 i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第l 章绪论1 1 1论文研究背景l 1 1 1 超宽带无线通信发展历史1 1 1 2 超宽带技术的优点和用途2 1 2超宽带无线通信系统分类2 1 2 1 脉冲无线电超宽带2 1 2 2 直接序列超宽带3 1 2 3 多带正交频分复用超宽带3 1 3多带正交频分复用超宽带简介4 1 3 1正交频分复用技术4 1 3 2多带正交频分复用超宽带概念及优缺点5 1 4课题研究内容及论文组织情况7 1 5本章小结8 第2 章无线接收机结构及性能分析9 2 1超外差接收机9 2 2镜像抑制接收机1 2 2 2 1 h a r t l e y 结构1 2 2 2 2 w e a v e r 结构1 2 2 3零中频接收机13 2 4低中频接收机1 5 2 5本章小结1 5 第3 章混频器工作原理及性能分析1 7 3 1混频器工作原理17 3 2混频器分类18 v 东南大学硕士学位论文 无源混频器18 有源混频器2l 要性能指标2 4 变频增益2 4 噪声系数2 5 线性度2 5 端口隔离度。2 7 阻抗匹配2 7 误差矢量幅度。2 8 章小结。2 8 伯特混频器噪声和线性度分析2 9 声分析2 9 低频噪声2 9 高频噪声3 5 性度分析3 8 预失真技术3 9 前馈技术。4 0 分段线性技术。4 0 反馈技术4 1 章小结一4 2 频器设计4 3 计指标一4 3 变频混频器设计一4 3 注入电流技术4 4 动态注入电流源4 5 引进谐振电感4 6 折叠拓扑代替堆叠拓扑4 7 跨导提高技术4 8 调谐5 0 混频器完整拓扑51 章小结5 2 器版图设计、仿真和测试方案5 3 v i 6 1 6 2 6 3 6 4 第7 章 7 1 7 2 版 混 6 2 1 6 2 2 6 2 3 6 2 4 6 2 5 测 6 3 1 6 3 2 6 3 3 6 3 4 图设计 频器仿真 输入输出匹配 变频增益 噪声系数 线性度 端口隔离度 试方案 变频增益的测试 噪声系数的测试 增益压缩测试 目录 三阶互调测试6 l 结论6 3 下一步工作 7 1 1中频滤波器的设计 7 1 2电感优化 论文总结 致 射6 7 参考文献6 9 攻读硕士期间发表论文7 3 v i i 3 5 5 6 6 7 9 o 1 1 1 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 2 2 2 6 6 6 一武 一试 一 试测 测度 配离 一 匹隔 入口结输端小章 5 6 粥舶本 6 6 3 3 3 4 6 6 6 6 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 第l 章绪论 1 1 1超宽带无线通信发展历史 近年来，随着对无线通信系统的容量、可靠性和通信质量要求的迅速提高， 超宽带技术得到了广泛关注。超宽带技术以低成本、低功耗、高速率等特性成为 国际无线通信领域中一种新兴的无线通信技术。 超宽带技术有着悠久的历史，最早可以追溯到一百年前马可尼发明越洋无线 电报的时代。现代意义上的超宽带出现于上世纪9 0 年代，但是它的应用仅仅局 限于军事、灾害救援等方面。1 9 8 9 年美国国防部高级研究计划署( d a 刚) a ) 首 先采用了超宽带这一术语，并对它的定义做了明确的规定。2 0 0 2 年2 月，超宽 带技术首次获得了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 s c o m m i s s i o n ) 的批准被用于民用通信，由此掀起了超宽带技术研究和应用的热潮。 超宽带信号的定义随着超宽带技术的发展几经变化。按照美国联邦通信委员 会的定义，绝对带宽大于5 0 0 m h z 或相对带宽大于2 5 的信号为超宽带信号， 相对带宽在1 2 5 之间的信号为宽带信号，小于l 的信号为窄带信号。相 对带宽的定义为2 ( f h - f r ) 饰机) ，其中局为高频端- 1 0 d b 下降点，九为低频端一l o d b 下降点。美国联邦通信委员会还规定了非授权的频段3 1 1 0 6 g h z 之间的7 5 g h z 的频带范围为超宽带使用的频带。 由计算信道容量的香农公式可知，信道的容量随带宽线性增加，随信噪比的 降低呈对数减小。这种关系说明，无线通信系统的容量可随所占带宽的增加、信 噪比的提高而增加。因此可以说，超宽带通信技术由于大带宽而具有很高的容量。 从目前的发展趋势来看，超宽带技术主要分为两种形式：一种是采用传统的 窄脉冲做载波并结合p p m 、b p s k 等调制方式的脉冲无线电超宽带( i r u w b ) ； 另外一种采用调制载波技术，包括多带正交频分复用( m b o f d m ) 、直接序列 码分多址( d s c d m a ) 等【2 】。本文主要研究用于多带正交频分复用超宽带接收 机中的混频器。 目前，i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组正在进行高速超宽带物理层标准的制定工作1 3 j 。 近几年来多带正交频分复用和直接序列码分多址两种超宽带标准的提案相持不 下。m o t o r o l a 、f r e e s c a l e 等公司成立超宽带论坛( u w bf o r u m ) ，推动直接序列 东南大学硕士学位论文 码分多址方案的发展，主张两个标准兼容。i n t e l 、t i 等公司组成m b o a 联盟， 推动以多带正交频分复用方案为基础的标准化工作，不主张两个标准兼容。 1 1 2超宽带技术的优点和用途 由于可与多种窄带通信技术共存且短距离内传输速度很高，超宽带技术可满 足不同类型的短距离通信。与其他宽带技术相比，超宽带技术具备下列优点【4 l ： ( 1 ) 抗干扰能力强。超宽带技术在发射时将微弱信号分散在宽阔的频带中， 平均有效全向辐射功率只有一4 1 2 d b m m h z ，甚至低于普通设备产生的噪声。接 收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。与i e e e8 0 2 1 l a b 无线 局域网、蓝牙等相比，在同等码速条件下超宽带技术具有更强的抗干扰能力。 ( 2 ) 传输速率高。理论上一个宽度为零的脉冲具有无限的带宽，超宽带技 术使用的带宽为7 5 g h z ，理论速率可达到1 g b p s 以上。 ( 3 ) 保密性好。超宽带技术保密性表现在两方面：一方面是系统的发射功 率谱密度极低，用传统的接收机无法接收；另一方面是采用跳时扩频技术，接收 机只有在已知发送端扩频码时才能解出发射数据。 ( 4 ) 低功耗。超宽带技术发射功率非常小，低发射功率可使系统电源工作 时间大大延长，减少电磁波辐射对人体的影响。 超宽带技术是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术，其主要 应用包括室内通信、高速无线局域网、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测 定、雷达等。 1 2 超宽带无线通信系统分类 根据超宽带的定义可以看出，超宽带并没有界定信号的时域波形特征，因此 按照实现方式可以有多种方式产生超宽带信号【5 l 。 1 2 1脉冲无线电超宽带 脉冲无线电是指采用时间极短的冲击脉冲作为信息载体的无线电技术。这种 脉冲传输技术的特点是：通过对非常窄( 往往小于l n s ) 的脉冲信号通过脉冲位 置调制、脉冲极性调制、脉冲幅度调制等方式携带信息，以获得非常宽的带宽来 传输数据。该方式的优点是系统简单、成本和功耗低、多径分辨力强、信号随距 离衰减小、穿透力强。缺点是信息传输速率、频谱利用率不高，频谱使用不灵活。 图1 1 给出了采用基带窄脉冲方式的超宽带系统的系统框图。 2 第l 章绪论 1 2 2直接序列超宽带 图1 1 基带窄脉冲超宽带系统框图 该方案将超宽带可用频谱分为低频带( 3 1 6 8 5 1 5 g h z ) 和高频带 ( 5 8 2 5 1 0 5 6 g h z ) 两个频段，采用单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可 共享整个频带，对现有的频带内的用户造成的干扰比较少，成本比较低，上市时 。 间短，易于实现低功耗、低速数据流的无线传输，可实现更高速的无线数据传输， 应用于媒体流及大量的数据传输。与多带正交频分复用超宽带相比，直接序列超 宽带系统复杂度和成本较高，无法解决符号间干扰问题。图1 2 给出了直接序列 謦 超宽带系统的系统框图。 图1 2 直接序列超宽带系统框图 1 2 3多带正交频分复用超宽带 为了提高频谱利用率，考虑采用多带调制。多带传输系统将可用的超宽带频 谱划分成若干个子带，每个子带的宽度不小于5 0 0 m h z 。通信时，可以根据信息 速率、系统功耗的要求以及其他系统要求，动态的使用部分或者全部子带，通过 同时发送多个不同频带的超宽带信号来提高信息传输速率。 正交频分复用系统具有很高的处理速率，其各子载波间相互正交，减少了子 载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率，可以与超宽带系统相结合，从而 东南大学硕士学位论文 形成多带正交频分复用超宽带( m b o f d mu w b ) 系统。另外，该技术比较成 熟，便于c m o s 集成。图1 3 给出了这种方案的系统框图。 v d d 图1 3 多带正交频分复用超宽带系统框图 1 3 多带正交频分复用超宽带简介 1 3 1正交频分复用技术 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波数字通信调制技术。它实际上是 多载波调制( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一种。其主要思想是将给定信 道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每 个子信道上进行传输。 正交信号可以在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相 互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可 以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰( i s i ) 。而且由于每个子信道的带 宽仅仅是原信道带宽的一部分，信道均衡变得相对容易。 美国军方在上世纪6 0 年代就建造了世界上第一个多载波调制系统，并随后 衍生出采用多个子载波和频率重叠技术的正交频分复用系统。但在之后相当长的 一段时间，正交频分复用技术的发展遇到了很多似乎难于解决的问题。首先，正 交频分复用要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上发现采用快速傅立叶变换 ( f f t ) 可以很好地实现这种调制方式，但实际上，如此复杂的实时傅立叶变换 设备在当时是根本无法完成的。此外，发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频 功率放大器的线性要求等因素也都是正交频分复用技术实现的制约条件。 2 0 世纪8 0 年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了快速傅里叶变换的 4 第1 章绪论 实现问题，随着数字信号处理( d s p ) 芯片技术的发展，格栅编码( t r e l l i sc o d e ) 技术、软判决技术( s o f td e c i s i o n ) 、信道自适应技术等的应用，正交频分复用技 术开始从理论向实际应用转化。 进入9 0 年代以后，正交频分复用的应用又涉及到了利用移动调频( f m ) 和 单边带( s s b ) 信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路 ( h d s l ) 、非对称数字用户环路( a d s l ) 、超高速数字用户环路( v h d s l ) 、数 字声广播( d a b ) 及高清晰度数字电视( h d t v ) 和陆地广播等各种通信系统。 1 9 9 1 年，c a s a s 提出了o f d m f m 的方案，可利用现有的调频系统进行数据传 输。 1 3 2多带正交频分复用超宽带概念及优缺点 目前提交给i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组的超宽带标准主要有两种体制：一种是多 带正交频分复用超宽带方案，其主要支持者是m b o a 联盟，包括i n t e l 、t i 、w i s a i r 、 h p 、s a m s u n g 、n o k i a 、p h i l i p s 等1 7 0 多家公司；另一个是直接序列码分多址方 案，其主要支持者有m o t o r o l a 、x t r e m e s p e c t r u m 、f r e e s c a l e 、o k i 、c a v a 等公司。 多带正交频分复用超宽带系统是将美国联邦通信委员会规定的3 1 1 0 6 g h z 频带划分成满足超宽带定义的多个子带，在每个子带上采用正交频分复用 ( o f d m ) 方案。多带正交频分复用超宽带主要面向无线个域网，速率大于 1 1 0 m b p s 。多带正交频分复用超宽带旨在为消费类电子产品和多媒体应用提供无 线连接，高速率情况下也可以用作无线u s b 和无线1 3 9 4 的物理层。m b o a 已 经制定出基于多带正交频分复用超宽带技术的物理层规范。工作距离为1 0 米时 速率为1 1 0 m b p s ，工作距离短时速率可以更高。 该类系统可以与其他系统工作在同一个频段上，如可以与8 0 2 1 1 a 共享频谱。 物理层的主要技术指标为：1 0 米范围的速率为l1 0 m b p s ，4 米范围为2 0 0 m b p s ， 2 米范围为4 8 0 m b p s 。 g r o u plg r o u p 2g r o u p 3 g r o u p 4g r o u p 5 lh _ h 一帅一( 枷脯i ；n _ 州i( h - n h 柚d ：怕 雌if l 却m df h 啊k i ：f _ - d( 、n h( h n d ：( h 附d ( t a m n d 12，4 7 s91 0i l1 2l 4 3 4 3 26 04 4 蚺j m5 5 4 4 ( j ij 7 2 黼o o 7 i s 7 6 5 6s 1 8 7 1 29 2 4 1 ) q s i j 2 0 6 f m l t zm | i zm - zm h zm i l zm h zm 1 4 7 m h zm h z m h zm h zm h zm h zm i i z 。 图1 4 多带正交频分复用超宽带频谱 多带正交频分复用超宽带系统可利用的频带如图1 4 所示，整个频带从3 1 6 8 g h z 到1 0 5 6 g h z ，整个频谱可以分成五组，每组包括2 到3 个频带。其中第一 组从3 1 6 8g h z 到4 7 5 2g h z ，一共包括三个频带，每个频带带宽为5 2 8 m h z ， 东南大学硕士学位论文 包含1 2 8 个正交子载波的多带正交频分复用调制信号，每个子载波的带宽为 4 1 2 5 g h z ，调制方式为四相相移键控( q p s k ) 。 多带正交频分复用超宽带方案和常规的正交频分复用系统十分相似，这个方 案的要点有1 6 j ： ( 1 ) 多频带划分。多带正交频分复用超宽带把整个超宽带频谱 ( 3 1 6 8 1 0 5 6 g h z ) 分成1 4 个5 2 8 m h z 的子频带，每个子频带使用1 2 8 个子载 波的o f d m 调制传输信息。这1 2 8 个子载波当中的1 0 0 个使用四相相移键控调 制用于传输信息，1 2 个子载波用于载波和相位跟踪，1 0 个子载波用于用户自定 义的导频，剩下的6 个子载波备用。 ( 2 ) 循环前缀设计。采用6 0 6 n s 的循环前缀，有较强的抗多径能力。采用 9 5 n s 的保护间隔，为频带间的切换提供了充足的时间。通过调频，将信息比特 交织到所有的子载波上，可获得比较好的频率分集效果，提高抗频率选择性衰落 和抗干扰性能。 ( 3 ) 可扩展性设计。多带正交频分复用超宽带系统支持的数据速率有5 5 、 8 0 、1 1 0 、1 6 0 、2 0 0 、3 2 0 、4 8 0 m b p s ，使用的频带可以从3 个频带组扩展到7 个 频带组。该方案具有良好的可扩展性，能够兼顾到目前技术上可实现性和可升级 性。 多带正交频分复用超宽带系统具有以下优点： ( 1 ) 频谱灵活性强、共存性好。超宽带使用无需授权的3 1 6 8 1 0 5 6 g h z 频 段，平均有效全向辐射功率为一4 1 2 d b m m h z ，与普通窄带通信系统的噪声差不 多，因此不会对授权频段设备产生干扰。多带正交频分复用超宽带信号是由模数 转换器产生，可用软件动态地打开或关闭某些特定频段。多带正交频分复用超宽 带方案的频谱分配可以多种多样，因此设计的超宽带设备具有灵活的频谱特性。 ( 2 ) 抗窄带干扰能力强。正交频分复用的优势之一是它对窄带干扰的稳健 性。在多带正交频分复用超宽带中，子载波之间间距为4 1 2 5 m h z ，因此多带正 交频分复用超宽带系统的分辨率很高，任何窄带干扰顶多只会影响几个正交频分 复用符号而已，而且这种影响可以通过采用前向纠错码消除。 ( 3 ) 实现复杂度低。多带正交频分复用超宽带系统是一种复杂度较低的解 决方案。一般情况下，正交频分复用比较复杂，但是经过专门设计，多带正交频 分复用超宽带系统的复杂度可以大大降低。通过限制传输符号为四相相移键控， 数模和模数转换器的解析度和数字基带的内部精确度( 特别是f f t ) 可以降低。 载波之间的空间相对较大，放宽了载波合成电路系统的相位噪音要求，也提高了 对同步误差的容错性。 当然，多带正交频分复用超宽带方案也存在不足之处。第一，由于对系统频 6 第l 章绪论 带的分割，每一个正交频分复用符号仅能够使用5 2 8 m h z 带宽，依据美国联邦通 信委员会对频率谱密度的限制，可能会导致其发射功率不足从而影响系统所能达 到的最高速率；第二，与脉冲无线电方案相比，采用正交频分复用方案是以适当 提高收发信机复杂度来换取抗码间干扰性能的提高；第三，采用时频扩展在获得 分集增益的同时会使得单位时间内的信息速率下降。 1 4 课题研究内容及论文组织情况 本课题的主要研究内容为应用于多带正交频分复用超宽带接收机射频前端 的下变频器，混频器利用中芯国际的o 1 3 1 9 nc m o s 工艺实现。相比较其他变频 器的设计，本课题所采用的设计着重在噪声和功耗性能上进行了改进，并采用可 重构结构实现了在不同超宽带频带间的切换。为减轻对后端自动增益模块负担， 所设计的下变频混频器具有性能平坦的优良特性。 本文的内容安排如下： 第一章绪论介绍了超宽带技术发展的历史及近年来超宽带技术发展的趋势。 超宽带技术相对于传统窄带通信系统的诸多优点给有限的频谱资源注入了新的 活力。同时还介绍了不同的超宽带技术的种类，通过对不同超宽带系统的比较得 出了多带正交频分复用超宽带在系统复杂度、工艺兼容性及通信质量等方面的优 势。本文主要的研究方向是采用标准0 1 3 i t mc m o s 工艺实现低噪声和低功耗的 直接下变频混频器，用于多带正交频分复用超宽带系统中。 第二章介绍了目前几种常用无线接收机的结构，包括超外差接收机、镜像抑 制接收机、零中频接收机和低中频接收机等，并简单分析了它们各自的优缺点。 通过比较得出适用于多带正交频分复用超宽带技术的接收机架构，也因此定义了 混频器为直接下变频混频器。 第三章介绍了混频器的基本理论。本章首先介绍了几种不同混频器的拓扑结 构以及它们的优缺点，选择了适用于直接下变频接收机的混频器种类。接着介绍 了混频器的主要性能参数，包括线性度、变频增益、噪声系数、端口匹配和误差 矢量幅度等，并分析了各指标之间的关系及它们对整个系统的影响。 在前面对几种接收机及混频器结构的比较分析的基础上，第四章对选择的吉 尔伯特双平衡混频器的噪声产生机制进行了较细致的分析，并在此基础上介绍了 一些优化噪声的注意事项。由于线性度对衡量一个混频器设计的性能至关重要， 第四章也给出了一些常用的线性度改良措施。当然，这些措施在一定程度上影响 了混频器的其他性能。 在第五章中，作者结合部分已发表的文献对现存的吉尔伯特双平衡混频器的 噪声和功耗性能做了改进，提出了一种优化的应用于超宽带系统的混频器拓扑结 东南大学硕士学位论文 构。该混频器基于传统的吉尔伯特混频器，但又对它进行了多方面的优化，包括 折叠式结构代替堆叠式结构、采用并联电感消除寄生电容引入的闪烁噪声、采用 跨导提高技术减小功耗等。 第六章给出了所设计混频器的仿真结果、版图设计以及测试方案。采用中芯 国际0 1 3 i t mc m o s 工艺完成电路版图设计，并用s p e c t r er f 工具进行仿真。由 于该混频器是差分电路，所以在画版图时特别注意了其对称性。由于截至论文完 成混频器芯片的流片没有完成，本文只给出了测试方案。 第七章是下一步的研究方向以及对全文的总结。下一步将在该设计后端添加 中频滤波器，滤除有用信号频段之外的信号和干扰。其次，为了减小版图面积和 完成超宽带高频段混频器的设计，将对电感器件的面积和品质因数进行优化。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本文的写作背景，讲述了超宽带无线通信的发展历史和超宽 带通信的特点。鉴于超宽带无线通信的诸多优点，它已在短距离、超高速通信领 域受到人们的广泛关注，称为研究和应用热点。第二节对不同的超宽带通信系统 进行了介绍，并在第三节中对本文设计基于的多带正交频分复用超宽带进行了比 较详细的阐述。第四节说明了课题的主要研究内容和文章的组织情况。 8 第2 章无线接收机结构及技术指标 第2 章无线接收机结构及性能分析 无线移动通信的飞速发展，对接收机系统提出了更严格的要求。设计低成本、 低功耗、小尺寸、高集成度、高可靠性的接收机系统成为系统设计工程师的目标。 通信过程中的每一种通信协议都要求接收机有特定的性能。这些通信系统有的工 作在不同频段上，有的甚至使用同一频段。不同的通信系统之间会发生干扰，加 上自然界本身就存在的干扰，这样就使得射频信号在传递和接收时有一定程度的 衰减。 射频接收机位于无线通信系统的最前端。天线将空间中的射频信号耦合接 收，经过低噪声放大器的信号放大和混频器的下变频，将得到的基带信号送入后 端的基带信号处理部分解调、模数转换。由于其他通信系统的信号干扰、空间中 信号传播时的能量衰减和噪声的影响，接收机接收到的射频信号与许多无用信号 或干扰混叠在一起。要想从这些混叠信号中得到本系统需要的信号，要求接收机 针对某种信号具有抗干扰性及灵敏度。下面本文将简要分析几种接收机结构，包 括超外差式接收机、镜像抑制接收机、零中频接收机和低中频接收机掣7 1 。 2 1 超外差接收机 超外差式接收机由a r m s t r o n g 在1 9 1 8 年提出。由于这种结构具有良好的选 择性和灵敏度，这一经典接收机架构至今仍在不断的改进并被人们广泛采用。目 前，绝大多数的无线接收机的前端采用传统的超外差式。图2 1 所示为超外差式 接收机的框图。 图2 1 超外差接收机框图 在图2 1 中，空间中的微弱射频信号被天线耦合下来，送入一个射频带通滤 波器进行预滤波滤除带外射频信号及附近的噪声和干扰信号，经过低噪声放大器 ( l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 放大进行放大。超外差接收机中的射频信号经过两次下 变频得到基带信号。低噪声放大器的输出信号经过第一个下变频器得到中频信 号，后接的中频带通滤波器进行信道选择。选择后的中频信号经过第二次下变频 得到最终的基带信号，送入后端的基带信号处理部分。 q 东南大学硕士学位论文 在超外差式接收机中，下变频混频器前面的高频放大器一般为低噪声放大 器。从系统噪声系数的角度考虑，因为混频器的噪声系数一般都较大，而前面的 带通滤波器是无源滤波器，有一定的损耗，按多级线性系统级联的噪声系数公式 【8 】 n f = n f , + 二= 三二+ 二一三二+ ( 2 1 ) g p l嗥l g p 2 式中，n f i 、n f 2 和n f 3 分别表示接收机中第一级、第二级和第三级模块的噪声 系数，郇l 和g t , z 表示相应模块的增益。从式( 2 1 ) 可以看出，整个接收机的噪 声系数的主要为低噪声放大器的噪声系数，后级电路所贡献的噪声都在对前边模 块功率增益归一化之后折合到系统中。如果系统第一级不是低噪声放大器而是混 频器，整个系统的噪声系数将很大。而在混频器前引入具有一定增益的低噪声放 大器可以减弱混频器和后面中频放大器噪声对整个接收机的影响，从而对有利于 提高灵敏度。但低噪声放大器的增益不宜太高，因为混频器是非线性器件，进入 它的信号太大，会产生许多非线性失真。带通滤波器可以放在低噪声放大器之前 或之后。放在后面对降低系统噪声有利，放在前面可以对进入低噪声放大器的信 号进行预选，滤除带外信号，可以减轻对低噪声放大器的线性度的要求。 接收机从天线上接收到的信号功率一般为一1 2 0 - - 1 0 0 d b m 。如此微弱的信号 要放大到解调器可以解调或模数变换器可以工作的电平，一般需要放大l o o d b 以上。采用超外差式接收机方案后，将接收机的总增益分散到了高频、中频和基 带三个频带段上。而且，载频降为中频后，在较低的固定中频做高增益的放大器 要比在载波频率上做高增益的放大器容易和稳定得多。因此，超外差式接收机结 构被认为是最可靠的接收机拓扑结构。通过选择适当的中频和滤波器可以获得极 佳的选择性和灵敏度。由于有多个变频级，直流偏移和本振泄漏问题不会影响超 外差接收机的性能。 超外差接收机也存在许多缺点。首先是镜像信号的干扰，它由镜像频率而来。 在镜像频率上的干扰信号经过混频器与本振信号相混频，在中频输出端口产生一 个由下变频而来的镜像干扰噪声，会降低接收信号的信噪比。 假设射频输入信号为e o s ( c o r f t ) ，本振信号为e o s ( l o t ) ，中频输出信号为 c o s ( w l r t ) ，镜像信号为e o s ( o j i m o ，其中 有用的中频信号为： 矗= i 瓜一允l = l 一南j ( 2 - 2 ) 1 0 第2 章无线接收机结构及技术指标 c o s ( 0 9 正，) = c o s ( r o r f t ) c o s ( a k o f ) 1 = 爿c o s ( 一a j r r ) t + c o s ( a k + ) 印 ( 2 3 ) j o 1 ， ， 2 - 亏 c o s o i f t - t - c o s ( r + a ) l o ) t j o 镜像的中频信号为： c o s ( r o w t ) = c o s ( c o 蹦t ) c o s ( a k o t ) 1 = 爿c o s ( f o n m a k o ) t + c o s ( c o m + c o l o ) t 】 ( 2 4 ) j 0 1 ， ， 2 - 号 c o s o ) w t + c o s ( r o 蹦+ a k o ) t j 厶 由式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可知，射频信号和镜像信号经过混频后，虽然其他的 高频信号与和频信号可以由频带选择滤波器滤除，但是两者的中频项都重叠在同 一频带内，造成镜像信号对射频有用信号的干扰。 对镜像干扰信号的一般处理方法是在混频器的前一级加上一个镜像抑制滤 波器，消除镜像频率上的干扰噪声。但是这需要一个集成有无源器件的高品质因 数的滤波器。但是由于片上无源器件的品质因数普遍很低，因此镜像抑制滤波器 的设计一般采用片外的无源器件，因此超外差接收机集成度不高。此时只有增大 中频频率，即射频频率与本振频率相差更大。 超外差式接收机的另一个问题是镜像抑制和邻近信道抑制之间的折衷，由于 射频信号与镜像信号之间的间隔是新f ，所以选择一个高的中频频率有利于抑制 镜像信号，降低对镜像抑制滤波器的要求，但是临近信道干扰信号却保持较高能 量，需要使用高品质因数的中频滤波器；若中频频率较低，则临近信道干扰能得 到很好的抑制，但镜像干扰则较严重。因此，镜像抑制滤波器和中频滤波器都需 要使用高品质因数的滤波器，一般采用造价较高的表面声波( s a w ) 滤波器。 为了解决超外差式接收机中中频频率的选择问题，往往采用多次降频的方法，可 以降低对滤波器品质因数的要求。 在超外差式接收机中存在许多片外器件，存在以下缺点【9 】：首先，超外差式 接收机中使用的高品质因数元器件在目前的集成电路工艺条件下很难做到集成 化，只能采用片外分离元件来解决，这和现在的单片集成收发机的目标相背离。 其次，由于镜像抑制滤波器和中频滤波器外接，信号要先从片内引到片外，然后 再引入片内，所以片上元件必须偏置在很大的电流下以驱动无源滤波器的低阻抗 以及引脚和封装引起的大的容性负载，增加了功耗和片上电路设计的复杂度。另 外，外接元件的信号还存在着辐射干扰等问题，降低了接收机的可靠性。 赛 蓥 东南大学硕士学位论文 2 2 镜像抑制接收机 在超外差式接收机中，由于镜像抑制滤波器无法片上集成，已经成为接收机 进一步集成的瓶颈。我们可以采用镜像抑制接收机的方法来抑制镜像信号，常用 的接收机结构有h a r t l e y 和w e a v e r 结构。这两种结构的接收机都是利用两个相互 正交的本振信号分别与两个混频器下变频来消除镜像干扰。 2 2 1 h a r t l e y 结构 在这种结构中，用相互正交的两个本振信号与射频信号混频，利用混频器和 9 0 度的相移器对同相和正交两支路的镜像信号造成1 8 0 度的相移，而有用射频信 号保持同相位。然后两路信号叠加，就可以得到抑制了镜像频率的中频信号，如 图2 2 所示。 图2 2h a