1、分类号 密级 UDC 编号 中国科学院研究生院 博士学位论文 单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 彭苗 指导教师 石寅 研究员 中国科学院半导体研究所 申请学位级别 博士 学科专业名称 微电子学与固体电子学 论文提交日期 2012 年 4 月 论文答辩日期 2012 年 4 月 培养单位 中国科学院半导体研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学研究院或其
2、他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名： _ 日期： _ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中科院半导体所有关保留、使用学位论文的规定，即：所内有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；所内可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名： _ 导师签名： _ 日期： _ 摘要 I单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 摘要 快速增长的无线通信市场的巨大需求造成了对射频集成电路的需求。 随着无线通信技术和 CMOS 工艺的发展，
3、高集成度、高性能的无线射频收发机系统成为一个发展趋势。射频前端电路作为收发机的关键部件，对收发机的性能有着至关重要的影响。开展对此单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路的研究具有重要意义。 论文基于 CMOS 工艺中直接变频结构的收发机前端电路展开了深入的研究，并进行了测试验证。论文的主要创新性成果如下： 1、提出了一种片上变压器的优化方法，通过 在变压器初级线圈处并联可调阵列，使得以变压器为负载的 LNA 在其输出端可以得到最大传输功率，并实现了片内单端转差分，提高了芯片的集成度；同时，对片上螺旋电感和变压器进行自定制设计和优化，在 2.4GHz 频段得到了很好的应用效果。 2、提出了一
4、种提高 LNA 线性度的方法，利用多栅晶体管偏置在不同工作区使 LNA 线性度提高了约 10dB；同时，改进了两种传统结构： a、在优化噪声的同时简化了输入匹配， b、在高增益的情况下电流损耗减半。测试结果表明，两种结构的 LNA 都有较好的噪声、线性度和增益。 3、提出了一种折叠式的电流型有源混频器结 构，通过折叠的跨导级和电流信号的变频，在低电源电压下，混频器线性度达到 0dBv， 1/f 噪声也得到了优化；同时， 在无源混频器结构基础上， 改进了混频器的跨导级电路以及增益控制电路，提高了电路的线性度，并使 I/Q 增益分别可调以调节幅度失配。 4、基于 TSMC 0.13um CMOS
5、工艺，实现并改进了用于 802.11b/g 标准的片上集成变压器的零中频接收机结构，单片集成节约了成本。经测试结果表明，前端电路增益达到了 39dB,双边带噪声系数为 2.9 dB，整个接收机噪声系数为3.2dB，接收机灵敏度在 -75dBm，最大输入信号为 -5dBm，达到业内领先水平。 本论文的研究成果已经成功应用于 CMOS 无线射频芯片中。 关键词： WLAN，射频收发机，零中频，片上变压器，低噪声放大器，混频器Research on single-chip integrated WLAN RF transceiver front end II Research on single-c
6、hip integrated WLAN RF transceiver front-end Peng Miao (Microelectronics and Solid-State Electronics) Directed by Professor Shi Yin Abstract The huge demand of the fast-growing wireless communications market has caused the demand for radio frequency integrated circuits. With the development of wirel
7、ess communication technology and CMOS technology, high integration and high performance became the development requirements of a wireless RF transceiver. As an important part of the transceiver, RF front-end circuit has a critical influence on the performance of the transceiver. The research carried
8、 out in this single-chip integrated WLAN RF transceiver front-end circuit has a great significance. Based on direct conversion structure in CMOS technology, in-depth research of receiver front-end circuits is made in this paper, and then the key blocks of circuits are tested and validated. The main
9、innovative works of this thesis are summarized as follows: 1. An optimization method of transformer based on the on-chip circuit applications is presented, which uses a parallel capacitor at primary to make the output of transformer-loaded circuits getting the maximum transmission power. Meanwhile,
10、custom design and optimization are made for the on-chip spiral inductor and transformer, which meet the application requirements of the 2.4GHz band. 2. A method for 10dB IIP3 improvement is presented, which uses multiple transistors biased in different regions respectively, and two traditional struc
11、tures of LNA are improved with on-chip transformer. The former one optimizes the noise and simplifies the input matching at the same time, while the latter one halves the current consumption in high gain mode. The test results show that the two structures of LNA have a good noise, linearity. 3. Base
12、d on Gilbert Mixer, a quadrature folded active mixer in current mode is presented, in which the linearity and 1/f noise are optimized under low power voltage, and achieve a 0dBv IIP3; Based on passive mixer, the transconductance stage of mixer is proposed for high linear, and the control circuit of
13、gain is improved for Abstract IIItuning the amplitude mismatch of I/Q path separately. 4. Based on zero-IF architecture, a RF receiver with on-chip balun is proposed for IEEE 802.11b / g standard, where fully integration of single-chip saved the cost. The measurement results show that the front-end
14、circuit attains a conversion gain of 39dB and a double sideband noise figure of 3.2dB, while the entire receiver attains a noise figure of 3.5dB, a sensitivity of-75dBm, and a maximum input signal of -5dBm. The results achieve the level of industry-leading. The works of this research have been appli
15、ed successfully in CMOS wireless radio frequency integrated circuits. Key words: WLAN, RF receiver, Zero-IF, on-chip transformer, LNA, mixer 目录 IV 目录 摘要 . I Abstract II 目录 . IV 第一章 引言 . 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的与意义 3 1.3 论文的组织结构 5 第二章 无线射频接收系统 . 7 2.1 射频接收机系统架构简介 7 2.1.1 超外差式接收机 . 7 2.1.2 零中频接收机 . 8 2.1
16、.3 低中频接收机 . 10 2.1.4 宽带中频接收机 . 11 2.1.5 接收机结构性能比较 . 12 2.2 射频接收机系统与模块指标 13 2.2.1 灵敏度与噪声 . 13 2.2.2 动态范围与线性度 . 14 2.2.3 镜像抑制与匹配 . 17 2.2.4 相位噪声 . 17 2.3 射频接收机的系统研究实例 18 2.3.1 接收机系统设计指标分配 . 19 2.3.2 WLAN 接收前端系统设计 . 20 2.4 本章小结 22 第三章 CMOS片上电感和变压器的研究与优化 . 23 3.1 片上电感和变压器特性分析和优化 23 3.1.1 趋肤效应 . 23 3.1.2
17、 损耗分析 . 24 3.1.3 变压器 . 25 目录 V3.1.4 layout 优化方法和实例 . 26 3.2 电磁场 3-D 仿真建模 28 3.2.1 HFSS 仿真设计 . 29 3.2.2 RLC 模型拟合（ fitting） . 30 3.3 测试方法与结果比较 32 3.3.1 双端口网络参数 . 32 3.3.2 on-wafer 测试去嵌入结构和方法 33 3.3.3 仿真测试结果对比 . 38 3.4 变压器应用电路的优化方法 39 3.5 本章小结 42 第四章 CMOS低噪声放大器的研究 . 44 4.1 MOSFET 二端口网络噪声模型 44 4.1.1 亚微米
18、 MOSFET 噪声模型 . 44 4.1.2 经典的二端口网络噪声理论 . 45 4.1.3 MOSFET 二端口噪声模型 . 47 4.2 功率匹配下的噪声优化 48 4.3 射频低噪声放大器的研究实现实例 50 4.3.1 常见 CMOS LNA 结构 50 4.3.2 研究实现实例 1：两级 LNA . 52 4.3.3 研究实现实例 2：以 BALUN 为负载的单级 LNA . 59 4.3.4 两种 LNA 结构的比较与总结 . 62 4.4 本章小结 63 第五章 射频 mixer 的研究 . 64 5.1 混频器的基本概念 64 5.1.1 混频器的基本原理 . 64 5.1.
19、2 混频器的主要参数 . 66 5.2 混频器的基本结构 69 5.2.1 有源混频器 . 69 5.2.2 无源混频器 . 71 5.2.3 其他结构混频器 . 72 目录 VI 5.3 零中频接收机中下变频器的研究与优化 73 5.3.1 电流模式无源混频器 . 75 5.3.2 电流模式有源混频器 . 78 5.3.3 本振缓冲级电路研究 . 83 5.3.4 两种混频器的比较与总结 . 85 5.4 本章小结 86 第六章 版图实现与性能测试 . 87 6.1 版图实现中的关键问题 87 6.1.1 匹配设计 . 87 6.1.2 寄生优化设计 . 89 6.1.3 参考源分布 . 8
20、9 6.1.4 衬底噪声耦合 . 90 6.1.5 ESD 保护电路 . 91 6.2 射频接收机前端电路版图优化 92 6.2.1 低噪放的版图优化 . 94 6.2.2 下变频器的版图优化 . 95 6.3 射频接收机前端电路的测试结果与分析 96 6.3.1 低噪声放大器的测试与分析 . 96 6.3.2 射频前端的测试与分析 . 102 6.4 本章小结 110 第七章 总结与展望 . 111 7.1 本论文工作的总结 111 7.2 未来研究工作的展望 112 第一章 引言 1第一章 引言 1.1 研究背景 互联网的普及，以及人类对于高速无线通信的需求，推动了无线通信市场的繁荣发展，
21、 各种标准层出不穷。 基于无线通信标准的应用不仅丰富了人们的生活，也使通信交流变得更加快捷便利。在已有标准的互相推动下，短距离、高速传输的无线通信系统无线本地局域网 (Wireless Local Area Networks， WLAN)的市场得到了快速的增长， 主要包括 IEEE 802.11 系列， Hyper LAN， Bluetooth， Home RF 等等 1239。 无线局域网（如图 1-1）是 20 世纪 90 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，利用射频（ Radio Frequency, RF）技术构成局域网络，能够根据需要进行移动或变化，为通信的移动化，个人化和多媒
22、体应用等提供了技术支持。例如， IEEE 802.11 标准应用到电池驱动的移动设备中 31113，如手机、个人数字助理（ PDA）和笔记本电脑等等，并广泛应用于任何场合，如机场、地铁、商店以及家庭等，使旧式网线连接的束缚成为历史。 图 1-1 无线局域网 WLAN 技术不仅使人们可以随时随地获取所需要的信息，还提高了人类的生活质量和工作效率 78。相对于传统有线网络，无线局域网具有以下应用价值 : （ 1）可移动性强没有传输线的限制，用户可以在不同的地方移动工作，网络用户可以在任何地方实时地接收信息。 （ 2）安装简便不需布置线缆，消单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 2 除了开
23、凿墙壁、天花板等布线的繁琐工作，容 易安装，建网的时间也大大缩短。（ 3）组网灵活无线局域网可以组成多种 拓扑结构，十分容易从少数用户的点对点模式扩展至上千上万用户的基础架构网络。 （ 4）成本低主要体现在用户网络需要租用大量电信专线时，自行组建的 WLAN 会节省大量的费用，尤其是在频繁移动和变化的环境中， WLAN 的投资更有优势。 WLAN 技术极大地适应了个人数据通信发展的要求 677。 WLAN 技术还解决了有线网络不能在空中传输数据、语音和视频信号的难题，具有极大的应用价值和巨大的市场。 2006 年， WLAN 的市场规模约为 24 亿美元，市场每年的平均增长率高达 23%。预计
24、到 2012 年底， WLAN 的市场规模将近 90 亿美元，全球无线局域网市场正以稳定的速度发展 51219。 无线局域网（ WLAN）标准由美国电气和电子工程师协会（ IEEE）于上世纪 90 年代开始制定。在众多的无线局域网标准中，最重要的是 802.11 系列标准4，经过不断发展，现今已有三种主流标准，分别是 IEEE 802.11a、 802.11b 和802.11g 标准，三种标准的比较见表 1-1。 IEEE 802.11a 标准工作在 5.15 5.35GHz、 5.425 5.675GHz 和 5.7255.825GHz 的频带内， 采用了正交频分复用 （ OFDM, Ort
25、hogonal Frequency Division Multiplexing）技术，能够实现更好的室内信息传输性能，可以提供高达 54Mb/s 的数据率。 IEEE 802.11b 标准工作在 2.4 2.497GHz，采用了补偿编码键控（ CCK, Complementary Code Keying）调制技术，能够有效对抗多径干扰和频率选择性衰落，可以提供最大为 11Mb/s 的数据率峰值比特率。同样工作在 2.4 2.497GHz 的 IEEE 802.11g 标准则与 802.11a 一样，采用了正交频分复用技术，最大传输数据率为 54Mb/s，同时又可与 802.11b 兼容 46。
26、 随着业界对数据速率不断增长的要求， CCK 调制方式己经不再是一种合适的方法 77。对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的， 选取的码片的速率就要更高， 这对于现有的码片来说比较困难； 同时，对于接收端的射频接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的时间分集效果，要求接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现 105。 因此， OFDM 技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点 77。 OFDM技术可以提高系统的抗噪声、抗干扰、抗多径效应能力和频谱利用率。它是多载第一章 引言 3波调制的一种，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流
27、，调制到在每个子信道上进行传输 62。 OFDM 技术要求子载波必须满足正交， 如果正交性恶化， 则整个系统的性能会严重下降， 产生子载波间的串扰。WLAN 系统中还使用多进制相移键控 （ MPSK） 和多进制正交幅度调制 （ MQAM）将信号调制到子载波上，如 BPSK， QPSK， 16QAM 和 64QAM 等，调制方式越复杂，传输速率越高，同时对信噪比的要求也越高。 802.11a 802.11b 802.11g 标准提出时间 1999 年 7 月 1999 年 7 月 2003 年 6 月 最高速率（ Mbps） 54 11 54 调制方式 OFDM CCK OFDM/CCK 数据速
28、率（ Mbps） 6,9,12,18, 24,36,48,54 1， 2， 5.5， 11 CCK:1,2,5.5,11 OFDM: 24,36,48,54 频率 （ GHz） 5.15 5.35 5.425 - 5.675 5.725 5.875 2.4 2.497 2.4 2.497 表 1-1 三种 IEEE 802.11 标准的比较 1.2 研究目的与意义 所有无线通信系统中都包含有射频前端电路， 用以解调接收的信号或调制发送的信号 17182526，如图 1-2。无线通信应用的蓬勃发展形成了一个快速增长的 RFIC 市场，作为整个无线接收机系统设计的主要瓶颈，射频集成电路受到了世界范
29、围的关注和研究 18192123。由于工作频率高，射频信号的寄生效应不能被忽略，如电路的杂散电容、杂散电感、趋肤效应以及辐射等，这些射频效应会对电路的工作产生影响， 所以射频电路的设计一直都是研究的重点和难点 1617242628。而市场用户对无线产品的要求促使无线产品不断的向低成本、低功耗、小体积、高性能的方向发展，这样就进一步提高了无线接收机的实现难度，同时也对射频集成电路的设计者提出了更高的要求，即设计者不仅要单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 4 懂得 IC 设计的基本知识，还应该懂得通信原理、微波理论、无线通信标准、 EDA工具、工艺和器件建模等多方面的知识 304299
30、104。 射频集成电路的主要性能指标包括噪声、线性、功耗、增益、工作频率、电源电压等，其中的任意两个参数指标在具体的电路设计中都存在着折衷问题，形成所谓的“射频设计六边形” ，如图 1-3 所示，因此射频集成电路的设计也就是在这些参数中进行折衷考虑，寻找相对的最优性能 58。 图 1-2 无线通信系统 对于数字集成电路而言，功耗、速度、成品率是其主要性能要求，这些性能必然随着工艺集成水平的提高得到改善 9。然而，对于射频接收机的技术要求却是多方面的，除了一般集成电路的性能要求外，射频集成电路还要面对噪声、线性度、增益和效率等等问题，射频集成电路的最优设计所需的设计空间要远远大于数字电路，因此也
31、就更具挑战性 7。 与数字集成电路不同， 射频集成电路并不能够单纯从半导体技术的发展中获得多少益处。尽管随着工艺集成水平的提高，工艺的特征频率和射频集成电路的工作频率在增大，但它在集成一些高性能无源器件如电感、电容上，还有很多问题，有时候不得不采用片外元件来实现 104。所以，射频电路的性能同时也受到集成电路工艺的影响。虽然 CMOS 工艺的高频性能和噪声性能不是最好的，但是由于它的工艺最为成熟，成本最低，应用也最为广泛。而且随着技术水平的提高， CMOS 晶体管的特征频率和电路的集成度越来越高，芯片的面积也越来越小。用户对轻重量、小体积、低功耗、低成本收发机需求的不断增长，在技术上要求用低成
32、本的工艺提高收发机的集成度， 实现 SOC（ system-on-chip） ， 用 CMOS工艺实现射频集成电路成了最有发展前景的选择。虽然 CMOS 工艺本身有了很大的改进，也能够更好的适应 RFIC 的制造，但随之而来的射频电路之间的干扰以及衬底噪声耦合越来越大，集成的无源元件（如电容、电感）的特性较差等等因素都影响到了射频电路的性能，为射频集成电路的设计增加了难度。另外，随第一章 引言 5着集成电路器件尺寸的不断减小，器件所能承受的最大电压也在降低，这也为射频电路的设计增加了难度。 作为无线收发系统重要组成部分的射频接收机，要求具有高的灵敏度、大的动态范围、良好的镜像抑制和邻道抑制等。
33、射频接收机的性能将直接影响接收机对接收信号的解调，而射频前端电路是射频接收机的核心模块，其性能在很大程度上决定了整个接收机的性能。如何利用 CMOS 工艺对收发机进行全集成设计降低成本的同时，增大接收机的灵敏度、减小接收机的功耗、有效的抑制镜像信号等是本论文研究的目标和重点；在较低的电压下，高度集成片内变压器，同时实现低功耗，高性能的射频前端电路是本论文研究的预期成果。 图 1-3 射频集成电路的设计六边形 1.3 论文的组织结构 本论文基于 TSMC 0.13 微米 CMOS 工艺对全集成的高性能的 WLAN 射频接收机前端电路进行了研究，论文的组织结构如下： 第二章介绍了各种无线接收机的结
34、构，并对它们的优缺点作了比较分析，在推导了射频接收机的主要性能参数和影响因子的基础上， 阐述了无线接收机的系统指标分配原则，并给出了 WLAN 接收射频前端的指标要求。 第三章对 CMOS 片上电感和变压器的自定制设计和优化进行了研究。首先介绍了片上螺旋电感和变压器的特性和优化方法， 并给出了自定制设计优化的实例，接着介绍了仿真建模和测试的方法，对测试结果进行了比较，最后给出了一种变压器应用电路的优化方法。 第四章对 CMOS 射频低噪声放大器进行了研究。首先介绍了 MOSFET 二端单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 6 口网络噪声模型，接着介绍了功率约束下的噪 声优化，最后给出
35、了两种应用于WLAN 接收机的低噪放的研究设计实例。 第五章对射频混频器进行研究。首先阐述了混频器的工作原理和性能参数，接着对混频器的基本结构进行了分析， 最后对应用于零中频接收机的下变频器进行了研究与优化。 第六章介绍了射频电路版图实现的关键问题， 阐述了接收机射频前端的芯片实现和优化，分别给出了优化后的低噪声放大器和射频前端电路的测试结果，并对这些结果进行分析和总结。第七章是本论文工作的总结和对未来工作的展望。最后为文中所引用的参考文献和致谢。 第二章 无线射频接收系统 7第二章 无线射频接收系统 无线接收机的主要功能是将天线接收到的射频信号进行放大， 并下变频为满足输出 SNR 要求的基
36、带信号后送给数字基带进行解调，其性能、功耗大小和集成度等与所采用的工艺有关，但在很大程度也取决于无线接收机的结构。本章首先分析了各种无线接收机的结构，并对各种系统架构的优缺点作了比较分析，接着推导了射频接收机的主要性能参数和影响因子， 最后阐述了无线接收机的系统指标分配原则，并给出了 WLAN 接收射频前端的指标要求。 2.1 射频接收机系统架构简介 一个完整的无线接收机由三部分组成： 射频前端， 基带处理部分和应用接口。射频前端部分是放大天线接收到的射频信号，并进行下变频为满足输出 SNR 要求的基带信号；基带处理部分对从射频前端变换来的低频信号进行解调；应用接口部分则提供用户数据和应用之间
37、的接口。本节研究的重点是射频前端部分，由于射频前端对整个接收机的性能影响最大，性能的要求也最高，通常采用模拟电路来实现。 CMOS 工艺中，不同系统架构的射频前端部分的优缺点各不相同，对接收机的性能也有不同的影响， 充分理解每种架构的优缺点才能在不同的应用实现中对其进行选择和优化。目前常用的无线接收机的结构大概分成四种：超外差式接收机、低中频接收机、零中频接收机和宽带中频接收机。 2.1.1 超外差式接收机 超外差式结构 2526是 Armstrong 在 1918 年发明的，是应用较广泛的一种系统结构，具有优越的窄带选择性能。如图 2-1 所示是一个典型的超外差式接收机系统，其中虚线部分表示
38、片外的分立元件。在超外差接收机中，从天线接收到的射频信号经过片外的射频带通滤波器（ RF 滤波器）或声表面滤波器（ SAW）滤除带外干扰信号以及镜像信号，然后经低噪声放大器（ LNA）进行放大，放大后的信号由镜像抑制滤波器（ IR 滤波器）进一步滤除镜像信号，滤波后的信号和本地振荡信号在混频器中进行混频，有用信号被转换为一固定中频信号，经中频带通滤波器滤除邻近信道的干扰信号并进行 中频放大后提取出有用信号进行单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 8 解调，也可经进一步下变频后再解调。如进行第二下变频时，通常采用的是正交下变频，即信号被分成正交的 I/Q 两路，在同样具有正交输出的本振
39、信号的作用下下变频至基带，经 ADC 转换后，在数字域内进行进一步的信号处理。 超外差式接收机采用片外高 Q 值的滤波器，可以有效地抑制带外信号和镜像信号，得到良好的灵敏度、选择性和动态范围。在对接收机性能要求很高的应用中，超外差结构是很好的选择。但是，超外差式接收机虽然性能好，其缺点也很明显 2728： （ 1）超外差式接收机采用两级或多级混频电 路，同一通路上使用更多的电路模块，不仅增加了功耗和面积，还提高了系统的成本。 （ 2）为了对信号中的镜像和干扰成份进行抑 制，需要采用多个片外的滤波器件。由于片上集成滤波器的 Q 值有限，且高 Q 值的有源滤波器实现起来太过复杂，需要采用外接滤波器
40、，这样不仅降低了接收机的集成度，还提高了产品成本。而且由于采用片外元件，寄生电容变大，使整个系统的稳定性大大降低。 （ 3）片外滤波器的特征阻抗一般为 50 或 100 ，为了驱动这些外部低阻抗的元件需要消耗很大的电流，增加了接收机的功耗。而且工作频率越高，接收机功耗越大。 为了在最坏的情况下保持好的性能， 外差式接收机必须对镜像信号有很好的抑制，一般要求其对镜像信号能量的抑制比达到 6070dB。 图 2-1 超外差式接收机系统 2.1.2 零中频接收机 在零中频接收机中，有用信号被直接下变频到基带 1718。由于零中频接收机的镜像信号是有用信号本身，镜像信号与有用信号能量相同，大大减轻了对
41、镜像信号抑制的要求，但是在高质量接收机中，还是需要约 30dB 以上的镜像信号抑制度。若射频信号仅与一个本地振荡信号进行混频，则下变频后信号的上下第二章 无线射频接收系统 9边带将叠加到一起，变得不可分离，会影响接收机的性能，可以通过彼此正交的本振信号与射频信号混频来消除此影响，而下变频后的两路 I/Q 信号可以在数字域里通过 DSP 的角度测量算法等方法恢复出有用信号。 图 2-2 给出了零中频接收机的系统结构，从天线来的信号由射频带通滤波器滤除带外噪声（有的系统中省掉了片外的滤波器） ，然后由低噪声放大器进行放大，放大后的射频信号同时与一对正交本地振荡信号相混频，下变频后的基带信号再经低通
42、滤波器（ LPF）滤波和可变增益放大器（ VGA）放大后，得到 I、 Q两路正交的基带信号。 图 2-2 零中频接收机系统 由于零中频接收机不需要难以集成的高 Q 值的射频或者中频带通滤波器，消除了超外差式接收机的主要问题，系统的成本、集成度和功耗都得到大大的改善 1624。但为了减小对下变频器动态范围的要求并且阻止带外射频信号与本振信号的高次谐波分量混频而产生落在有用信号带内的干扰， 大多数接收机还是在前端放置了一个高频滤波器，只是这个滤波器的性能要求很低，也不需要频率可调节。另外，由于有用信号被直接下变频到基带，下变频后的低通滤波器和模数变换器都工作在很低的频率下，很容易用模拟集成电路来实
43、现单片集成，接收链路上的各模块也不需要驱动外部低阻抗负载， 零中频接收机的功耗可以做得很低，而且有用信号被直接下变频到基带，对 A/D 转换器的要求也大大降低了。这些优点都使零中频接收机成为一种易于集成且功耗较低的接收机结构，然而，零中频本身所固有的难以解决的闪烁噪声和直流失调等问题， 限制了零中频接收机的广泛使用： （ 1）零中频接收机中镜像信号的抑制是通过 彼此正交的正弦信号与高频信号混频来消除的， 所以抑制度取决于这两条支路的匹配程度。 零中频接收机对 I/Q单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 10 失配很敏感，失配引起的幅度和相位误差，会导致镜像信号抑制度的下降。可以通过高
44、集成的片上系统和版图优化来尽量减小 I/Q 失配。 （ 2）零中频接收机的本振频率与信号频率相 同，本振信号会通过寄生电容或者衬底耦合等方式，泄漏到射频信号的传输通路上，如天线、低噪声放大器或混频器的输入端等，与本振信号发生自混频而产生直流失调（ DC offset） 。可以用高通滤波 20或 ADC 反馈来消除直流失调 14。 （ 3）同样由于本振信号与射频信号频率相同 的原因，射频信号泄漏到本振端口后与自身混频，产生一个寄生的基带信号，其能量主要集中在低频部分，叠加在有用信号上而不能被分离出去，可能使后面的处理模块出现饱和。可以通过电路结构的调整提高端口的隔离度，减小信号的泄漏。 （ 4）
45、接收机射频前端器件的偶数阶非线性会 导致电路的输出信号中不可避免的包含输入信号的偶次谐波，而任何偶次谐波在直流处都有一个分量，从而引入直流失调。可以通过差分电路来消除偶数阶非线性的影响。 （ 5）由于低噪声放大器和混频器的增益受限，下变频信号对噪声非常敏感，特别是变频到基带的零中频接收机，对混频器的 1/ f 噪声要求较高。在系统中，要进行增益，噪声和线性度的折衷选择。 2.1.3 低中频接收机 低中频接收机结合了超外差接收机和零中频接收机的优点 1621，其电路结构与零中频结构相似（如图 2-3） ，不同的是，低中频接收机下变频后信号处于一个比较低的中频IFf （几百 kHz 到几 MHz）
46、 ，降低了零中频接收机中闪烁噪声 图 2-3 低中频接收机系统 和直流失调的影响。但由于镜像信号不再与有用信号互为镜像，低中频接收机存在着镜像信号干扰的问题，低中频接收机对镜像信号抑制度的要求非常的严格，第二章 无线射频接收系统 11在高质量的应用中，大约需要 80 dB 的镜像抑制度。 为了抑制镜像信号 2224，并同时保持低中频接收机高集成度、低成本、低功耗的优点，常常采用片上抑制，而常见的片上抑制镜像信号的结构有图 2-4所示两种：利用射频带通滤波器抑制镜像信号，为了提高镜像抑制率，这种结构所选用的中频频率一般较高；利用无源多相滤波器抑制镜像信号，这种结构适于集成电路实现，对中频频率没有
47、要求，可以采用比较低的中频频率。 （ a） （ b） 图 2-4 （ a）利用射频带通滤波器抑制镜像信号的低中频接收机系统 （ b）利用无源多相滤波器抑制镜像信号的低中频接收机系统 2.1.4 宽带中频接收机 宽带中频接收机同低中频接收机一样具有高性能、高集成度等特点，它的系统结构如图 2-5所示。 从天线来的信号经射频带通滤波器滤除带外干扰信号后 （同时也滤除一部分镜像信号） ，由低噪声放大器进行放大，放大后的信号和固定频率的本地振荡信号进行正交混频，将整个信号带转换到中频。经低通滤波后，由中频复正交混频器将信号转移到基带，经过低通滤波和模数变换后，转换到数字域进行处理 515。 同其它接收
48、机结构相比，宽带中频接收机的第一级本振是固定的，有利于射单芯片集成 WLAN 射频收发机中前端电路研究 12 频振荡器的实现，而且该振荡器可以提供较好的相位噪声性能。第一级中频后面的滤波器没有对干扰信号和相邻信道信号进行滤波， 信道选择功能是在第二级下变频时完成。第二级本地振荡信号是个可调谐的信道选择频率合成器，可以将上一级的中频信号直接变频到基带，同时将邻近信道的信号通过基带滤波器滤除。 宽带中频接收机的问题在于 1923：输入信号的整个频带都被搬移到中频，要求中频处理模块具有很高的动态范围；第二级下变频方式类似于零中频结构，也存在直流失调和 I/Q 失配等问题。另外，由于镜像信号和有用信号不处于同一频带，对镜像抑制的要求要高于零中频接收机。 图 2-5 宽带中频接收机系统 2.1.5 接收机结构性能比较 零中频和低中频系统结构相对简单，集成度高，成本低，功耗也低。零中频结构虽然不存在镜像抑制的问题，却存在严重的直流失调和 1/ f 噪声问题，比较适合于基带信号带宽很宽的应用， 可以利用片上电阻电容组成的高通滤波器来滤除直流失调分量，而不会严重恶化信号质量。低中频虽然避免了直流失调和 1/ f噪声问题，但其片上镜像抑制度由于 I/Q
