软件无线电接收机中宽带射频前端和频率合成器的研究

摘要

出于对性能和成本的追求，面对迅猛发展的无线通讯终端市场，可为不同通讯标准的多模式，多频段无线终端提供单一平台解决方案的软件定义无线电(Software-Defined Radio)概念得到了学术界和工业界的极大关注。本文以软件无线电接收机的芯片实现为基本目标，对适用于其中的宽带射频前端电路和频率合成器进行了分析和设计。主要研究内容包括：
　　 第一章首先回顾了软件定义无线电概念的提出以及其理想物理实现所遇到的困难，接着叙述了基于当前半导体工艺水平可能的实现方法．基于此，本论文分析了目前主流的无线收发机架构，对比了其各自的优劣以及对于软件无线电系统要求的可适应性。在选择了零中频作为合适的架构基础上，本文进一步分析了接收机信号链路上各子系统模块对于收发机系统多模式可重构性需求所可以采用的系统架构和具体电路实现。
　　 第二章着重论述适用于软件无线电接收机的宽带射频前端电路设计技术。在对近年来的主流实现方式进行了介绍之后，本文从基本的电路结构出发，对可行的电路结构逐一分析其利弊，并给出具体的电路实现和测试结果。并在对之前提出结构和实现效果进行全面分析的基础上进一步拓展思路，提出一系列颇具创意的渐进演变电路。最终的设计包括一种基于电容互耦合技术的0.9～10GHz超宽带放大器，一种新颖的宽带低噪声放大器与混频器融合前端，一种增益数字可控的无电感宽带低噪声放大器，一种增益数字可控的无电感单端输入差分输出宽带低噪声放大器，一种基于电容峰振技术的可覆盖0.8-5GHz的无电感单端输入差分输出宽带低噪声放大器以及一种以0.18um SiGe工艺实现的可覆盖0.8-6GHz全软件定义无线电接收机频段的无电感单端输入差分输出宽带低噪声放大器。
　　 第三章论述了宽带频率合成器设计方面的工作。本论文首先回顾了可用于实现宽频带覆盖范围的频率合成器架构，对其各自的优劣进行了分析，并给出了近年来主流的基于宽带分数N分频锁相环和后合成器的架构.基于此架构，本论文对一个工作于3～4GHz的具有数字频率校正的宽带分数N分频器锁相环进行了系统级设计和具体电路子模块的实现。该频率合成器的整体系统性能仿真显示其可输出3～4GHz的宽频信号，最小频率分辨率约为75Hz，带内相位噪声约为-80dBc/Hz，带外相位噪声在1MHz频率偏移处约为-116dBc/Hz，杂散低于-50dBc，一次频带切换时间约为36us。仿真结果表明本论文所设计的频率合成器能较好的满足软件无线电接收机系统对于其带内主要无线通讯标准本振信号的要求。
　　 第四章给出了对于之前工作的总结，并对未来用于软件无线电接收机芯片设计的技术进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 软件无线电接收机综述

1.2 适用于软件无线电接收机前端的架构分析

1.3 适用于软件无线电接收机链路上各子模块可行性架构分析

2 宽带射频前端的研究与实现

2.1 采用电容交叉耦合的0.9-10GHz低噪声放大器设计

2.1.1 概述

2.1.2 输入阻抗匹配分析

2.1.3 噪声系数分析

2.1.4 带宽拓展

2.1.5 测试结果及分析

2.1.6 总结

2.2 一种采用增益倍增和电流峰振技术的融合式的宽带低噪声放大器和混频器

2.2.1 概述

2.2.2 基本电路结构

2.2.3 输入阻抗匹配，转换增益和噪声系数

2.2.4 用于带宽拓展的电流峰振技术

2.2.5 仿真结果及分析

2.2.6 总结

2.3 数字控制宽带低噪声放大器的分析和设计

2.3.1 概述

2.3.2 电路总体结构

2.3.3 输入阻抗匹配

2.3.4 噪声和线性度分析

2.3.5 增益控制

2.3.6 测试结果

2.3.7 总结

2.4 数字控制的单端输入双端输出宽带低噪声放大器

2.4.1 概述

2.4.2 有源可重构增益可控巴伦

2.4.3 测试结果及分析

2.4.4 总结

2.5 基于0.18um CMOS工艺采用有源电容峰振巴伦(Capacitive Peaking Active Balun)的0.8-5GHz无电感单端输入双端输出宽带低噪声放大器[32]

2.5.1 概述

2.5.2 电路设计

2.5.3 仿真结果

2.5.4 总结

2.6 基于0.18um SiGe工艺采用有源电容峰振巴伦的0.8-6GHz无电感单端输入双端输出宽带低噪声放大器[36]

2.6.1 概述

2.6.2 电路设计

2.6.3 仿真结果

2.6.4 总结

3 用于软件定义无线电接收机的宽带分数N分频频率合成器

3.1 概述

3.2 频率合成器系统架构

3.3 鉴频鉴相器和可编程电荷泵

3.3.1 鉴频鉴相器

3.3.2 可编程电荷泵

3.4 环路滤波器

3.5 宽带压控振荡器和数字频率校正

3.5.1 宽带压控振荡器

3.5.2 数字频率校正

3.6 多模分频器和数字Delta-Sigma调制器

3.6.1 多模分频器

3.6.2 数字SigmaDelta调制器

3.7 系统仿真

3.8 总结

4 结论与展望

4.1 论文总结

4.2 未来工作展望

参考文献

作者简介

作者攻读硕士学位期间发表的论文