（微电子学与固体电子学专业论文）uwb频率综合器的研究与设计.pdf

复旦大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信网络的飞速发展，一方面人们对数据传输速度的期望不断提 高，各种速率越来越高的无线通信协议也应运丽生。u w b 就是在这种趋势下产 生的。另一方面，人们希望能够实现无线传输网络的低成本、低功耗，而现代 c m o s 器件的发展，使得低成本、低功耗的c m 0 s 全集成的射频收发机成为可 能。而m b o f d mu w b 的系统要求也表明它非常适合于用c m o s 来设计实现。 本文以基于m b o f d mu w b 射频收发机应用的频率综合器为出发点，研究 了频率综合器的系统级设计理论，并且采用j a z zo 1 8 u mr fc m o s 工艺具体设 计实现了频率综合器中间的关键模块正交压控振荡器和除法器，并且研究了该频 率综合器体系结构中的锁相环的环路设计部分。测试结果表明q v c o 的相位噪 声能够满足设计指标的要求，在1 0 0 k h z 频偏处的相位噪声为9 0 4 d b c h z ，1 m h z 频偏处的相位噪声可以达到1 1 6 7 d b c i - t z 。 本文首先讨论了u w b 频率综合器的系统设计，从m b o f d mu w b 的系统 指标出发，研究了u w b 射频收发机中频率综合器的性能指标，包括频率综合器 的点频相位噪声要求、s p u r 要求、积分相位噪声要求等，并且最终确定tu w b 频率综合器所采用的结构。 接下来是具体电路的设计，包括压控振荡器的设计和除法器的设计。文中首 先确定了本次设计所采用的q v c o 的结构，并且通过仿真分析了该结构在性能 上的优异性。总结了正交压控振荡器( q v c o ) 的优化设计以及设计流程，其中 还详细分析了该q v c o 采用的数字电容调谐阵列( d c c a ) 结构较之普通结构的 优点以及它对v c o 频率调谐范围的影响。除法器的设计，包括高速s c l 除法器 和数字除法器的设计。该部分结合了定量和定性的方法，分析了s c l 除法器的 最高工作频率、偏置电流的设置以及动态工作特性。 接着讨论了锁相环环路稳定性设计的两种方法，按照开环相位裕度最大法设 计了环路滤波器的参数，基于噪声估计优化的环路参数的设计方面讨论了如何选 取环路带宽使得环路的输出相噪最低，最后提出了根据p v t 变化调控电荷泵电 流来保持环路稳定性设计的方法。 最后，对本次设计实现的压控振荡器和整个锁相环进行了测试。结果表明 q v c o 的性能能够满足系统的指标要求。 关键词：o f d mu w bc m o s 频率综合器锁相环压控振荡器正交信号s c l 除法器相位噪声s p u r 稳定性 中图分类号：t n 4 柄要 a b s t r a c t a st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t sr a p i d l y , p e o p l ew a n tt h e i n c r e a s i n gd a t ar a t et om e e tt h en e e d so fl i f e ，s ok i n d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yw i t hf a s t e ra n df a s t e rd a t ar a t ew a sb o r n a n du w b w a sb o r ni nt h et r e n d o nt h eo t h e rs i d e ，p e o p l ew a n tt oe n j o yt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t hl o wp o w e r a n dl o wc o s t 。t h em o d e mc m o sd e v i c e sa r ed e v e l o p i n gv e r yf a s tw h i c hm a k e si t p o s s i b l et op r o v i d eal o w - p o w e ra n dl o w - c o s tt r a n s c e i v e ri nc m o sp r o c e s s t h e s y s t e ms p e c i f i c a t i o no fm b o f d mu w b d e d i c a t e st h a tu w br ft r a n s c e i v e ri s v e r yc a p a b l eo f b e i n gm a d eb yc m o st e c h n o l o g y w i t ht h ec r i t i c a lr e q u i r e m e n t s0 1 1t h ef i e q u e n c ys y n t h e s i z e ri nm b o f d mu w b t r a n s c e i v e r , ad e t a i ls t u d yi sc a r r i e do u ti nt h er e s p e c t so ft h es y s t e md e s i g n , s p e c s d e f i n i t i o n , s u b c i r c u i td e s i g n sa n ds oo i lt h em o r ea t t e n t i o n sa r ep u to nt h ed e s i g n s o ft h ek e ym o d u l e s ，i e q v c o ，t h eh i g hs p e e df r e q u e n c yd i v i d e ra n dt h ep l ll o o p ， w h i c ha r ei m p l e m e n t e di nj a z zo 1 s u mr fc m o s t e c h n o l o g y t h et h e s i sc o n s i s t so ff o u rp a r t s f i r s t l y , t h es y s t e md e s i g no ft h es y n t h e s i z e ri s s t u d i e d ，w h i c hi sm a i n l ya b o u tt h es p e c i f i c a t i o na n a l y s i sb a s e do nt h es y s t e m r e q u i r e m e n t s ，i n c l u d i n gp h a s en o i s e ，s p u r , p h a s en o i s ea n ds oo n i nt h ee n d ，t h e a r c h i t e c t u r eo f t h es y n t h e s i z e ri sd e t e r m i n e d s e c o n d l bt h ea r c h i t e c t u r eo fq v c oi sd i s c u s s e d ，a n dt h ea d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so ft h ed i f f e r e n tt o p o l o g i e s 玳a n a l y z e d 、】l r i t ht h es i m u l a t i o n t h e o p t i m i z a t i o na n dv c od e s i g np r o c e d u r ea r es u m m a r i z e d t h ea d v a n t a g e so ft h e d c c au s e di nq v c oc o m p a r e dw i t ht h ec l a s s i c a ld c c aa n di t si m p a c to nt h e t u n i n gr a n g eo fq v c oa r ea n a l y z e di nd e t a i lt h ed e s i g no fh i g hs p e e df r e q u e n c y d i v i d e r , i n c l u d i n gs c ld i v i d e ra n dd i g i t a ld i v i d e r , i si n t r o d u c e dt h eq u a n t i t a t i v ea n d q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ns c l d i v i d e ri sd i s c u s s e da b o u tt h eh i g h e s tw o r k i n gf r e q u e n c y , t h es e t t i n go f b i a sc u r r e n t ，a n dt h ed y n a m i cr a n g e t h et h i r dp a r td i s c u s s e st w om e t h o d si no r d e rt oh a v eas t a b l ep l l t h el o o p p a r a m e t e r sa r ed e s i g n e df o rt h ep l lu s e di nt h eu w 8s y n t h e s i z e rb a s e do n o p e n - l o o pp h a s e m a r g i nt h e o r y m o r ed i s c u s s i o n sa r eg i v e nt oh o w t oc h o o s et h e l o o pb a n d - w i d t ht oh a v eab e t t e rp h a s en o i s ep e r f o r m a n c ea n dh o wt ok e e pt h e s t a b i l i t yo f p l li ns p i to f t h ep v tv a r i a t i o n i n t h ee n d , t h ei m p l e m e n t i o n so ft h eq v c oa n dp l la r e p r e s e n tt h e m e a s u r e m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep h a s en o i s eo ft h eq v c oi sa b o u t 116 7 d b c h za ti m h zo f f s e t ，b e t t e rt h a nt h es p e c i f i c a t i o n s 复旦大学硕士学位论文 k e y w o r d s o f d m , u w b ，c m o s ，s y n t h e s i z e r , p l l ，v c o ，q u a d r a t u r e s i g n a l ，s c ld i v i d e r , p h a s en o i s e ，s p u r i o u s ，s t a b i l i t y c l cn u m b e r ：t n 4 i l l 缩略词 缩略词 c pc h a r g ep u m p 电荷泵 d c c a d i g i t a lc o n t r o lc a p i t a la r r a r y 数字控制电容阵列 l p fl o o pf i l t e r 环路滤波器 p f d p h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r 鉴频鉴相器 p l lp h a s e l o c k e dl o o p 锁相环 p v tp r o c e s s & v o r a g e & t e m p r a t u r e 工艺、电压、温度变化 q v c oq u a d r a t u r ev o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r 正交压控振荡器 s p u rs p u r i o u s 频谱杂散 s c l s o u r c c - c o u l p c dl c 西c 源极耦合逻辑 u w bu l t r a lw i d eb a n d 超宽带 v c o v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r 压控振荡器 v a rv a r a c t o r 可变电容 论文独创性声明 本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论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外不包含其他入或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意 作者签名：丝叠日珊勃2 丛丛 论文使用授权声明 本入完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保 留送交沿文的复印件。允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容。可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者签名：赳导蜷名：么壑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着无线通信网络的飞速发展，人们对数据传输速度的期望不断提高，各种 速率越来越高的无线通信协议也应运而生。移动通信系统方面经历了模拟蜂窝通 信系统- - ) g s m - c d m a 3 g 的发展历程，传输速度不断提高，通讯质量大大增 强。短距离无线通信方面也经历了蓝牙 - ) 8 0 2 1 1 a b g - - ) 8 0 2 1 5 3 a ( u w b ) 的发展 过程。人们希望的是除了电源网络之外，家用电器能够不需要其他线路连接，甚 至希望电源网络也能够用无线代替。人们不但希望能够享受随时随地的无线网 络，而且希望数据传输的速度能够越快越好。u w b 就是在这种趋势下产生的。 u w b 短距离内最快的理论传输速度可达4 8 0 m b s ，1 0 米的范围内最小也可 以达到1 1 0 m b ，s ，这可以极大的满足家庭网络( 或者说w 鼢n ，即个域网) 用户 对高速的要求。而这种速度正在而且已经被提高了，国外的研究者已经开始研究 数g b s 的传输速度的u w b 了。u w b 可以用于数字高清电视接口、无线u s b 接口以及各种影像传输接口等地，有着极其广泛的应用。据有关组织调查显示， u w b 是未来几年内最有前景、最热门的通信技术之一。 数据传输率是衡量一个无线通信标准性能的重要指标，而u w b 在短距离的 无线通信数据传输方面则是非常具有优势的。m b o f d mu w b 采用了先进的 o f d m 数字调制方式，最高速度可达4 8 0 m b s 。除此之外，真正商业化的产品必 须具有小面积、低成本、低功耗的特点。m b o f d mu w b 是非常适合于用c m o s 全集成实现的。采用c m o s 工艺流程的主要优势主要在于能够同时满足低电压、 低功耗、低成本等需要。但是与s i g e 和b i c m o s 相比，c m o s 在高频时的寄生 效应较大，非线性影响也相对较大，这会使系统的噪声和线性度等性能到一定的 影响。目前随着c m o s 工艺的不断进步，使用c m o s 工艺设计射频收发机已经 是大势所趋，各种通信协议的c m o s 射频收发机也不断推出。而且因为 m b o f d m 系统对信噪比的要求并不像移动通信协议那么严格，所以用c m o s 来实现是完全可以满足设计要求的。该系统是基于多边带正交频分复用技术的射 频接收机。m b o f d m 技术是多频带方式，技术上易于实现、功耗很低，频带 的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带、灵活配置，速率的扩展性 好。其具体频带划分如图1 1 所示【”。 复旦大学硕士学位论文 图1 1m b o f d mu w b 的频带划分 根据其特点，在u w b 射频通信系统中，有两个模块比较难于设计。一个是 低噪声放大器( u q a ) ，低噪声放大器需要在很大的带宽( 3 1 - 4 8 g h z ) 内保持 噪声和增益的稳定。另一个就是频率综合器，因为u w b 的发射功率很低，所以 需要u w b 射频收发机具有很强的抗干扰能力，也就需要频率综合器能够提供很 小的s p u r 和相位噪声。而且，因为频率综合器要能够在3 4 3 2 g h z 、3 9 6 g h z 、 4 4 8 8 g h z 之间实现快速的跳变( 9 i l s ) 。这些方面都说明，频率综合器的设计是 有较大的难度的，也就成为了国内外研究机构的研究热点。本论文进行的是基于 m b o f d mu w b 射频收发机的频率综合器的研究与设计。 因为u w b 的可实现性，在商用化迸程上，国外许多大公司和院校科研机构， 如s t a c c a t o ，r e a l t e k ，p h i l i p s ，s t , t i ，u c l a 等宣称自己正在或者已经研制成功 相关的样片了随着工艺水平的提高，很多公司和科研机构已经不再局限于 g r o u pl 的u w b 的研制了，目前甚至出现了全频带的u w b t r a n s e e i v e r 的研制。 因为考虑蓝牙与u w b 的互相兼容，部分厂商也已经着手研制可同时适用于两种 标准的t r a n s c e i v e r 了。尽管各大公司在大大加快商用化进程，但是目前几乎没 有量产的商用化芯片出现。应该来说，u w b 这一块还是商机无限，有待开发， 潜力极大。 国内对u w b 相关技术研究较多的是天线、通信模型及信道分析、基带处理 等方面。基本上来说，国内在u w b 在模拟i c 电路尤其是r f i c 的实现方面还处 于起步状态，但是已经有很多院校在开展这方面的工作了。目前很少能看到国内 科研院校在国际杂志或者会议上发表过相关的文章。因为u w b 的频率综合器结 构不能采用常规结构来实现，必须使用以一些其他模块来辅助实现，所以国内很 少看到有研究单位在进行这方面的研究。u w b 的频率综合器电路设计这方面， 作者只检索到在a p m c 2 0 0 5 上，西安交通大学陈贵灿教授的科研团队发表过一 篇基于仿真结果的文章1 2 】。 因为国内外目前的研究重点在b a n d g r o u p l ，所以本论文只开展对用于b a n d g r o u pl 频率综合器的研究。本文着重研究了基于c m o s 工艺条件下u w b 射频 前端频率综合器的设计。文章讨论了频率综合器的设计理论与方法，并具体实现 了其中的部分电路，希望对以后类似电路的设计起到一定的借鉴与指导作用。 2 第一章绪论 1 2 论文的主要工作和创新 在上面所提的背景下，在论文的写作期间，作者阅读了大量的相关论文，确 定了频率综合器的系统结构、系统设计指标，最终设计实现了其中的锁相环路部 分，并进行了流片测试。最终的测试结果显示，q v c o 的性能能够满足设计指标 的要求。主要工作和创新点包括如下几个方面： 1 ) 首先深刻理解了m b o f d mu w b 的系统指标，研究了u w b 射频收发机中 频率综合器的性能指标，并且详细给出了这些指标的推导过程。该频率综合 器的设计指标推导过程也适用于其他通信协议中频率综合器的系统指标推 导，具有一定的通用性和指导意义。 2 ) 基于u w b 射频通信协议需要能够进行频率点间快速跳变( g n s ) 的特点，研 究了u w b 频率综合器的系统结构，对不同的结构进行了详细的比较，确定 本次设计采用的结构。并且针对他人所提出的结构进行了相应的修改，共用 了除法器，并且增加了多相滤波器来改变性能，节约了约5 的功耗和5 的 面积，具有一定的独创性。 3 ) 分析确定了本次设计所采用的q v c o 的结构，并且通过仿真分析了该结构在 性能上的优异性。总结了正交压控振荡器( q v c o ) 的优化设计以及设计流 程，其中还详细分析了该q v c o 采用的数字电容调谐阵列( d c c a ) 结构较 之普通结构的优点以及它对v c o 频率调谐范围的影响。 4 ) 分析总结了高速除法器( s c l 除法器) 和数字除法器的优化设计以及设计流 程。结合了定量和定性的方法，分析了s c l 除法器的最高工作频率、偏置电 流的设置以及动态工作特性。 5 ) 讨论了锁相环环路稳定性设计的两种方法，以及基于噪声估计优化的环路参 数的设计。并且提出了根据p v t 变化调控电荷泵电流来保持环路稳定性设 计的方法。 6 ) 在j a z z0 1 8 u r nr fc m o s 工艺下设计实现了该频率综合其中的锁相环路， 总结了高频电路版图设计过程中作者的一些心得体会，为以后的设计工作提 供指导，并且进行了v c o 和锁相环测试和结果分析。 总体来说，本文对频率综合器的系统设计以及部分模块电路和锁相环的设计 进行了详细地分析与总结，并且在前人的基础上，就部分问题进行了更深一步的 研究，提出了自己的观点。 1 3 论文的组织安排 本文按照自上而下的设计流程来安排全文结构。第二章主要讨论了频率综合 器的体系结构，从u w b 通信协议的角度确定了主要设计指标及其推导，并确定 复旦大学硕七学位论文 了本次设计的频率综合器的体系结构。第三章主要介绍正交压控振荡器( q v c o ) 的设计，对正交信号的几种产生方法进行了讨论，确定本次设计的q v c o 结构 该章还详细的分析了相位噪声的原理，给出了详细的推导，并就具体结构，分析 了该结构的相位噪声在设计中的优势。最后，该章结合实例总结了o v c o 的设 计流程。第四章主要介绍了除法器的设计，包括高速除法器( s c l 除法器) 和数 字除法器。该章按照大信号分析方法，结合定量和定性的方法总结分析了s c l 除法器的各个元件参数的制定流程，并且简单分析了数字除法器的设计。第五章 主要介绍锁相环路的优化设计。该章根据前人的总结，以及作者在设计中所得到 的经验，讨论了基于开环最大相位裕度法和噪声优化设计的锁相环路的参数设 计，并且提出了p v t 变化下，环路稳定性的设计方法，主要是通过电荷泵的电 流补偿来保持各种变化下环路能够正确锁定。第六章主要讲述频率综合器的实现 与测试。该章首先根据作者在具体设计中的经验，总结了射频电路的版图设计一 些需要注意的地方，然后主要介绍了q v c o 、锁相环路的测试工作，并且给出了 测试结果和分析最后，对本文的工作进行了总结和展望。 4 第二章频率综合器的体系结构和指标制定 第二章频率综合器的体系结构与指标制定 频率综合器主要是为其他电路模块提供时钟信号，有着非常广泛的应用，可 以说频率综合器无所不在。在不同的应用领域，因为需求和所关注的性能指标的 不同，频率综合器可以有不同的结构。尽管结构各不相同，通常频率综合器都是 基于锁相环结构的。本章首先介绍了两种常见的频率综合器的结构，并且根据 u w b 的特殊情况，确定本次设计所采用的结构。 射频频率综合器不但要提供本振信号给接收机电路，也要提供信号给发送机 电路。接收机和发送机因为各自的需求，对频率综合器有着不一样的指标要求。 在射频发送机电路中，频率综合器主要影响的系统性能指标主要是调制精度( 主 要是e v m ，误差矢量幅度) 和输出频谱( 满足频谱罩的要求) 。在接收机中，频 率综合器主要影响的系统性能指标主要是信噪比，误码率等。根据系统指标的要 求，可以确定射频收发机中频率综合器的具体设计指标，主要包括相位噪声、输 出频谱杂散、总积分相位噪声和带内噪声。本章接下去根据u w b 的系统要求详 细推导了频率综合器的各项性能指标的具体要求。 本章最后比较选择了本次设计所采用的频率综合器的结构，并且分析其中的 设计难点。 2 1 频率综合器的结构比较 根据分频器分辨率的不同，频率综合器可分为整数分频和分数分频频率综合 器。首先介绍整数分频频率综合器。图2 1 是整数分频频率综合器的体系结构口】。 图2 1 整数分频频率综合器 整数分频频率综合器有较为成熟的设计理论和设计方法，设计相对简单。但 是它有一个明显的缺点，就是该频率综合器的参考时钟最大只能等于频率分辨率 也就是信道带宽，这主要是整数分频频率综合器分频比的变化只能是整数的。而 我们知道，绝大多数无线通信系统都是窄带通信系统，如g s m 的信道带宽才 2 0 0 k h z ，因此环路的参考时钟受到了很大的限制，也就极大的限制了环路带宽 的选取，从而影响系统的建立时间。并且因为系统分频数变化很大，导致环路的 复旦大学硕士学位论文 稳定性也会受到很大影响。因而这种结构的锁相环在实际无线通信系统设计中应 用并不广泛。 因为整数分频频率综合器的缺点，就产生了分数分频的频率综合器。分数分 频频率综合器因为分频数可以按照分数来改变，因此参考时钟的选择有很大的自 由度，也就放宽了环路带宽的选取。分数分频频率综合器的体系结构如图2 2 所 示【3 1 。图中，分频器是双模n n + i 的，它在k 个参考时钟周期内是n + 1 分频， 而在l - k 个个参考时钟周期内是n 分频。，这样在l 个参考时钟周期内的平均分 频比是n + k l ，因此频率综合器的分辨率能达到f 以，这样参考时钟的频率就 可以取得比较高。但是分数分频的频率综合器存在着较大的由分频器量化噪声引 入的毛刺。采用分数分频锁相环就可以避免这一问题，它可以生成一个分频 比序列，这个序列的平均值是我们的期望值，而它的功率谱密度所处的频段又远 在锁相环的带宽之上。这样量化噪声就不会对环路相噪产生很大的影响。 c b m n n e lk 图2 2 分数分频频率综合器 其他的频率综合器形式还有延迟锁相环( d l l ) 【5 】，数字频率综合器【6 l 等。 限于篇幅，本文不一一讲述，感兴趣的读者可以查找阅读相关文献帮助理解。 2 2 频率综合器的设计指标 本节主要介绍频率综合器系统设计指标的制定。在频率综合器中，最主要的 几个性能指标包括相位噪声、输出频谱杂散、总积分相位噪声、带内相位噪声、 建立时间等。这里首先给出o f d m u w b 的系统指标【i 】，具体如表2 1 所示，接 着将由系统指标依次推导频率综合器各性能指标的具体要求。 为了保证频率综合器在高速率的条件下仍然能够正常工作，在接下来进行的 各项设计指标的推导过程中。如无特别指明，都是按照传输速率为4 8 0 m b s ，间 隔距离为2 米来进行计算的。 2 2 1 相位噪声 理想的频率综合器输出频谱应该是一个单频点的输出，其瞬态可以表示为： = a c o s ( 2 l r f o t + 咖 ( 2 1 ) 其中，a 为振幅，f o 为振荡频率，q 为任意固定相位。但是实际的输出并不 6 第二章频率综合器的体系结构和指标制定 是单一的频点，它的输出可以表示为： 0 = 4 c o s ( 2 ，r 缸+ 缈( ，) ) ( 2 2 ) 其中a ( t ) 和中( t ) 都是时间的函数，它们表示信号幅度和相位随时间的变化 这样一来，在频率f o 附近就会存在一个噪声边带。可以将理想频率综合器输出和 实际的频率综合器输出频率附近的频谱坐如图2 3 所示。 表2 1m b o f d mu w b 系统指标 n n n m 啪d a t ar a t e 1 1 0r i r 坶0 m 鹋 4 m 皓 v e r a 呻t x p o w 甘 一1 03 m1 03a b m1 03 d b m 6 4 2 d b2 d b i e l o m 删 ( 4t n e l e r s )泡2 m e t d s ) a v e r a g e “p o w e r q5a b - t l n o 睫p o w e r p e r 日t 4 72o b m l a xn ef l 口j f e 6 6 田 6 6 6 6 饵 t o t a l n a 望p o 日 七7 0d b m 6d b m r e r 鄹e b r n 0 4 9 帕 b “n 白b l 噼 3 0 3 d m m 砷 s 5 帕 1 22 d e 7 2 7 饵 s v 【t ) j 图2 3a 理想频率综合器输出b 实际频率综合器输出 相位噪声时就是用来表征时钟的频谱纯度的一种方式。相噪的基本定义可作 如下表述： 讹咖l o l o g ( 业型业盟鼍等舞笋塑型生岭 q 3 该式可具体表述为在偏离载波频率可的频率点处，1 h z 带宽内单边带噪声功 率与载波噪声功率之比，通常取对数，单位为d b c h z 。 相位噪声对发送机的影响主要在于会将不需要的低频信号上混频至所需要 的高频频带，从而讲了发射机输出频谱罩( s p e c t r u mm a s k ) 的要求。对于接收 机来说，相位噪声主要会将其他频带的射频噪声下混频至有用的低频信号频带， 7 复旦大学硕士学位论文 从而降低接收机的灵敏度。首先来推导接收机对相位噪声的要求。 首先由单位比特误码率( b e r ) 决定了接收机所要求的最小信噪比。而一般 单位比特误码率可以推导出e 加，e 4 n o 表示为假设噪声带宽与传输速度相等的 情况下，单位比特的能量噪声比。在不同的调制方式下，相同的b e r 可以有不 同的e b n 0 有了e b n o ，就可以推导出接收机的信噪比要求，如式2 4 所示。 s n r = ( 毛o ) + 1 0 1 0 9 ( d b ) ( 2 4 ) 其中，d 表示数据传输速度，b 表示信号的带宽。将表2 1 中的相关具体数 值代入式2 4 可以知道，信噪比的要求为4 5 d b ( 数据速率为4 8 0 m b s 时要求最 严格) 。但是，协议中也同时规定了接收机的灵敏度和噪声系数，通过这两个参 数也可以确定接收机的信噪比要求，具体如下式所示： s = - 1 7 4 + n f + 删咒。+ 1 0 1 0 9 b ( 2 5 ) 其中，s 表示灵敏度为7 2 7 ，n f 表示噪声系数为6 6 ，b 表示带宽为5 2 8 m h z ， 由此可以求得信噪比的要求为7 4 。两个值中，取其中较为严格的一个，并且留 出少量的裕度，将信噪比要求设为8 。 接收机中，将其他频带的噪声下混频到有用的基带信号频带中的原理可如图 2 3 所示。带外噪声主要来自于其他通信协议，通常假设干扰源距离很近，有用 信号距离较远，接受到的干扰信号非常大。 由图2 3 可知，相位噪声对接收机灵敏度的影响可用下式来表示： s n r = 一- l ( a f ) 一厶， ( 2 6 ) 这里考虑最差情况，即信号功率最小，阻塞信号最大， 这时对相位噪声的要求最为严格，具体可表述为下式。 l ( a f ) = 只嵋一忍一s n r 一，；r 信噪比要求最高时， 图2 4 相位噪声的下混频效应 ( 2 7 ) 第二章频牢综合嚣的体系结构和指标制定 因为u w b 的频带带宽有5 2 8 m h z ，5 2 8 m h z 甚至更远处的相位噪声一般情 况下是非常低的，其他通信频段下混频至有用信号的噪声几乎可以忽略不计，因 此来自自身的临近信道的干扰是最大的。取接收机灵敏度为7 2 7 d b m ，阻塞信号 为发送机最大功率值1 0 3 d b m ，可以计算出频偏为5 2 8 m h z 处的相位噪声要求为 1 5 7 7 d b 删z 。此时的相位噪声也可看作是相位噪声基底的要求。又因为较小频 偏处的相位噪声更加方便观察，根据频率综合器锁定后的相位噪声曲线的特点， 假设1 m h z 往后随频率的指数增长，相位噪声呈2 0 倍的下降。因此可逆推i m h z 处的相位噪声要求为： l ( i m h z ) = - 1 5 7 7 + 2 0 1 0 9 ( 5 2 8 ) z - 1 0 2 d b c h z ( 2 8 ) 接下来再来确定发射机的相位噪声要求。对于发送机来说，频率综合器最终 应该要使发送的信号满足频谱罩的要求。协议所规定的频谱罩如下图所示【1 l ： p a 啊$ 1 _ x m t l d 哪j t y ( ) o 缸 n q i 脚c y 僵删 图2 5m b 0 f d mu w b 发送机的频谱罩 注意上图中，竖轴的单位d b r ，表示的是一个相对值，即与信号最大值的相 对d b 值。因为频谱罩的测量通常都是用频谱仪上l o o k h z 的分辨率来测量的， 因此发送机的相位噪声要求可由下式来表示： 上r a f ) = p s d - 1 0 l o g ( r b w ) ( 2 9 ) 由图2 5 及式2 9 可以推出u w b 发射机相位噪声的要求为： l ( 2 8 5 m h z ) = - 1 2 - 1 0 l o g ( 1 0 0 k h z ) = - 6 2 ( d b c h z ) ( 2 1 0 ) l ( 3 3 0 m h z ) = - 2 0 - 1 0 1 0 9 ( 1 0 0 k h z ) = - 7 0 ( d b c i - - i z ) ( 2 i i ) 由前面的分析知道，发送机对相位噪声的要求没有接收机要求严格，这主要 是因为发射机处理的是大信号，不容易受到影响，而接收机处理的小信号，很容 9 复旦大学硕士学位论文 易受到噪声及其它非理想因素的影响。 2 2 2 输出频谱杂散 一般的讲，频谱杂散( s p l l r ) 主要有两类【4 l ，一类是由于泄漏引起的称为l e a k a g e s p u r ，还有一类是由于电荷泵的不匹配、开关的不理想、使用死区消除电路以及 相位矫正电路的不精确等等，成为p u l s es p u r 。关于这两种s p u r 的定量的推导， 前人的文章中已经多有讲述，作者在这里也就不重复了。读者有兴趣可以阅读相 关的论文和书籍 3 】、【4 】。 输出频谱杂散对接收机系统信噪比的影响与相位噪声有一点相似，具体可如 图2 6 所示。 图2 6 输出频谱杂散的下混频效应 同相位噪声一样，干扰源也是来自于其他通信协议的，也假设干扰源距离接 收机非常近。根据图2 6 所示的原理，经过混频后，输出载波特定频偏处与该干 扰信号下混频后的基带信号频率范围与有用的基带信号一样，从而产生噪声，降 低了信噪比。 首先来介绍接收机对频率综合器中的s p u r 的要求。 对于u w b 来说，设计中有两个难点，其中一个难点就是频谱杂散的要求较 高。这里所说的难度较高，主要是对于本次设计所采用的结构而言。可以说，在 本次设计中，频率综合器对s p u r 的要求的难度高于对相位噪声的要求。因为u w b 主要用于家用消费电子产品上，因此很容易与其他无线信号产生干扰。对于一个 完善的u w b 系统，需要考虑以下的干扰：带内干扰，主要是来自其他不需要的 u w b 频段的信号；带外干扰，u w b 所受到的带外干扰主要来自以下几种标准 的工作频段：b l u e t o o t h 、i e e e8 0 2 儿b 、正e e8 0 2 1 5 3 、正e e8 0 2 1 l a 、m e e8 0 2 1 5 4 ( 2 4 g h z ) 【。 微波炉与蓝牙，8 0 2 1 1 b 等协议是工作在同一个频段( 2 4 g i - i z ) 的，其中8 0 2 1 l b 1 0 第二章频率综合器的体系结构和指标制定 的发射功率最大，因此这里只考虑8 0 2 1 i b 对u w b 的干扰。根据f c c 的要求， 8 0 2 11 b 的辐射功率一般不超过1 0 0 r o w ，也就是2 0 d b m 。协议假设u w b 对干扰 源的距离容忍最小在0 2 m ，那么假设有一个距离u 、b 接收机0 2 m 的8 0 2 1 l b 干扰源，经过信道传输衰减( p l ( a b ) = 2 0 l o g ( 三一) ) 以后，在天线处所接收到的信 口口 号的大小为6 d b m ，经过接收机之前的一个声表面波滤波器的预选择之后，对干 扰信号会有3 5 d b 的衰减，那么进入接收机的干扰信号大小为- 4 1 d b m 。因此该干 扰源对u w b 的影响可如下式所示： s s ：。由一一j 譬山一s 髓k = 一7 4 一( 4 1 ) 一8 = 4 l ( d b c ) ( 2 1 2 ) 实际设计中可留有一定的裕度，频率综合器在2 4 g h z 左右的s p u r 要求定为 - 4 5 d b e 。 8 0 2 1 l a 工作在u n 频段( 5 1 5 巧2 5 g 乜及5 7 2 5 5 8 2 5 g h z ) ，其最大辐射 功率一般不超过2 0 0 r o w ，也就是2 3 d b m ，同样假设在距离u w b 接收机0 2 m 处 有一干扰源，那么经过信道衰减以后，在天线处所接收到的信号大小为1 0 6 d b m ， 经过声表面波的选择性滤波，对该干扰信号会有3 0 d b 的衰减，那么进入接收机 的实际干扰信号的大小为4 0 6 d b m 。因此该干扰源对u w b 的影响可如下式所示： s i 写“一民m s ，r 。= 一7 4 一( 4 0 6 ) 一8 = - 4 1 4 ( d b c ) ( 2 1 3 ) 因为实际设计中，8 0 2 1 l a 工作的u n i i 频段很靠近u w bb a n dg r o u p1 的工 作频段，接收机前端的声表面波滤波器( s a w ) 很难达到3 0 d b 的衰减，因此实 际设计中需要预留的设计裕度需要比较大。本次设计中，将设计裕度设为约8 d b ， 实际频率综合器在5 7 5 8 g h z 左右的s p u r 要求定在5 0 d b c 。 对于带内s p u r ，同样假设在o 2 米处有一个u w b 发射器，它的发射功率为 1 5 d b m ，那么，经过通道衰减以后，接收机接收到的带内干扰信号大小为 - - 4 5 5 d b m ，根据计算公式可以算得： s 一s 一眠= 一7 3 一( - 4 5 5 ) 一8 = - 3 5 5 ( d b c ) ( 2 1 4 ) 因此可以将带内干扰的s p u r 要求定在3 6 d b c 下面介绍发送机对频率综合器s p u r 的要求。根据图2 5 频谱罩的要求，可以 直接推导出发送机对s p u r 的要求。 s ( 2 6 4 m h z a f 2 8 5 m h z l - 1 2 d b e ( 2 1 5 ) 8 ( 2 8 5 m h z a f 3 3 0 m i - i z ) - 2 0 d b c ( 2 1 6 ) 由上面的分析可以知道，u w b 频率综合器的s p u r 的设计要求主要受制于接 收机方面所受到的各种干扰。 夏旦大学硕士学位论文 2 2 3 总积分相位噪声 根据图2 4 所示，射频信号本身与中心频率附近整个信道带宽内的相位噪声 混频，形成的噪声也落在信道带宽内，造成信噪比的降低。由该种混频所引入的 噪声可如下式所示： 8 嘭 n = + j l ( n ) d f ( 2 1 7 ) o 又因为带内积分相位噪声可以表示为： 且嘭 妒2 = ll ( f ) d f ( 2 1 8 ) 占 因此为了使由频率综合器锁引入的噪声不对系统信噪比造成o 1 d b 的下降， 系统的带内积分相位噪声均方值不得超过3 5 度( 式2 1 8 中，西表示的是角弧度) 。 根据锁定后频率综合器的相噪曲线特征，可以认为，带内相位噪声积分约等于平 带的相位噪声积分贡献。一般环路带宽取数百千赫兹，为了简便起见，我们将环 路带宽暂定为1 0 0 k h z ，由此可以计算出，带内相噪要求可如下式： l ( = 1 0 l o g ( # 2 ) 一l o l o g ( f ) ( 2 1 9 ) 由上式可计算出带内相位噪声要求为7 4 3 d b c h z ，因为根据频率综合器锁定 之后的相位噪声曲线，环路带宽之外到信号带宽处的相噪也会对积分相噪产生一 定的贡献，因此给设计留有一定的裕度，最终将带内的相位噪声噪声要求设为 - 8 0 d b c h z 。 2 2 4 建立时间 根据u w b 协议要求，数据传输采用跳频的方式来完成，数据包长度和跳变 间隔时间如图2 7 所示。 盘。b 自i ：圆pb 图2 7m b o f d mu w b 频率切换示意图 因此在数据传输过程中，频率的整个收发机的跳变必须在9 5 n s 内完成。为 了给射频前端其他模块留有切换时间的余地，频率综合器切换的稳定时间必须设 计在5 n s 以内，有些文献甚至将该时间设定为2 n s 。限于作者经验，对频率跳变 的稳定时间的设置只能依据直觉来确定。 根据上面的讨论，最终将频率综合器的设计指标制定如下： 1 2 第二章频率综合器的体系结构和指标制定 表2 2 频率综合器的设计指标 输出频率3 4 3 2 g h z ，3 9