应用于无线收发机的有源复数滤波器研究

摘要

随着物联网技术的兴起，我们身边涌现了大量的无线终端以及许多应用系统，如智能家居、自动抄表、喷灌系统、照明系统、气象监测、无人机、无线体域网、汽车无钥匙进入系统等。可以想象在不久的未来会出现更多的无线设备连接至云端。在物联网系统设计中，实现信息收集和传递的部分叫作无线传感网络（Wireless Sensor Network, WSN）节点。其是由众多分布在终端或监测区的低功耗、低成本的小型传感无线收发装置组成，并由相应的无线通讯标准（蓝牙、Zigbee 等）形成一个能够自组织的网络系统。整个系统对功耗和集成度的要求比较高。因此研究低功耗、高集成度的射频无线收发芯片对整个物联网系统具有重大意义。滤波器作为射频无线收发芯片的重要组成部分，其性能严重影响系统的整体性能。 本文对当前主流的无线收发机架构进行了简单介绍，对比其优缺点。其中详细的介绍了使用较广的低中频接收机。复数滤波器是低中频接收机中的重要模块，为其解决了镜像信号干扰的问题并实现信号选通。针对应用系统中对低功耗、低成本的要求，对比分析了常用的复数滤波器特性并提出了一种新型的RC复数滤波器结构。通过传输函数的推导进而进行系统优化，提高电流效率，减少滤波器中运放使用个数，进而降低电流消耗。运放使用主从控制结构，保证线性区工作的尾电流的恒流性，在保证共模抑制比同时具有低工作电源电压。设计中通过降低降低工作电压和减小消耗电流，降低了功耗同时也减小芯片面积。为降低滤波器会因为工艺、电压等的偏差及温度的改变会产生的误差，文中对滤波器设计了校准电路模块，通过RC时间常数的校准，校正滤波器的频率特性。 本文设计的滤波器在GSMC0.13μm工艺下利用Cadence平台中spectre仿真工具进行仿真，得到滤波器中心频率为500KHz，3dB带宽为270KHz；中心频率处镜像抑制比达到 42.92dB；在中心频率处的增益达到 10.72dB；通带内纹波为0.454dB。滤波器的工作电压为0.7V，整体功率消耗为0.54mW。满足了无线传感网络对滤波器的设计要求。 最后对整个有源复数滤波器的研究进行了总结，并在已有的设计工作上展望了未来的设计。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 复数滤波器概述

2.1 复数信号处理

2.2 复数滤波器的工作原理

2.3 复数滤波器的特性指标

2.3.1 滤波器的基本参数

2.3.2 复数滤波器镜像抑制比

2.4 滤波器的综合

2.4.1 级联综合法

2.4.2 有源替代法

2.4.3 多环反馈法

2.5 本章小结

第三章 复数滤波器的设计

3.1 设计指标分析

3.1.1 逼近函数选择

3.1.2 滤波器阶数计算

3.2 复数滤波器设计

3.2.1 Gm-C有源滤波器

3.2.2 RC有源滤波器

3.2.3 复数滤波器结构设计

3.3 低功耗放大器的设计

3.3.1 偏置和启动电路

3.3.2 运放的核心电路设计

3.4 放大器的仿真结果

3.4.1 频率响应

3.4.2 共模抑制比

3.4.3 转换速率

3.4.4 电源抑制比

3.4.5 噪声特性

3.5 复数滤波器的容阻计算

3.6 本章小结

第四章 频率校准模块设计及滤波器仿真

4.1 滤波器的校准

4.1.1 锁相环结构校准电路

4.1.2 积分结构校准电路

4.2 滤波器校准电路设计

4.3 校准电路的仿真

4.4 滤波器的仿真结果

4.4.1 幅频特性

4.4.2 通带纹波

4.4.3 群延时

4.4.4 1dB压缩点

4.4.5 三阶交调截点

4.4.6 噪声系数

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果