Zigbee接收机中自动调谐复数滤波器的研究与设计

摘要

无线通信技术近年来发展迅速，出现了多种通信协议，如红外、蓝牙、NFC、Wi-F i以及Zigbee等。相对于其它协议，Zigbee协议是针对低速率无线个人局域网而开发的，具有低功耗、低成本、低速率、距离近和自组网的特点，在智能家居、工业监控、医用器械以及军事等领域得到了广泛应用。在典型的无线接收机结构中，如超外差、低中频和零中频等结构，低中频结构接收机以其性能优良和便于集成的特点而得到重视，但是低中频接收机较其它结构接收机却存在着更为严重的镜像干扰问题。本文针对Zigbee低中频接收机中镜像抑制滤波器的设计进行了系统研究，主要的研究成果有以下几部分：
　　1．对低中接收机中的镜像干扰问题进行了研究。在低中频接收机前端采用正交混频，可以有效地区分开有用信号和镜像信号，但有用信号和镜像信号却镜像分布在正负频率轴上，由于传统实数滤波器在正负频率轴上具有对称的频率响应，无法在允许有用信号通过的同时滤除镜像信号。复数滤波器只在频率轴的一侧具有通带，因此可以完成镜像抑制作用。Zigbee协议采用多信道通信，本文提出了采用有源RC复数滤波器同时完成镜像抑制和信道选择的方法。
　　2.对复数滤波器的设计方法进行了研究。本文总结了两种复数滤波器的设计方法，一种是基于低通滤波器原型的频率变换法，一种是基于一阶复数滤波器节的级联方法，两种方法各有优缺点。针对这两种方法，文中首先采用频率变换法以一阶低通滤波器为原型得到了一阶有源RC复数滤波器，然后采用级联方法，以一阶复数滤波器为基本节得到了一款适用于Zigbee低中频接收机的3阶巴特沃斯型有源RC复数滤波器。得益于一阶低通滤波器结构十分简单，上述同时采用两种方法的设计过程非常适合手工设计。
　　3.对滤波器中核心运放的设计进行了研究。运放的非理想效应会导致有源滤波器的性能恶化，文中对运放的两种非理想效应，有限增益带宽积和转换速率对滤波器频率响应特性的影响进行重点分析。然后在折衷考虑了输出摆幅，直流增益和带宽的情况下，选择两级密勒补偿结构，设计了一款高GBW高转换的运放。运放的增益为85.8dB，单位增益带宽为157MHz，相位裕度为59.4°，输入共模电压范围为0.2~1.28V，转换速率为59.7V/μs。
　　4.对滤波器自动频率调谐电路进行了研究。有源 RC复数滤波器的中心频率和带宽都是由电阻和电容的绝对值决定的，这些无源器件在实现时不可避免的会受到PVT的影响而产生偏移。基于主从调谐原理，本文设计了一款频率检测型自动频率调谐电路，自动频率调谐电路由模拟部分的环形振荡器和数字部分的控制电路组成，调频精度为±1.25％之内。
　　5.对自动调谐3阶有源 RC复数滤波器的性能进行了仿真分析。滤波器采用TSMC0.18μm标准工艺库设计，模拟部分版图面积为1.3 mm×0.6 mm。在1.8V的电压下，模拟部分电流功耗为2.8mA。整体仿真结果显示，滤波器带宽为3.09MHz，中心频率位于2MHz处，具有24.1dB的镜像抑制比，带内波纹小于0.1dB，相邻信道抑制比和相间信道抑制比分别是29.8dB和49.5d B，符合Zigbee协议要求。

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第一章 绪论

1.1 滤波器概述

1.2 接收机结构

1.3 研究背景及意义

1.4论文组织结构

第二章 滤波器基础理论

2.1 最佳逼近响应曲线

2.2基本低通滤波器节

2.3 滤波器设计方法

2.4 本章小结

第三章 3阶butterworth有源RC复数滤波器设计

3.1复数滤波器引入

3.2 复数滤波器设计方法

3.3 频率搬移法实现一阶有源RC复数BPF

3.4 级联法实现三阶butterworth有源RC复数BPF

3.5 本章小结

第四章 核心差分运放设计

4.1 经典差分运放结构

4.2 运放非理想效应

4.3 两级运放设计实例

4.4 本章小结

第五章 频率调谐电路设计

5.1 主从调谐原理介绍

5.2 主从调谐电路类型

5.3 频率调谐电路设计实例

5.4 滤波器仿真结果与分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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