基于片上系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

阮越

（浙江樹人大學(xué) 信息科技學(xué)院，浙江 杭州 310015）

基于片上系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

阮越

（浙江樹人大學(xué) 信息科技學(xué)院，浙江 杭州 310015）

為滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙技術(shù)與無限局域網(wǎng)（WLAN）等領(lǐng)域中無線收發(fā)系統(tǒng)低功耗、小型一體化、低成本和高可靠性的技術(shù)要求，提出了片上系統(tǒng)（SoC）的設(shè)計(jì)思路，采用在單芯片上設(shè)計(jì)無線收發(fā)系統(tǒng)，使其最小化和一體化。給出了單芯片無線電的基本結(jié)構(gòu)及電路實(shí)現(xiàn)的混頻器、低噪音放大器和功率放大器等部分的解決方案。

片上系統(tǒng)；收發(fā)器；單芯片無線電；低噪聲放大器；功率放大器

基于片上系統(tǒng)的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?，F(xiàn)代深亞微米CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展使得單芯片無線電的實(shí)現(xiàn)成為可能。基于片上系統(tǒng)（SoC）的單芯片無線收發(fā)系統(tǒng)具有體積小、低功耗、低成本等特點(diǎn)，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。同時(shí)，由于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。

1 收發(fā)器的結(jié)構(gòu)組成

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)。結(jié)構(gòu)簡單的單芯片無線電收發(fā)機(jī)的示意圖如圖1所示。圖中，信號(hào)發(fā)射部分將邏輯電路產(chǎn)生的一個(gè)低頻基帶信號(hào)經(jīng)由一個(gè)混頻器調(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)后由天線發(fā)射出去。

而對(duì)于接收模塊，當(dāng)天線接收到信號(hào)后，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)，并且要在隔離技術(shù)，以確保獨(dú)立的電路不互相干擾[1-2]。

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，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，如在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方法。直接轉(zhuǎn)換又被稱為零中頻調(diào)制，之所以采用直接轉(zhuǎn)換，是因?yàn)檫@種方法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)芯片是采用調(diào)幅/調(diào)頻無線電通信時(shí)，應(yīng)該利用直接轉(zhuǎn)換方案；當(dāng)發(fā)射機(jī)被用于GSM或WLAN的解決方案時(shí)，應(yīng)采用連續(xù)的上變頻，以達(dá)到正確的頻率，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性[3-4]。

1.1 混頻器

混頻器為一個(gè)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，因此混頻器實(shí)際上是兩個(gè)信號(hào)的乘法電路，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。線性代數(shù)的一個(gè)簡單性質(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。例如，輸入V1和V2，并使它們通過一個(gè)混合器，V1的形式為V1=cos（w1t），V2的形式為V2=cos（w2t），對(duì)傅里葉級(jí)數(shù)來說，w1和 w2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[5]。

1.2 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，被用于發(fā)射機(jī)部分，并放在天線的附近。信號(hào)經(jīng)過功率放大器被送到天線，然后再被發(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，這取決于無線電信號(hào)發(fā)送的范圍。

本文以一個(gè)單芯片的CMOS收發(fā)系統(tǒng)為例，其收發(fā)器有兩頻段：2.4 GHz和5 GHz，采用802.11a/b/g無線局域網(wǎng)。

1.3 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的噪聲直接注入收到的信號(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[6]。

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上使用片上天線代替分布式天線。常用的方法有：在高阻硅襯底上制造 95×103MHz的 IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線；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 90×103～802×103MHz的微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）[7-8]。

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 0.5～2 μm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。

因此，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[9]。

2 收發(fā)器電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射機(jī)

雙波段發(fā)射機(jī)的方框圖如圖3所示。

其中，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還是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)過射頻可變增益級(jí)之后，每一路的射頻信號(hào)都驅(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。由于這種調(diào)制解調(diào)器采用直接轉(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。功率放大器也如圖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)差分對(duì)導(dǎo)納的控制來完成分8步實(shí)現(xiàn)30 dB的功率控制[10]。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。

2.2 接收機(jī)

圖5是一個(gè)適用于802.11a/b/g無線局域網(wǎng)的單芯片無線雙頻接收機(jī)框圖[5]。

圖5所示的雙頻接收機(jī)中有兩個(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耗。在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(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?；鶐V波器中的直流偏移量被兩對(duì)受同基帶IC控制的6位DAC刪除。該接收機(jī)具有可達(dá)90 dB可編程增益，射頻和基帶信號(hào)大約各占1/2。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。

低嗓聲放大器（LNA）是接收機(jī)印板中最重要的裝置之一，LNA的質(zhì)量對(duì)接收器的參數(shù)有相當(dāng)大的影響。圖6是用于雙頻接收機(jī)中的5 GHz低噪聲放大器示意圖。

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。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和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很好控制。為了降低噪聲，可以使用級(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，無需一個(gè)平衡器[6]。

目前產(chǎn)品中的大多數(shù)單片無線電通信裝置的處理能力有限，主要是受到尺寸和隔離的限制。當(dāng)前用到的單芯片無線電通信最復(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。其適合單晶片設(shè)計(jì)是因?yàn)槠溥\(yùn)行在低功耗狀態(tài)且需處理的地方有限。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)也使基于片上系統(tǒng)（SoC）的單芯片無線收發(fā)系統(tǒng)有了極大的空間。如何開發(fā)更好的分離技術(shù)，克服電磁干擾等問題，仍是如何將收發(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，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。

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A single chip radio transceiver system design

Ruan Yue

（Information Science& Technology College，Zhejiang Shuren University，Hangzhou 310015，China）

A system-on-chip（SoC）design methodology is suggested in order to satisfy the technical requirements of low power consumption，low cost，integration and high reliability in wireless transceiver system such as WSN，Bluetooth，WLAN and so on.Integrate the whole wireless transceiver system into one single chip can greatly minimize its size.This paper presents the basic structure in single chip radio system and several components in circuit implementation，such as mixer，low noise amplifier，power amplifier.

SoC；transceiver；single chip radio；low noise amplifier；power amplifier

TN92

A

1674-7720（2011）03-0042-04

book=45,ebook=170

2010-10-13）

阮越，男，1984年生，碩士，助教，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。