一種單芯片無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了使無線收發(fā)系統(tǒng)能方便地應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙技術(shù)與無限局域網(wǎng)(WLAN)等領(lǐng)域，采用了片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一塊單芯片上，使其最小化。給出了單芯片無線電的基本結(jié)構(gòu)及電路實(shí)現(xiàn)的若干組成部分(混頻器，低噪音放大器，功率放大器等)的解決方案。電路具有體積小，低功耗，成本低，可靠性高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)涡酒瑹o線電通信；低噪聲放大器；收發(fā)器；WLAN

0 引言
    單芯片無線電通信系統(tǒng)是將發(fā)射機(jī)、接收器、放大器、電源管理組件以及其他一些基帶邏輯電路綜合成一個(gè)單一芯片的單晶片裝置，單芯片無線電的實(shí)現(xiàn)是由于深亞微米CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展。由于它體積小，低功耗，可以很方便地嵌入到非常小的或者是便攜式的電子產(chǎn)品中。又由于使用了CMOS技術(shù)，使其成本低，同時(shí)因所有電路組件都在一塊芯片上，與用PCB板設(shè)計(jì)的電路相比，設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品有更高的可靠性。
    在單芯片無線電通信中最重要的組成部分是發(fā)射和接收，被稱為短收發(fā)。在發(fā)射方，由邏輯電路產(chǎn)生一個(gè)低頻的基帶信號(hào)，首先由一個(gè)混合器調(diào)制到適當(dāng)?shù)念l率(上轉(zhuǎn)換)，然后信號(hào)經(jīng)功率放大器(PAS)增強(qiáng)后由天線輻射出去。
    在接收方，天線接收到信號(hào)，通過低噪聲放大器(LNAs)，最后被混頻器調(diào)制，這次是降低信號(hào)的頻率，稱為下轉(zhuǎn)換。將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)雙方結(jié)合在一個(gè)單芯片上，必須有一個(gè)允許天線發(fā)射和接收信號(hào)的開關(guān)，并且要落實(shí)隔離技術(shù)，以確保獨(dú)立的電路不互相干擾。

1 收發(fā)器的結(jié)構(gòu)
    一個(gè)發(fā)射加上接收的收發(fā)器，發(fā)射機(jī)送電信號(hào)經(jīng)天線進(jìn)入大氣層，如果想得到非常高的頻率，比如大于1 GHz時(shí)，發(fā)射機(jī)將采用連續(xù)的上變頻來達(dá)到正確的頻率。但是，如果所需的頻率很低，例如100 MHz以下，那么發(fā)射機(jī)往往用一個(gè)直接轉(zhuǎn)換方法，或是單上變頻。
直接轉(zhuǎn)換，又被稱為零中頻調(diào)制。在設(shè)計(jì)中采用直接轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于這種方法能提供更好的噪聲特性，使發(fā)射機(jī)不再需要大體積的濾波器，否則它將占去單芯片過大的體積。但如果基帶和載波頻率不同量級(jí)，混頻器的設(shè)計(jì)就變得更加困難。所以，當(dāng)芯片采用調(diào)幅／調(diào)頻無線電通信時(shí)，應(yīng)該采用直接轉(zhuǎn)換方案；當(dāng)它被用于GSM或WLAN的解決方案時(shí)，將用連續(xù)的上變頻，以達(dá)到正確的頻率，這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
1．1 混頻器
    混頻器是一個(gè)為調(diào)制信號(hào)頻率的電路，在無線電應(yīng)用中，混頻器在基帶頻率和載波頻率之間轉(zhuǎn)換電信號(hào)，兩路信號(hào)驅(qū)動(dòng)混頻器，輸出的信號(hào)是兩個(gè)輸入信號(hào)相乘。當(dāng)通過混頻器時(shí)，輸入和振蕩器信號(hào)將成倍增加，并且能計(jì)算出來?；祛l器實(shí)際上是兩個(gè)信號(hào)的乘法電路，線性代數(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單性質(zhì)證明，任何信號(hào)都可以用傅里葉級(jí)數(shù)描述，任何信號(hào)都是不同頻率的正弦曲線的總和。因此每個(gè)信號(hào)可以用正弦曲線表示，這是數(shù)學(xué)三角函數(shù)特性引起的頻率的加和減。比如，輸入V1和V2，并使它們通過一個(gè)混合器，V1的形式為V1=cosω1t，V2的形式為V2=c-osω2t，對(duì)傅里葉級(jí)數(shù)來說，ω1和ω2是信號(hào)的頻率，t是時(shí)間變量。
    兩個(gè)信號(hào)的乘式為：
   
    因此，其輸出頻率是由輸入頻率的相加和相減兩個(gè)部分組成。在實(shí)踐中，濾波是用來去除不想要的正弦頻率分量。在先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)中，能將濾波器包含在混頻器中設(shè)計(jì)，從而避免大體積的濾波器，這是單芯片無線電通信考慮的一個(gè)重要因素。
1．2 低噪聲放大器(LNA)
    低噪聲放大器(LNA)是一個(gè)旨在限制雜散信號(hào)的放大器，它常用在無線電收發(fā)機(jī)的接收部分，并且非?？拷炀€。在大多數(shù)情況下，接收機(jī)天線接收到的微弱的射頻信號(hào)將包含一些雜散信號(hào)，因此，降低噪聲對(duì)接收機(jī)非常重要。根據(jù)Friis公式對(duì)于噪聲的描述，接收機(jī)的全部噪聲指數(shù)由最初級(jí)所控制，因此，將低噪聲放大器放在接收部分的前級(jí)，以提高信號(hào)的抗干擾能力。采用低噪聲放大器，后面各級(jí)噪音隨著LNA的增加而減少，而LNA的噪聲直接注入到信號(hào)中。因此，當(dāng)存在少量噪聲和失真時(shí)，加入低噪聲放大器，以增強(qiáng)有用信號(hào)功率是必要的。而信號(hào)可在系統(tǒng)的后級(jí)得到恢復(fù)。為了產(chǎn)生適當(dāng)增益，可以將幾個(gè)LNA串聯(lián)起來工作。
1．3 功率放大器(PA)
    功率放大器是一個(gè)保持電信號(hào)波形不失真情況下增加其功率的電路。功率放大器被用于發(fā)射機(jī)部分，并放在天線的附近。信號(hào)經(jīng)過功率放大器送到天線，發(fā)送到外界環(huán)境中，由另一個(gè)無線電接收裝置接收。功率放大器也可串聯(lián)，以產(chǎn)生與1 W相似的所需功率，它們?nèi)Q于無線電信號(hào)發(fā)送的范圍。[!--empirenews.page--]
1．4 天線
    單芯片無線收發(fā)裝置設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵部分是天線。為了使整個(gè)系統(tǒng)規(guī)模較小，許多現(xiàn)代的單芯片無線解決方案使用片上天線代替分布式天線。在半導(dǎo)體基板上的天線制作是在高阻硅襯底上制造95 GHz的IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線，和在砷化鎵基板上制造43．3 GHz IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線。高阻硅襯底也被用來制造基于天線操作范圍在90～802 GHz的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。
    除了襯底兼容性以外，要降低成本，天線必須利用主流硅技術(shù)上的導(dǎo)體和絕緣層制作。目前，金屬層可以是8～9層，厚度介于0．5～2μm之間。導(dǎo)體可以采用鋁或銅，該絕緣層分離導(dǎo)體是由于二氧化硅厚度介于0．5～1 μm之間的變化引起。芯片天線可以用來在集成電路內(nèi)部以及外部自由空間通信，信號(hào)的傳播是在傳播介質(zhì)中以光速傳播，但在無線互連網(wǎng)中使用的芯片天線不需要光學(xué)元件，因?yàn)槠潆y于集成。
2 電路設(shè)計(jì)
2．1 接收機(jī)
    以下是一個(gè)適用于802．11a／b／g無線局域網(wǎng)的單芯片無線電接收機(jī)，它有2個(gè)波段。圖1顯示雙頻接收機(jī)詳細(xì)框圖。

    接收機(jī)有兩個(gè)差分級(jí)聯(lián)低噪聲放大器，對(duì)每一個(gè)波段，提供必要的前端增益和降低噪聲。不用的LNA始終關(guān)掉，以減少目前的整體消費(fèi)。2．4 GHz和5 GHz內(nèi)的射頻信號(hào)在下轉(zhuǎn)換為共同的中頻(如大約為1．7 GHz)之前被相應(yīng)的噪聲放大器和RF可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)放大。這個(gè)中頻信號(hào)進(jìn)一步混合后下至正交基帶I，Q信號(hào)，稱LO2。信道濾波器選擇用于芯片基帶的gm-C濾波器。在基帶濾波器中的直流偏移量被兩對(duì)受同基帶lC控制的6位DAC的刪除。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，該接收機(jī)具有達(dá)90 dB可編程增益，射頻和基帶信號(hào)大約各半。整體接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)對(duì)應(yīng)于5 GHz應(yīng)用模式為5．5 dB，對(duì)應(yīng)于2．4 GHz應(yīng)用模式為4．5 dB。
    在接收機(jī)印板中最重要的裝置之一是低噪音放大器(LNA)。LNA的質(zhì)量對(duì)接收器的參數(shù)有相當(dāng)大的影響。圖2給出了用于雙頻接收機(jī)中的5 GHz LNA。

    圖2是改進(jìn)壓縮和共模抑制的5 GHz的LNA示意圖。放大器由一對(duì)為降低噪音系數(shù)而優(yōu)化的級(jí)聯(lián)差分電路組成。它是利用一種低噪聲數(shù)字。當(dāng)一個(gè)有用的大射頻信號(hào)輸入時(shí)，該LNA轉(zhuǎn)換到低增益模式，以避免信號(hào)壓縮。增益減少是通過晶體管M2，M5作為一對(duì)電流開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，通過分流信號(hào)電流遠(yuǎn)離感性負(fù)載來實(shí)現(xiàn)降低輸出信號(hào)。增益變化的正確度取決于匹配晶體管的大小和對(duì)所有過程及溫度死角的有效控制。為了降低噪聲可用級(jí)聯(lián)裝置，在級(jí)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的寄生電容通過電感L3和L4濾出。電感L5通過濾去差分M7和M8尾部節(jié)點(diǎn)的寄生電容來提高低噪聲放大器(LNA)的共模抑制比。增加在尾節(jié)點(diǎn)的共模阻抗以提高共模抑制，從而允許LNA使用單端射頻輸入，無需添加平衡器。[!--empirenews.page--]
2．2 發(fā)射機(jī)
    圖3顯示了雙波段發(fā)射機(jī)的方框圖。正交基帶I，Q信號(hào)由同一數(shù)字芯片中的DACs產(chǎn)生，以電流輸入方式送發(fā)射機(jī)。輸入信號(hào)先被可重構(gòu)濾波器濾波，然后混合到1．7 GHz的中頻。由此，無論發(fā)射機(jī)運(yùn)行在2．4 GHz或5 GHz的模式，中頻信號(hào)都被LOF或LO2上轉(zhuǎn)換。發(fā)射機(jī)采用鏡像抑制混頻，以避免需要一個(gè)中頻濾波器。對(duì)于圖3中的混頻器正交分量LO2和LOF是直接由合成器提供，而正交分量LO1為了產(chǎn)生射頻混頻局部采用RC-CR濾波器。在經(jīng)過射頻可變?cè)鲆婕?jí)之后，每一路的射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片上的功率放大器(PA)。

    圖4是一個(gè)上變頻混頻器和功率放大器(PA)的電路圖，用于藍(lán)牙技術(shù)的單片無線調(diào)制解調(diào)器。這種調(diào)制解調(diào)器采用了直接轉(zhuǎn)換，所以在收發(fā)中不必使用中頻帶。

    重構(gòu)的基帶信號(hào)由電阻衰減Gilbert型混頻器完成，上變頻以及電阻負(fù)載如圖4所示。I-Q LO驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自于2階的多相濾波器，它的輸入源于一個(gè)鎖定參考頻率為1 MHz的2．4 GHz VCO。功率放大器如圖4所示，由單級(jí)集電極開路、在同一塊芯片上匹配的差分對(duì)和為得到最大功率傳送的不平衡變壓器組成。通過數(shù)控尾電流源對(duì)差分與導(dǎo)納的控制來完成，分8步實(shí)現(xiàn)30 dB的功率控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，這種功率放大器能夠在50 Ω負(fù)荷下傳送+3 dBm的連調(diào)，而消耗為9 mA。

3 結(jié)語
    單片無線電通信裝置由于受到尺寸和隔離限制，其處理能力有限。其最復(fù)雜的裝置是應(yīng)用于WLAN的無線藍(lán)芽調(diào)制解調(diào)器和收發(fā)器，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)行在低功耗狀態(tài)且需處理的地方有限。而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信、低耗能、體積小等特點(diǎn)也使單芯片無線收發(fā)系統(tǒng)有了極大的空間。單芯片無線收發(fā)系統(tǒng)由于采用了深亞微米CMOS技術(shù)、低噪音放大電路設(shè)計(jì)和芯片集成天線技術(shù)等，使整個(gè)無線收發(fā)系統(tǒng)具有低能耗、低成本、體積小、可靠性高的特點(diǎn)。但由于接收和發(fā)送系統(tǒng)都集成在一塊芯片上，如何開發(fā)更好的分離技術(shù)，克服電磁干擾等問題，仍是將收發(fā)模塊、中頻模塊、基帶信號(hào)處理模塊和電源管理與控制模塊等所有連同天線和開關(guān)集成在一個(gè)單芯片中的片上系統(tǒng)(SOC)的主要課題。