基于片上系統的無線收發模塊設計

阮越

（浙江樹人大學 信息科技學院，浙江 杭州 310015）

基于片上系統的無線收發模塊設計

阮越

（浙江樹人大學 信息科技學院，浙江 杭州 310015）

為滿足無線傳感器網絡、藍牙技術與無限局域網（WLAN）等領域中無線收發系統低功耗、小型一體化、低成本和高可靠性的技術要求，提出了片上系統（SoC）的設計思路，采用在單芯片上設計無線收發系統，使其最小化和一體化。給出了單芯片無線電的基本結構及電路實現的混頻器、低噪音放大器和功率放大器等部分的解決方案。

片上系統；收發器；單芯片無線電；低噪聲放大器；功率放大器

基于片上系統的單芯片無線電通信系統是將發射機、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單一芯片的單晶片裝置?，F代深亞微米CMOS技術的迅猛發展使得單芯片無線電的實現成為可能?；谄舷到y（SoC）的單芯片無線收發系統具有體積小、低功耗、低成本等特點，可以很方便地嵌入到非常小的或者是便攜式的電子產品中。同時，由于所有電路組件都在一塊芯片上，與用PCB板設計的電路相比，設計的最終產品有更高的可靠性。

1 收發器的結構組成

在單芯片無線電通信中最重要的組成部分是發射和接收，被稱為短收發。結構簡單的單芯片無線電收發機的示意圖如圖1所示。圖中，信號發射部分將邏輯電路產生的一個低頻基帶信號經由一個混頻器調制到適當的頻率（上轉換），然后信號經功率放大器（PAS）增強后由天線發射出去。

而對于接收模塊，當天線接收到信號后，通過低噪聲放大器（LNAs），最后被混頻器調制，這次是降低信號的頻率，稱為下轉換。將發射機和接收機雙方結合在一個單芯片上，必須有一個允許天線發射和接收信號的開關，并且要在隔離技術，以確保獨立的電路不互相干擾[1-2]。

發射機送電信號經天線進入大氣層，如果想得到非常高的頻率，如大于1 GHz時，發射機將采用連續的上變頻來達到正確的頻率。但是，如果所需的頻率很低，如在100 MHz以下，那么發射機往往用一個直接轉換方法或是單上變頻方法。直接轉換又被稱為零中頻調制，之所以采用直接轉換，是因為這種方法提供更好的噪聲特性，使發射機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，混頻器的設計就變得更加困難。所以，當芯片是采用調幅/調頻無線電通信時，應該利用直接轉換方案；當發射機被用于GSM或WLAN的解決方案時，應采用連續的上變頻，以達到正確的頻率，但增加了系統的復雜性[3-4]。

1.1 混頻器

混頻器為一個調制信號頻率的電路，在無線電應用中，混頻器在基帶頻率和載波頻率之間轉換電信號，兩路信號驅動混頻器，輸出的信號是兩個輸入信號相乘，因此混頻器實際上是兩個信號的乘法電路，當通過混頻器時，輸入和振蕩器信號將成倍增加，并且能計算出來。線性代數的一個簡單性質證明，任何信號都可以用傅里葉級數描述，任何信號都是不同頻率的正弦曲線的總和。因此每個信號可以用正弦曲線表示，這是數學三角函數特性引起的頻率的加和減。例如，輸入V1和V2，并使它們通過一個混合器，V1的形式為V1=cos（w1t），V2的形式為V2=cos（w2t），對傅里葉級數來說，w1和 w2是信號的頻率，t是時間變量。

兩個信號的乘式為：

因此，其輸出頻率是由輸入頻率的相加和相減兩個部分組成。在實踐中，濾波是用來去除不想要的正弦頻率分量。在先進的工程設計中，能將濾波器包含在混頻器中設計，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重要因素[5]。

1.2 功率放大器（PA）

功率放大器是一個保持電信號波形不失真情況下增加其功率的電路，被用于發射機部分，并放在天線的附近。信號經過功率放大器被送到天線，然后再被發送到外界環境中，由另一個無線電接收裝置接收。功率放大器也可串聯，以產生與1 W相似的所需功率，這取決于無線電信號發送的范圍。

本文以一個單芯片的CMOS收發系統為例，其收發器有兩頻段：2.4 GHz和5 GHz，采用802.11a/b/g無線局域網。

1.3 低噪聲放大器（LNA）

低噪聲放大器（LNA）是一個旨在限制雜散信號的放大器，它常用在無線電收發機的接收部分，并且非?？拷炀€。在大多數情況下，接收機天線接收到的微弱射頻信號將包含一些雜散信號，因此，降低噪聲對接收機非常重要。根據Friis公式對于噪聲的描述，接收機的全部噪聲指數由最初級所控制，因此，將低噪聲放大器放在接收部分的前級，以提高信號的抗干擾能力。采用低噪聲放大器，后面各級噪音隨著LNA的增加而減少，而LNA的噪聲直接注入收到的信號中。因此，當存在少量噪聲和失真時，加入低噪聲放大器，以增強有用信號功率是必要的。而信號可在系統的后級得到恢復。為了產生適當增益，可以將幾個LNA串聯起來工作[6]。

1.4 天線

單芯片無線收發裝置設計的另一關鍵部分是天線。為了使整個系統規模較小，許多現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的微型機電系統（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上的導體和絕緣層制作。目前，金屬層可以是8～9層，厚度介于 0.5～2 μm之間。導體可以采用鋁或銅。該絕緣層分離導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部以及外部自由空間通信，信號的傳播是在傳播介質中以光速傳播，但在無線互連網中使用的芯片天線不需要光學元件，因為其難于集成[9]。

2 收發器電路設計

2.1 發射機

雙波段發射機的方框圖如圖3所示。

其中，正交基帶I、Q信號由同一數字芯片中的DACs產生，以電流輸入方式送發射機。輸入信號先被可重構濾波器濾波，然后混合到1.7 GHz的中頻。由此，無論發射機運行在2.4 GHz還是5 GHz的模式，中頻信號都被LOF或LO2上轉換。發射機采用鏡像抑制混頻，以避免需要一個中頻濾波器。對于圖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為了產生射頻混頻局部采用RC–CR濾波器。在經過射頻可變增益級之后，每一路的射頻信號都驅動芯片上的功率放大器（PA）。

圖4是一個上變頻混頻器和功率放大器（PA）的電路圖，用于藍牙技術的單片無線調制解調器。由于這種調制解調器采用直接轉換，所以在收發中不必使用中頻帶。

重構的基帶信號由電阻衰減Gilbert型混頻器完成上變頻以及電阻負載，如圖4所示。I-Q LO驅動信號來自于2階的多相濾波器，它的輸入源于一個鎖定參考頻率為1 MHz的2.4 GHz VCO。功率放大器也如圖4所示，由單級集電極開路、在同一塊芯片上匹配的差分對和為得到最大功率傳送的不平衡變壓器組成。通過數控尾電流源對差分對導納的控制來完成分8步實現30 dB的功率控制[10]。這種功率放大器能夠在50 Ω負荷下傳送+3 dBm的連調，而消耗為9 mA。

2.2 接收機

圖5是一個適用于802.11a/b/g無線局域網的單芯片無線雙頻接收機框圖[5]。

圖5所示的雙頻接收機中有兩個差分級聯低噪聲放大器，對每一個波段提供必要的前端增益和降低噪聲。不用的LNA始終關掉，以減少目前的整體消耗。在2.4 GHz和5 GHz內的射頻信號在下轉換為共同的中頻（如約為1.7 GHz）之前被相應的噪聲放大器和RF可變增益放大器（VGA）放大。這個中頻信號進一步混合后下至正交基帶I、Q信號，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受同基帶IC控制的6位DAC刪除。該接收機具有可達90 dB可編程增益，射頻和基帶信號大約各占1/2。整體接收系統噪聲系數對應于5 GHz應用模式為5.5 dB，對應于2.4 GHz應用模式為4.5 dB。

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

放大器由一對為降低噪音系數而優化的級聯差分電路組成。當一個有用的大射頻信號輸入時，該LNA轉換到低增益模式，以避免信號壓縮。增益減少是通過晶體管M2和M5作為一對電流開關實現的，通過分流信號電流遠離感性負載來實現降低輸出信號。增益變化的正確度取決于匹配晶體管的大小和對所有過程及溫度死角的很好控制。為了降低噪聲，可以使用級聯裝置，在級聯節點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尾部節點的寄生電容來提高LNA的共模抑制比。增加在尾節點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，無需一個平衡器[6]。

目前產品中的大多數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。當前用到的單芯片無線電通信最復雜的裝置是應用于WLAN的無線藍芽調制解調器和收發器。其適合單晶片設計是因為其運行在低功耗狀態且需處理的地方有限。在無線傳感器網絡的設計過程中，傳感器節點無線通信、低耗能、體積小等特點也使基于片上系統（SoC）的單芯片無線收發系統有了極大的空間。如何開發更好的分離技術，克服電磁干擾等問題，仍是如何將收發模塊、中頻模塊基帶信號處理模塊和電源管理與控制模塊等，連同天線和開關集成在一個單芯片中的片上系統（SoC）的主要課題。

[1]OH Nam Jin，LEE Sang Gug，KO Jinho.A CMOS 868/915 MHz direct conversion ZigBee single-chip radio[J].IEEE Communications Magazine，December，2005，43（12）：100-109.

[2]KADOYAMA T，SUZUKI N，SASHO N，et al.A complete single-chip GPS receiver with 1.6V 24mW radio in 0.18 μm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004，39（4）：562-568.

[3]ISHIKURO H，HAMADA M，AGAWA K I，et al.A single-chip CMOS bluetooth transceiver with 1.5 MHz IF and direct modulation transmitter[C]. 2003 IEEE International Solid-State Circuits Conference，2003：94-480.

[4]AHOLA R.A single-chip CMOS transceiver for 802.11a/b/g wireless LANs[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004，39（12）：2250-2258.

[5]ZARGARI M，TERROVITIS M，JEN SH M，et al.A single-chip dual-band tri-mode CMOS transceiver for IEEE 802.11a/b/g wireless LAN[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004，39（12）：2239-2249.

[6]RYYN?NEN J.A single-chip multimode receiverfor GSM900，DCS1800，PCS1900，andWCDMA[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2008，38（4）：594-602.

[7]KENNETH K O.On-chip antennas in silicon ICs and their application[J].IEEE Transactions on Electron Devices，JULY，2005，52（7）：1312-1323.

[8]O K K ，KIM K，FLOYD B.Wireless communications using integrated antennas[C].Proceedings of the IEEE 2003 InternationalInterconnectTechnology Conference， 2008：111-113.

[9]LIE D Y C.RF-SoC：low-power single chip radio design using Si/SiGe BiCMOS technology[C].2008 3rdInternational Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings，2008：30-37.

[10]MAGOON R.A single-chip quad-band（850/900/1800/1900 MHz）directconversion GSM/GPRS RF transceiverwith integrated VCOsand fractional-N synthesizer[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2008，37（12）：1710-1720.

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，無線傳感器網絡等。