5.8G ETC系统中小数分频器的研究

摘要

为了缓解交通拥堵，现在越来越多的城市在收费处采用电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection，简称ETC)。本文以5.8GHz ETC为背景，对锁相环中小数分频器进行相应的分析和设计。在ETC等无线通讯系统中，频率综合器起到独一无二的作用。它是无线收发机中射频芯片的核心模块，可以为整个电路系统提供一个稳定的、高精度的、可编程和低噪声的本振信号。而sigma delta小数型频率综合器又因具有低相位噪声、最小频率步长不仅仅是参考频率的整数倍、高分辨率和快速切换频率等优点引起广泛的关注，而这些优点又主要得益于小数分频器。因为小数分频器是整个频率综合器中从高频过渡到低频的“桥梁”，VCO输出的高频信号经过小数分频器之后变为低频信号，该信号作为鉴频鉴相器的一个输入信号与参考频率进行比较。同时，小数分频器也是整个电路能够在高频环境下工作且功耗较低的关键和前提。所以研究和设计一个高质量的小数分频器是十分必要的。 但是随着小数分频器的深入研究，研究者们发现，小数分频器不是十全十美的，小数杂散就是其不可忽略的缺点。由于小数杂散距离中心频率很近，所以想要通过滤波器将其滤除是很难实现的。因此抑制小数杂散是小数分频器设计过程中的重要工作。本论文的具体工作安排如下： 1、小数分频比实现：sigma delta调制器输出控制信号，控制多模分频器的瞬时分频比，在一定时间段内取平均值； 2、改进型的2/3分频器：通过电路分析，在传统9管二输入的TSPC的基础上提出一种改进的三输入的TSPC锁存器，并在此基础上提出一种不同以往结构的2/3预分频器。 3、小数杂散的抑制：sigma delta调制器由于其稳定性、噪声整形和低功耗等特性而成为抑制小数杂散的主要方法，本论文借助simulink对sigma delta调制器的MASH结构进行建模和仿真，提出抑制小数杂散的改进方法——随机加抖和SDM相结合，比较分析sigma delta调制器的结构阶数和输入数据位数对性能的影响； 4、5.8GETC系统小数分频器的设计：本论文基于SMIC0.13um工艺设计了一个应用于5.8G ETC芯片中的小数分频器，分频范围为64~127，最小频率步长为：500Hz，版图面积为0.019mm2，VDD电压为1.5V时功耗为0.26mA。流片测试结果显示该小数分频器能够准确的实现系统所需的小数分频比，可以有效的抑制小数杂散。最后对5.8G ETC芯片中小数分频器的设计流程进行了详细的总结。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 小数分频器研究的意义和现状

1.3 论文的主要贡献

1.4 论文结构

第二章sigma delta小数型频率综合器基础

2.1 锁相环式频率综合器

2.1.1 整数N型锁相环频率综合器

2.1.2 小数型锁相环频率综合器

2.2 小数杂散的产生

2.3 消除小数杂散的方法

2.3.1 DAC相位补偿

2.3.2 随机加抖

2.3.3sigma delta调制器

第三章 多模分频器的设计

3.1 D触发器

3.1.1 SCL结构的D触发器

3.1.2 伪差分结构D触发器

3.1.3 真单相时钟触发器（TSPC）

3.2 双模2/3预分频器

3.2.1 传统的2/3预分频器结构

3.2.2 改进型2/3预分频器结构

3.2.3 两种2/3分频器的比较

3.3 多模分频器

3.3.1 2/3分频器级联构成多模分频器

3.3.2 双模预分频器P/S计数器结构的多模分频器

3.3.3 本论文中多模分频器

第四章sigma delta调制器的理论基础

4.1 过采样和噪声整形

4.1.1 过采样

4.1.2 量化噪声和噪声整形

4.2一阶sigma delta调制器结构

4.2.1一阶sigma delta调制器与累加器的关系

4.2.2一阶sigma delta调制器的等效模型

4.3 量化噪声和相位噪声的关系

第五章sigma delta调制器的实现

5.1 加法器的实现

5.2单环sigmadelta调制器和MASH sigma delta调制器

5.2.1单环sigma delta调制器

5.2.2MASH sigma delta调制器

5.3高阶MASH sigma delta调制器的设计

5.3.1随机加抖对sigma delta调制器的影响

5.3.2 阶数对MASH结构SDM的影响

5.3.3数据位数对MASH sigma delta调制器的影响

第六章 小数分频器的仿真、版图设计和测试

6.1 小数分频器的仿真

6.2 小数分频器的版图设计

6.3 小数分频器的设计流程

6.4 小数频率综合器的测试

第七章 总结与展望

7.1 设计总结

7.2 未来展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢