自干扰抵消技术和接收机线性化的研究及其在超高频RFID中的应用

摘要

随着集成电路与通信技术的迅速发展，具有多种通信标准的无线设备已经完全渗入到人们的日常生活中，人与人、人与物以及物与物间的通信不可避免地会受到发射信号串扰的影响，比如同频段干扰。而且，为满足人们对高通信速率的需求，全双工通信方式越来越受设计者的信赖，但其系统收发机之间的同频自干扰问题更为严重。受限于自干扰信号的影响，高性能接收机的设计成为了一个设计难点。本文主要对自干扰信号的抵消以及射频接收机的线性化展开研究，并将应用于超高频RFID系统。
　　自干扰信号可能会对有用信号产生增益压缩以及非线性失真。本文基于模拟自干扰抵消的原理，对多种自干扰抵消方法进行了优缺点分析，找出了符合本文系统要求的方法。通过理论分析和公式推导，详细阐述了幅度与相位失配对模拟自干扰抵消的影响，探讨了有效地优化和提升自干扰抵消性能的方法。
　　接收机的性能取决于各模块的特性。根据超高频RFID系统协议，计算出了存在自干扰信号下的射频接收机指标。结合接收机的级联分析，给出了各模块的性能，并采用MATLABSimulink完成了系统级的仿真与验证。
　　本文还提出了一种840～960MHz的模拟自干扰抵消技术，并将这种结构集成在超高频RFID接收机中。对于其中的有源移相器而言，提出了一种可降位的编码方式，简化了数字逻辑。仿真结果表明，其具有较好的自干扰抵消性能，当干扰信号功率为8dBm时，自干扰抑制比为23～38dB。尤其在840～940MHz的100MHz带宽内自干扰抑制比大于28dB。
　　基于亚阈值偏置技术，本文提出了一种超低功耗信号强度检测器，并对限幅放大器的功耗与最大检测误差进行优化分析。该信号强度检测器在CSMC0.153μmCMOS工艺上进行了流片验证。在电源电压1.8V下，其功耗仅为10.8μW。在-59～-14dBm的范围内，最大检测误差小于1dB。
　　高线性度的接收机往往能够避免交调失真对信噪比的恶化。最后，在考察了单电容交叉耦合LNA的特性后，本文提出了一种双电容交叉耦合的结构，在实现宽带匹配的同时，其不仅显著地改善LNA的非线性，在1GHz以下将IIP3从4dBm提高到11.5dBm;而且能够在低频段将噪声系数降低0.2dB。另外，针对自干扰抵消的残余信号与其他较弱的自干扰信号，本文还提出了一种具有高线性度射频前端的接收机。对于超高频RFID系统，该接收机能够将8dBm自干扰信号所产生的直流偏移在100μs内减小到14mV，有效改善接收机对自干扰信号的抑制能力。

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摘要

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表格目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 本文贡献

1．4 内容安排

第2章 模拟自干扰抵消技术概述

2．1 模拟自干扰抵消的原理

2．2 模拟自干扰抵消的分类

2．2．1 无源自干扰抵消技术

2．2．2 有源自干扰抵消技术

2．3 幅度和相位的影响分析

2．4 幅度失配对自干扰抵消的影响

2．4．1 相位失配对干扰抵消的影响

2．5 本章小结

第3章 超高频RFID接收机系统设计

3．1 射频接收机原理

3．1．1 射频接收机的主要性能参数

3．1．2 接收机的架构

3．2 超高频RFID接收机的系统架构与指标分析

3．2．1 超高频RFID接收机的系统架构

3．2．2 系统指标分析

3．2．3 接收机链路分析与系统仿真

3．3 本章小结

第4章 模拟自干扰抵消的设计与优化

4．1 模拟自干扰抵消架构与指标分析

4．1．1 模拟自干扰抵消的架构

4．1．2 模拟自干扰抵消的指标

4．2 电路模块设计

4．2．1 多相滤波器设计

4．2．2 有源移相器设计

4．2．3 缓冲器设计

4．2．4 增益可调功率放大器设计

4．2．5 信号强度检测器设计

4．3 仿真与优化结果

4．3．1 有源移相器的优化结果

4．3．2 模拟自干扰抵消的优化结果

4．4 本章小结

第5章 接收机关键模块的研究

5．1 高电压高效率整流器的设计

5．1．1 整流器的概述

5．1．2 MOS电荷泵整流器设计

5．1．3 仿真与测试结果

5．2 超低功耗RSSI的设计

5．2．1 亚阈值与RSSI优化分析

5．2．2 超低功耗RSSI电路设计与仿真

5．2．3 仿真与测试结果

5．3 本章小结

第6章 低功耗高线性度接收机设计

6．1 低功耗高线性度接收机前端电路设计

6．1．1 双电容交叉耦合LNA设计

6．1．2 多棚P型有源混频器设计

6．2 中频电路设计

6．2．1 信道选择低通滤波器

6．2．2 直流失调消除电路

6．2．3 可编程增益放大器

6．3 仿真与优化结果

6．3．1 双电容交叉耦合LNA的优化结果

6．3．2 高线性度接收机前端的优化结果

6．3．3 超高频RFID接收机的优化结果

6．3．4 超高频RFID接收系统的建立时间

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果