（微电子学与固体电子学专业论文）双通道带通ΣΔ模数调制器设计方法.pdf

摘要 基于s i g m a - d e l t a ( z a ) 调制技术的过采样带通模数转换器可以可靠地把射频 接收器中窄带中频模拟信号转换为数字信号。射频接收器架构中，在一个中频上 就进行模拟数字信号转换有诸多优点，比如更高的信号处理可靠性和更低的电路 功耗，更重要的是有利于射频接收器系统的集成，为多制式射频接收电路的研制 提供了可能。 本文的工作就在于实现符合上述要求的关键电路模块：带通z a 模数调制器。 为了实现在较高的中频2 0 m h z 上，对2 0 0 k h z 带宽的信号进行模数转换并迭到 8 0 d b 的动态范围和2 0 m w 以下的电路功耗，本文提出了一个新型的基于双通道 滤波器理论的4 阶带通z a 模数调制器结构，即使在高的采祥频率下，也可以较 好地克服模拟电路非理想特性对其输出信噪比的不良影响。对该结构的分析证 明，与其它已实现的双通道带通z a 调制器结构相比，在相同的输出动态范围性 能下，本电路具有功耗更低、双通道之间匹配性更好，芯片面积更小等优点。 该调制器已经在中芯国际单层多晶、6 层金属o 1 8 b t m 数模混合信号c m o s 工艺上实现。实际模数转换速率为8 0 m h z ，电路核心面积为0 4 5 m m 2 ，在1 8 v 电源电压下，整个调制器包括芯片引脚功耗在内为1 8 m w ，实际测试表明该电路 可以在2 0 m h z 中心通带内实现8 0 d b 的动态范围。在设计中，为了满足上述要 求，作者设计了具有低电压结构、高信噪比性能的电压自举采样开关、放大器和 比较器等具体电路结构。论文还对调制器中开关m o s 管热噪声及放大器噪声进 行了分析，从中说明带通模数调制器输出信号所能取得的信噪比主要受到这 两个噪声的限制。分析表明，在本文的电路设计下，当量化噪声可以忽略不计时， 带通z a 模数调制器的输出动态范围可以达到8 1 3 d b ，与测试结果吻合。 此外，论文还总结了一个自顶向下的双通道带通模数调制嚣系统级设计、 分析和优化方法，将热噪声、双通道间失配、时钟抖动、放大器有限的增益和建 一j 一 立时间等系统级和电路级的非理想特性加以整体考虑，对可能引起电路不稳定的 因素加以讨论，并对带通调制器进行了信噪剀功耗的优化。其中一个特色在于， 借用分析低通e a 调制器中积分器的方法，对本文提出的双通道谐振器的非理想 特性进行分析，极大地方便了对电路的分析和设计。 通过将建立的调制器行为级模型仿真结果和h s p i c e 仿真结果以及测试结 果比较，证明本文建立的行为级模型较好地表征了电路中许多非理想特性对实际 调制器输出信噪比的影响，通过这个模型可以完成自顶向下的开关电容型带通 z a 调制嚣的电路级设计。 关键词 调制器，双通道，带通，v l s i 设计方法，镜像抑制，噪声分析，低电压，低 功耗 一2 一 a b s t r a c t o v e r s a m p l e db a n d p a s sa dc o n v e r t e r $ b a s e do ns i g m a - d e l t a ( z a ) m o d u l a t i o nc a l l b eu s e dt or o b u s t l yd i g i t i z et h en a r r o w b a n di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a l st h a ta r i s e i nr a d i o sa n dc e l l u l a r s y s t e m s d i g i t i z a t i o no ft h ei fp r o c e s s i n gc o n f e r ss e v e r a l i m p o r t a n ta d v a n t a g e si nar e c e i v e r , i n c l u d i n gg r e a t e rr e l i a b i l i t y , p o t e n t i a l l yl o w e r p o w e rd i s s i p a t i o n m o r e o v e r ，i ti ss u i t a b l ef o rs y s t e m o n - c h i p ( s o c ) i n t e g r a t i o no f r a d i of r e q u e n c y ( r f ) s y s t e m e sw i t ht h em u l t i - m o d e p o t e n t i a l t h ei m p l e m e n t a t i o no fah i g h s p e e db a n d p a s sz am o d u l a t o rt h a ta c h i e v e sl a r g e d y n a m i cr a n g eo f8 0 一d bf o r2 0 0 k h zn a r r o w b a n di f s i g n a ld i g i t i z a t i o nw i t hp o w e r c o n s u m p t i o n o fa b o u t2 0 一m wi n v o l v e ss i g n i f i c a n tc h a l l e n g e st h a ta r ee x p l o r e di nt h i s r e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e san e w t w o - p a t ha r c h i t e c t u r ef o raf o u r t h o r d e r b a n d p a s se am o d u l a t o rt h a ti sm o r et o l e r a n to fa n a l o gc i r c u i tl i m i t a t i o n sa th i 曲 s a m p l i n gs p e e d st h a n t h eo t h e r i m p l e m e n t a t i o n sb a s e d o nt h eu s eo ft w o p a t h a r c h i t e c t u r e c o m p a r a t i v ea n a l y s i sp r o v e st h eb a n a s sz am o d u l a t o rd e s c r i b e di n t h i sp a p e rh a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sl o w e r p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o w e rt w o - p a t h m i s m a t c ha n ds m a l l e r c h i p a r e a a n e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ee m p l o y i n gt h et w o - p a t ht o p o l o g yh a sb e e ni n t e g r a t e d i nao 1 8 p r o ，s i n g l e p o l y , s i x - m e t a lc m o s t e c h n o l o g yw i t hm i mc a p a c i t o r s t h e i n t e r l e a v e dp a t h sc l o c k e da t4 0 m h zt h a tm e a n st h ee f f e c t i v es a m p l i n gf r e q u e n c yo f 8 0 m h z d i g i t i z ea2 0 0 k h zb a n d w i d t hs i g n a lc e n t e r e da t2 0 m h z w i t l l8 0 d bd y n a m i c r a n g ea n dp o w e rc o n s u m p t i o no f1 8 m w w h i l et h ec o r ec h i pa r e ai so 4 5 m m 2 t o a c h i e v es u c ho b j e c t i v e s ，c i r c u i t ss u c ha s b o o t r a p p e ds a m p l i n g s w i t c h ，t w o s t a g e a m p l i f i e ra n dc o m p a r a t o r , f e a t u r e t h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o w - v o l t a g e s t r u c t u r ea n d h i g h s n r ，a n a n a l y s i so f n o i s ei nt h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p er e v e a l st h a ti t si n b a n dn o i s e f l o o ri sd o m i n a t e db yac o m b i n a t i o no fa m p l i f i e rn o i s ea n dt h e r m a ln o i s ef r o m s w i t c h e s ，w h i c hp r e d i c t st h ed y n a m i cr a n g eo f 8 1 3 d b n o n i d e a le f f e c t sr e l a t i n gt ot h i sn e w t w o - p a t ha r c h i t e c t u r e ，s u c ha st h e r m a l n o i s e ，p a t hm i s m a t c h ，t i m i n gj i t t e r , f i n i t ea m p l i f i e rg a i n a n d s e t t l i n g t i m ea r e d e s c r i b e da n da n a l y z e dw i m g r e a tc o n v e n i e n c eo f f e r e db ym e t h o d o l o g yd e s c r i b e di n t h i s d i s s e r t a t i o n ，w h i c hi s t r a n s f e r r e df r o ma n a l y s i so fi n t e g r a t o ri n l o w p a s sz a 一3 一 m o d u l a t o r a s y s t e m a t i c a lt o p - d o w nd e s i g nf l o ww i t ht h eo p t i m i z a t i o nw i t hs n r a n d p o w e rc o n s u m p t i o nf o rt w o p a t hb a n a s sz am o d u l a t o rh a sb e e nc o n c l u d e d k e yw o r d s 勃m o d u l a t o r , t w op a t h ，b a n d p a s s , v l s id e s i g nm e t h o d o l o g y , i m a g er e e e a o n 。 n o i s e a n a l y s i s , l o wv o l t a g e , l o w p o w e r 一4 一 双通道带通x a 模数调制器设计方法第一章引言 第一章引言 1 8 9 5 年，年轻的意大利人马可尼( g u g l i e l m om a r c o n i ) 在他父亲的乡村别 墅里，用他自己发明的设备，成功地发送了人类历史上第一次的无线电波 1 1 】。 虽然马可尼最初可能只是接收到一些杂乱无章的电脉冲信号，但是作为人类首次 将麦克斯威尔( m a x w e l l ) 、赫兹( h e r t z ) 等人的关于电磁场理论化为现实一这 有如婴儿初啼般的一英里半的无线电报传输一最终使得马可尼在1 9 0 9 年获得了 诺贝尔物理学奖。 一百多年来，无线通信技术的不断发展和进步已经深刻影响到了人类社会生 活的方方面面，人们不再满足于通过无线通信传送简单的文字，而是希望听到清 晰的话语，看到流畅的视频，甚至能和远在天边的人玩实时互动的游戏。短消息、 多媒体彩信、视频点播等基于无线通信的数据增值服务业务孕育了大量新型的充 满勃勃生机的信息产业，也改变了人们传统的生活方式。如果说，从上个世纪 6 0 年代起计算机技术的崛起标志着信息技术革命的到来，那么最近二十多年来 以无线通信为核心的个人通信的蓬勃发展，则意味着普通大众的信息化时代已经 来到。 作为无线通信发展的重要标志之一，移动电话用户数在全球的急剧增长显示 了无线通信的光辉前景。据无线通信产业界权威咨询公司e m c 公司统计：截止 2 0 0 3 ，全世界用户数已突破1 2 亿【1 2 】。其中需求增长最快的是中国及亚太地区。 2 0 0 1 年，中国的g s m ( 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 ) 移动用户突破 8 0 0 0 万户，一跃成为世界第- 1 3 】。 1 1 无线通信标准的历史演进 第一代模拟蜂窝无线通信标准，如美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n e 9 双通道带谶模数调制器设计方法第一章弓j 言 s y s t e m ) 、j 欧遗区的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ) 和英黧瓣t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 等标准，局限于纯粹的语音通信应用，无法象第 二代数字式无线通信那样开展发送短消息等数据增值业务。而凰，由于各个地区 采用的第一代模数蜂窝无线逶售标准夏不兼容，震声只在各爨豹逶售标准教网 内进行移动通信，限制了疆户的通俗范围。困j 遨，人们赣望从第二代开始，就能 够实现承载更多增值数据服务业务的众球统一的光线通信标准。 t 9 8 5 零，黢溺撵爨了名戈全球燹线逶痿系统( g s ) 茨椽壤；1 9 9 1 筝繁一 个基于g s m 标准的无线通信网络芷戏启动使用。与此同时，荧国却同时出现了 几种不同的无线通信标准。1 9 9 1 年米，美国数字蜂窝系统( u s d i g i t a lc e l l u l a r s y s t e m ，u s d c ，又黎i s ，5 4 ) 在美嚣貔主要大城帮安装竞孥，这令系统与爨鸯熬 a m p s 标准在通信频段和信道带宽上兼容，困此可以吸引原先的模拟无线通信用 户逐步过渡到第二代数掌通信标准上薅乏。而在1 9 9 3 年，由高通公司( q u a l c o m m ) 开发翡洚鬻逶蕊系统l s 。9 5 是基予全耩戆扩频弱分多：睦( s p r e a ds p e c t r u mc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s s c d m a ) 技术，在1 2 5 m h z 宽的信邋带宽上可以同时 提供许多用户使用。这种标准的优点还在于它有鼹强的抗干扰熊力，加之可变速 率静语音缡筠，胃淤更露效遣鬟瑶鸯黻懿豢竟窝帮省功耗，嚣魏这个标准聋技术 上是极具发展前途的。除了以上两种燕要的标准，荚国还出现了摩托罗拉集成无 线电系统( m o t o r o l a si n t e g r a t e dr a d i os y s t e m , m i r s ) 和个人通信业务标准 ( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，羚s ) 等无线遴信标准。 对比第一代通信投术，第二代数宇无线通信标准普遍地运用了数字编褐技 拳，所以麓较明显遗改饕通话语音威爨，增掘爨终蠹用户戆窑爨，在一定程度上 增加用户交际可使用的佰道带宽，可以向用户提供如短消息等数据量不太大豹数 据增值服务。但是在第二代数字无线通信发展和完善的过程中，始终存在着两个 最具代表靛又不互秘兼察兹标准，秘欧测等晷家瓣g s m 标准鼗荚重等国豢绞愿 的c d m a 标准。欧洲入仍然不能带翁他们的手机捌美国自由囱在地漫游邋髂， 与此同时，人们希望得到的更快速率的数据增值姚务，如下载文件、视频点播等 也由于檬猴零赛载频段瓣剃嚣无法实瑷。 无线通信发展到今天产生的个攀实是，第二代数字无线通信技术由于采用 的国家不阕，用户群的市场不同，运嚣商的利益不阿，仍然相对独立地向第三代 一 0 一 双通道带通z a 模数调制器设计方法第一章引言 图1 1 无线通信标准从2 g 向3 g 的演进 数字无线通信技术演进，最终还是形成了互不兼容的三个主要标准：欧洲和日本 等国家采用的w c d m a 标准，美国等国家的c d m a 2 0 0 0 标准和中国提出的 t d s c d m a 标准。如图1 1 所示为第二代数字无线通信技术向第三代的演进图。 标准的无法统一，实际上阻碍了标准本身的迅速普及和更新。对于普通用户 来说，谁也分不清楚哪个标准更具有竞争力和市场前景，他们只希望能不加限制 地方便地进行无线通信和数据增值业务，标准过多只能使他们面对技术变革却无 所适从，最终可能使先进的技术胎死在市场的自然选择中。然而无线通信标准从 第一代、第二代直到第三代，甚至到今后的若干代，也许都无法实现真正的统一。 面对这样的市场选择和标准发展的矛盾和挑战，工程性的解决方法在于让无线通 信的移动终端设备手机，同时兼容两种甚至多种标准的通信制式，这不仅会 让用户在通信标准的演进中感到便捷的同时，也可以实现在不同的标准的系统中 始终使用同一部手机。 1 2 射频集成电路设计发展趋势 1 9 9 1 年，约瑟夫密特拉( j o s e p h m i t o l a l i d 提出了软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 的概念，即研究和开发多制式、多频段兼容的射频收发电路系统 1 4 】，如图1 2 所示为软件无线电移动终端收发电路框图 1 5 】。随着无线通信标准的分化和演 双通道带通z 模数调制器设计方法第一章引言 模数转换器 数字信语音编 h号处理 l 巾 解码 数模转换器 图1 2 软件无线电收发电路功能框图 进，上世纪9 0 年代末人们朝羞这个方向开始研制多种制式兼容的射频收发电路 及系统【1 6 - 1 9 ，1 1 2 。 另一方面，射频集成电路设计也向着低功耗、低成本和灵活的架构方向发展。 通过减少片外滤波器等器件和增加系统的集成度，可以使电路更紧凑，可靠性更 高，功耗进一步降低。收发电路可以将模拟前端和混合信号电路甚至数字电路集 成在一个单片上，从而避免了用大的电流驱动芯片引脚和一些封装寄生电容的影 响，既极大地降低功耗又提高了电路的性能。在传统的收发模拟前端电路上可以 集成低通或带通的模拟数字转换器电路，这样可以把模拟信号转换为数字信号， 在数字域完成信号处理。随着第二代无线通信标准的诞生，数字信号处理得到了 大量的应用，例如数字信号调制方法和压缩算法可以更有效地利用有限的带宽， 加, xe q 错编码可以对传输信道的干扰表现得更为坚固等 1 1 0 一1 h 6 数字信号处 理的应用使得系统的性能增强，功能增多，灵活性和可扩展性提高。 根据这种发展趋势，现阶段单芯片射频集成电路都尽可能早地把模拟信号在 一个中间频率( i f i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ) 上转换为数字信号，然后将频道选择、 抑制邻近频道干扰等原来在模拟域完成的信号处理在数字域完成，以提高无线收 发系统的性能。此外，通过数字算法可以使传输信号自适应信道的变化。这样做， 为电路设计满足不同标准增加了很大的灵活度，为单芯片射频集成电路的设计兼 容多制式的无线通信标准的用途提供了可能。 多制式射频接收电路的一种解决方案就如图1 3 所示：天线接收到的射频信 号通过针对不同无线通信标准的镜像抑制滤波器和微波预放大器输入到集成电 一1 2 一 双通道带通模数调制器设计方法第一章引言 g s m f ，( 2 r ) k 研博 帅m a 量州2 + m ) mb i t s m 图1 3g s m w c d m a 双模射频接收电路 路中，然后通过适用于多标准的低噪声放大器和混频器1 1 2 ，把射频信号下混 频到一个固定的中间频率，由一个带通z a 模数转换器把两种标准的信号都转换 为具有相应带宽和信噪比要求的数字域信号，然后再在数字域内完成对接收信号 的频道选择、编码解调等处理。 带通模数转换器是多制式射频接收电路系统中经常采用的单元，这样做可 以使原来在模拟域进行的i q ( i n p h a s e q u a d r a t u r e ) 正交信号解调和基带滤波改 在数字域实现，从而增强电路的性能。而且，选择适当的中间频率( i f = 采样频 率4 ) 可以使数字域i q 正交信号解调的乘法操作变为取反操作，大大降低了电 路复杂度 1 1 3 】。由于中间频率的选择还取决于系统的镜像抑制、频道选择和电 路的噪声性能等要求，现阶段往往都选择在几十m h z 的范围，才能提供较好的 镜像抑制，从而避免低频的各种电路噪声的同时保证频道选择的精确性。以外， 由于集成的需要，单芯片射频收发电路尽量避免使用片上和片外的滤波器屯路， 使得中频模数转换前的信号中干扰噪声往往比信号幅度上大很多数量级，故仍然 要求带通模数转换器具有很高的转换精度和动态范围。因此，如何在很高的 频率下，做到很高的转换精度，从而使整个射频接收系统的性能提高、成本降低， 是带通模数转换器的设计难点。 i 3 本文工作 本文的工作就是摸索多无线通信标准射频接收器中低电压、低功耗带通 模数转换器的设计方法。随着集成电路集成度的不断提高、工艺特征尺寸不断下 降，相应的电源电压也不断下降，使得集成电路中的信号幅度减小了，而电路的 各种噪声对电路性能的影响则凸现了出来，如何采用适当的电路结构提高系统的 一1 3 一 双通道带邋模数调制器设计方法第一章引畜 绩噪比，嗣融尽量降l 氐电路的功耗要求，也是本文耍努力解决的阀题。本文提出 了适用予g s m 无线通信标准静带通矗模数转换器静一种薪结孛句，并在此基础上 总结了一套自顶向下的e a 模数转换器的行为级仿真和设计方法。 该豢潦模数转羧嚣交嚣令交蘩王露戆逶建巍藏模数转羧，龟路实甏王揍 在一半的采样频率下，降低了放大器对建立时间和增益带宽等性能的要求，降低 了功耗。猩第一级输入端设计了特殊的开关电路，增加了输入信号的线性范阐， 降甄了输入痿号采样雩| 入懿穗交，麸褥扩大了赣入绩号堰疫，嚣嚣电路噪声鸯予秀 个通道交替工作，与传统的e a 模数转换器相比并不增加，因而提高了输入信号 的信噪比。对比其它的旗于双通道方法的带通e a 模数转换器，该结构在两个通 遵中共廷个藏大器，减小了电路瑟袈器凌耗，邃样双逶遂藏失嚣圭妻由邀豢不 匹配引入，而现代混合信号工艺中电容的匹配比较容易控制，因此相比较其他结 构而言有爱好的性能。 琢登激路已在率蕊豳际o 1 8 徽米c m o s 单滋多晶6 层金满豹混合痞号工艺 上实现。交替工作的双通道的采样频率为4 0 m h z ，模数转换的有效频率为 8 0 m h z ，该电路对中心频率为2 0 m h z 懿g s m 信号( 带宽为2 0 0 k h z ) 进行模数 转换，受电路热噪声融割豹动态范潮为8 1 3 d b ，鞠有效精度为1 3 5 使。该电路 核心面积为0 4 5 m m 2 ，工作在1 8 v 电源电压下，总的静态功糕为1 8 m w 。 本文装分为8 个部分。第二章麓攀露矮了捷绞瓣瓣频接收毫鼹豹冬穆越夕睦 架构( s u p e r h e t e r o d y n e ) 以及相应的信号解调、模数转换的方法，对在此过程中 将接收信母在模拟域分成v q 正交储号带来的误麓进行了讨论，从而说明带通 摸数转羧嚣是镬痿号袭数字蠛提取鞠菱交售号、频道选择嚣避受爨有绩麓熬误 差的一个好的解决方案。第三章比较了奈奎斯特( n y q u i s t ) 模数转换器和过采 样( o v e r s a m p l i n g ) 模数转换器备囱的特点，介绍了低通( l o w p a s s ) 模数 转换器粒豢运嫫数转i 凝器设诗戆方法农理论，多 凝了蟊鼹拭低逶( l o w p a s s ) e a 模数转换器原型转化为带通班模数转换器的各种方法。在第四章中，酋先介 绍了采用双通道理论实现带通e a 模数转换器的方法，在此理论基础上提出了一 耱募煞豢遴芑矗模数转羧器终憨，势秘英缝基于双逶道理论戆戆逶z a 模数转换器 进行了比较。第五章中，针对本文掇出的结构，作者通过m a t l a b 建模对备种 非理想特性对带通模数转换器的性能影响进行了行为级仿真，对系统进行了 一1 4 一 、 双通道带通模数调制器设计方法第一章引言 在低电压、低功耗下保证高精度的优化，总结出一套自顶向下的z a 模数转换器 设计方法。第六章具体讨论了验证上述方法的原型带通模数转换器的电路级 设计。接下去的一章给出测试方案和结果，并通过测试结果进一步讨论电路设计 结构和方法中画待改善的地方。最后一章的内容是总结本论文和提出对未来进一 步研究内容的建议。 一1 5 一 双通道带通z a 模数调制器设计方法第一章引言 参考文献 【1 i 】 【1 2 【1 3 】 【1 4 】 【1 5 】 一，“m a r c o n ib e g i n n i n g s ，”e l e c t r o n i c sw o r l d ，p p 7 4 7 6 ，j a n 1 9 9 2 一，e m cw o r l dc e l l u l a rd a t a b a s e s e p 2 0 0 3 魏少军，“国家八六三计划超大规模集成电路重大专项与中国移动通信产 业的发展，”无线通信芯片设计高级研讨会，上海富豪东亚饭店，2 0 0 1 年 5 月 j o s e p hm i t o l ai i i v ，、o u r w o r l d c o m p u s e r v e c o m h o m e p a g e s j m i t o l a j c r u d e l l e t a 1 “r e c e n td e v e l o p m e n t si nh i g hi n t e g r a t i o nm u l t i - s t a n d a r d c m o st r a n c e i v e rf o r p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，”l o w p o w e r e l e c t r o n i c sa n d d e s i g n ，1 9 9 8 p r o c e e d i n g s 1 9 9 8i n t e r n a t i o n a l s y r n p o s i u m o n 1 0 1 2a u g 1 9 9 8 1 6 1v i d o i k o v i ev ，e t a 1 ，“a n a l y s i s o fa i l1 8 2 5 g h zm u l t i s t a n d a r dh i 曲 i m a g e r e i c o tf r o n t - e n d ，”e l e c t r o n i c s ， c i r c u i t sa n d s y s t e m s ， 2 0 0 2 9 t h i n t e m a t i o n a lc o n f e r c n c eo n ，v b l u m e ：l ，p p 1 5 1 8s e p t 2 0 0 2 【1 7 】x i a o p e n gl i ，i s m a i lm ，“as i n g l e c h i pc m o s f r o n t e n dr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e f o rm u l t i s t a n d a r dw i r e l e s sa p p l i c a t i o n s ”c i r c n i t sa n ds y s t e m s 2 0 0 i i s c a s 2 0 0 1 t h e2 0 0 li e e ei m e m a t i o n a ls y m p o s i u mo n ，v 0 1 4 ，p 口6 9m a y 2 0 0 l 【1 8 】s c h w a n e n b e r g e rt ，e t a 1 ，“am u l t is t a n d a r ds i n g l e c h i pt r a n s c e i v e rc o v e r i n g 5 1 5t o5 8 5g 珏z ”s o l i d s t a t ec i r c l l i t sc o n f e r e n c e 2 0 0 3 d i g e s to f t e c h r f i c a l p a p e r s i s s c c 2 0 0 3 e ei n t e r n a t i o n a l 2 0 0 3 f 1 9 1 g o m e z g ，h a r o t mb ，“a1 5 v2 4 2 9m w 7 9 5 0d bd r am o d u l a t o rf o r g s m ，w c d m ai na0 1 3um d i g i t a lp m c e s s ”s o l i d - s t a t ec i r c u i t sc o n f e r e n c e 2 0 0 2 d i g e s t o ft e c h n i c a l p a p e r s i s s c c 2 0 0 2 i e e ei n t e m a t i o n a l ，、，0 1 1 p p 3 7f e b 2 0 0 2 1 10 1d c c o x ，“u i l i v e r s a ld i g i t a lp r o t a b l er a d i oc o m m u n i c a t i o n s ，”p r o c i e e e ，v 0 1 7 5 ，n o 4 ，p p 4 3 6 4 7 6 ，a p r i l1 9 8 7 【1 _ 1 1 】a j v i t e r b i ，“讯e v o l u t i o n o fd i g l u aw i r e l e s s t e c h n o l o g y f r o m s p a c e e x p l o r a t i o nt op e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s ”i e e et r a n s v e h i c u l a r1 b c h v 0 1 4 3 ，n o 3 ，p p 6 3 8 - 6 4 4 ，a u g u s t1 9 9 4 1 1 2 j r y y n a n e n ，e t a 1 ，“ad u a l b a n d r ff r o n te n df o rw c d m aa n dg s m a p p l i c a t i o n s ，”m e ej s s c ，v 0 1 3 6 ，p p 1 1 9 8 1 2 0 4 ，a u g 2 0 0 l 1 1 3 】s j o u , s w u ，a n dc w a n g ，“l o w - p o w e rm u l t i r a t ea r c h i t e c t u r ef o ri fd i g i t a l f r e q u e n c yd o w n c o n v e r t e r , ”i e e e t r a m c h c u i t s s y s t i i ，v 0 1 4 5 ，p p 1 4 8 7 - 1 4 9 4 n o r , 1 9 9 8 1 6 双通道带通e a 模数调制器设计方法第二章射频接收器 第二章射频接收器 无线电波在空间中传播的条件是非常恶劣的，不仅有各种各样的噪声，而且 还存在同一标准不同频道信号的干扰或者不同标准在同一频段上的信号干扰。一 般来说，射频系统天线端接收到的信号能量在一1 1 0 d b m ( o 7 1 v 。，5 0 一q 匹配系 统) 的数量级，而干扰信号的能量却可能大上3 0 6 0 d b 以上。射频接收器的作用 就是在这种恶劣的传播条件下，把希望得到的信号接收下来放大并提供足够的信 噪比性能，保证信号解码时起码达到最低误码率的要求。探测到信号之后，射频 接收器首先把希望得到的信号放大，通过滤波等方法压制干扰信号，然后解调接 收到的信号恢复出传送的信息。 射频接收器的性能优劣的指标之一是接收器的灵敏度( s e n s i t i v 酊) ，即在只 考虑热噪声的情况下，并保证解调出的信号达到最低的误码率要求时，接收器能 够接收到的最弱信号能量值。另一个重要指标是接收器的选择性( s e l e c t i v i t y ) ， 即接收器能够在怎样的接收信号和邻近频道信号能量比值的条件下，保证解调出 的信号达到最低的误码率要求。通常，接收器的灵敏度取决于射频前端电路的噪 声性能，而选择性取决于这部分电路把高频的接收信号下混频到一个中间频率或 者基带信号这个过程中的滤波性能。 本章主要关注的是后者，即选择性指标和其他集成电路的相关问题对接收器 后端数字处理部分电路的影响，从而说明在射频接收电路中采用带通e a 模数转 换器的必要性。为此，本章简单回顾了传统的射频接收电路的各种超外差架构 ( s u p e r h e t e r o d y n e ) 以及相应的信号解调、模数转换的方法，对在此过程中将接 收信号在模拟域分成i q 正交信号带来的误差进行了讨论。园此引出带通模数 转换器是使信号在数字域提取u q 正交信号、频道选择而避免原有结构误差的一 个好的解决方案。 一1 7 双通道带通模数调制器设计方法第二镦射频接收器 2 。l 超羚差射频接收器的架构 0 豳2 1 两次变频馓中频超外差射频接收器 魏凿2 ， 掰示是两次交颓或称为双中频静超箨菠射频接牧器杂构。无线传送 的射频信母通过一个带遥滤波器( b p f ，b a n d p a s sf i l t e r ) 后由低噪声放大器对接 收到的信罨放大，以克服蜃面各级电路自身产生的嗓声影响。接收信号还经避薅 级混频电貉，每次将上一级静高频髅譬下混频到一个中闯频率，并在诧过程巾将 信号放大，用滤波器滤除邻近频段上的干扰信号。得到第二级的中间频率信号后， 该信号和鼹个相位正好慧9 0 0 的载波傣号相乘，褥剿频率处于蒺带懿u q 正交信 号，再分潮由低通艺模数转换器转换为数字信号。 这种结构和调制、解调方法是数簪通信系统中最常见的结构。根据架构中使 用斡中闻频率( 或瀑频器) 的位置不阏，射频接l l 雯嚣还鸯低中频、零中频等缝橡。 超外差接收器不同架构的工作原理都是类似的，选辑不同的中间频率是在接收器 的选择性性能和对镜像信号的抑制性能间权衡，从而优化系统的复杂度、功糙和 瞧能。这紫兵钵熬理论分撰不是本文鬟点，可参考文献【2 。l 】。 2 2 下混频( f r e q u e n c y d o w n c o n v e r s i o n ) 天线按收到的射频信号频率往彼在g h z 的数最级，如闰2 1 中第一级带通 滤波器的邋带带宽为几十m h z 的数嫩级，通过这个滤波器接收器接收到榕准规 定豹频段淘靛所有信号。实际上，瓷接牧信号过耧中，不仅邻逐颧道的信号会干 扰接收信母，而且还同时存在镜像频段( i m a g eb a n d ) 信号的干扰。对于镜像频 一l s 双通道带通模数调制器设计方法第二章射频接收器 镜像叛段抑制滤波墨 ( a ) ( ” 图2 2 ( a ) 镜像抑制滤波器前信号频谱( b ) 下混频后信号频谱 道信号干扰的抑制办法就是在每一级下混频前插入镜像频段抑制滤波器，对于邻 近频道的干扰信号的抑制办法则是在每一级下混频后加入频道选择滤波器。图 2 1 中，第一级带通滤波器是镜像频段抑制滤波器，最后一级是频道选择滤波器， 而第二级既是前级输出的频道选择滤波器，又是后级混频的镜像频段抑制滤波 器。 以图2 2 为例，比如希望接收到的射频信号的中心频率为f r y ，而通过一级下 混频后信号的中心频率成为丘t ，那么镜像频段干扰信号就位于f l d c - - 2 x f l f 频率 段，而在下混频前就需要将其滤波衰减，否则镜像频段信号也会和射频信号一起 变频到中间频率知上。通常接收器对镜像频段抑制的要求根据各自采用的架构 从4 0 d b 到9 0 d b 不等 2 2 】。 在双中频射频接收器架构中，选择怎么样的中间频率需要在接收器的选择性 性能和镜像频段抑制性能之间权衡。如图2 2 ( a ) 所示，镜像频段抑制滤波器要衰 减掉距离信号频率2 x , s f 处的镜像频段信号，保证接收信号的能量远大于镜像频 段信号能量，即滤波器通带内有足够大的增益而对镜像频段内信号进行足够大的 衰减。当接收器选择的中频知非常大时，由于镜像频段信号和射频接收信号在 频谱上相距很远，镜像频段抑制滤波器的过渡带的增益可以在很宽的频段内缓缓 一】9 一 双通道带通模数调制器设计方法第二章射频接收器 下降，不需要用很高阶数的滤波器电路就可以对镜像频段信号进行充分的衰减。 但是，如果屉t 非常大，那么对频道选择滤波器( c h a n n e ls e l e c t i o nf i r e r ) 又提出 了很高的要求。如图2 2 ( b ) 所示，频道选择滤波器要将本频道的信号与邻近频道 的信号区分出来，在频谱上同一标准的频道间相差几百k h z 到几m h z 不等，而 如果知- 很大，则在很高的中心频率上滤波器的设计既要对通带内信号有足够大 的增益，又要对非常邻近的干扰信号有足够大的衰减，是很难实现的。 因此电路实现时，选择怎样的中间频率的一个经验性的做法是：使镜像频段 抑制滤波的通带带宽( 也即信号带宽) b 和滤波器的中心频率五的比值满足下式 关系【2 3 】： 0 0 1 旦 0 1 佗1 1 正 、。 根据式( 2 1 ) 可以这样确定中间频率和射频接收信号的中心频率间的关系，取 中频为中心频率的1 1 0 。对于双中频架构，当射频信号在1 g h z 到2 g h z 时，第 一级中频则可以为1 0 0 2 0 0 m h z ，而第二级中频为1 0 - 2 0 m h z 。 2 3 镜像频段抑制和频道选择滤波 在双中频射频接收器中，系统的选择性性能由下混频时的滤波器实现，如前 所述中间频率都往往在几十m h z 数量级的较高频率上，因此这些滤波器往往都 采用片外的分立元件，如声表面波滤波器( s a w ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 。因此 双中频架构不适合采用单片集成电路实现。 低中频超外差接收器可以减少片外分立滤波器使用，因此是有利于单片集成 射频收发电路的一种架构 2 4 】。如图2 3 所示，在这种架构中，高频的射频信号 直接下混频到一个非常低的中间频率( i m h z ) ，因此频道选择滤波器可以用集 成电路设计方法，如导纳电容( 踟c ) 或开关电容( s w i t c h e d c a p a c i t o r ) 结构【2 5 ， 2 6 】等在片上实现，并达到要求的性能。但是，选择非常低的中频，对下混频前 的镜像频段抑制滤波的性能提出了很高的要求，该滤波器的通带带宽必须非常 小，才能够充分抑制和接收信号靠得非常近的镜像频段干扰信号。然而片外分立 元件如表面波滤波器无法非常灵活地根据需要改变性能要求，为此人们设法在集 一2 0 一 双通道带通e a 模数调制器设计方法第二章射频接收器 q 图2 3 低中频射颠接收器架构 成电路上设计出镜像频段抑制混频器来进一步抑制镜像信号的干扰【2 7 】。 图2 4 是镜像频段抑制混频器的实现框图