前言 分析了频率综合器中环路参数的变化对环路稳定性的影响[3]。引入了变化因子的概 念，并讨论得到了稳定性最优闭环阻尼因子的计算方法，提出了基于稳定性优化的 环路参数设计方法。 3)提出了电荷泵等效电流噪声的采样噪声模型，与传统的导通比模型相比，在 低频段的噪声分析具有更好的精度。在此基础上，进一步分析了其它各模块的参数 化等效噪声模型，得出了环路总相位噪声的估算方法。 4)在详细分析全差分电荷泵电路的基础上，提出了电平位移电路、cascode管隔 离、复位信号生成电路等提高性能的方法，并提出了结构简单的稳定性补偿方法。 5)分析了采用开关阶跃可变电容器的新结构LC-VCO的工作原理4]，并且设计 了全差分的压控振荡器。 6)分析和总结了低噪声的分频器的设计原理和方法。 概括而言，本论文在基于环路稳定性优化的参数设计方法、以及如何准确的估计 环路的相位噪声的两个方面进行的深入的研究，为设计高性能的频率综合器得到了 很好的指导方法。同时，在电路实现方面，在全差分电荷泵、全差分压控振荡器的 设计也有所创新。仿真和测试的结果进一步验证了稳定性参数优化和噪声估计方法 的正确性，也验证了电路设计的可行性。 论文的组织结构 第一章，“DVBT接收机中频率综合器性能”，首先简单介绍一下DVBT标准， 及部分与频率综合器性能指标相关的内容：然后重点介绍了频率综合器中的相位噪 声和时钟抖动的基本概念；并且进一步推导了DVB-T接收机对频率综合器相位噪 声的性能要求。 第二章，“频率综合器的结构”，介绍了频率综合器的组成、线性分析模型和噪 声的产生及传递等基础知识；进一步介绍了常用的频率综合器的电路结构：整数分 频、分数分频和双环路结构，比较了各自的优缺点及适用范围：最后，介绍了DVB-T 接收机的基本结构，并分析了适用的频率综合器结构和存在的问题。 第三章，“环路参数设计”，采用闭环三阶的环路模型，推导了设计环路参数的 流程和方法：以闭环分析为基础，借助于根轨迹的分析方法，定量分析了环路参数 的变化与环路稳定性之间的关系，并且进一步提出了基于稳定性优化的参数设计方 法：此外，还分析了二阶模型和三阶模型、三阶模型和四阶模型相互之间的关系。 第四章，“噪声估计”，在闭环三阶模型的基础上，分析了环路中各个模块的传 输函数和降低环路噪声的方法。提出了电荷泵的采样等效噪声模型，并且分别采用
前言 分析了频率综合器中环路参数的变化对环路稳定性的影响[3]。引入了变化因子的概 念，并讨论得到了稳定性最优闭环阻尼因子的计算方法，提出了基于稳定性优化的 环路参数设计方法。 3) 提出了电荷泵等效电流噪声的采样噪声模型，与传统的导通比模型相比，在 低频段的噪声分析具有更好的精度。在此基础上，进一步分析了其它各模块的参数 化等效噪声模型，得出了环路总相位噪声的估算方法。 4) 在详细分析全差分电荷泵电路的基础上，提出了电平位移电路、cascode 管隔 离、复位信号生成电路等提高性能的方法，并提出了结构简单的稳定性补偿方法。 5) 分析了采用开关阶跃可变电容器的新结构 LC-VCO 的工作原理[4]，并且设计 了全差分的压控振荡器。 6) 分析和总结了低噪声的分频器的设计原理和方法。 概括而言，本论文在基于环路稳定性优化的参数设计方法、以及如何准确的估计 环路的相位噪声的两个方面进行的深入的研究，为设计高性能的频率综合器得到了 很好的指导方法。同时，在电路实现方面，在全差分电荷泵、全差分压控振荡器的 设计也有所创新。仿真和测试的结果进一步验证了稳定性参数优化和噪声估计方法 的正确性，也验证了电路设计的可行性。 论文的组织结构 第一章，“DVB-T 接收机中频率综合器性能”，首先简单介绍一下 DVB-T 标准， 及部分与频率综合器性能指标相关的内容；然后重点介绍了频率综合器中的相位噪 声和时钟抖动的基本概念；并且进一步推导了 DVB-T 接收机对频率综合器相位噪 声的性能要求。 第二章，“频率综合器的结构”，介绍了频率综合器的组成、线性分析模型和噪 声的产生及传递等基础知识；进一步介绍了常用的频率综合器的电路结构：整数分 频、分数分频和双环路结构，比较了各自的优缺点及适用范围；最后，介绍了 DVB-T 接收机的基本结构，并分析了适用的频率综合器结构和存在的问题。 第三章，“环路参数设计”，采用闭环三阶的环路模型，推导了设计环路参数的 流程和方法；以闭环分析为基础，借助于根轨迹的分析方法，定量分析了环路参数 的变化与环路稳定性之间的关系，并且进一步提出了基于稳定性优化的参数设计方 法；此外，还分析了二阶模型和三阶模型、三阶模型和四阶模型相互之间的关系。 第四章，“噪声估计”，在闭环三阶模型的基础上，分析了环路中各个模块的传 输函数和降低环路噪声的方法。提出了电荷泵的采样等效噪声模型， 并且分别采用 2
复旦大学博士学位论文 了基于参数的噪声模型和基于性能指标的噪声模型对不同的模块等效噪声进行估 计：最后由噪声传输函数和等效噪声模型，得到了环路的最终输出相位噪声的估计。 第五章，“电路设计”，先介绍了鉴相器的设计方法，随后详细的研究了全差分 电荷的电路设计方法和稳定性补偿技术：讨论了环路滤波器中电阻和电容的选择方 法，并讨论了降低电容面积的技术：介绍了开关可变电容器的工作原理，并且在此 基础上设计了全差分的压控振荡器电路：分析了分频器结构与噪声的关系，设计了 基于TPSC逻辑的低噪声分频器：最后介绍了用于整个电路中的偏置电路的设计方 法。 第六章，“仿真与测试”，针对DVB-T的要求设计了一个窄带的频率综合器来验 证稳定性分析和噪声估计的方法。通过仿真，验证了基于稳定性的参数设计方法和 稳定性补偿电荷泵调整电路。通过仿真和测试，验证了提出的电荷泵采样噪声模型 和噪声估计的计算方法。同时还测试了采用开关变容器的差分压控振荡器的相位噪 声。最后提出了进一步进行噪声优化的方法。 参考文献 [1]Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting System,P.R.China Patent 00 123597.4,Mar.21,2001 [2]ETSI EN 300 744,Digital Video Broadcasting(DVB):Framing structure,channel coding and modulation for digital terrestrial television.2001.http://www.etsi.org [3]He Jie,Tang Zhangwen,Min Hao,Hong Zhiliang."A CMOS Fully Integrated Frequency Synthesizer with Stability Compensation",Chinese Journal of Semiconductor, Accepted [4]Tang Zhangwen,He Jie,Jian Hongyan,and Min Hao."An Accurate 1.08-GHz CMOS LC Voltage-Controlled Oscillator",Chinese Journal of Semiconductor,Accepted 3
复旦大学博士学位论文 了基于参数的噪声模型和基于性能指标的噪声模型对不同的模块等效噪声进行估 计；最后由噪声传输函数和等效噪声模型，得到了环路的最终输出相位噪声的估计。 第五章，“电路设计”，先介绍了鉴相器的设计方法，随后详细的研究了全差分 电荷的电路设计方法和稳定性补偿技术；讨论了环路滤波器中电阻和电容的选择方 法，并讨论了降低电容面积的技术；介绍了开关可变电容器的工作原理，并且在此 基础上设计了全差分的压控振荡器电路；分析了分频器结构与噪声的关系，设计了 基于 TPSC 逻辑的低噪声分频器；最后介绍了用于整个电路中的偏置电路的设计方 法。 第六章，“仿真与测试”，针对 DVB-T 的要求设计了一个窄带的频率综合器来验 证稳定性分析和噪声估计的方法。通过仿真，验证了基于稳定性的参数设计方法和 稳定性补偿电荷泵调整电路。通过仿真和测试，验证了提出的电荷泵采样噪声模型 和噪声估计的计算方法。同时还测试了采用开关变容器的差分压控振荡器的相位噪 声。最后提出了进一步进行噪声优化的方法。 参考文献 [1] Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting System, P. R. China Patent 00 123 597.4, Mar. 21, 2001. [2] ETSI EN 300 744, Digital Video Broadcasting(DVB): Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television. 2001. http://www.etsi.org. [3] He Jie, Tang Zhangwen, Min Hao, Hong Zhiliang. “A CMOS Fully Integrated Frequency Synthesizer with Stability Compensation”, Chinese Journal of Semiconductor, Accepted. [4] Tang Zhangwen, He Jie, Jian Hongyan, and Min Hao. “An Accurate 1.08-GHz CMOS LC Voltage-Controlled Oscillator”, Chinese Journal of Semiconductor, Accepted 3
复旦大学博士学位论文 第一章DVB-T接收机中频率综合器性能 1.1引言 频率合成技术被广泛应用在国民生活和科技研究的各个方面，早己渗透到了空间 探测、通信、雷达、计算机及家电等各个领域。随着微电子技术（尤其是CMOS硅 工艺)的迅猛发展，现代频率合成技术已经向微型化和高集成度方向发展。尤其在 市场竞争激烈的消费电子领域，全集成的频率综合器已经成为了主流。 般来说，频率综合器关心的性能指标包含了：频率的分辨率、可调频率范围、 频率切换的瞬态稳定时间、相位噪声或者时钟抖动、参考时钟的馈通毛刺、功耗等 几个主要方面。由于不同应用对于频率综合器的性能要求各不相同，通常频率综合 器的结构和复杂度也随着应用系统的不同要求存在着差异。 本论文研究的是应用在DVB-T接收机中的频率综合器，而相位噪声及时钟抖动 是频率综合器设计的重点和难点，也是目前改进频率综合器的主要研究方向。因此 本章先简要的介绍一下DVB-T通信系统的特点：然后进一步介绍频率综合器中的 相位噪声和时钟抖动的基本概念：最后根据DVB-T的性能要求，初步计算满足系 统要求的频率综合器的相位噪声等性能指标。 1.2DVB-T简介 由于本论文所论述的频率综合器是应用于地面数字电视标准DVBT[1]接收机中 的，因此这里首先简单介绍一下DVBT的特点及性能要求，这些都将对频率综合 器的性能指标有影响。 DVB-T的主要特点： 1)规定的信道涵盖了VHF和UHF频段，并且同时定义了3种带宽，即8MHz、 MHz和6MHz,可以适合不同的国家和地区的应用。目前应用的最为广泛的是 8MHz的带宽。 2)采用编码正交频分多路(COFDM,Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信技术。正交频分多路(OFDM)是一种多载波通信技术，可以解决地 面无线信道中的多径效应。所谓编码就是指采用了信道编码技术，如线性分组编码 和卷积编码，这样能够提高整个系统的抗噪声和抗干扰能力。 3)DVB-T协议中目前定义了两种子载波数，即2K和8K模式。在2K模式、8MHz 带宽的情况下，实际的有效载波数是K=1704个，每个子载波的带宽是f=4.464, 4
复旦大学博士学位论文 第一章 DVB-T 接收机中频率综合器性能 1.1 引言 频率合成技术被广泛应用在国民生活和科技研究的各个方面，早已渗透到了空间 探测、通信、雷达、计算机及家电等各个领域。随着微电子技术（尤其是 CMOS 硅 工艺）的迅猛发展，现代频率合成技术已经向微型化和高集成度方向发展。尤其在 市场竞争激烈的消费电子领域，全集成的频率综合器已经成为了主流。 一般来说，频率综合器关心的性能指标包含了：频率的分辨率、可调频率范围、 频率切换的瞬态稳定时间、相位噪声或者时钟抖动、参考时钟的馈通毛刺、功耗等 几个主要方面。由于不同应用对于频率综合器的性能要求各不相同，通常频率综合 器的结构和复杂度也随着应用系统的不同要求存在着差异。 本论文研究的是应用在 DVB-T 接收机中的频率综合器，而相位噪声及时钟抖动 是频率综合器设计的重点和难点，也是目前改进频率综合器的主要研究方向。因此 本章先简要的介绍一下 DVB-T 通信系统的特点；然后进一步介绍频率综合器中的 相位噪声和时钟抖动的基本概念；最后根据 DVB-T 的性能要求，初步计算满足系 统要求的频率综合器的相位噪声等性能指标。 1.2 DVB-T 简介 由于本论文所论述的频率综合器是应用于地面数字电视标准 DVB-T[1]接收机中 的，因此这里首先简单介绍一下 DVB-T 的特点及性能要求，这些都将对频率综合 器的性能指标有影响。 DVB-T 的主要特点： 1) 规定的信道涵盖了 VHF 和 UHF 频段，并且同时定义了 3 种带宽，即 8MHz、 7MHz 和 6MHz，可以适合不同的国家和地区的应用。目前应用的最为广泛的是 8MHz 的带宽。 2) 采用编码正交频分多路(COFDM, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信技术。正交频分多路(OFDM)是一种多载波通信技术，可以解决地 面无线信道中的多径效应。所谓编码就是指采用了信道编码技术，如线性分组编码 和卷积编码，这样能够提高整个系统的抗噪声和抗干扰能力。 3) DVB-T协议中目前定义了两种子载波数，即 2K和 8K模式。在 2K模式、8MHz 带宽的情况下，实际的有效载波数是K=1704 个，每个子载波的带宽是fU=4.464kHz， 4
第一章DVBT接收机中频率综合器性能 丬f长一 保护边带 保护边带 ●●●●●● 7.61 MHz 8 MHz 图1.1DVB-T中信号的频域分布 循环 前缀 K△米 T Ts 图1.2DVB-T信号中一个symbol的时域分布 实际占用带宽是7.61MH,余下的带宽称为保护边带，如图1.1所示。在时域上， 如图1.2所示，一个数据符号(symbol)段Ts有两部分组成：有效数据段Tu=224us和 循环前缀段A。其中循环前缀段由有效数据的尾段组成，它的长度A在DVBT协议中 也有定义，可以是1/4、1/8、1/16或1/32有效数据段T的长度。 4)DVB-T可以采用多种调制方式将信号匹配到子载波上，包括QPSK、QAM-16、 QAM-64及非标准(non-uniform)的QAM-16、QAM-64。另外，DVB-T还提供了 采用BPSK调制的导频信号来进行参数传输、信道估计和均衡。 5)信道编码技术包括了线性分组码和卷积码。线性分组码采用Reed-Solomon编 码：RS(204,188,=8)。它表示可以纠正一个码字中8比特的错误，同时这种编码也 被称为外码。RS编码的编码率是固定的，而卷积编码在DVB-T标准中是可以选择 的，可以根据实际信道的情况加以调整。卷积编码的编码率可以有1/2、2/3、3/4、 56和7/8五种选择。卷积编码在标准中也被称为内码。同时，除了信道编码以外， 5
第一章 DVB-T 接收机中频率综合器性能 uf 7.61 MHz 8 MHz f {保护边带 {保护边带 图 1.1 DVB-T 中信号的频域分布 TU 循环 前缀 TS ∆ t 图 1.2 DVB-T 信号中一个 symbol 的时域分布 实际占用带宽是 7.61MHz，余下的带宽称为保护边带，如图 1.1 所示。在时域上， 如图 1.2 所示，一个数据符号(symbol)段TS有两部分组成：有效数据段TU＝224µs和 循环前缀段∆。其中循环前缀段由有效数据的尾段组成，它的长度∆在DVB-T协议中 也有定义，可以是 1/4、1/8、1/16 或 1/32 有效数据段TU的长度。 4) DVB-T 可以采用多种调制方式将信号匹配到子载波上，包括 QPSK、QAM-16、 QAM-64 及非标准（non-uniform）的 QAM-16、QAM-64。另外，DVB-T 还提供了 采用 BPSK 调制的导频信号来进行参数传输、信道估计和均衡。 5) 信道编码技术包括了线性分组码和卷积码。线性分组码采用 Reed-Solomon 编 码：RS(204,188,t=8)。它表示可以纠正一个码字中 8 比特的错误，同时这种编码也 被称为外码。RS 编码的编码率是固定的，而卷积编码在 DVB-T 标准中是可以选择 的，可以根据实际信道的情况加以调整。卷积编码的编码率可以有 1/2、2/3、3/4、 5/6 和 7/8 五种选择。卷积编码在标准中也被称为内码。同时，除了信道编码以外， 5
复旦大学博士学位论文 Reed-Solomon MPEG-2码流 编码 外交织 卷积编码 内交织 子载波符号 发送 (外码) (内码) 交织 (a)发送通道 MPEG-2码流 Reed-Solomon 外码 Viterbi 内码 子载波符号 解码 解交织 解码 解交织 解交织 接收 (b)接收通道 图1.3DVB-T标准中的信道编解码流程示意 图像信号 个 35 dB 声音和颜色信号 数字电视信号 PAL制 模拟电视信号 图1.4相邻的DVB-T数字电视信号和PAL模拟电视信号的频谱示意 还采用了交织技术来进一步提高系统对突发噪声的抗干扰能力。发送时的编码和交 织顺序如图1.3()所示；相应地，接收端也存在着解交织和解码的过程，如图1.3(b) 所示。通过编码和交织技术，发送端和接收端的MPEG-2码流能达到准无误(QEF, Quasi Error Free),即一个小时内出现的错误小于一个。DVB-T标准中也给出了在 不同信道、不同调制方式下，达到QEF时接收端的最小载噪比(CNR,Carrier to Noise Ratio)的参考测试值。例如，在移动条件下的信道（即Rayleigh信道），对于QAM-64 调制方式，要实现QEF的最小载噪比是27.9dB。 6)由于目前依然存在着模拟电视的广播，而模拟电视信号比数字电视信号要强 的多。DVB-T标准也给出了实际测试的参考值：在最坏情况下，模拟电视信号的强 度比数字电视信号要高35dB,如图1.4所示。如果模拟电视的信道与数字电视的信 道相邻，则相邻信道的干扰也要考虑，这对接收机中频率综合器的性能也有影响。 6
复旦大学博士学位论文 Reed-Solomon 编码 （外码） 外交织 卷积编码 （内码） 内交织 子载波符号 交织 Reed-Solomon 解码 外码 解交织 Viterbi 解码 内码 解交织 子载波符号 解交织 发送 接收 MPEG-2码流 MPEG-2码流 (a)发送通道 (b)接收通道 图 1.3 DVB-T 标准中的信道编解码流程示意 PAL制 模拟电视信号 数字电视信号 35 dB 图像信号 声音和颜色信号 图 1.4 相邻的 DVB-T 数字电视信号和 PAL 模拟电视信号的频谱示意 还采用了交织技术来进一步提高系统对突发噪声的抗干扰能力。发送时的编码和交 织顺序如图 1.3(a)所示；相应地，接收端也存在着解交织和解码的过程，如图 1.3 (b) 所示。通过编码和交织技术，发送端和接收端的 MPEG-2 码流能达到准无误（QEF, Quasi Error Free），即一个小时内出现的错误小于一个。DVB-T 标准中也给出了在 不同信道、不同调制方式下，达到 QEF 时接收端的最小载噪比（CNR, Carrier to Noise Ratio）的参考测试值。例如，在移动条件下的信道（即 Rayleigh 信道），对于 QAM-64 调制方式，要实现 QEF 的最小载噪比是 27.9 dB。 6) 由于目前依然存在着模拟电视的广播，而模拟电视信号比数字电视信号要强 的多。DVB-T 标准也给出了实际测试的参考值：在最坏情况下，模拟电视信号的强 度比数字电视信号要高 35 dB，如图 1.4 所示。如果模拟电视的信道与数字电视的信 道相邻，则相邻信道的干扰也要考虑，这对接收机中频率综合器的性能也有影响。 6