DRM-DAB接收機(jī)射頻前端頻率綜合器理論分析和芯片設(shè)計(jì).pdf

1、隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，軟件定義無(wú)線(xiàn)電SDR(Software Defined Radio，SDR)的概念應(yīng)運(yùn)而生，從而對(duì)接收機(jī)的射頻前端提出了寬頻帶、低噪聲和高線(xiàn)性度等要求。同時(shí)，隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，MOS管的特征頻率已經(jīng)超過(guò)100GHz，并且在價(jià)格、功耗和集成度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，CMOS工藝逐漸成為實(shí)現(xiàn)射頻前端電路的首選工藝。以CMOS工藝為基礎(chǔ)，實(shí)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(jī)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(lái)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(diǎn)，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(tái)服務(wù)半徑有限等缺點(diǎn)，面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此，從20世紀(jì)90年代初期

3、開(kāi)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(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因而，對(duì)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(gè)熱點(diǎn)。同時(shí)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(jī)的關(guān)鍵部分，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字廣播接收機(jī)的技

4、術(shù)瓶頸。其中的頻率綜合器作為射頻接收機(jī)的“心臟”，是射頻接收機(jī)中的關(guān)鍵部件，決定著射頻接收機(jī)的整體性能。本文對(duì)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(jìn)行了研究。根據(jù)DRM/DAB接收機(jī)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(gè)子模塊的技術(shù)指標(biāo)，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子模塊和系統(tǒng)。
　　 本文首先基于DRM/DAB接收機(jī)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(hào)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(mǎn)足DRM/DAB頻率綜合器提出的性能要求，對(duì)DRM/DAB頻率綜合器中的寬帶VCO展開(kāi)研究和設(shè)計(jì)。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(wú)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(duì)，地端與NMOS交叉耦合對(duì)之間分別插入一個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善相位噪聲。為了擴(kuò)展調(diào)諧范圍，采用4位控制字的開(kāi)關(guān)調(diào)諧電容陣列結(jié)構(gòu)(SCA)。并對(duì)此寬帶VCO的頻率調(diào)諧范圍和壓控增益進(jìn)行了理論推導(dǎo)，給出了電路設(shè)計(jì)過(guò)程中具體元器件的選擇過(guò)程。該寬帶VCO采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進(jìn)行了流片，測(cè)試結(jié)果表明其頻率調(diào)諧范圍和相位噪聲性能完全滿(mǎn)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(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。為了在保證帶寬的同時(shí)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(jì)難度，根據(jù)

8、此吞吐脈沖分頻器的工作頻率范圍特點(diǎn)，異步連接方式的吞吐脈沖計(jì)數(shù)器和可編程分頻器的基本單元采用無(wú)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(gè)部分基本單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出了電路設(shè)計(jì)的具體過(guò)程。該吞吐脈沖分頻器同樣采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進(jìn)行了流片。測(cè)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(mǎn)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(jì)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(guò)對(duì)延遲單元的優(yōu)化，克服UP和DW支路的復(fù)位延時(shí)不相同的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)對(duì)CP中的運(yùn)放的優(yōu)化來(lái)降低充、放電電流的不匹配度。PFD和CP均采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進(jìn)行流片。測(cè)試結(jié)果表明：PFD和CP基本滿(mǎn)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(duì)應(yīng)用于DRM/DAB頻率綜合器中的片外環(huán)路濾波器進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。根據(jù)DRM/DAB頻率綜合器的結(jié)構(gòu)特征和根據(jù)測(cè)試VCO、吞吐脈沖分頻器、PFD和CP的測(cè)試結(jié)果，應(yīng)用Agilent公司的Advanced Design System(ADS)優(yōu)化設(shè)計(jì)了應(yīng)用于各個(gè)頻段的環(huán)路濾波器，得到了各個(gè)波段環(huán)路濾波器的元件的具體參數(shù)，并設(shè)計(jì)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(hào)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(duì)此結(jié)構(gòu)的的工作頻率性能和相位噪聲特性進(jìn)行了理論分析。通過(guò)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(shí)間更長(zhǎng)，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(diǎn)，此結(jié)構(gòu)的SC

12、L鎖存器作為基本單元，設(shè)計(jì)了多模分頻器中的高速同步分頻器陣列。同時(shí)，根據(jù)DRM/DAB頻率綜合器系統(tǒng)對(duì)此多模分頻器的模式要求，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換電路來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，并根據(jù)第二級(jí)分頻器陣列的輸入信號(hào)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(duì)本振信號(hào)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(hào)產(chǎn)生模塊的特征，并選擇了輸出信號(hào)正交性能不受輸入信號(hào)占空比影響的同步四分頻器作為正交信號(hào)產(chǎn)生電路。

13、該多模分頻器采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進(jìn)行流片，測(cè)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(hào)的正交性完全滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
　　 最后，根據(jù)以上模塊的分析和設(shè)計(jì)，將以上各個(gè)模塊進(jìn)行集成，采用SMIC0.18μmRFCMOS工藝進(jìn)行流片，進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該頻率綜合器系統(tǒng)基本滿(mǎn)足DRM/DAB接收機(jī)指標(biāo)要求。在測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)DRM/DAB頻率綜合器整體展開(kāi)了進(jìn)一步研究和分析，給出