WCDMA/LTE射频收发机芯片中SAWless技术的研究

摘要

为了满足日益增长的智能手机市场需求，低成本、高集成度、支持多模式和多频段的射频收发机芯片已成为现阶段射频集成电路领域的研究热点。在此背景下，本论文对WCDMA/LTE射频收发机中的去除片外声表面波滤波器（SAWless）技术进行深入研究。
　　首先，本文介绍和比较了几种主要的接收机和发射机架构，确定采用零中频方案作为WCDMA/LTE射频收发机的系统架构。之后，分析了该方案的诸多设计难点，并详细阐述SAWless技术是实现低成本、高集成度、多频多模芯片的关键。
　　第二，本文在零中频架构的基础上，从3GPP协议出发，使用ADS仿真工具及Spreadsheet方法，对SAWless射频收发机的各项指标进行了详细的分析和讨论，提出了SAWless收发机系统及核心电路的关键技术指标，为后续电路设计提供了有益的参考。
　　第三，针对如何去除发射机链路中SAW滤波器的问题，本文使用65nm CMOS工艺设计和实现了一个低功耗、低噪声、低EVM的发射机射频前端电路。该发射机电路由正交驱动放大器，50％占空比驱动的电压型无源混频器和低噪声、低功耗注入锁定分频器组成。测试结果显示该发射机能够达到-158.5dBc/Hz的接收机频段输出噪声，基本满足去除发射机链路中SAW滤波器的指标要求。
　　第四，为了在接收机链路实现SAWless，必须设计高线性度的下变频混频器。本文对无源混频器的线性度进行了研究和分析，并使用0.18μm CMOS工艺设计和实现了一个用于 LTE接收机中的高线性度下变频器。该电路采用一种改进的电流缓冲器，能够为混频器在较高频处提供足够低的负载阻抗，降低在干扰信号出现时的电压摆幅，从而提高整体电路的线性度。测试结果表明，使用该方法后混频器的IIP3和IIP2指标分别提高了4.5dB和11dB。
　　最后，本文研究和实现了一个用于混频器中二阶非线性自动校准的全数字自适应模块。该方法采用变步长的最小均方误差算法以及与二阶非线性失真量强相关的参考信号源，从而能达到在不损失校准精度的前提下加快收敛速度的目的。测试结果显示，通过使用该数字校准算法，混频器的IIP2性能由62dBm提高至83dBm。同时，与传统方法相比，本文所提出的改进算法能够提高10倍的收敛速度。使用了二阶非线性自动校准算法和改进型电流缓冲器的混频器电路能够实现在接收机端去除SAW滤波器的目的。

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第一章 绪论

1.1论文的研究背景及意义

1.2论文的研究内容及创新点

1.3论文的组织结构

第二章 收发机芯片系统架构的研究与分析

2.1无线通信系统基础

2.2接收机系统架构

2.3发射机架构

2.4 SAWless收发机射频芯片架构

2.5 SAWless零中频收发机芯片的设计难点

2.6本章小结

第三章 收发机芯片关键指标的研究与分析

3.1射频收发机系统主要指标简介

3.2 SAWless射频收发机指标分析

3.3本章小结

第四章 低噪声、低功耗射频发射机电路设计

4.1发射机电路指标

4.2射频发射机电路噪声分析

4.3目前存在的低噪声发射机电路

4.4低噪声射频发射机电路设计

4.5芯片实现和测试结果

4.6本章小结

第五章 高线性度下变频器电路设计

5.1设计指标

5.2现有技术分析

5.3电流驱动型无源混频器

5.4高线性度无源混频器电路设计

5.5测试结果

5.6本章小结

第六章 基于数字算法的二阶非线性校准技术

6.1混频器的二阶非线性

6.2传统的自适应校准算法原理

6.3低成本、快速收敛的自适应校准技术

6.4数字和模拟电路实现

6.5验证平台和测试结果

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1工作总结

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢