一種單芯片無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

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)計方法，將無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計在一塊單芯片上，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：單芯片無線電通信；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，同時因所有電路組件都在一塊芯片上，與用PCB板設(shè)計的電路相比，設(shè)計的最終產(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)生一個低頻的基帶信號，首先由一個混合器調(diào)制到適當(dāng)?shù)念l率(上轉(zhuǎn)換)，然后信號經(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，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)合在一個單芯片上，必須有一個允許天線發(fā)射和接收信號的開關(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)
    一個發(fā)射加上接收的收發(fā)器，發(fā)射機(jī)送電信號經(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，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，混頻器的設(shè)計就變得更加困難。所以，當(dāng)芯片采用調(diào)幅／調(diào)頻無線電通信時，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，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
    混頻器是一個為調(diào)制信號頻率的電路，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，兩路信號驅(qū)動混頻器，輸出的信號是兩個輸入信號相乘。當(dāng)通過混頻器時，輸入和振蕩器信號將成倍增加，并且能計算出來?；祛l器實(shí)際上是兩個信號的乘法電路，線性代數(shù)的一個簡單性質(zhì)證明，任何信號都可以用傅里葉級數(shù)描述，任何信號都是不同頻率的正弦曲線的總和。因此每個信號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，并使它們通過一個混合器，V1的形式為V1=cosω1t，V2的形式為V2=c-osω2t，對傅里葉級數(shù)來說，ω1和ω2是信號的頻率，t是時間變量。
    兩個信號的乘式為：
   
    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)計中，能將濾波器包含在混頻器中設(shè)計，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重要因素。
1．2 低噪聲放大器(LNA)
    低噪聲放大器(LNA)是一個旨在限制雜散信號的放大器，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將包含一些雜散信號，因此，降低噪聲對接收機(jī)非常重要。根據(jù)Friis公式對于噪聲的描述，接收機(jī)的全部噪聲指數(shù)由最初級所控制，因此，將低噪聲放大器放在接收部分的前級，以提高信號的抗干擾能力。采用低噪聲放大器，后面各級噪音隨著LNA的增加而減少，而LNA的噪聲直接注入到信號中。因此，當(dāng)存在少量噪聲和失真時，加入低噪聲放大器，以增強(qiáng)有用信號功率是必要的。而信號可在系統(tǒng)的后級得到恢復(fù)。為了產(chǎn)生適當(dāng)增益，可以將幾個LNA串聯(lián)起來工作。
1．3 功率放大器(PA)
    功率放大器是一個保持電信號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)計的另一關(guān)鍵部分是天線。為了使整個系統(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
2．1 接收機(jī)
    以下是一個適用于802．11a／b／g無線局域網(wǎng)的單芯片無線電接收機(jī)，它有2個波段。圖1顯示雙頻接收機(jī)詳細(xì)框圖。

    接收機(jī)有兩個差分級聯(lián)低噪聲放大器，對每一個波段，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可變增益放大器(VGA)放大。這個中頻信號進(jìn)一步混合后下至正交基帶I，Q信號，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受同基帶lC控制的6位DAC的刪除。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，該接收機(jī)具有達(dá)90 dB可編程增益，射頻和基帶信號大約各半。整體接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)對應(yīng)于5 GHz應(yīng)用模式為5．5 dB，對應(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。放大器由一對為降低噪音系數(shù)而優(yōu)化的級聯(lián)差分電路組成。它是利用一種低噪聲數(shù)字。當(dāng)一個有用的大射頻信號輸入時，該LNA轉(zhuǎn)換到低增益模式，以避免信號壓縮。增益減少是通過晶體管M2，M5作為一對電流開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，通過分流信號電流遠(yuǎn)離感性負(fù)載來實(shí)現(xiàn)降低輸出信號。增益變化的正確度取決于匹配晶體管的大小和對所有過程及溫度死角的有效控制。為了降低噪聲可用級聯(lián)裝置，在級聯(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，以避免需要一個中頻濾波器。對于圖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)過射頻可變增益級之后，每一路的射頻信號驅(qū)動芯片上的功率放大器(PA)。

    圖4是一個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)動信號來自于2階的多相濾波器，它的輸入源于一個鎖定參考頻率為1 MHz的2．4 GHz VCO。功率放大器如圖4所示，由單級集電極開路、在同一塊芯片上匹配的差分對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)計和芯片集成天線技術(shù)等，使整個無線收發(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)集成在一個單芯片中的片上系統(tǒng)(SOC)的主要課題。