第一章概论 第一章概论 1.1研究背景 随着现代通信系统的巨大进步，通信产品的应用已渗透到社会的每个角落。 通信产业已经成为一个市场巨大的产业。射频接收机作为通信系统中的一个基 本模块成为一个持续的有挑战性的研究热点。 现代通信系统中的接收机种类繁多，按照其应用范围，可以分成：电视调 谐器(TV tuner),手机(Mobile phone),无线本地局域网(WLAN)等等。按照传播 媒介，可以分成：卫星信号接收机(Satellite receiver),有线系统接收机(Cable receiver),地面广播接收机(Terrestrial receiver)。按照处理信号的不同，可以分 成：模拟接收机(Analog receiver)),数字接收机(Digital receiver)。按照集成度， 可以分成：全集成接收机，部分集成接收机，分立元件接收机。接收机所采用 的工艺，主要有：互补金属氧化物半导体工艺(CMOS),双极互补金属氧化物半 导体工艺(BiCMOS),双极管工艺(Bipolar),锗硅工艺(SiGe),砷化镓工艺(GaAs) 等等。按照所采用的标准、协议，接收机的种类更是不胜枚举。 在各种射频接收机中，为了对输出幅度进行准确的控制，自动增益控制 (Automatic gain control)都是必需的功能。自动增益控制通过调节增益以维持输 出幅度的恒定[1][2]，同时使得接收机有足够大的动态范围来处理不同强度的信 号。例如在无线通信中，当用户距离发射站很远时，信号经由空气传送到用户 端已相当微弱，接收机必须调整到最大增益来放大信号；若用户距离发射站很 近，此时接收信号很强，接收机必须调整到最小增益防止饱和。 不同的传播方式对动态范围要求不同，通常以地面广播对动态范围的要求 最大，约为60~70dB,有线传播方式其次，约30~40dB,卫星传播方式动态范 围要求最小。 动态范围要求比较大的接收机，射频前端和模拟基带都要有增益调整的功 能。如文献3]中的一种应用于无线本地局域网的接收机，其射频前端和模拟基 带都可变增益。这使得自动增益控制变得复杂，在恒定的输出信号幅度之外还 须考虑最优化信噪比。 1.2研究动机 射频接收机的很多性能之间存在折衷[4]，如噪声、线性度、增益之间。高 增益、低噪声的系统，线性度必然很差；低增益、高线性度的系统，噪声必然 很高。如图1-1所示。我们希望系统的噪声越低越好，线性度越高越好，固定
第一章 概论 1 第一章 概论 1.1 研究背景 随着现代通信系统的巨大进步，通信产品的应用已渗透到社会的每个角落。 通信产业已经成为一个市场巨大的产业。射频接收机作为通信系统中的一个基 本模块成为一个持续的有挑战性的研究热点。 现代通信系统中的接收机种类繁多，按照其应用范围，可以分成：电视调 谐器(TV tuner)，手机(Mobile phone)，无线本地局域网(WLAN)等等。按照传播 媒介，可以分成：卫星信号接收机(Satellite receiver)，有线系统接收机(Cable receiver)，地面广播接收机(Terrestrial receiver)。按照处理信号的不同，可以分 成：模拟接收机(Analog receiver)，数字接收机(Digital receiver)。按照集成度， 可以分成：全集成接收机，部分集成接收机，分立元件接收机。接收机所采用 的工艺，主要有：互补金属氧化物半导体工艺(CMOS)，双极互补金属氧化物半 导体工艺(BiCMOS)，双极管工艺(Bipolar)，锗硅工艺(SiGe)，砷化镓工艺(GaAs) 等等。按照所采用的标准、协议，接收机的种类更是不胜枚举。 在各种射频接收机中，为了对输出幅度进行准确的控制，自动增益控制 (Automatic gain control)都是必需的功能。自动增益控制通过调节增益以维持输 出幅度的恒定[1][2]，同时使得接收机有足够大的动态范围来处理不同强度的信 号。例如在无线通信中，当用户距离发射站很远时，信号经由空气传送到用户 端已相当微弱，接收机必须调整到最大增益来放大信号；若用户距离发射站很 近，此时接收信号很强，接收机必须调整到最小增益防止饱和。 不同的传播方式对动态范围要求不同，通常以地面广播对动态范围的要求 最大，约为 60~70dB，有线传播方式其次，约 30~40dB，卫星传播方式动态范 围要求最小。 动态范围要求比较大的接收机，射频前端和模拟基带都要有增益调整的功 能。如文献[3]中的一种应用于无线本地局域网的接收机，其射频前端和模拟基 带都可变增益。这使得自动增益控制变得复杂，在恒定的输出信号幅度之外还 须考虑最优化信噪比。 1.2 研究动机 射频接收机的很多性能之间存在折衷[4]，如噪声、线性度、增益之间。高 增益、低噪声的系统，线性度必然很差；低增益、高线性度的系统，噪声必然 很高。如图 1-1 所示。我们希望系统的噪声越低越好，线性度越高越好，固定
第一章概论 增益的系统这两点不能同时实现。噪声和线性度其实可以分别优化，因为对噪 声的要求主要体现在信号小的时候，对线性度的要求主要体现在信号大的时候， 所以可以根据信号幅度优化这两个指标。信号小的时候，调高增益，优化噪声 性能；信号大的时候，调低增益，优化线性度。因此自动增益控制可以权衡接 收机噪声和线性度两者性能。 noise linearity gain 图1-1性能指标之间的权衡 对多模块系统进行自动增益控制，首先会碰到增益如何分配的问题。对于 某一输入功率，只要增益之和固定，输出功率就保持不变。而保证增益之和固 定的各模块增益的配置方式有极多种，应该根据什么原则去分配增益呢？是否 存在一个最优的分配方式？以往文献没有对这个问题做出系统的回答。 功率检测器是自动增益控制中必需的模块。它可以检测输出功率是否满足 要求，控制环路根据功率检测器的检测结果进行增益调整。应用于射频前端的 功率检测器的设计也是一个难点，其工作频率范围比较大，其带宽至少要与低 噪声放大器的带宽一致。 1.3论文主要贡献 本论文全面论述了射频接收机中自动增益控制相关问题。论文的主要贡献 有三点： 第一，解决了多模块系统增益分配的依据问题。采用信号噪声失真比的最 大化作为分配及调整增益的原则，并推导出级联信号噪声失真比的倒数等于各 个模块信号噪声失真比倒数之和，每个模块都存在一个最大的信号噪声失真比。 可以依据这个原则和推导出的结论进行增益的分配，并且可以找到一个最优的 分配方式。 第二，总结了三种数字自动增益控制的算法。作为一个应用的例子，对数 字电视调谐器的自动增益控制进行了分析与算法设计。这个数字电视调谐器具 有三级可变增益模块，算法保证了信号噪声失真比的最大化，具有恒定的锁定 时间，对硬件要求较低。 第三，设计了一个应用于射频前端的功率检测器。它采用了改进的宽带限 幅放大器以及全新的跨导放大器，输出信号跟输入信号功率成对数关系，工作 频率可以达到1GHz。 2
第一章 概论 2 增益的系统这两点不能同时实现。噪声和线性度其实可以分别优化，因为对噪 声的要求主要体现在信号小的时候，对线性度的要求主要体现在信号大的时候， 所以可以根据信号幅度优化这两个指标。信号小的时候，调高增益，优化噪声 性能；信号大的时候，调低增益，优化线性度。因此自动增益控制可以权衡接 收机噪声和线性度两者性能。 图 1-1 性能指标之间的权衡 对多模块系统进行自动增益控制，首先会碰到增益如何分配的问题。对于 某一输入功率，只要增益之和固定，输出功率就保持不变。而保证增益之和固 定的各模块增益的配置方式有极多种，应该根据什么原则去分配增益呢？是否 存在一个最优的分配方式？以往文献没有对这个问题做出系统的回答。 功率检测器是自动增益控制中必需的模块。它可以检测输出功率是否满足 要求，控制环路根据功率检测器的检测结果进行增益调整。应用于射频前端的 功率检测器的设计也是一个难点，其工作频率范围比较大，其带宽至少要与低 噪声放大器的带宽一致。 1.3 论文主要贡献 本论文全面论述了射频接收机中自动增益控制相关问题。论文的主要贡献 有三点： 第一，解决了多模块系统增益分配的依据问题。采用信号噪声失真比的最 大化作为分配及调整增益的原则，并推导出级联信号噪声失真比的倒数等于各 个模块信号噪声失真比倒数之和，每个模块都存在一个最大的信号噪声失真比。 可以依据这个原则和推导出的结论进行增益的分配，并且可以找到一个最优的 分配方式。 第二，总结了三种数字自动增益控制的算法。作为一个应用的例子，对数 字电视调谐器的自动增益控制进行了分析与算法设计。这个数字电视调谐器具 有三级可变增益模块，算法保证了信号噪声失真比的最大化，具有恒定的锁定 时间，对硬件要求较低。 第三，设计了一个应用于射频前端的功率检测器。它采用了改进的宽带限 幅放大器以及全新的跨导放大器，输出信号跟输入信号功率成对数关系，工作 频率可以达到 1GHz
第一章概论 1.4论文组织结构 本论文总共有七章。首先分析了主要的系统指标，接着分析信号噪声失真 比，并得出增益控制的原则：然后讨论数字自动增益控制中的算法问题，及数 字电视调谐器自动增益控制的设计问题：接着详细介绍一种全新的功率检测器。 最后给出电路的仿真测试结果以及未来工作的总结与展望。具体的组织结构如 下： 第二章中介绍了主要的接收机性能指标与架构。 第三章引入了信号噪声失真比，然后推导了单个模块的信号噪声失真比， 级联模块的信号噪声失真比，提出了可变增益模块应达到的性能指标，可变增 益模块的接管点、目标功率和输入功率可锁定范围，最后总结了增益调整的原 则。 第四章中首先总结了经典的模拟自动增益控制，接着分析数字自动增益控 制，定义离散可变增益模块的锁定区间和目标窗口，讨论各种可行的算法，并 对数字自动增益控制和模拟自动增益控制进行比较。最后将数字自动增益控制 的相关结论应用于数字电视调谐器中，分析数字电视调谐器的增益分配，目标 功率选择，控制算法等问题。 第五章中详细介绍了一种应用于射频前端的宽带功率检测器。首先介绍功 率检测的基本原理，然后介绍功率检测器所采用的架构，接着详细介绍功率检 测器的各个子电路：限幅放大器、跨导放大器与整流器、低通滤波器。并给出 相关仿真结果。 第六章是电路仿真结果及测试结果。给出了数字电视调谐器中各个可变增 益模块仿真达到的性能指标，以及调谐器自动增益控制ADMS软件系统仿真的 结果。最后给出了自动增益控制和功率检测器的测试结果。 第七章是对本论文的总结及未来工作的展望。 参考文献 [1]J.R Smith,Modern Communication Circuits,New York:McGraw-Hill,2nd Edition,New York,1998. [2]U.L.Rohde,T.T.N.Bucher,Communication Receivers:Principles and Design,New York:McGraw-Hill,1988. [3]Okjune Jeon,Robert M.Fox,and Brent A.Myers,"Analog AGC Circuitry for a CMOS WLAN Receiver",IEEE J.Solid-State Circuits,vol.41,no.10, pp.2291-2300,Oct.2006. [4]Behzad Razavi,RF Microelectronics,清华大学出版社，北京，2004 3
第一章 概论 3 1.4 论文组织结构 本论文总共有七章。首先分析了主要的系统指标，接着分析信号噪声失真 比，并得出增益控制的原则；然后讨论数字自动增益控制中的算法问题，及数 字电视调谐器自动增益控制的设计问题；接着详细介绍一种全新的功率检测器。 最后给出电路的仿真测试结果以及未来工作的总结与展望。具体的组织结构如 下： 第二章中介绍了主要的接收机性能指标与架构。 第三章引入了信号噪声失真比，然后推导了单个模块的信号噪声失真比， 级联模块的信号噪声失真比，提出了可变增益模块应达到的性能指标，可变增 益模块的接管点、目标功率和输入功率可锁定范围，最后总结了增益调整的原 则。 第四章中首先总结了经典的模拟自动增益控制，接着分析数字自动增益控 制，定义离散可变增益模块的锁定区间和目标窗口，讨论各种可行的算法，并 对数字自动增益控制和模拟自动增益控制进行比较。最后将数字自动增益控制 的相关结论应用于数字电视调谐器中，分析数字电视调谐器的增益分配，目标 功率选择，控制算法等问题。 第五章中详细介绍了一种应用于射频前端的宽带功率检测器。首先介绍功 率检测的基本原理，然后介绍功率检测器所采用的架构，接着详细介绍功率检 测器的各个子电路：限幅放大器、跨导放大器与整流器、低通滤波器。并给出 相关仿真结果。 第六章是电路仿真结果及测试结果。给出了数字电视调谐器中各个可变增 益模块仿真达到的性能指标，以及调谐器自动增益控制 ADMS 软件系统仿真的 结果。最后给出了自动增益控制和功率检测器的测试结果。 第七章是对本论文的总结及未来工作的展望。 参考文献 [1] J. R Smith, Modern Communication Circuits, New York: McGraw-Hill, 2nd Edition, New York, 1998. [2] U. L. Rohde, T. T. N. Bucher, Communication Receivers: Principles and Design, New York: McGraw-Hill, 1988. [3] Okjune Jeon, Robert M. Fox, and Brent A. Myers, “Analog AGC Circuitry for a CMOS WLAN Receiver”, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 10, pp. 2291-2300, Oct. 2006. [4] Behzad Razavi, RF Microelectronics, 清华大学出版社，北京，2004
第二章接收机基本知识 第二章接收机基本知识 本章介绍接收机中涉及的基本概念、术语和接收机的基本架构。射频接收 机的主要工作原理，是将高频的射频信号转换成低频的基带信号，然后由基带 电路对信号进行处理。这个过程通常包括混频、滤波、放大等操作。由于实际 电路的非理想性，接收机会对信号引入噪声、失真等干扰，从而限制接收机可 以处理的最小信号和最大信号，减小接收机的动态范围。自动增益控制的主要 目的，就是增大接收机可以处理的最大信号，从而拓展接收机的动态范围。 2.1接收机的主要性能指标 2.1.1线性度 理想的射频接收机系统是线性系统，然而实际的射频接收机系统都具有非 线性，线性度是衡量接收机性能的一项主要指标，非线性的主要危害是有用信 号中产生了各种失真，这些失真像噪声一样恶化信号质量，因此我们希望接收 机的非线性越小越好。 接收机可以看成一个无记忆非时变的非线性系统，用级数多项式表示为[1]， y(t)=a。+ax(t)+a2X2(t)+a3X3()+… (2.1) 其中X()是输入信号，y)是输出信号，，=0,1,2，…是各项的系数。 衡量系统线性度主要有两个指标：1-dB压缩点和三阶交调点。除此之外本 论文还将推导宽带信号的三阶交调量，并简要介绍复合三阶失真。 2.1.1.11-dB压缩点 20logAout 1dB A1-dB 20logAin 图2-11-dB压缩点 对于一个非线性系统，随着输入信号功率的增大，系统的小信号增益会随 之减小，这种效应称为“增益压缩”。可以用1-dB压缩点来描述这种效应，1-dB 4
第二章 接收机基本知识 4 第二章 接收机基本知识 本章介绍接收机中涉及的基本概念、术语和接收机的基本架构。射频接收 机的主要工作原理，是将高频的射频信号转换成低频的基带信号，然后由基带 电路对信号进行处理。这个过程通常包括混频、滤波、放大等操作。由于实际 电路的非理想性，接收机会对信号引入噪声、失真等干扰，从而限制接收机可 以处理的最小信号和最大信号，减小接收机的动态范围。自动增益控制的主要 目的，就是增大接收机可以处理的最大信号，从而拓展接收机的动态范围。 2.1 接收机的主要性能指标 2.1.1 线性度 理想的射频接收机系统是线性系统，然而实际的射频接收机系统都具有非 线性，线性度是衡量接收机性能的一项主要指标，非线性的主要危害是有用信 号中产生了各种失真，这些失真像噪声一样恶化信号质量，因此我们希望接收 机的非线性越小越好。 接收机可以看成一个无记忆非时变的非线性系统，用级数多项式表示为[1]， ( ) ( ) ( ) ( ) 2 3 01 2 3 y t =+ + + + α α x t α x t α x t iii (2.1) 其中 x(t)是输入信号，y(t)是输出信号，αj，j=0, 1, 2, ···是各项的系数。 衡量系统线性度主要有两个指标：1-dB 压缩点和三阶交调点。除此之外本 论文还将推导宽带信号的三阶交调量，并简要介绍复合三阶失真。 2.1.1.1 1-dB 压缩点 图 2-1 1-dB 压缩点 对于一个非线性系统，随着输入信号功率的增大，系统的小信号增益会随 之减小，这种效应称为“增益压缩”。可以用 1-dB 压缩点来描述这种效应，1-dB
第二章接收机基本知识 压缩点定义为小信号增益降低1dB时的输入功率，如图2-1所示。根据(2.1)式 可以得到， A-0B 145 (2.2) 其中A1-dB是1-dB压缩点的幅度。 2.1.1.2三阶交调点 当两个不同频率的信号输入到非线性系统时，输出中会有某些不是输入频 率谐波的成分，将这些成分称为交调。在射频系统中，通常用一种双音(two-tone) 测试来测量系统的线性度。在双音测试中，向非线性系统输入两个幅度为A的 单频信号w1和w2,假设输入信号为x(⑤=Ac0s(w1)+Ac0s(w20,则在频率 2w1-w2和2w2-w1处分别会产生三阶交调量，如图2-2所示。 U12 2Ww2 2w2w 图2-2非线性系统中的三阶交调量 signal channel 0 图2-3信号被自身的三阶交调量所恶化 interferers ↓↓ desired channel 图2-4信号被临近干扰的三阶交调量所恶化 将X(⑤代入(2.1)式可以求得三阶交调量的幅度AM3为， 03A3 (2.3) 4
第二章 接收机基本知识 5 压缩点定义为小信号增益降低 1dB 时的输入功率，如图 2-1 所示。根据(2.1)式 可以得到， 1 1-dB 3 0.145 α A α = (2.2) 其中 A1-dB 是 1-dB 压缩点的幅度。 2.1.1.2 三阶交调点 当两个不同频率的信号输入到非线性系统时，输出中会有某些不是输入频 率谐波的成分，将这些成分称为交调。在射频系统中，通常用一种双音(two-tone) 测试来测量系统的线性度。在双音测试中，向非线性系统输入两个幅度为 A 的 单频信号 ω1 和 ω2，假设输入信号为 x(t)=Acos(ω1t)+Acos(ω2t)，则在频率 2ω1–ω2和 2ω2–ω1处分别会产生三阶交调量，如图 2-2 所示。 图 2-2 非线性系统中的三阶交调量 图 2-3 信号被自身的三阶交调量所恶化 图 2-4 信号被临近干扰的三阶交调量所恶化 将 x(t)代入(2.1)式可以求得三阶交调量的幅度 AIM3为， 3 IM3 3 3 4 A = α A (2.3)