（微电子学与固体电子学专业论文）单片集成cmos+80211b分数分频频率综合器.pdf

墨呈查茎堡圭兰竺丝兰 摘要 本文以应用于无线局域网射频收发器中的频率综合器为出发点，从系统 级，电路级和环路优化这三个方面对频率综合器的设计做了深入的研究。 首先在系统级方面，介绍了频率综合器系统指标的推导，体系结构的确 定和具体的设计流程。 接着在电路设计方面，论述了频率综合器中各个模块的设计和实现方 法，并着重于其中设计难度最高的几个模块。我们讨论了片卜- l c 压控振荡 器的低功耗，低相位噪声的优化设计。对于高频除2 分频器，在比较了前人 提出的电路结构和理论分析方法后，我们提出了一种新的设计方法，根据电 路的大信号理论系统地推导了高频除2 分频器的优化设计，推导得出的结果 为定量设计低功耗高频除2 分频器提供了有效的理论指导，测试结果表明理 论分析与实际吻合得相当好。为了给射频收发器中的一卜下混频器提供大摆 幅的本振信写，我们设计了本振信号缓冲器。论文从高频放大器的理论着 手，给出了本振信号放大器的设计思想和实例。最后对于高速相位开关预分 频器，我们提出了一种改进的相位开关切换方式，简化了f u 路的复杂程度， 并在理论上分析推导了相位开关切换巾的失配对输出频谱杂散的影响。 随后，我们对整个锁相环路的动态特性和相位噪声优化做了定量的分 析，着重于两个环路中最重要的参数，电荷泵电流和锁相环路的开环带宽， 指出了分数分频频率综合器的噪声优化必须在抑制调制器的量化噪声和 带内噪声之间进行折衷，并给出了三阶无源环路滤波器的参数确定方法。 最后，根据i e e e 8 0 2 1 l b 的系统指标，我们在s m i c0 1 8 - i t mc m o s 工 艺上实现了一个单片集成分数分频频率综合器，并与发送器和接收机一起集 成在单芯片上，真正实现了无线局域网射频收发器的单片集成。 关键词频率综合器，无线局域刚射频收发器，i e e e 8 0 2 1l a b g ，正交本振 信号，高频除2 分频器，本振信号缓冲器，相位噪声，锁相环，调制 器，单片集成，c m o s 射频，相位开关预分频器 中图分类号：i n 4 a b s t r a c t b a s e do nt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri nw i r e l e s sl a nr ft r a n s c e i v e r , t h i s t h e s i sm a k e sad e t a i l e dr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o no nt h e d e s i g n o fc m o s f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rf r o ms y s t e m ，c i r c u i ta n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep l ll o o p p o i n to fv i e w , r e s p e c t i v e l y f i r s t ，i nt h ep a r to fs y s t e md e s i g n ，t h es p e c i f i c a t i o na n a l y s i s ，t h ed e f i n i t i o n o fa r c h i t e c t u r ea n dt h ep l ld e s i g np r o c e d u r ea r ei n t r o d u c e d t h e n ，i nt h ep a r to fc i r c u i td e s i g n ，t h em o s td i f f i c u l tb u i l d i n gb l o c k si nt h e f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ra r ee x h a u s t i v e l yd i s c u s s e d o p t i m i z a t i o no fl o wp o w e r , l o wn o i s eo nc h i pl cv c oi sd i s c u s s e d c o m p a r e dw i t hp r e v i o u s l yp r o p o s e d c i r c u i ta n dt h e o r e t i c a l l ya n a l y s i sm e t h o di nt h eh i g hf r e q u e n c yd i v i d e - b y 一2 ，a n e wd e s i g nt e c h n i q u ei sp r o p o s e db a s e do i lt h el a r g es i g n a lc i r c u i ta n a l y s i s t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sc a ng i v ea ne f f e c t i v et h e o r e t i c a l l yg u i d e l i n ea n di ta g r e e sw e l l w i t hm e a s u r e m e n tr e s u l t s i no r d e rt op r o v i d ee n o u g hl os w i n gt ot h eu p d o w n m i x e r s ，l ob u f f e r sm u s tb ed e s i g n e d i d e a sa n dad e s i g ne x a m p l ea r ep r e s e n t e d a f t e rd i s c u s s i n gt h et h e o r yo fh i g hf r e q u e n c ya m p l i f i e r am o d i f i e dp h a s e - s w i t c h i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e df o rt h ed u a lm o d u l u sp r e s c a l e rt os i m p l i f yt h e c i r c u i t s c o m p l e x i t y , a n dm e a n w h i l es p u r sd u et o t h em i s m a t c hi n p h a s e s w i t c h i n gi sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ed y n a m i c sa n dp h a s en o i s eo p t i m i z a t i o no ft h ei n t e g e r n a n df r a c t i o n a l np l la r e q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y i nt h ea n a l y s i s ， w ef o c u so nt h et w om o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r s ：c h a r g ep u m pc u r r e n ta n dp l l o p e nl o o pb a n d w i d t h f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e8 0 2 11bs p e c i f i c a t i o n ，af u l l yi n t e g r a t e df r a c t i o n a l - nf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a sb e e ni m p l e m e n t e da n da l s oi n t e g r a t e dw i t hr e c e i v e r a n dt r a n s m i t t e rt or e a l i z ea nr ft r a n s c e i v e ri ns m i c0 18 - p mc m o s t e c h n o l o g y k e y w o r d sf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , w i r e l e s sl a nr ft r a n s c e i v e r , q u a d r a t u r el o ， i e e e 8 0 2 11 a b i g ，h i g hf r e q u e n c yd i v i d e - b y - 2 ，l ob u f f e r , p h a s en o i s e ，p h a s e l o c k e dl o o p ，eam o d u l a t o r , f u l l yi n t e g r a t e d ，c m o sr f , p h a s e s w i t c h i n g p r e s c a l e r c l cn a m b e r ：t n 4 i i 1 1 课题背景 第一章绪论 2 0 世纪末和2 1 世纪初的近十年见证了无线通讯的飞速发展，对高速数据 传输的不断渴望和对高品质时尚生活的不断追求使得无线通讯不断进行着创新 和革命。无线局域网( w i r e l e s sl a n ) 可以在短距离内提供高速的数据传输速率， 借助于无线网络的服务，人类可以摆脱有线网络的束缚，在自由的环境下无拘 无束地享受着无线网络带来的便利和快感。除此之外，随着时间的推移，无线 局域网将不仅仅承担着让人们无线上网这一简单的任务，而是朝着更广阔的领 域迈进。不久的将来，人们甚至可以在拥有无线局域网接入的地点利用安装有 无线局域网芯片的手机进行通话，省去了手机接入传统运营商的网络所需的通 话费用。可以预计，在未来的几年间，无线局域网将依靠其低成本，低功耗， 高传输数据率的优势在众多领域发挥其重要的作用。 高科技技术的进步和创新在无线局域网这一领域中彰显无遗，数据传输率 作为无线通讯巾的一个重要性能指标，其卜限被小断地刷新利提高着。i e e e 8 0 2 1 l b 工作在2 4 g h z 的i s m 频段，可以根据调制方式的不同提供1 2 m b s ， 5 5 m b s 直到最高1 1 m b s 的传输速率，而稍后推向市场的i e e e8 0 2 1 1 a 工作在 5 g h z 的u n i i 频段，使用先进的o f d m 调制方式提供6 - 5 4 m b s 的传输速率。 2 0 0 3 年6 月推行的i e e e8 0 2 1 l g 同样工作在2 4 g h z 的i s m 频段，它具备高速 和兼容性这两大特点，在和同等协议之间提供最高5 4 m b s 的传输速率的同时也 能和i e e e8 0 2 1 l b 进行1 - 1 1 m b s 数据传输，为使用这两个协议进行交流提供了 极大的便利。近几年，随着多输入多输出( m 1 m o ) 概念的提出，无线局域网的最 高传输速率将进一步提高，目前已经达到了1 0 8 m b s ，以后有望更上一层楼。 真正市场化的商业产品必须具有体积小，低功耗，低成本等特点，国际上 无线局域网：出片从多：吝片的解决方案，发展到一块射频前端芯片和一块数字纂 带芯片。随着c m o s 工艺特征尺寸的进一步减小，以及片上系统时代的到来， 无线局域网又踏入了一个崭新的阶段，近年来国际上知名的大公司已经推出或 发表了集成射频前端和数字基带的8 0 2 1 1 b ，8 0 2 1 l g 和8 0 2 1j a f o 悖的片上系统 ( s o c ) ，有些甚至把原先只i i i i 作在印刷电路板上的射频b a l u n 和t x r x 开关也 1 起集成在了硅片上，其设计技术和设计思想令人叹为观止。 国内在无线局域网的研究方面虽然也做过些研究，但总体上还比较落 后。我们的工作主要是为了弥补国内在这一研究领域上的差距。本文着重研究 复旦大学硕士学位论文 了i e e e8 0 2 1 1 b 射频前端频率综合器的设计，与我同级的另两位硕士研究生则 分别承担了接收机和发送器的研究和设计。虽然我们的工作针对于8 0 2 1 l b 协 议的无线收发器：( w i r e l e s st r a n s c e i v e o ，但是我想论文中所阐述的许多研究方法 和电路设计技术对于设计其他频段和其他协议的射频前端电路也同样有着相当 大的借鉴意义。 1 2 论文的主要工作和贡献 论文的主要t 作和贡献包括： 1 ) 系统研究了无线局域网8 0 2 1 1 b 射频收发器中频率综合器的性能指标，并 详细给出了这些指标的推导过程，为今后设计符合其他射频通信系统协议的频 率综合器在性能指标的确定上打下了扎实的基础。 2 ) 分析了单片集成无线射频收发器中本振信号产生的几种经典方法，分析并 指出了他们各自的优缺点，给出了在不同工艺条件下设计各种射频系统时选择 本振信号产生的一些经验。 3 ) 归纳和总结了片上l c 压控振荡器的低功耗，低噪声优化设计方泫和设计 流程。 4 ) 对于高频除2 分频器，在比较了前人提出的电路结构和理论分析方法后， 我们提出了种新的设计方法，根据电路的大信号理论系统地推导了高频除2 分频器的优化设计，这种优化设计方法能够根据分频器的最高工作频率和输出 端的负载定量地计算出分频器的偏置电流，负载电阻和其中每个晶体管的尺 寸，推导得出的结果为定量设计低功耗高频除2 分频器提供了有效的理论指 导，实践证明这种方法是行之有效的。 5 ) 详细地研究了本振信号缓冲器，论文从高频放大器的理论着手，给出了本 振信号放大器的设计思想和设计实例。 6 ) 设计并实现了个高频相位开关双模预分频器。 7 ) 研究了锁相环路的动态和相位噪声特性的优化设计方法，对环路中两个最 重要的参数，电荷泵电流和锁相环路的开环带宽对系统性能的影响做了深入地 研究，指出了分数分频频率综合器的噪声优化必须在抑制e a 调制器的量化噪 声和带内噪声之间进行折衷，并给出了锁相环路的动态和相位噪声特性的优化 设计步骤。 8 ) 在s m i c0 1 8 - g mc m o s 工艺上实现了一个单片集成分数分频频率综合 器，并与发送器和接收机一起实现了无线局域网射频收发器的单片集成。 总的来说，本文对频率综合器的电路设计和系统设计做了深入的讨论和研 究，在总结了前人的方法和理论之上，根据作者自己电路设计的经验又提出了 弟一蕈堵论 一些新的，有趣的电路设计思想和技巧。 除此之外，论文还花了一些篇幅分析讨论了本振信号缓冲器的设计，这是 其余描写频率综合器的论文中所没有触及的一个内容。因为论文所讨论的已经 不仅仅是一个单纯的频率综合器的设计，而是把频率综合器放在一个单片集成 的无线射频收发器中作为本振信号发生器来进行研究和讨论，我想对这部分进 行一些必要的讨论会给读者今后设计相类似的一些射频收发器提供了必要的参 考。 1 3 论文的组织安排 论文写作的方式没有采用以往先从理论分析入手，再过渡到具体的电路设 计，而是真正的基于频率综合器的设计流程，从系统的性能指标的演算推导开 始，接着是本振信号的产生方法和重要的模块电路设计，最后是整个锁相环路 的优化。这样的写作方式使得读者对r 丁频率综合器的设计会有一个鲜明的印象 和更深入的理解。此外，论文在内容上做到高度的提炼和升华，即对一些最基 本的有关于频率综合器和锁相环的知识论文不再展开或是一笔带过，而剥重要 的内容详细研究，并力图把作者存设计和研究工作中摸索到的一些精彩的设计 思想和设计技巧奉献给各位读者。 论文的第二章“无线局域网频率综合器的体系结构”简单介绍了频率综合 器体系结构的选择，并根据i e e e 8 0 2 1 l b 的系统指标推导了频率综合器所需要 的性能指标，介绍了频率综合器的一般设计流程。 第三章“正交本振信号的产生”解释了为什么要避免片上本振信号的注入 牵引，介绍了几种经典的正交本振信号产生的电路结构和它们各自的优缺点。 为了尽可能的减小芯片面积和功耗，论文中选择了使用除2 分频器来实现正交 的本振信号。在这一章节中对片上l c 压控振荡器，高频除2 分频器和本振信 号缓冲器的设计作了详细的探讨，提出了一些创新的设计思想。 第四章“低功耗相位开关预分频器的设计”在比较了三种预分频器电路结 构和功耗的基础上，指出了相位开关型预分频器最适合于高速和低功耗场合的 应用。接着我们介绍了相位开关型预分频器的基本原理和实现可变分频数的算 法。在电路设计中，我们提出了一种改进的相位开关切换方式，简化了电路的 复杂程度，并在理论上分析推导了相位开关切换中的失配对输出频谱杂散的影 响。最后给出了一个相位开关型预分频器的设计实例。 第五章“低噪声分数分频的实现”，十要研究锁相环路中反馈分频器的设 计，给出了低噪声电路设计的方法。为了实现分数分频，设计中采用了调 制技术，我们研究了几种调制器的结构和量化噪声性能，在比较的基础 墨呈銮兰鎏圭兰堡丝兰 上，选择了3 位3 阶单环调制器来实现频率综合器的小数分频。 第六章“锁相环路的优化设计”， 采用2 型四阶锁相环的线性传递函数对 整个环路的动态和相位噪声特性作了深入的讨论，定量和定性的分析表明了环 路中最重要的两个参数，电荷泵电流和锁相环路的开环带宽对于环路的动态和 相位噪声的优化起着决定性的作用，指出了分数分频频率综合器的噪声优化必 须在抑制调制器的量化噪声和带内噪声之间进行折衷。我们借助于一些行 为级的锁相环路模型和数学计算工具对整数分频和分频分数这两种频率综合器 的噪声传递，噪声抑制和噪声优化的具体方法和步骤作了介绍和讨论。本章的 最后还给出了锁相环路中的一些辅助电路实现。 第一t z 章“频率综合器的实现和测试”，针对无线局域网8 0 2 1 l b 协议分别设 计了两个频率综合器，其中第一个频率综合器的电路设计相对比较简单，而且 未与发送器和接收机一起集成，该频率综合器已经采用0 1 8 - i t t mc m o s 工艺实 现，论文给出了高速相位开关预分频器，高频除2 分频器，带隙基准源和整个 频率综合器的测试结果。在第一个频率综合器的设计基础上，作者对系统和电 路设计进行了充分的总结，通过对系统知识和电路设计知识的深入研究和学 习，再次设计了一个频率综合器，这个频率综合器相对比较完整，贯穿了论文 中所有精彩的设计思想，该频率综合器已经采用o 1 8 - p mc m o s 工艺完成电路 和版图设计，并与发送器和接收机一起集成在单芯片上，真正实现了无线局域 网射频收发器的单片集成。单片集成的无线局域网射频收发器日前正在流片 中，待完成流片完成后我们会报道芯片的测试结果。 第八章给出了论文工作的总结与展望。 第二章无线局域网频率综合器体系结构 频率合成技术在各个领域得到了广泛的应用，通常频率综合器都是基于锁 相环结构的，但是根据应用场合，需求和性能指标的不同在具体的结构上会有 些差别。本章首先介绍了频率综合器体系结构的比较和选取。 1 般来说，在无线射频收发器中，设计频率综合器的目的是为了给接收机 和发送器提供必要的本振信号，因此从系统的角度来说，频率综合器的性能指 标应该由接收机和发送器的性能指标来制定，其中相位噪声，输出频谱杂散 ( s p u r s ) ，总积分噪声( r m sp h a s en o i s e ) 和带内噪声( i n b a n dn o i s e ) ，建立时间 和输出频率的分辨率是最重要的几个性能指标。为了使读者对频率综合器的理 解上升到系统级，更好地认识这些指标确定的来源和意义，我们以i e e e 8 0 2 11 b 的系统协议为例子，详细地给出了这些性能指标的推导过程。 本章节的最后介绍了频率综合器的设计流程，对于理清我们的设计思路和 规范设计方法是大有帮助的。 2 1 频率综合器结构比较与选取 我们把频率综合器结构的比较分为两类：第一类取决于其中振荡器的选 取。片上振荡器大致可以分为两种：第一种是环形振荡器，这种振荡器的特点 是整个电路只由有源器件组成，因此占用了非常小的：芯片面积。其次，环形振 荡器天生就能产生多相位的时钟信号。但是环振的相位噪声性能比较差，因此 不适合应用在相位噪声要求比较高的无线射频收发器中。本论文不对环形振荡 器进行讨论，感兴趣的读者可以参考这些文献【l 】 2 】。第二种是采用l c 振荡 器，这类振荡器的相位噪声性能可以做得比较好，适合于无线射频收发器的应 用，但是面积比较大。本文讨论的是基于l c 压控振荡器的频率综合器设计。 第二种分类是基于锁相环路中反馈环路里分频器的选取，也就是我们所熟 悉的整数分频和分数分频。图2 ，1 和图2 2 所示的是整数分频和分数分频频率综 合器的体系结构，具体的电路结构和设计思想我们在第6 章再深入展开。整数 分频频率综合器的优点在于体系结构和理论研究比较成熟，设计相对比较简 单，但是输出频率的分辨率受限于参考时钟，只能大于或者等于参考时钟的 值。在一些信道宽度比较宽的应用场合，比如无线局域网和超宽带( u w b ) 系统 中( 这些系统的信道宽度在i 。几m h z 到几i 。m h z 这个量级) ，使用整数分频 的结构有优势。而在信道宽度很窄的场合，比如g s m ，c d m a 和p h s 这些系 统中( 这些系统的信道宽度在几百k h z 左右) ，如果使用整数分频会使参考时 复旦大学硕士学位论文 钟取得非常小，因此环路带宽的取值受到极大地限制，而反馈环路上的分频数 异常巨大，这两点会影响锁相环路的建立时间和增加输出信号的带内积分噪 声。为了缓解这些矛盾，采用分数分频结构是一个明智的选择，虽然分数分频 结构的频率综合器的设计可能略微复杂一些。 图2 1 整数分频频率综台器 从以上分析可以看出，应用于无线局域网射频收发器巾的频率综合器可以 采用整数分频的体系结构，而我们在设计中采用了分数分频的结构，主要出于 这样的考虑。无线局域网芯片的应用已经不单单局限在无线嘲卡使用巾，而有 着更广阔的空间，包括集成在手机和其他设备里面。这就涉及到通用性这个问 题，我们设计的系统能否与其他系统兼容，主要取决于系统参考时钟的兼容 性。分数分频与生俱来的优势就是刈以适应不同的参考时钟，我们不需要任何 改动就能把我们的射频系统集成到其它系统中去，这是我们选择分数分频结构 的最重要的考虑。美国著名的无线局域网芯片供应商a t h e r o sc o m m u n i c a t i o n s 在他们i s s c c2 0 0 6 上发表的一篇i e e e8 0 2 1 l a b gs o c 的文章 3 】中就采用了分 数分频的频率综合器，这一点与我们的想法是不谋而合的。 表2 1 给出了不同的系统应用时所采用的频率综合器的结构，希望能给读 者今后在设计射频系统的频率综合器时一点参考。 图2 2 分数分频频率综合器 第二章无线局域舟频率综合器体系结构 表2 1 不同射频收发器中应该使用的频率综合器结构 射频系统协议频率综合器结构 g s m d c s l 8 0 咿c s l 9 0 0 伊h s c d m a 分数分频 b l u c t o o t h 整数分频分数分频 w i r e l e s sl a n 整数分频分数分频 u w b整数分频 2 2 频率综合器系统指标的确定 这一章节介绍频率综合器系统指标的确定，我们以无线局域网8 0 2 1 l b 系 统为例，但是所介绍的方法适用于所有无线系统。 在频率综合器中，最重要的性能指标包括输出载波的相位噪声，输出频谱 杂散( s p u r s ) 总积分噪声( r m sp h a s en o i s e ) 和带内噪声( i n b a n dn o i s e ) ，建立 时间和输出频率的分辨率。下面我们根据8 0 2 1 1 b 中接收机和发送器的性能要 求，逐个给m 这些指标的推导过程。 2 2 1 相位噪声 相位噪声是衡量时钟频谱纯度的一种表征方式，定义为偏离载波频率a f 处，1 h z 带宽内的单边带噪声功率与整个载波功率的比值，通常取对数，单位 为d b c h z 。相位噪声在频域上是连续分布的，对于无线通讯系统中接收机和发 送器的影响可以用一句简明的话来概括，它可以在接收机中通过下混频把不需 要的射频信号混入我们低频的基带信号中，降低了接收机的灵敏度。在发送器 中则通过上混频把不需要的低频基带信号混入我们所需要的射频信号巾，降低 了发送器的输出频谱罩( s p e c t r u mm a s k ) 要求。因此频率综合器的相位噪声要 求应该同时根据接收机和发送器的性能指标来确定。 首先，来确定接收机的相位噪声指标。制定接收机的相位噪声指标可以通 过以f - - 个步骤来进行： 1 ) 从接收机规定的单位比特的误码率( b e r ) 推导出接收机的信噪比 ( s n r ) 。 一般来说，从误码率还不能直接推导出信噪比，而是先要在不同的调n 解 调方式下求出e b n 0 ，其定义为带宽等于数据传输率时的信号信噪比。而 e b n 0 与信噪比又有如下的关系式： s n r = ( e b n o ) + 1 0 i o g ( d 占)( 2 1 ) 其中d 为系统的带宽，b 为系统传输数据的比特率。 复旦大学硕士学位论文 8 0 2 1 l b 系统可以工作在不同的调制和解调方式下，所对应的数据传输率也 不尽相同，表3 2 给出了对应不同调制解调方式和数据率时e b n 0 和信噪比的 数值。 表3 28 0 2 1 l b 不同调制解调方式和数据率时e b n 0 和信噪比 d a t ar a t e ( m b i t s ) m o d u l a t i o n e b n 0 ( d b )s n r ( d b ) l d b p s k1 3 8o 4 2 d o p s k 1 3 8 3 4 5 5c c k1 26 1 1c c k1 29 2 ) 计算下混频后的信号能量和噪声能量。 图2 3 给出了在载波含有相位噪声的情况下，所需的射频信号和临近的干 扰信号同时被混入低频基带信号的示意图。虽然图中所示的是一个低中频系 统，但是对于零巾频系统同样是适用的。由图2 3 我们可以计算出下混频后的 信号能量为： 鼻。( d b m ) = ( d b m ) ( 2 2 ) f 混频后的噪声能量为： 只( 枷) = 只n ( d b m ) + 厶( d b h z ) + ( v ) ( d b c h z ) ( 2 3 ) f n 图2 3 相位噪声混频效应 3 ) 由信噪比求出相位噪声。 这时，经过下混频后接收机的信噪比可以表示为 0礴早 一 一一， 一 | 上。 一 *，l 一 h 1 0鳟 辨 一 岫 翌( d b m 2 ) 篇淼幺l ( a f ) ( d b c h z ) + 厶，( d b h z ) ，。，= 。一【( 如m ) + 厶，】 、 考虑最差的情况，即接收到的射频信号最小，干扰信号最大和最小信噪比 时，相位噪声的表达式为： 三( a f ) ( d b c h z ) 只。( d b m ) 一，。( d b m ) 一厶，( d b h z ) 一s n r ( d b ) ( 2 5 ) 为了计算最坏情况时的相位噪声，我们必须找到对应不同调制解调方式和 数据率时信号强度，临近信道干扰信号强度，次临近信道干扰信号强度和阻塞 信号强度的数值。表3 3 给出了这些数值。 表3 38 0 2 1 l b 不同调制解调方式和数据率时信号和干扰信号强度 d a t am o d u l a t i o n s i g n a ll e v e la d j a c e n t a i t e m a t e b l o c k i n g r a t e ( m b i t s ) ( d b m ) i n t e r f e r e n c e a d j a c e n tl e v e l ( d b m ) ( d b m ) n t e r f e f e n c e ( d b m ) ld b p s k，8 03 83 83 0 2 d q p s k 7 73 83 83 0 5 5c c k- 7 63 83 83 0 l lc c k7 93 83 83 0 通过以上数据，我们可以计算出最差的相位噪声指标，它出现在c c k 调制 方式下，这时数据率为1 1 m b i t s 。 l ( a f = 2 2 m h z ) 一7 9 - ( - 3 8 ) 一9 1 0 g ( 2 2 m ) = 一1 2 3 4 d b c h z( 2 6 ) 接着，来确定发送器的相位噪声指标。对于发送器而言，最终通过功率放 大器发射的射频信号必须满足8 0 2 1 l b 的频谱罩要求 4 】，而频率综合器的相位 噪声会影响输出的频谱罩。因此我们可以根据频谱罩的要求来推导发送器的相 位噪声。图2 4 给出了8 0 2 11 b 的频谱罩指标。值得说明的是，这个频谱罩必须 在频谱仪上用1 0 0 k h z 的分辨率带宽测量。现在我们可以写出发送器相位噪声 的表达式： l ( a f ) = m ( a f ) 一10i o g ( r b w )( 2 7 ) 上式中，m ( a t ) 是频率综合器的相位噪声在频谱罩上的贡献，因为发送器 中所有的模块都会贡献噪声，包括d a c ，重构滤波器，混频器和功率放大器， 所以通常都会假设频率综合器的相位噪声贡献比频谱罩上的噪声要低1 0 d b c 。 r b w 即频谱仪上的分辨率带宽。 现在可以写出发送器的相位噪声表达式： 复旦大学硕士学位论文 l r a f = 11 m h z ) - 4 0 - l o i g ( 1 0 0 k h z ) = 一9 0 d b c h z l ( a f = 2 2 m h z ) - 6 0 1 0 1 9 ( 1 0 0 k h z ) = 一1 1 0 d b e h z p o w e r s p e c t r a l d e n s i o ； 一 k o d b 。 一2 21 i斥1 1 2 2 f r e q u e n c y ( m h z ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 图2 48 0 2 1 1 b 发送器频谱掣 同时求出了接收机和发送器的相位噪声要求后，我们可以进行比较。发现 接收机的相位噪声要求要高于发送器的要求，般的通信系统中都是如此，原 因在于接收机处理的是小信号，而发送器则是大信号，自然接收机对噪声的要 求更高。 略微留些设计裕量，我们把频率综合器的相位噪声指标定为一 i3 0 d b c h z 2 2 m h z 。 2 2 2 频谱杂散( s p u r s ) 与相位噪声在频谱上的连续分布不同，频谱杂散( s p u r s ) 表现为在特定频 偏上的噪声能量，通常是由一个周期性的噪声源产生，同样用对数来表示，其 单位为d b c 。在频率综合器中，频谱杂散一般由两种机理产生，第一个是电荷 泵的周期性充放电所导致的控制电压调制压控振荡器，这个周期就是参考时 钟，因此在频率综合器的输出频谱上偏离载波整数个参考频率处都会有一定的 频谱杂散。第二个是由于双模预分频器周期性的切换分频比 4 2 1 。频谱杂散与 相位噪声一样，也会降低接收机的灵敏度和发送器的输出频谱罩要求。因此频 率综合器的频谱杂散要求也应该同时根据接收机和发送器的性能指标来确定。 我们还是先从接收机开始，与相位噪声推导完全类似，只是频谱杂散是在 特定频偏上的噪声能量，而不是单位频偏的噪声能量密度，所以在计算时不必 把带宽这项加上。可以写出接收机的频谱杂散表达式： s p u r s ( a f ) ( d a c ) 。( d b m ) 一。( d b m ) 一s n r ( d b ) ( 2 1 0 ) 第二章无线局域网频率综台器体系结构 根据式( 2 1 0 ) ，很容易的计算出在8 0 2 1 1 b 中，最坏情况时的频谱杂散指标 为： s p u r s ( a f = 2 2 m h z ) 一7 9 一( - 3 8 ) 一9 = 一5 0 d b c( 2 1 1 ) 接着，来确定发送器的频谱杂散指标。对于发送器而言，最终通过功率放 大器发射的射频信号必须满足8 0 2 1 l b 的频谱罩要求，而频率综合器的频谱杂 散也一样会影响输出的频谱罩。我们可以直接从图2 4 给出了8 0 2 1 l b 的频谱罩 指标得出发送器的频谱杂散。为了不让上混频后的射频信号超出频谱罩，对于 发送器而言，在偏离载波l1 m h z 和2 2 m h z 处的频谱杂散必须满足： s p u r s ( 1i m h z a f 2 2 m h z ) 2 2 m h z ) 一5 0 d b c( 2 1 3 ) 综合接收机和发送器两者的计算结果，我们把频率综合器的频谱杂散指标 定为： 5 p u r s ( 11 m h z a f 2 2 m h z ) 2 2 m h z ) 一5 0 d b c( 2 i5 ) 2 2 3 总积分噪声( f i n sp h a s en o i s e ) 和带内噪声( i n h a n dn o i s e ) 把频率综合器输出时钟信号的相位噪声在频率域上积分就能得到总积分噪 声。积分噪声会影响发送器输出射频信号的星座图，在星座图上，实际发送信 号的那些点的位置与理想点之问角度的差值就称之为发送器的总积分相位误差 ( 1 m sp h a s ee l l o r ) ，当然在一个发送器中，每一个组成模块，例如基带电路， 混频器和功率放大器都会不同程度地贡献积分相位误差，因此可以写出如下的 表达式 5 】： 藐，= 鸱+ 如+ 一+ 兢 ( 2 1 6 ) 8 0 2 i1 b 系统规定发送器的输出总积分相位误差不得超过2 0 度，根据式 ( 2 1 6 ) ，假设各个模块平均分配总积分相位误差的话，那么频率综合器的总积分 相位误差，总积分噪声就不得大于5 度。 锁相环具有的噪声整形特性使得最终输出的时钟信号的相位噪声在环路带 宽内近似为白噪声，而在带宽外则以振荡器的噪声为主，一般都以2 0 d b 一卜倍 程的速度下降。这里可以引入噪声带宽的概念，因此总的积分噪声就等于白噪 声的值乘以噪声带宽。对于高阶的锁相环，输出相位噪声的噪声带宽近似等于 锁相环的带宽，在这一假设下，总积分噪声与带内噪声的关系可以写为： 复旦大学硕士学位论文 l ( a f ) ：1 0 l o g ( 兰盘罢) 一1 0 l 。g ( z 6 。) ( 2 1 7 ) 根据式( 2 1 7 ) ，假设整个频率综合器总积分噪声的指标为小于5 度，而频率 综合器的带宽在设计中取为1 0 0 k h z ，则带内噪声应该小于一7 4 2 d b c h z 。 根据以上讨论，留有适当的设计裕量，整个频率综合器的带内噪声应该小 于一8 5 d b c h z 。 2 2 4 建立时间 建立时间定义为改变频率综合器的分频比，使其输出再次达到稳定所用的 时间。在8 0 2 1 l b 中，建立时间是指输出频率跳变6 0 m h z ，并且输出精度达到 + 6 0 k h z 时所用的时间，这一时间必须小于2 2 4 p _ s 。 在系统指标中，我们定义建立时间必须小于2 2 4 9 s 。 2 2 5 输出频率的分辨率 8 0 2 11 b 系统规定的信道从2 4 1 2 m h z 到2 4 7 2 m h z ，每个1 0 m h z 为个信 道，因此需要频率综合器输出频率的分辨率要小于等于1 0 m h z 。如果设计整数 分频频率综合器，那么就要仔细选择参考时钟来满足这一要求。我们在设计叶i 选用了分数分频的频率综合器，冈此在参考时钟的选择性上更具有灵活性。为 了让我们的射频收发器在无线网卡，手机和其他应用场合都能适用，设计中参 考时钟选为8 - 5 0 m h z 。 2 2 6 频率综合器性能指标小结 至此，我们得到了整个频率综合器的所有性能指标，总结如下： 相位噪声( p h a s en o i s e ) ：一1 3 0 d b e h z 2 2 m h z 频谱杂散( s p u r s ) ：( 11 m h z a f 2 2 m h z ) 一3 0 d b c ( 户2 2 m h z ) - 5 0 d b c 积分噪声：小于5 度 带内噪声： 8 5 d b c h z 建立时间： 2 2 4 9 s 频率分辨率： 1 0 m h z 参考时钟：8 - 5 0 m h z 2 3 频率综合器的体系结构 我们首先给出设计频率综合器的体系结构，如图2 5 所示。它由片上压控 1 第二章无线局域嘲频率综合器体系结构 振荡器( v c o ) ，高频除2 分频器( d i v i d e b y 一2 ) ，本振信号缓冲器，双模预分频 器( 7 5 8 ) ，可编程分频器( p 计数器，s 计数器) ，参考时钟分频器，鉴频鉴相 器( p f d ) ，可编程电荷泵( p r o g r a m m a b l ec p ) ，片上三阶环路滤波器，数字 调制器和偏置电路组成。整个频率综合器的设计贯穿了可调的设计理念，包括 鉴频鉴相器增益的极性，电荷泵的充放电电流，环路滤波器中无源器件的值， 振荡器的开关电容阵列，分频器的分频数，甚至包括所有模块的偏置电流都是 数字可调的。这样可以最大限度增加设计的裕量，而且偏置电流的可调可以一 定程度地弥补高频时模型和工艺的偏差，使电路能够真正地调整到最佳的工作 状态。 从图2 5 中可以看出，为了产生2 4 - 2 5 g h z 本振信号，我们采用了工作在 4 8 - 5 g h z 的振荡器和一个高频除2 分频器。使用这种电路结构的目的和原因我 们在下一一章详细讨论。 c h a r e cp u m p l o o pf i b e r 罔2 5 频率综合器体系结构 2 4 频率综合器的设计流程 在得到了频率综合器具体的系统指标后，我们将要开始实际设计一个频率 综合器。频率综合器作为一个电路系统有很多电路模块组成，当然它还是一 个复杂的反馈系统，因此需要一个合理的设计流程。从作者的认识和理解角度 来说，一个频率综合器的设计应该遵循以下的一些步骤： 1 ) 首先确定本振信号的产生方法，由r 一章节的内容可以知道，在一个单 复旦大学硕士学位论文 片集成的射频系统中，本振信号的产生不能单独依靠片上振荡器，而是需要依 靠一些其他的辅助电路来实现。在电路设计的初期，应该依照具体的设计和所 采用的工艺条件合理地选择一种电路结构来实现本振信号。 2 ) 在确定了本振信号产生的具体电路结构后，就要根据系统指标设计l c 压控振荡器和其他一些辅助电路，比如多相滤波器，分频器和混频器等等。 3 ) 设计本振信号缓冲器。这时设计者需要了解上下混频器开关管的尺寸和 需要的本振信号的幅度，最好通过仿真得到这两个混频器的输入阻抗，即本振 信号缓冲器的负载阻抗。有了这些数据后，设计一个木振信号缓冲器。 4 1 确定参考时钟。对于整数分频频率综合器，系统的参考时钟必须等于或 小于射频信道的宽度。而对于分数分频频率综合器，必须明确参考时钟的适用 范围。 5 ) 在确定压控振荡器的频率范围和系统的参考时钟后，可以得出反馈环路 分频器的分频比，根据这个分频比设计一个分频器，其中包括前置预分频器， 口j 编程分频器和吞脉冲分频器。 6 ) 如果是设计分数分频频率综合器，还应该设计一个数字调制器。 7 ) 设计鉴频鉴相器。 8 ) 进行环路的总体优化，根据设计的压控振荡器的相位噪声性能和锁相环 带内噪声要求大致确定环路带宽。根据频率综合器输出噪声和频谱杂散要求大 致确定电荷泵的电流。利用行为级锁相环模型仿真确定所选择的参数是否满足 系统的动态，噪声和频谱杂散要求，如果未能达到要求可以适当调整使得系统 的性能指标得到满足。 9 ) 根据设定的电荷泵电流和环路带宽设计电荷泵电路和环路滤波器。 1 0 1 频率综合器的整体仿真是个难题，为了保证系统能够在流片后正常工 作，可以利用一些行为级模型替换环路中的高频模块，比如振荡器和分频器， 再进行仿真，可以大大节省仿真时间。最好在设计最后进行一次伞晶体管级的 仿真，确保电路工作。 2 5 本章小结 奉章首先介绍了频率综合器体系结构的比较和选取。接着根据无线收发器 中接收机和发送器的要求制定了频率综合器的性能指标，并以i e e e8 0 2 1 1 b 的 系统协议为例子，详细地给出了这些性能指标的推导过程。 最后介绍了频率综合器的设计流程，对_ 丁理清我们的设计思路和规范设计 方法是大有帮助的。 第三章正交本振信号的产生 本地振荡信号在射频收发器中起着重要的作用，从功能上讲它可以实现射 频信号的频谱搬移和信道选择，而从性能上来讲，正如上一章所述，本振信号 的相位噪声性能和频谱杂散( s p u r s ) 直接影响了接收机的灵敏度和发送器的误差 矢量幅度( e v m l 。除此之外，在无线射频收发器中一般都需要正交本振信号来 实现信号的调n 解调和镜像信号的抑制，更重要的是在单片集成射频收发器设 计中还必须注意片上本振信号的注入牵引问题，因此本章深入研究了用于单片 集成射频收发器中正交本振信号的产生。首先我们研究了本振信号的注入牵引