无线射频收发系统中自动增益控制与矫正技术的研究

摘要

近年来无线通信经历了快速的发展，各种结构的射频通信系统不断出现。直接变频结构顺应了高集成度，低功耗以及低成本的发展趋势，成了射频收发机追逐的体系结构。然而直流失调，载波泄漏以及IQ失配等直接变频体系存在的周有问题，限制了其性能的提高和在实际中的应用。
　　此外，随着集成电路的高速发展，功耗已成为芯片设计中除速度、面积之外最重要的一个因素，如何设计一个低功耗的芯片对于现代移动通信系统非常重要。另外由于接收的信号强度可能在很大范围内变化，因此需要在保证误码率的前提下控制信号的强度。所以，一方面接收机中需要引入自动增益控制环路，以达到稳定输出信号大小的目的;另一方面接收机中需要一个信号能量指示器，根据传输信号自身的能量来调节芯片内部电流大小，以便降低电路功耗，控制内部增益和功率。
　　因此，本论文就无线射频收发机中的自动增益控制与矫正技术做了深入的讨论，针对其中的技术难题提出了一些新颖的解决办法，并通过了流片测试验证。论文的主要创新性研究成果总结如下:
　　1、对模拟基带低频可变增益放大器(VGA)的研究，首先采用指数构造法，在CMOS工艺下，实现了两种具有指数增益特性的连续VGA;其次，提出了两种应用于无线局域网中的高线性度离散VGA;并在现有离散VGA结构的基础上，通过一种新颖的控制方法，实现了增益的连续可调，解决了连续VGA中线性度不高的难题。测试结果表明，三种不同类型的VGA均提供了很大的增益范围;连续VGA经过温度补偿后，很好地改善了此放大器增益随温度剧烈变化的缺点。
　　2、对直接变频接收机中直流失调问题的研究，针对应用于无线局域网中的不同VGA结构，提出了两种直流失调消除方案。通过创新性的设计，此矫正系统一方面解决了高通截止频率随着增益变化而改变的缺点，另一方面在保证信号完整性的同时，满足了快速环路稳定时间的要求，与传统方案相比，将滤波电容集成在片内，节省了芯片成本。此外，针对数字电视中要求的极低高通截止频率，在直流失调的设计中，分别采用了线性区MOS管和密勒效应实现等效大电阻和大电容，并采用电阻自校准技术，减小了线性区电阻随工艺和温度的变化。测试结果表明，三种直流失调消除方案均起到了很好的失调消除效果，使得输出端剩余的失调量小于2mV。
　　3、对模拟基带自动增益控制(AGC)环路的研究，提出了一种基于电荷泵的AGC结构，此结构复用模数转换器(ADC)电路，不仅实现了自动增益控制的功能，同时也实现了模数转换的功能，降低了系统的功耗。与传统反馈结构最大的不同在于它既不需要峰值检测电路，也不需要环路滤波器，这使得设计简化的同时，也使电路性能受工艺及温度变化的影响减小了。测试结果表明，AGC可处理的输入动态范围大于50dB，且具有温度不敏感性，整个AGC环路和ADC电路的电流消耗仅有3.2mA。
　　4、对低功耗系统中接收信号强度指示(RSSI)电路的研究，提出了一种基于RSSI的数字AGC环路。在AGC环路中，RSSI使用分段线性对数放大器检测接收信号的能量，根据检测的强度来控制链路中射频低噪声放大器(LNA)的增益，实现了功率强度控制，得到了稳定的输出信号强度，提高了系统的动态范围。此外，在环路的设计中引入温度、工艺补偿电路来抑制RSSI的输出电压随温度和工艺的变化;将比较器的滞洄宽度做为可调节的，以满足系统工艺角的要求。流片的测试结果表明，限幅器的单端输出幅度为460mV，不随温度的变化而改变;RSSI的输出线性电压为0.2V～1V，可检测的输入线性范围大于60dB;数字AGC环路根据RSSI的检测结果实现了自动增益调节。
　　5、对发射机中载波泄漏问题的研究，提出了基于数字基带的载波泄漏矫正方案。与传统方案相比，无需引入功率检测器和AD、DA模块，降低了设计的复杂度，节省了芯片的面积和功耗。仿真结果表明，基于数字基带矫正系统的矫正误差为1.4％;测试结果表明，此矫正方案中的矫正链路是可用的。
　　6、对收发机中IQ幅度和相位失配问题的研究，提出了基于数字基带的IQ失配矫正方案。此方案与发射机中基于数字基带的载波泄漏矫正方案共用同一条矫正通路。仿真结果表明，I/Q幅度的矫正误差为4.5％，I/Q相位的矫正误差为6.2％。
　　本论文的研究成果已经成功应用于多款无线射频芯片中，如GPS、WLAN及CMMB等，大大改善了这些无线通信系统的性能。