（微电子学与固体电子学专业论文）wlan射频接收机集成电路设计与研究.pdf

摘要 摘要 l 删鼎 无线本地局域 网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k s ，w e a n ) 是计算机网络与无线通 信技术相结合的产物，通过利用射频( r a d i of r e q u e n c y ，r e ) 技术构成局域网络，不 仅能够提供传统有线局域网的所有功能，而且可以使用无线信道来接入网络，为 通信的移动化，个人化和多媒体应用提供了方便快捷的渠道，并成为宽带接入的 有效手段之一。w l a n 技术可以在空中传输数据、语音和视频信号，使得原先的 有线网络所遇到的难题迎刃而解。现今，无线局域网室内数据传输可以达到数十 米到几百米范围，而在室外也可以传输几十公里的距离。从w l a n 的应用价值和 前景来看，应用于无线局域网物理层中的射频接收集成电路也具有巨大的应用前 景。如何实现低成本、高性能的无线射频接收机终端是一项具有挑战意义的工作。 现今的无线通信射频接收机系统要求在保证极高灵敏度的前提下，尽可能提高接 收机的线性度，以使系统的输出信号失真最小，误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 最 低。另外，接收机系统还要求尽可能的展宽射频输入、输出动态范围，使接收机 的适应性更强，抗干扰能力更出色。以往，通常使用g a a s 工艺制作射频接收集成 电路，主要原因是这种工艺具有工作频率高、噪声低等优点。随着近年来c m o s 工艺的不断进步，c m o s 的频率特性和噪声特性逐步得到改善，采用c m o s 工艺 设计射频前端接收电路已成为可能。c m o s 工艺还具有成本低、面积小、性能高 等优势。c m o s 工艺制作的射频电路易于和数字信号处理基带电路相兼容，符合 片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 的发展的趋势。 本文基于t s m c0 1 8 岬c m o s 工艺设计了符合i e e e 8 0 2 1 1 a 标准的射频前端 接收机电路，并设计了版图。论文从系统级设计出发，首先讨论了零中频( 直接变 频) 结构、超外差式结构和两次变频结构的工作原理以及各种结构对于结构中各电 路模块性能要求的高低。在以上结构中，存在着各种各样的非理想特性，例如噪 声，镜像频率( 直接变频不存在镜像频率) ，非线性，失真，阻抗失配等，文章都进 行了系统地分析。同时，列出了系统架构的重要参数指标，诸如噪声系数、镜频 抑制比、增益、增益压缩点、3 阶交调点以及输入输出阻抗匹配等。文章针对 i e e e s 0 2 1 l a 标准，对系统参数进行了认真分析后，确定了射频接收机的整体框架。 随后，论文进行了各个电路模块的设计，包括低噪声放大器( l o w n o i s e a m p l i f i e r ， l n a ) ，混频器( m i x e r ) ，自动增益控佑1 ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l l e r ，a g c ) ，跨导一 电容中频滤波器( g m cf i l t e r ) 和s i g m a - d e l t aa d c 。有源c m o sl n a 作为第一级， 其噪声性能、增益和线性度是整个链路中影响最大的。因此，合理的设计l n a 是 至关重要的。文章还对l n a 中的螺旋电感进行了优化设计，采用低电阻系数的s i 衬底、c u s i 0 2 互连工艺技术，并设计了适于w l a n 的电感版图结构。混频器作 摘要 为第二级电路，线性度、增益和噪声对整体电路的影响也是研究的重点。采用吉 尔伯特单元为核心的混频器，前级增加输入缓冲级对本振信号进行放大，使得工 作在开关状态的晶体管具有更好的开关特性，优化了混频器的线性度。中频滤波 器采用跨导一电容滤波器，以满足系统大带宽的需求。自动增益控制模块a g c 又 称为可变增益放大器( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r , v g a ) ，实现整体链路总增益的调节 功能，调节的主要依据是数字信号处理基带反馈的数字信号。v g a 的主要参数是 增益变化动态范围和增益步长。本文采用级联差分放大对的方式，根据数字基带 的反馈信号实现各级增益的组合，从而达到5 4 d b 的动态范围和1 7 d b 的增益步长。 最后一级模数转换器采用m a s h 2 l b - 2 4 b 级联结构s i g m a - d e l t aa d c 。对于w l a n 要 求，a d c 需要有1 0 m h z 的信号带宽。对于如此大的带宽要求，如果采用传统a d c ， 如流水线a d c ，也可以实现模数转换，但是功耗、面积都非常大。s i g m a - d e l t a 模 数转换器以其独特的工作机理放松了对模拟电路设计的要求，通过过采样，噪声 整型及多位量化器技术降低带宽内的噪声，提高信噪比，从而提高a d c 的精度。 对多位d a c 引入的非线性采用d w a 数字校正方法。 采用c a d e n c ev i r t u o s ol a y o u te d i t o r 进行了整体电路的版图设计，并使用 d i v a d r a c u l a 验证工具完成了各单元和整体链路的d r c ( d e s i g nr u l ec h e c k ) 和 l v s ( l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ) 验证。整体电路输入信号为5 7 g h z ，噪声系数为 9 2 8 4 d b ，输入阻抗匹配s1 1 为- 1 6 d b ，匹配阻抗5 0 q ，v g a 输入控制位为默认值 1 0 0 1 1 时，链路增益达到了4 5 9 5 d b ，i i p 3 为- 1 6 7 d b m ，最大输入信号幅值 - 3 0 d b m ，达到了w l a n 的性能指标要求。整个接收机( 除频率合成器外) 电流功耗 为3 8 m a ，版图面积3 m m x 3 m m 。 关键词：无线局域网低噪声放大器混频器g m c 滤波器自动增益控制 z - a 调制器射频接收机噪声系数 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 s ) i sac o m b i n a t i v ep r o d u c to fc o m p u t e r n e t w o r k i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sn e wt y p en e t w o r kc a nn o t o n l yr e a l i z ea l lt h ef u n c t i o n sw h i c hc o n d i t i o n a lw i r e dn e t w o r k sc a np r o v i d e ，b u ta l s o a c c e s sn e t w o r k sb yw i r e l e s si n f o r m a t i o nc h a n n e l s w l a ni sac o n v e n i e n ta n dh i 曲 s p e e dn e t w o r ke m p l o y e di nm o b i l i t y , i n d i v i d u a lc o m m u n i c a t i o n sa n dm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s ，a n di sa ne f f e c t i v em e a n so fa c c e s s i n gb r o a d b a n d p r o b l e m sm e ti nw i r e d n e t w o r kc a nb ee a s i l ys o l v e di nw l a nw h i c ht r a n s m i t sd a t a , s o u n d sa n dv i d e o si na i r n o w a d a y s ，w l a nc a nt r a n s m i td a t ai nt h er a n g eo fd e c a d em e t e r st o s e v e r a lh u n d r e d m e t e r si n d o o ra n ds e v e r a ld e c a d em i l e so u t d o o r i nt h er e s p e c to fa p p l i c a t i o na n d p r o s p e c to fw l a n ，t h ei n t e g r a t e dr a d i of r e q u e n c y ( r f ) r e c e i v e ru s e df o rw l a n p h y s i c a ll e v e l sh a sag r e a tv a l u a b l ep r o s p e c t h o wt or e a l i z eal o wc o s tb u th i g h 。 p e r f o r m a n c er fr e c e i v e ri s ac h a l l e n g e t h es y s t e mo fr fr e c e i v e rr e q u i r e sh i 曲 l i n e a r i t ya sf a ra sp o s s i b l ew h i l eh i g hs e n s i t i v i t yp e r f o r m a n c e h a sb e e na l r e a d ya c h i e v e d t h e r e f o r e ，t h eh a r m o n i cd i s t o r t i o nc a nb es u p p r e s s e da n dl o wb e rc a nb em e t i n a d d i t i o n , r fr e c e i v e rr e q u i r e sl a r g ed y n a m i cr a n g eo fr a d i of r e q u e n c yi n p u ta n do u t p u t ， w h i c hr e s u l t si ng o o da d a p t a b i l i t ya n da b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e i ne a r l yt i m e s ，t h e i n t e g r a t e dr fr e c e i v e rc i r c u i t sw e r ef a b r i c a t e di ng a a st e c h n o l o g yw h i c hc a i lw o r ka ta ，。量，j h i 曲f r e q u e n c ya n dh a sl o wn o i s e a st h ed e v e l o p i n go fc m o st e c h n o l o g y , t h e f r e q u e n c ya n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fc m o sh a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l yn o w a d a y s a n d ，t h e r e f o r e ，f a b r i c a t i n gt h er fr e c e i v e rc i r c u i t si nc m o st e c h n o l o g yc a nb er e a l i z e d v e r yw e l l t h ec m o st e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t ，s m a l la r e aa n dh ig h p e r f o r m a n c e ，a n dc a nb ee a s i l yi n t e g r a t e dw i t hd i g i t a lb a s e b a n dc i r c u i t sa c c o r d i n g 砸m t h ed e v e l o p m e n to fs o c ( s y s t e mo nc h i p ) t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e i g n e dt h ei n t e g r a t e dc i r c u i t so fr fr e c e i v e rf o ri e e e 8 0 2 1las t a n d a r da n dt h el a y o u tb a s e do nt s m c0 18 p r oc m o st e c h n o l o g y f i r s t l y , s y s t e m a t i cd e s i g ni si n t r o d u c e da n dm e c h a n i s m so fh o m o d y n er e c e i v e r , h e t e r o d y n e r e c e i v e ra n dt w o s t e pd o w n - c o n v e r t o rs t r u c t u r ea r ea n a l y s e d ，t h e n ，r e q u i r e m e n t so fe a c h s u b m o d u l e sa r ed e f i n e d t h e r ea r em a n yn o n - i d e a l i t i e si nt h es t r u c t u r e sm e n t i o n e d a b o v e ，s u c ha sn o i s e ，i m a g ef r e q u e n c y , n o n l i n e a r i t i e s ，i m p e d a n c em i s - m a t c h i n g w h i c h h a v eb e e na n a l y s e di nt h i sp a p e r t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha sn o i s ef i g u r e ( n f ) ， i m a g er e j e c t i o nr a t i o n ( i r r ) ，g a i n ，ld bc o m p r e s s i o n ( p 1d b ) ，i n p u t “r d o r d e ri n t e r c e p t p o i n t ( i i p 3 ) a r es p r e a do u t t h e nt h ea r c h i t e c t u r eu s e df o ri e e e 8 0 2 1las t a n d a r di s a b s t r a c t d e c i d e d 搬c rc a r e f u l l ya n a l y z i n gt h er e q u i r e dc h a r a c t e r i s t i c s s u b b l o c k si n c l u d i n g l n a , m i x e r , a g c ，g m - cf i l t e r , a g ca n ds i g m a - d e l t aa d ca r et h e r e f o r ed e s i g n e d a s t h ef i r s ts t a g e ，p a s s i v ec m o sl n a p l a y sa ni m p o r t a n tr o l et h a ti t sn o i s ep e r f o r m a n c e ， g a i na n dl i n e a r i t yh a v eag r e a ti n f l u e n c et ot h ew h o l ec h a i n t h es e c o n ds t a g ei sm i x e r a n di t sl i n e a r i t y , g a i na n dn o i s ea r ea l s ok e yp o i n t so ft h i sp a p e r g i l b e r tu n i ti su s e da s t h ec o r ec i r c u i to fm i x e ra n do u t p u ts i g n a lo ft h el o c a t eo s c i l l a t o ri sa m p l i f i e db ya d d i n g a l li n p u tb u f f e r , w h i c hm a k e st h em o s f e tw o r ko nab e t t e rs w i t c h i n gs t a t e ，t h e nt h e l i n e a r i t yp e r f o r m a n c eo fm i x e rc a l lb ei m p r o v e d g m - cf i l t e ri su s e df o rt h el a r g e b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t a g c ，t h es oc a l l e dv a r i a b l eg a i na m p l i f i e ri su s e dt oc h a n g e t h eg a i no ft h ec h a i nb yd i g i t a ls i g n a lf e e d b a c kf r o md i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fa g ca r ed y n a m i cr a n g ea n dg a i ns t e p c a s c a d ed i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r sa r eu s e da n dt h eg a i ni sd e c i d e db yt h ef e e d b a c kd i g i t a ls i g n a lf r o md i g i t a l b a s e - b a n d t h ed y n a m i cr a n g ea n dg a i ns t e pa r er e s p e c t i v e l y5 4 d ba n d1 7 d b t h ef m a l s t a g ei sm a s h 2 1 b 一2 4 bs i g m a - d e l t aa d c t h ew l a ns y s t e mr e q u i r e sab a n d w i d t ho f 10 m h za n dt h et r a d i t i o n a la d c ，s u c ha sp i p e l i n e da d ch a sag r e a t e rd i s s i p a t i o na n d o c c u p i e dal a r g e r a r e at h a ns i g m a - d e l t aa d cw h i c hc a r lr e l a xt h er e q u i r e m e n t so f s y s t e mb yi t sm e c h a n i s m t h es i g m a - d e l t aa d cr e d u c e st h en o i s ei nt h ei n t e r e s t e db a n d b yn o i s es h a p i n ga n dm u l t i - b i tq u a n t i z a t i o na n dt h e r e f o r ei m p r o v e st h es n ra n dt h e p r e c i s i o no f a d c d w a i su s e df o rt h en o n - l i n e a r i t yi n d u c e db ym u l t i - b i td a c 。 t h ew h o l el a y o u to ft h ec i r c u i t si sd e s i g n e db yu s i n gc a d e n c ev i r t u o s ol a y o u t e d i t i o n d r c ( d e s i g nr u l ec h e c k ) a n dl v s ( l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ) h a v eb e e n a c h i e v e db yu s i n gd i v a d r a c u l a w h e nt h ef r e q u e n c yo ft h ei n p u ts i g n a li s5 7 g h z ，t h e w h o l es y s t e mh a san fo f9 2 8 4 d b ，sll 一16 d b ，m a t c h e di m p e d a n c e5 0 q ，g a i no ft h e w h o l el i n k4 5 9 5 d bw h e ni n p u tb i t so fv g ai s10 011 ，i i p 3 16 7 d b ，t h em a x i m a m p l i t u d eo fi n p u t 一3 0 d b m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ew l a n t h ew h o l er e c e i v e rc i r c u i t s ( e x c e p tf o rp l l ) h a v eac u r r e n td i s s i p a t i o no f3 8 m aa n dt h e l a y o u to c c u p i e sa l la r e ao f3 m m x3 m m k e yw o r d s ：w l a n l n am i x e r g m - cf i l t e ra g c g - am o d u l a t o r r fr e c e i v e rn o i s ef i g u r e 作者简介 孙龙杰，山西河津人。1 9 8 8 年毕业于南开大学电子科学 系微电子专业，获学士学位；1 9 9 0 年获航空航天部骊山微电 子研究所获硕士学位。2 0 11 年6 月获西安电子科技大获工学 博士学位。导师：杨银堂教授。 主要研究方向：模拟集成电路设计，射频集成电路设计。 代表性成果及经历：( 获奖、专利、专著、论文等信息、 参与或完成实际工程、访学经历) 1 9 9 3 年，荣获航空航天部 科技进步二等奖，博士在读期间发表e i 学术论文6 篇，其 中半导体学报上发表论文2 篇。 l o n g i i es u n , w a sb o m i nh e j i n ，s h a n x ip r o v i n c e ，c h i n a , i n19 8 8 h er e c e i v e dh i s b a i nm i c r o e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n gf r o mn a n k a iu n i v e r s i t y , n a n j i n , c h i n a , i n19 8 8 ， t h em s d e g r e ei nm i c r o e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n gf r o ma e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ， l i s h a nm i c r o e l e c t r o n i c si n s t i t u t e ，x i a n , c h i n a , i n19 9 0 ，a n dt h e p h d d e g r e ei n m i c r o e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n gf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a , i nj u n e2 0 11 h i s h i e r o p h a n ti sp r o f e s s o ry a n g h i sr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d ea n a l o gi n t e g r a t e dc k c u i t sd e s i g na n dr f i n t e g r a t e d c i r c u i t sd e s i g n i n19 9 3 ，h ew a sa w a r d e das e c o n d p r i z ea e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c ss c i e n t i f i c - t e c h n i c a l p r o g r e s s h eh a sf i n i s h e ds i xe ip a p e r si nw h i c ht w op a p e r sw e r e p u b l i s h e do nj o u r n a lo fs e m i c o n d u c t o rb e f o r eg e t t i n gt h ep h d d e g r e e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 人们对于高速无线通信的需求以及在已有标准产品的互相推动下，无线本地 局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 的市场得到了快速的增长【1 小1 一。无 线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，通过利用射频( r a d i o f r e q u e n c y ，r f ) 技术构成局域网络，取代了旧式的双绞铜线方法，不仅能够提供传 统有线局域网的所有功能，而且网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙 里，也能够随需移动或变化【l 5 。1 7 1 。w l a n 技术使得无线局域网络能利用简单的存 取构架让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。w l a n 也 是2 0 世纪9 0 年代计算机与无线通信技术相结合的产物，它使用无线信道来接入 网络，为通信的移动化，个人化和多媒体应用提供了潜在的手段，并成为宽带接 入的有效手段之一【1 。8 正9 1 。 w l a n 技术可以使人们随时随地获取所需要的信息，提高了人类的生活质量 和工作效率。一般来讲，相比于传统有线网络，无线局域网的应用价值有：( 1 ) 可移动性。由于没有传输线的限制，用户可以在不同的地方移动工作，网络用户 可以在任何地方实时地接收信息。( 2 ) 简便的安装。由于不需布置线缆，消除了 穿墙或者天花板等布线的繁琐工作，因此可以容易的安装，建网的时间也大大缩 短。( 3 ) 灵活组网。无线局域网可以组成多种拓扑结构，十分容易的从少数用户 的点对点模式扩展至上千用户的基础架构网络。( 4 ) 成本低。主要体现在用户网 络需要租用大量电信专线时，自行组建的w l a n 会节省大量的费用，尤其是在频 繁移动和变化的环境中，w l a n 的投资更有优势【1 加。1 。1 2 1 。 无线局域网通信范围不受外界条件的限制。现今，室内数据传输可以达到数 十米到几百米范围，而在室外也可以传输几十公里的距离。在网络数据传输安全 方面也有与有线网络等效的加密措施。由于w l a n 的特点，其可以广泛使用在： ( 1 ) 公共场所，如机场、码头、交易会、航空公司等；( 2 ) 难以布线的环境，例 如校园、古建筑、工厂、城市建筑群等；( 3 ) 移动办公，例如大型企业、交警巡 逻、医院等移动工作的人员应用环境；( 4 ) 频繁变化的环境，例如零售商店、地 摊、售票点以及野外实验、勘探，还有军事实习等；( 5 ) 小型网络用户，主要指 家庭办公室用户等。 无线局域网适应了个人数据通信发展的要求。w l a n 技术可以在空中传输数 据、语音和视频信号，使得原先的有线网络所遇到的难题迎刃而解，因此，w l a n w l a n 射频接收机集成电路设计与研究 具有极大的应用价值和巨大的市场。图1 1 所示为全球无线网络市场发展趋势示意 图。在2 0 0 6 年，w l a n 的市场规模为2 4 亿美元，2 0 0 6 年之前，市场增长率高达 2 3 。预计到2 0 1 2 年，市场规模将有9 0 亿美元，全球无线局域网市场以稳定的速 度发展【1 1 3 - 1 1 4 1 。 图1 1 全球无线网络市场发展趋势 w l a n 作为一项年轻的技术，短短几年已经在市场上获得巨大成功。根据无 线相容性认证( w i r e l e s sf i d e l i t y ，w i f i ) 联盟调查，支持w i f i 无线网络的设备在 2 0 0 5 年销售增长率为6 4 ，突破1 2 亿部，全球售出的笔记本电脑总数中9 0 的 产品都具备了w i f i 无线网络功能。同时，全球w i f i 热点数量在2 0 0 5 年增长了 8 7 ，达到1 0 万个。而互联网数据中一i 二, ( i n t e m e td a t ac e n t e r , i d c ) 发布的报告称， 到2 0 0 9 年，无线局域网芯片的销售收入达到3 0 亿美元，这意味着年复合增长率 高达2 1 ，到2 0 1 2 年，无线局域网芯片的销售量将达到4 8 7 亿个。 从w l a n 的应用价值和前景来看，应用于无线局域网物理层中的射频接收集 成电路也具有巨大的应用前景。如何实现低成本、高性能的无线射频接收机终端 是一项具有挑战意义的工作。现今的无线通信射频接收机系统要求在保证极高灵 敏度的前提下，尽可能提高接收机的线性度，以使系统的输出信号失真最小，误 码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 最低。另外，还要求尽可能的展宽射频接收机的输入、 输出动态范围，使接收机的适应性更强，抗干扰能力更出色。 2 0 0 3 年1 2 月，我国颁布了相应的w l a n 标准。2 0 0 4 年5 月，融入m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，多入多出) 技术的单片、多模无线局域网络芯片 一w l a n 项目被列入中科院半导体所知识创新项目。2 0 0 5 年5 月，科研人员首先 在国家重大需求的直接高速直接数字式频率合成器( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ，d d s ) 取得重大突破，研发的拥有自主知识产权的d d s 芯片合成时钟频率达2 g h z ，超 过国际同类产品最快速度近一倍。w l a n 是重要的通信技术，其核心是w l a n 芯 2 第一章绪论 片。2 0 0 6 年8 月，半导体所在高端射频芯片取得重大突破，使我国在国际前沿射 频芯片关键技术上取得主动权，标志着我国高端芯片研发自主创新能力和射频、 数模混合类高端芯片在国际范围内的核心竞争力提升，意味着国外无线宽带芯片 垄断的结柬。 为了发掘w l a n 芯片重大的产业潜力，日前由中国科学院半导体研究所、苏 州市科技局和苏州工业园区科技局三方，在苏州工业园区成立了苏州中科半导体 集成技术研发中心，准备将其建设成在国内外具有影响的高端半导体集成芯片的 研发和产业化基地。 以往通常使用g a a s 工艺制作射频接收集成电路，主要原因是这种工艺具有工 作频率高、噪声低等优点。随着近年来c m o s 工艺的不断进步，c m o s 的频率特 性和噪声特性逐步得到改善。采用c m o s 工艺设计射频前端接收电路已成为可能 i 1 5 - 1 1 s 。c m o s 工艺还具有成本低、面积小、性能高等优势 1 1 9 - 1 2 2 1 。c m o s 工艺 制作的射频电路易于和数字信号处理基带电路相兼容，符合片上系统( s y s t e mo n c h i p ，s o c ) 的发展的趋势【1 8 1 “1 。因此，应用于w l a n 的c m o s 射频集成电路 已经成为当今无线通信系统研发的重点和热点。 无线射频接收机终端的设计研发对其他移动通信终端，诸如全球移动通信系 统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 、码分多址( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 等系统的设计也具有重要的意义和极大的参考价值。 国外w l a n 的接收发射芯片的研发已经非常成熟，而市场也一直处于垄断地 位【1 2 7 正3 0 1 。我国这些核心收发模块的集成电路的研发还存在诸多的困难，很多核 心的技术尚未完全掌握，核心模块基本都从国外购买。因此，开发具有自主知识 产权的无线收发集成电路，对我国的信息产业、信息高速公路的建设具有极其重 要的意义，而其中支持i e e e 8 0 2 1 1 标准的w l a n 射频芯片代表了无线宽带网收发 系统未来的发展方向【1 3 1 1 。 1 2i e e e 8 0 2 1 1 标准 随着无线局域网技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越高。 但是在室内，这个较为复杂的电磁环境中，多经效应、频率选择性衰落和其它干 扰源的存在使得实现无线信道中的高速数据传输比有线信道要困难，w l a n 需要 采用合适的调制技术【1 3 2 乩3 4 1 。 早在19 9 7 年，美国电气和电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，i e e e ) 就制定了无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 标准，这个标准的制定是无线局 域网发展的里程碑，是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准【3 5 3 7 】。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网络是一种能支持较高数据传输速率( 1 5 4 m b i t s ) ，采用微蜂 w l a n 射频接收机集成电路设计与研究 窝，微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络。其关键技术大致有三种：d s s s 、 c c k 技术和o f d m 。每种技术皆有其特点，目前，扩频调制技术正成为主流，而 o f d m 技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点。i e e e 8 0 2 儿标准定义了 单一的介质访问控制子层协议( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层和多样的物理层f 3 8 】。 m a c 层定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连 接介质的访问是先来先服务的。物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑( 信号通过物理 拓扑的路径) 也在此处被定义。线路控制、出错通知( 不纠正) 、帧的传递顺序和可 选择的流量控制也在这一子层实现。该协议位于开放系统互联( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物 理层的物理介质。而其物理层标准主要有i e e e8 0 2 1 l b ，a 和g 。表1 1 列出了 i e e e 8 0 2 1 1 的各物理层标准的参数、性能和应用领域【l 。3 4 。 1 9 9 9 年9 月正式通过的i e e e 8 0 2 1 1 b 标准是i e e e 8 0 2 1 1 协议标准的扩展，也是 商业化产品的第一个标准。它可以支持最高1 1 m b p s 的数据速率，运行在2 4 g h z 的 i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段上。此频段并没有所谓的使用授权的限制，无 需许可证，只需要遵守一定的发射功率( 一般低于l 瓦) ，不对其它频段造成干扰即 可。i t u r ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 定义的i s m 频段如表1 2 所示。 这个频段主要是开放给工业，科学和医学三个主要机构使用【l 舵】。 i e e e 8 0 2 1l b 标准采用的调制技术是补码键控( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ， c c k ) 调制方式，这种调制方式能够有效对抗多径干扰和频率选择性衰落。2 4 g h z 为各国共同的i s m 频段，因此无线局域网，蓝牙，z i g b e e 等无线网络，均可工作在 2 4 g h z 频段上。图1 2 所示为i e e e 8 0 2 1 l b 与其它系统所占频段的示意图【l 。4 3 】。 从图中可以看到，i e e e 8 0 2 1 l b 标准与其它系统的频段有重复波段，这也限制 了系统的调制效率，进而影响了数据传输速率。随着业界对数据速率不断增长 表1 1i e e e 8 0 2 11 各物理层标准的参数、性能和应用领域 8 0 2 1 l8 0 2 1 1 b爹”警j 拍2 曩搿i 嘲掣譬 貉。 ，瑚 标准发布时间 1 9 9 7 71 9 9 9 9 骜： s e p t1 9 9 9 ， 合法频宽 8 3 5 m h z8 3 5 m h z 船，3 v 5 i 崞? 霭 雾5035，凑150-53 5 0 g h z ，霭 频率范围2 4 0 0 2 4 8 3 g h z2 4 0 0 2 4 8 3 g h z “ 5 7 2 5 - 5 8 5 0 g h z 镕 非重叠信道 33 p 1 27 。l 调制技术 f h s s d s s sc c 刚d s s s 鏊 o f d m 錾6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，l 物理发送速率1 ，21 , 2 ，5 5 ，1 1 擀 鬓。2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 42 ” 理论上的最大u d p 吞吐量 3 0 9m p s，l ( 1 5 0 0 比特) 1 7 m b p s 7 1m b p s 劳： 理论上的t c p i p 吞吐量 1 6 m b p s 5 9 m b p s 墼 2 4 4m b p s 窈 瞳呶二盎啦盘钽# ：z 玉讹“磊a l 辩耘国 4 第章绪论 i 1 1 m 距离1 0 0 m 功率增加可扩展 l o o m眵器菰餮 业务数据数据，图像 嚣誓黄帮数聱! 掰像舅 瓤蘸蕊国塞蠢黝厶如撕。嵇弘二貌= 渊 表1 2i t u r 定义的i s m 频段 频率范围( h z )中心频率( h z )可行性 6 7 6 5 - 6 7 9 5m h z6 7 8 0m h z 取决于当地 1 3 5 5 3 一1 3 5 6 7m h z1 3 5 6 0m h z 2 6 9 5 7 _ 2 7 2 8 3m h z2 7 1 2 0 舭 4 0 6 6 _ 一4 0 7 0 眦z4 0 6 8 z 4 3 3 0 5 - 4 3 4 7 9m h z4 3 3 9 2m h z 9 0 2 - 9 2 8m h z9 1 5m h z 2 4 0 m - 2 5 0 0g h z2 4 5 0g h z 5 7