一种单芯片无线收发系统设计

摘要：为了使无线收发系统能方便地应用于无线传感器网络、蓝牙技术与无限局域网(WLAN)等领域，采用了片上系统设计方法，将无线收发系统设计在一块单芯片上，使其最小化。给出了单芯片无线电的基本结构及电路实现的若干组成部分(混频器，低噪音放大器，功率放大器等)的解决方案。电路具有体积小，低功耗，成本低，可靠性高的特点。
关键词：单芯片无线电通信；低噪声放大器；收发器；WLAN

0 引言
    单芯片无线电通信系统是将发射机、接收器、放大器、电源管理组件以及其他一些基带逻辑电路综合成一个单一芯片的单晶片装置，单芯片无线电的实现是由于深亚微米CMOS技术的迅猛发展。由于它体积小，低功耗，可以很方便地嵌入到非常小的或者是便携式的电子产品中。又由于使用了CMOS技术，使其成本低，同时因所有电路组件都在一块芯片上，与用PCB板设计的电路相比，设计的最终产品有更高的可靠性。
    在单芯片无线电通信中最重要的组成部分是发射和接收，被称为短收发。在发射方，由逻辑电路产生一个低频的基带信号，首先由一个混合器调制到适当的频率(上转换)，然后信号经功率放大器(PAS)增强后由天线辐射出去。
    在接收方，天线接收到信号，通过低噪声放大器(LNAs)，最后被混频器调制，这次是降低信号的频率，称为下转换。将发射机和接收机双方结合在一个单芯片上，必须有一个允许天线发射和接收信号的开关，并且要落实隔离技术，以确保独立的电路不互相干扰。

1 收发器的结构
    一个发射加上接收的收发器，发射机送电信号经天线进入大气层，如果想得到非常高的频率，比如大于1 GHz时，发射机将采用连续的上变频来达到正确的频率。但是，如果所需的频率很低，例如100 MHz以下，那么发射机往往用一个直接转换方法，或是单上变频。
直接转换，又被称为零中频调制。在设计中采用直接转换的优点在于这种方法能提供更好的噪声特性，使发射机不再需要大体积的滤波器，否则它将占去单芯片过大的体积。但如果基带和载波频率不同量级，混频器的设计就变得更加困难。所以，当芯片采用调幅／调频无线电通信时，应该采用直接转换方案；当它被用于GSM或WLAN的解决方案时，将用连续的上变频，以达到正确的频率，这也增加了系统的复杂性。
1．1 混频器
    混频器是一个为调制信号频率的电路，在无线电应用中，混频器在基带频率和载波频率之间转换电信号，两路信号驱动混频器，输出的信号是两个输入信号相乘。当通过混频器时，输入和振荡器信号将成倍增加，并且能计算出来。混频器实际上是两个信号的乘法电路，线性代数的一个简单性质证明，任何信号都可以用傅里叶级数描述，任何信号都是不同频率的正弦曲线的总和。因此每个信号可以用正弦曲线表示，这是数学三角函数特性引起的频率的加和减。比如，输入V1和V2，并使它们通过一个混合器，V1的形式为V1=cosω1t，V2的形式为V2=c-osω2t，对傅里叶级数来说，ω1和ω2是信号的频率，t是时间变量。
    两个信号的乘式为：
   
    因此，其输出频率是由输入频率的相加和相减两个部分组成。在实践中，滤波是用来去除不想要的正弦频率分量。在先进的工程设计中，能将滤波器包含在混频器中设计，从而避免大体积的滤波器，这是单芯片无线电通信考虑的一个重要因素。
1．2 低噪声放大器(LNA)
    低噪声放大器(LNA)是一个旨在限制杂散信号的放大器，它常用在无线电收发机的接收部分，并且非常靠近天线。在大多数情况下，接收机天线接收到的微弱的射频信号将包含一些杂散信号，因此，降低噪声对接收机非常重要。根据Friis公式对于噪声的描述，接收机的全部噪声指数由最初级所控制，因此，将低噪声放大器放在接收部分的前级，以提高信号的抗干扰能力。采用低噪声放大器，后面各级噪音随着LNA的增加而减少，而LNA的噪声直接注入到信号中。因此，当存在少量噪声和失真时，加入低噪声放大器，以增强有用信号功率是必要的。而信号可在系统的后级得到恢复。为了产生适当增益，可以将几个LNA串联起来工作。
1．3 功率放大器(PA)
    功率放大器是一个保持电信号波形不失真情况下增加其功率的电路。功率放大器被用于发射机部分，并放在天线的附近。信号经过功率放大器送到天线，发送到外界环境中，由另一个无线电接收装置接收。功率放大器也可串联，以产生与1 W相似的所需功率，它们取决于无线电信号发送的范围。[!--empirenews.page--]
1．4 天线
    单芯片无线收发装置设计的另一关键部分是天线。为了使整个系统规模较小，许多现代的单芯片无线解决方案使用片上天线代替分布式天线。在半导体基板上的天线制作是在高阻硅衬底上制造95 GHz的IMPATT二极管振荡器的芯片集成天线，和在砷化镓基板上制造43．3 GHz IMPATT二极管振荡器的芯片集成天线。高阻硅衬底也被用来制造基于天线操作范围在90～802 GHz的微型机电系统(MEMS)。
    除了衬底兼容性以外，要降低成本，天线必须利用主流硅技术上的导体和绝缘层制作。目前，金属层可以是8～9层，厚度介于0．5～2μm之间。导体可以采用铝或铜，该绝缘层分离导体是由于二氧化硅厚度介于0．5～1 μm之间的变化引起。芯片天线可以用来在集成电路内部以及外部自由空间通信，信号的传播是在传播介质中以光速传播，但在无线互连网中使用的芯片天线不需要光学元件，因为其难于集成。
2 电路设计
2．1 接收机
    以下是一个适用于802．11a／b／g无线局域网的单芯片无线电接收机，它有2个波段。图1显示双频接收机详细框图。

    接收机有两个差分级联低噪声放大器，对每一个波段，提供必要的前端增益和降低噪声。不用的LNA始终关掉，以减少目前的整体消费。2．4 GHz和5 GHz内的射频信号在下转换为共同的中频(如大约为1．7 GHz)之前被相应的噪声放大器和RF可变增益放大器(VGA)放大。这个中频信号进一步混合后下至正交基带I，Q信号，称LO2。信道滤波器选择用于芯片基带的gm-C滤波器。在基带滤波器中的直流偏移量被两对受同基带lC控制的6位DAC的删除。经实验测量，该接收机具有达90 dB可编程增益，射频和基带信号大约各半。整体接收系统噪声系数对应于5 GHz应用模式为5．5 dB，对应于2．4 GHz应用模式为4．5 dB。
    在接收机印板中最重要的装置之一是低噪音放大器(LNA)。LNA的质量对接收器的参数有相当大的影响。图2给出了用于双频接收机中的5 GHz LNA。

    图2是改进压缩和共模抑制的5 GHz的LNA示意图。放大器由一对为降低噪音系数而优化的级联差分电路组成。它是利用一种低噪声数字。当一个有用的大射频信号输入时，该LNA转换到低增益模式，以避免信号压缩。增益减少是通过晶体管M2，M5作为一对电流开关实现的，通过分流信号电流远离感性负载来实现降低输出信号。增益变化的正确度取决于匹配晶体管的大小和对所有过程及温度死角的有效控制。为了降低噪声可用级联装置，在级联节点的寄生电容通过电感L3和L4滤出。电感L5通过滤去差分M7和M8尾部节点的寄生电容来提高低噪声放大器(LNA)的共模抑制比。增加在尾节点的共模阻抗以提高共模抑制，从而允许LNA使用单端射频输入，无需添加平衡器。[!--empirenews.page--]
2．2 发射机
    图3显示了双波段发射机的方框图。正交基带I，Q信号由同一数字芯片中的DACs产生，以电流输入方式送发射机。输入信号先被可重构滤波器滤波，然后混合到1．7 GHz的中频。由此，无论发射机运行在2．4 GHz或5 GHz的模式，中频信号都被LOF或LO2上转换。发射机采用镜像抑制混频，以避免需要一个中频滤波器。对于图3中的混频器正交分量LO2和LOF是直接由合成器提供，而正交分量LO1为了产生射频混频局部采用RC-CR滤波器。在经过射频可变增益级之后，每一路的射频信号驱动芯片上的功率放大器(PA)。

    图4是一个上变频混频器和功率放大器(PA)的电路图，用于蓝牙技术的单片无线调制解调器。这种调制解调器采用了直接转换，所以在收发中不必使用中频带。

    重构的基带信号由电阻衰减Gilbert型混频器完成，上变频以及电阻负载如图4所示。I-Q LO驱动信号来自于2阶的多相滤波器，它的输入源于一个锁定参考频率为1 MHz的2．4 GHz VCO。功率放大器如图4所示，由单级集电极开路、在同一块芯片上匹配的差分对和为得到最大功率传送的不平衡变压器组成。通过数控尾电流源对差分与导纳的控制来完成，分8步实现30 dB的功率控制。实验测试显示，这种功率放大器能够在50 Ω负荷下传送+3 dBm的连调，而消耗为9 mA。

3 结语
    单片无线电通信装置由于受到尺寸和隔离限制，其处理能力有限。其最复杂的装置是应用于WLAN的无线蓝芽调制解调器和收发器，因为它们运行在低功耗状态且需处理的地方有限。而在无线传感器网络的设计过程中，传感器节点无线通信、低耗能、体积小等特点也使单芯片无线收发系统有了极大的空间。单芯片无线收发系统由于采用了深亚微米CMOS技术、低噪音放大电路设计和芯片集成天线技术等，使整个无线收发系统具有低能耗、低成本、体积小、可靠性高的特点。但由于接收和发送系统都集成在一块芯片上，如何开发更好的分离技术，克服电磁干扰等问题，仍是将收发模块、中频模块、基带信号处理模块和电源管理与控制模块等所有连同天线和开关集成在一个单芯片中的片上系统(SOC)的主要课题。