一種基于OFDM的新型低功耗RF收發(fā)器設計*

徐 進，帥立國

（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院SOC研發(fā)中心，江蘇蘇州215009；2.東南大學機械工程學院，南京210096）

一種基于OFDM的新型低功耗RF收發(fā)器設計*

徐 進1，2，帥立國2*

（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院SOC研發(fā)中心，江蘇蘇州215009；2.東南大學機械工程學院，南京210096）

為實現(xiàn)低功耗信號傳輸，提出一種基于正交頻分復用（OFDM）的IEEE 802.15.4g低功耗無線電頻率（RF）收發(fā)器。該新型RF收發(fā)器電路由發(fā)射機（Tx）基帶模擬（BBA）、片上RF開關前端、接收機（Rx）BBA及鎖相環(huán)（PLL）構成，采用0.18μm CMOS技術制作，滿足了IEEE 802.15.4g OFDM系統(tǒng)低功耗信號傳輸?shù)男枰嶋H測試結果顯示，相比傳統(tǒng)的RF收發(fā)器，在保持靈敏度和誤包率均不降低的條件下，提出的RF收發(fā)器具有更低的功耗，當電源電壓為1.8 V時，Tx模式下功耗為26.46 mW，Rx模式下功耗為28.26 mW。

IEEE 802.15.4g；RF收發(fā)器；OFDM；低功耗

目前，基于無線電頻率（RF）的網(wǎng)絡系統(tǒng)在計量系統(tǒng)領域擁有巨大的市場潛力［1-2］，可以提高服務效率并降低成本。IEEE 802.15.4g網(wǎng)絡是解決基于RF網(wǎng)狀網(wǎng)絡問題的辦法之一，但其本身存在許多缺陷，包括通信范圍有限、數(shù)據(jù)速率低、可靠性低及陰影區(qū)問題［3］。

為解決以上問題，龐娜［4］等人提出一種AODV混合Zigbee網(wǎng)絡，通過在路由層進行設計來提高傳輸速率和較低功耗。文獻［5］使用相位斜率碼集合恢復信號，來實現(xiàn)IEEE 802.15.4g接收器，解調(diào)方法簡單，能耗較低。但是以上研究均是從算法實現(xiàn)角度來解決能耗問題，很少涉及硬件方面。文獻［6］提出了基于OFDM IEEE 802.15.4g系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在幾百米的范圍內(nèi)，以800 kbit/s的數(shù)據(jù)速率進行通訊，并保證可靠性，十分適合應用于遠程水電數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)同樣能夠用于PC外圍設備、個人醫(yī)療保健、萬能遙控器及家居控制［7-8］，具有較高的推廣價值。

此類基于OFDM IEEE 802.15.4g的系統(tǒng)需要2種條件：采用移頻鍵控（FSK）且?guī)в袠O低DC電源的低數(shù)據(jù)速率和使用正交頻分多址（OFDM）的高數(shù)據(jù)速率［9］，即在滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，要求實現(xiàn)較低的傳輸能耗。為了降低數(shù)據(jù)傳輸功耗，提出了一種OFDM的IEEE 802.15.4g的低功耗RF收發(fā)器，可以應用于IEEE 802.15.4g OFDM系統(tǒng)，該收發(fā)器是使用0.18μm CMOS技術實現(xiàn)的。整體電路包括片上RF開關前端、Tx BBA（基帶模擬）、Rx BBA及PLL。在保持靈敏度和誤包率均不降低的條件下，提出的RF收發(fā)器具有更低的功耗。

1 提出的RF收發(fā)器設計原理

為了減少載波泄露，應采用低通濾波器（LPF）和可變增益放大器（VGA）等Tx基帶電路?？紤]到基于OFDM的發(fā)送器上的峰均功率比要求為10 dB，從1 dB輸出壓縮點開始，所有RF及模擬電路應在補償為+10 dB的情況下運行。

圖1是本文提出的基于OFDM的低功耗RF收發(fā)器的電路原理圖。當接收器最大能容納-20 dBm的輸入時，低噪聲放大器（LNA）應首先在低增益模式下運行，以便使接收器輸出處于不飽和狀態(tài)。本文提出的RF收發(fā)器采用了零中頻結構來實現(xiàn)高集成。該收發(fā)器包括帶有片上T/Rx開關的RF前端、同相正交（IQ）變頻混頻器、Tx及Rx鏈的IQ基帶模擬模塊（VGA及LPF）以及PLL模塊。考慮到表1和表2列舉了目標設計規(guī)格，對收發(fā)器中的所有電路模塊進行了設計。

圖1 提出的CMOS RF收發(fā)器電路原理圖

2 RF前端設計

圖2是本文提出的RF前端的設計電路圖，包括數(shù)模（DA）及LNA，該設計允許DA及LNA在不會降低各自性能或可靠性的前提下共享通向天線及外部匹配網(wǎng)絡（M/N）的共光路。

圖2 提出的RF前端的電路圖

圖2中，由于T/Rx開關僅位于LNA的輸入端，能夠在沒有損失的情況下將DA的輸出功率傳遞到天線，并產(chǎn)生極少的DC功率損耗。在傳輸模式下，開關SW0關閉，開關SW1開啟，盡管LNA無法工作，外部的M/N用于DA的輸出功率匹配電路。在接收模式下，DA無法工作，開關SW0開啟，開關SW1關閉。該模式下，直接將LNA的輸入耦合到M/N，目前M/N用于LNA的輸入匹配電路。在工作頻率為920 MHz的情況下，由SW0造成的損失低于1.1 dB，并且不會嚴重影響接收器的靈敏度。盡管圖2中的LNA存在單端輸入以便與DA共享外部M/N，LNA能夠提供微分輸出以驅動下面的雙平衡混頻器。本文提出的LNA提供了30 dB的高壓增益和10 dB的低壓增益用以容納-105 dBm～-20 dBm范圍內(nèi)的RF輸入信號。

在接收器中，由于從5.208 kHz開始全是下變頻基帶信號，混頻器對閃爍噪聲的貢獻十分關鍵。作為電流驅動的無源混頻器，實現(xiàn)了圖2的IQ下變頻混頻器，其中零中頻接收器沒有或只有少數(shù)閃爍噪聲，相較于有源混頻器，同樣提供更高的線性度及更小的芯片面積。

3 LPF和PLL設計

為了實現(xiàn)高線性度，本文提出的收發(fā)器中的低通濾波器（LPF）采用了有源RC拓撲，該拓撲比Gm-C LPF等其它LPF類型更平直。圖3是本文提出發(fā)送器及接收器的有源RC 5級切比雪夫LPF的方框圖，該LPF能夠提供100 kHz/200 kHz/400 kHz/600 kHz的多信道帶寬用以支持所有選項以及阻帶中的高衰減量。在本文提出的LPF中，1/(Rs?C1-5)產(chǎn)生了1-dB的截止帶寬，并由抗PVT（過程、電壓及溫度）的干擾性能強的數(shù)控電容器C1-5進行控制。將LPF中采用的運算放大器設計成帶有大輸出裝置用以抑制DC頻率附近的閃爍噪聲。

圖3 本文提出的LPF的電路圖

為了在圖2中的接收器鏈實現(xiàn)100 dB的總電壓增益，LNA的電壓增益為30 dB，并且基帶模擬模塊（LPF及VGA）為1 dB的階梯提供了70 dB的電壓增益。由于DC偏移能夠讓整個基帶電路處于飽和狀態(tài)，為了緩解該問題，分別在I及Q基帶電路中采用了DC偏移抵消環(huán)。模擬結果顯示，由于輸入DC偏移達400 mV，可以默許模擬基帶輸出。

圖4是Δ-Σ小數(shù)-N頻率合成器的電路原理圖。其使用了24 MHz的參考時鐘，其中互補微分壓控振蕩器（VCO）兩次運行1.4～2 GHz的LO頻率。一比二分頻電路將微分VCO輸出信號轉換成圖2中上下變頻混頻器的IQ 920 MHz的LO信號。本文提出的PLL同樣采用3級3比特的輸出Σ-Δ調(diào)制器用以提高接近相位噪聲并使分辨率達到91.55Hz。

圖4 PLL的電路原理圖

對于發(fā)送器中的IQ調(diào)制及頻率上變頻，使用了正交電壓采樣無源混頻器，這樣線性度高且發(fā)送器上不存在LO。

考慮到線性度及功率效率的因素，我們將2級DA設計帶有單端拓撲，并包括A類及AB類放大器。A類放大器作為AB類放大器的高電壓擺幅提供適度增益及高線性度。第2階段的放大器是共源共柵的AB類放大器用以實現(xiàn)高效率及高線性度，如圖5所示。在本文提出的AB類放大器中，放大晶體管分成二進法裝置，通過b0～b4的厚氧化物共源共柵晶體管開關可以開啟或關閉該裝置。因此，整體DA的DC功率損耗與DA的輸出功率水平呈正比。整體DA的可變輸出功率的范圍為-10 dBm～+10 dBm，并且，當電源電壓為1.8 V時，相應的DC功率損耗的范圍為8.1 mW～24.3 mW。

圖5 可擴展AB類放大器的電路圖

4 實驗結果與分析

如圖6所示，在0.18μm CMOS技術中組裝了本文提出的RF收發(fā)器原型。圖6中，芯片面積為2.8 mm× 3.0 mm。當電源電壓為1.8 V時，Tx模式下，組裝的RF收發(fā)器會消耗14.7 mA，Rx模式下會消耗15.7 mA。

圖7為發(fā)送輸出頻譜，其調(diào)制方式為QPSK，數(shù)據(jù)速率為800 kbit/s?？紤]到發(fā)送器中的峰均功率比為+10 dB，測量的平均信道功率為-2.7 dBm（包括電纜損耗），在測試Tx誤差向量幅度（EVM）中，由QPSK調(diào)制的正交基帶信號用于發(fā)送器輸出，該信號由向量信號發(fā)生器（VSG）發(fā)出。如圖8所示，當信道功率為+3 dBm時，測量的Tx EVM大約為13%（-17.7 dB）；信道功率為-2 dBm時，EVM為-20 dB。圖9是接收器輸出基帶頻譜圖，其中帶寬為600 kHz，可以看出阻帶衰減率較好。

圖6 組裝的RF收發(fā)機的芯片圖片

圖7 發(fā)送的輸出頻譜

圖8 信道功率為+3 dBm時的測量的Tx EVM；為了測試Tx EVM，由向量信號發(fā)生器（VSG）發(fā)出的QPSK調(diào)制的正交基帶信號用于發(fā)送器的輸出。

圖9 基帶輸出頻譜（信道BW=600 KHz）

為了測量接收器的靈敏度，在SUN OFDM系統(tǒng)板上對提出的RF收發(fā)器進行了測試，如圖10所示。包括3個不同的PCBs，上面的PCB用于RF芯片，中間的PCB用于模數(shù)轉換器/數(shù)模轉換，底層的PCB用于調(diào)制解調(diào)器及媒體訪問控制（MAC）。模數(shù)轉換器/數(shù)模轉換是使用0.18-μm CMOS技術實現(xiàn)的，調(diào)制解調(diào)器及MAC均設計成帶有FPGA。使用該系統(tǒng)板后，評估了組裝的RF收發(fā)器的靈敏度水平。數(shù)據(jù)速率為100 kbit/s時，測量的最小靈敏度為-103 dBm且錯包率（PER）為1%。該測量的靈敏度水平符合IEEE 802.15.4g OFDM標準，該標準的要求為：數(shù)據(jù)速率為100 kbit/s時，測量的最小靈敏度為-103 dBm且PER＜10%。表1總結了測量的RF收發(fā)器的性能，并與其他文獻進行了對比，可以看出相比類似收發(fā)器［8］，提出收發(fā)器的靈敏度和誤包率相同，但Rx模式和Tx模式工作功耗更低。雖然文獻［10］的功耗更低，但是其信號質(zhì)量指標EVM較差且誤包率較大，較低了系統(tǒng)可靠性。

圖10 包括RF、調(diào)制解調(diào)器的FPGA板

表1 收發(fā)器性能參數(shù)對比

5 結論

本文設計了一種基于OFDM的IEEE 802.15.4g新型低功耗RF收發(fā)器，該收發(fā)器是使用0.18-μm CMOS技術實現(xiàn)的。測量結果顯示，組裝的RF收發(fā)器芯片很好地滿足IEEE 802.15.4g OFDM系統(tǒng)。由于實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)包括RF、調(diào)制解調(diào)器及MAC，實際測試結果顯示，相比傳統(tǒng)的RF收發(fā)器，在保持靈敏度和誤包率均不降低的條件下，提出的RF收發(fā)器具有更低的功耗，雖然功耗沒有大幅降低，但是系統(tǒng)可靠性沒有降低。

［1］由磊，雷建軍.認知無線視覺傳感網(wǎng)絡機會傳輸?shù)姆植际娇鐚觾?yōu)化［J］.天津大學學報，2013（10）：910-916.

［2］袁靜，高永安.MIMO-OFDM系統(tǒng)中基于空頻域導頻的信道估計［J］.電子器件，2010，33（5）：595-598.

［3］殷嚴剛，王小華，何富運.基于FPGA技術實現(xiàn)的OFDM基帶調(diào)制系統(tǒng)［J］.電子器件，2014，37（1）：89-91.

［4］Chin-Sean Sum，Harada H，Zhou Lan，et al.Smart Utility Net?works in TV White Space［J］.IEEE Comm.Magn，2011，49（2）：132-139.

［5］龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.吉林大學學報（信息科學版），2010，28（1）：55-60.

［6］孟新，肖時茂，于云豐，等.一種用于低功耗低成本的IEEE802.15.4接收器的新穎解調(diào)算法［J］.電子器件，2008，31（4）：1256-1260.

［7］Pilsoon Choi.An Experimental Coin-Sized Radio for Extremely Low Power WPAN（IEEE802.15.4）Application at 2.4 GHz［J］. IEEE J of Solid-State Circuits，2003，12（38）：2252-2268.

［8］Wolfram Kluge，F(xiàn)rank Poegel，Matthias Lange，et al.A Fully Inte?grated 2.4 GHz IEEE 802.15.4-Comliant Transceiver for ZigBee Application［J］.IEEE J of Solid-State Circuits，2006，12（41）：2767-2775.

［9］甘業(yè)兵，馬成炎，袁國順，等.低功耗Zigbee收發(fā)器鏡像抑制濾波器設計［J］.電子器件，2009，32（3）：557-561.

［10］Kim Y J，Hwang I C，Baek D.A Switchless Zigbee Frontend Transceiver With Matching Component Sharing of LNA and PA［J］.Microwave&Wireless Components Letters IEEE，2010，20（9）：516-518.

［11］姚信威，王萬良，吳騰超，等.不同調(diào)制機制下無線傳感網(wǎng)收發(fā)器能耗優(yōu)化模型［J］.傳感技術學報，2013，26（8）：1140-1146.

徐 進（1972-），男，漢族，江蘇泰州人，碩士，副教授，主要研究方向為電路與系統(tǒng)，無損檢測；

帥立國（1968-），男，漢族，江蘇高郵人，博士。教授、博導，主要研究方向為機器人、無損檢測。

A Novel Low Power RF Transceiver Based on OFDM*

XU Jin1，2，SHUAI Liguo2*
（1.SOC R&D Center，Suzhou Institute of Trade&Commerce，Suzhou Jiangsu 215009，China；2.Department of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

In order to realize low power consumption，a low power IEEE 802.15.4g radio frequency（RF）transceiver based on OFDM is proposed.The radio frequency（RF）transceiver circuit is composed of the on-chip RF switch front-end，TX BBA（Analog Baseband），RX BBA and phase-locked loop（PLL），fabricated using 0.18μm CMOS technology.The actual test results show that the proposed RF transceiver has lower power consumption and good sensitivity compared with the traditional RF transceiver.When the power supply voltage is 1.8 V，the proposed RF transceiver will consume 14.7 mA in Tx mode，and 15.7 mA in Rx mode.

802.15.4g IEEE；RF transceiver；OFDM；low power consumption

TN802

A

1005-9490（2016）06-1391-06

6250

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.022

項目來源：國家自然科學基金項目（61175069）；江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學者計劃項目（2014FX120）；蘇州市2016年度產(chǎn)業(yè)前瞻性應用研究（工業(yè)）指導性計究項目

2015-11-21 修改日期：2016-01-04