DRM-DAB接收機射頻前端頻率綜合器理論分析和芯片設(shè)計.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，軟件定義無線電SDR(Software Defined Radio，SDR)的概念應(yīng)運而生，從而對接收機的射頻前端提出了寬頻帶、低噪聲和高線性度等要求。同時，隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，MOS管的特征頻率已經(jīng)超過100GHz，并且在價格、功耗和集成度方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，CMOS工藝逐漸成為實現(xiàn)射頻前端電路的首選工藝。以CMOS工藝為基礎(chǔ)，實現(xiàn)全集成、多波段、多模式、靈巧服務(wù)以及與傳統(tǒng)模式的互操作單

2、片射頻接收機系統(tǒng)已經(jīng)成為可能。
　　 另一方面，誕生于20世紀(jì)20年代的廣播一直以來都是人們生活不可或缺的部分。但是，兩種傳統(tǒng)的廣播調(diào)制方式：模擬調(diào)幅(Amplitude Modulation，AM)和調(diào)頻(Frequency Modulation，F(xiàn)M)，由于固有的缺點，如AM廣播存在著傳輸質(zhì)量差、業(yè)務(wù)單一和易被干擾等固有缺陷，F(xiàn)M廣播存在占用頻譜寬、電臺服務(wù)半徑有限等缺點，面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此，從20世紀(jì)90年代初期

3、開始，人們就致力于研究用數(shù)字廣播代替模擬廣播這一重大課題?，F(xiàn)在已經(jīng)明確，數(shù)字廣播是未來發(fā)展的必然趨勢。因而，對兼容數(shù)字和模擬廣播接收和發(fā)射系統(tǒng)的研究成為一個熱點。同時最有發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)一—全球數(shù)字廣播(Digital Radio Mondiale，DRM)和數(shù)字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting, DAB）得到了人們的普遍關(guān)注。
　　 射頻前端作為接收機的關(guān)鍵部分，是實現(xiàn)數(shù)字廣播接收機的技

4、術(shù)瓶頸。其中的頻率綜合器作為射頻接收機的“心臟”，是射頻接收機中的關(guān)鍵部件，決定著射頻接收機的整體性能。本文對應(yīng)用于兼容數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)(DRM和DAB)和模擬廣播標(biāo)準(zhǔn)(AM和FM)的射頻前端芯片中的頻率綜合器進行了研究。根據(jù)DRM/DAB接收機射頻前端系統(tǒng)規(guī)劃和DRM和DAB標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)出DRM/DAB頻率綜合器的系統(tǒng)指標(biāo)和各個子模塊的技術(shù)指標(biāo)，然后根據(jù)對應(yīng)指標(biāo)設(shè)計實現(xiàn)了各個子模塊和系統(tǒng)。
　　 本文首先基于DRM/DAB接收機射頻

5、前端系統(tǒng)規(guī)劃和DRM和DAB標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)頻率范圍要求、頻率間隔、本振信號的正交性、靈敏度和鄰近信道抑制的要求，推導(dǎo)出DRM/DAB頻率綜合器的系統(tǒng)指標(biāo)以及子模塊壓控振蕩器(voltage-controlled oscillator, VCO)、吞吐脈沖分頻器和多模分頻器的的技術(shù)指標(biāo)。
　　 為了滿足DRM/DAB頻率綜合器提出的性能要求，對DRM/DAB頻率綜合器中的寬帶VCO展開研究和設(shè)計。從相位噪聲性能出發(fā)，首先確定了該寬帶V

6、CO的基本結(jié)構(gòu)為帶有無尾電源的差分負(fù)阻結(jié)構(gòu)的LC-VCO，并采用在電源與PMOS交叉耦合對，地端與NMOS交叉耦合對之間分別插入一個LC濾波網(wǎng)絡(luò)來改善相位噪聲。為了擴展調(diào)諧范圍，采用4位控制字的開關(guān)調(diào)諧電容陣列結(jié)構(gòu)(SCA)。并對此寬帶VCO的頻率調(diào)諧范圍和壓控增益進行了理論推導(dǎo)，給出了電路設(shè)計過程中具體元器件的選擇過程。該寬帶VCO采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進行了流片，測試結(jié)果表明其頻率調(diào)諧范圍和相位噪聲性能完全滿足系統(tǒng)

7、要求，并具有低功耗的特征。
　　 根據(jù)DRM/DAB頻率綜合器系統(tǒng)要求，為了獲得寬帶、速度、功耗和相位噪聲等方面的高性能，首先吞吐脈沖分頻器的關(guān)鍵模塊32/33雙模分頻器進行了研究設(shè)計。為了在保證帶寬的同時獲得好的相位噪聲性能和低功耗，該32/33雙模分頻器中的同步4/5分頻器采用集成“或”邏輯的SCL觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，異步8分頻器采用了TSPC和靜態(tài)CMOS兩種DFF結(jié)構(gòu)，并給出了此雙模分頻器的帶寬的理論分析。為了降低設(shè)計難度，根據(jù)

8、此吞吐脈沖分頻器的工作頻率范圍特點，異步連接方式的吞吐脈沖計數(shù)器和可編程分頻器的基本單元采用無靜態(tài)功耗的、噪聲性能良好的可置位和復(fù)位CMOS靜態(tài)觸發(fā)器。在選定各個部分基本單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出了電路設(shè)計的具體過程。該吞吐脈沖分頻器同樣采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進行了流片。測試結(jié)果表明：此吞吐脈沖分頻器的具有寬帶、高速、低相位噪聲和低功耗的性能，完全滿足DRM/DAB頻率綜合器的要求。
　　 基于DRM/DAB頻率綜

9、合器系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)和吞吐脈沖分頻器的結(jié)構(gòu)特征，推導(dǎo)出了應(yīng)用于DRM/DAB頻率綜合器的PFD的技術(shù)指標(biāo)。并根據(jù)此技術(shù)指標(biāo)和已有的成熟的技術(shù)設(shè)計了此PFD和電荷泵CP。其中PFD的采用邊沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)，通過對延遲單元的優(yōu)化，克服UP和DW支路的復(fù)位延時不相同的問題，同時通過對CP中的運放的優(yōu)化來降低充、放電電流的不匹配度。PFD和CP均采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進行流片。測試結(jié)果表明：PFD和CP基本滿足系統(tǒng)要求。
　

10、　 在保證DRM/DAB頻率綜合器穩(wěn)定性的前提下，對應(yīng)用于DRM/DAB頻率綜合器中的片外環(huán)路濾波器進行了研究和設(shè)計。根據(jù)DRM/DAB頻率綜合器的結(jié)構(gòu)特征和根據(jù)測試VCO、吞吐脈沖分頻器、PFD和CP的測試結(jié)果，應(yīng)用Agilent公司的Advanced Design System(ADS)優(yōu)化設(shè)計了應(yīng)用于各個頻段的環(huán)路濾波器，得到了各個波段環(huán)路濾波器的元件的具體參數(shù)，并設(shè)計了相應(yīng)的PCB。
　　 根據(jù)DRM/DAB頻率綜合器

11、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征和要求，首先確定了多模分頻器的模塊結(jié)構(gòu)。為了使本振信號具有良好的相位噪聲性能，首先提出了一種一種新型的SCL鎖存器結(jié)構(gòu)，并對此結(jié)構(gòu)的的工作頻率性能和相位噪聲特性進行了理論分析。通過理論分析，發(fā)現(xiàn)這種電路結(jié)構(gòu)的SCL鎖存器的電路結(jié)構(gòu)與Behzad Razavi結(jié)構(gòu)相比，其采樣速度是相同的，保持時間更長，即以此結(jié)構(gòu)為基本單元的分頻器有更大的帶寬。與傳統(tǒng)帶尾電源管的SCL結(jié)構(gòu)相比，具有更好的相位噪聲性能?；谌缟蟽?yōu)點，此結(jié)構(gòu)的SC

12、L鎖存器作為基本單元，設(shè)計了多模分頻器中的高速同步分頻器陣列。同時，根據(jù)DRM/DAB頻率綜合器系統(tǒng)對此多模分頻器的模式要求，設(shè)計了對應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換電路來滿足系統(tǒng)的要求，并根據(jù)第二級分頻器陣列的輸入信號的頻率特性選擇了其基本單元的結(jié)構(gòu)為靜態(tài)CMOS觸發(fā)器。此外，還根據(jù)系統(tǒng)對本振信號正交性的要求，首先從理論上比較了二分頻器和四分頻器作為正交信號產(chǎn)生模塊的特征，并選擇了輸出信號正交性能不受輸入信號占空比影響的同步四分頻器作為正交信號產(chǎn)生電路。

13、該多模分頻器采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進行流片，測試結(jié)果表明：此多模分頻器具有低相位噪聲的特征，其輸出的四路正交信號的正交性完全滿足系統(tǒng)要求。
　　 最后，根據(jù)以上模塊的分析和設(shè)計，將以上各個模塊進行集成，采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進行流片，進行了測試，測試結(jié)果表明，該頻率綜合器系統(tǒng)基本滿足DRM/DAB接收機指標(biāo)要求。在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過對DRM/DAB頻率綜合器整體展開了進一步研究和分析，給出