复旦大学：《集成电路工程》教学资源（硕士士学位论文）射频接收机中的自动增益控制

第一章概述 tuner))为例，主要通过信号噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio, SNDR)这一指标来合理配置各级增益，由于带外干扰的存在，在设计中同时辅 以功率差值判断的方法来进行线性度与噪声的优化选择。讨论总结如何从系统的 角度优化整个接收机的信号输出质量。 1.3论文结构 以一个实际的数字电视调谐器(TV-tuner)为例，本论文详细阐述了从射频的 基础理论到最终对整个系统的自动增益控制，得到了在射频设计中如何协调影响 信号质量的两个干扰一线性度与噪声，并以线性噪声失真比为主要参考指标设计 各个模块的增益，最后引入系统级的自动增益控制方法，通过复用，多模式调整 等方式具体优化实际应用中可能遇到的各种情况，然后是一些设计仿真的结果和 最近一次TV-tuner流片后的测试结果，最后是对自动增益控制算法的一个总结， 以及一些关于算法的改进设想，并对未来的自动增益控制发展进行一些展望。具 体的章节组织结构如下： 第二章主要是对射频设计的一些基础概念进行简单的介绍，并以线性度与噪 声的折衷为研究方向，引入信号噪声失真比的概念，作为优化信号质量的指标。 最后是对接收机的架构进行简单的介绍。 第三章介绍自动增益控制方法，首先是对自动增益控制方法的概述，总结了 一些常见结构和设计方法，然后引入系统级自动增益控制方法，之后以一个 TV-tuner芯片作为实例，在阐述了这款芯片的架构之后，设计了可应用于这款芯 片的系统级自动增益控制模块。最后对系统中其他数字控制模块进行了介绍。 第四章是对TV-tuner芯片相关模块的一些仿真结果及系统仿真结果，然后 列出芯片的测试结果以做对比。 第五章是对系统自动增益控制的一个总结与展望。 0

第一章 概述 3 tuner)为例，主要通过信号噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio, SNDR)这一指标来合理配置各级增益，由于带外干扰的存在，在设计中同时辅 以功率差值判断的方法来进行线性度与噪声的优化选择。讨论总结如何从系统的 角度优化整个接收机的信号输出质量。 1.3 论文结构 以一个实际的数字电视调谐器(TV-tuner)为例，本论文详细阐述了从射频的 基础理论到最终对整个系统的自动增益控制，得到了在射频设计中如何协调影响 信号质量的两个干扰－线性度与噪声，并以线性噪声失真比为主要参考指标设计 各个模块的增益，最后引入系统级的自动增益控制方法，通过复用，多模式调整 等方式具体优化实际应用中可能遇到的各种情况，然后是一些设计仿真的结果和 最近一次 TV-tuner 流片后的测试结果，最后是对自动增益控制算法的一个总结， 以及一些关于算法的改进设想，并对未来的自动增益控制发展进行一些展望。具 体的章节组织结构如下： 第二章主要是对射频设计的一些基础概念进行简单的介绍，并以线性度与噪 声的折衷为研究方向，引入信号噪声失真比的概念，作为优化信号质量的指标。 最后是对接收机的架构进行简单的介绍。 第三章介绍自动增益控制方法，首先是对自动增益控制方法的概述，总结了 一些常见结构和设计方法，然后引入系统级自动增益控制方法，之后以一个 TV-tuner 芯片作为实例，在阐述了这款芯片的架构之后，设计了可应用于这款芯 片的系统级自动增益控制模块。最后对系统中其他数字控制模块进行了介绍。 第四章是对 TV-tuner 芯片相关模块的一些仿真结果及系统仿真结果，然后 列出芯片的测试结果以做对比。 第五章是对系统自动增益控制的一个总结与展望

第二章射频设计中的主要参量与接收机架构 第二章射频设计中的主要参量与接收机 架构 在射频设计中，信号的大小是使用功率来衡量的，为了得到具有良好的功率 传输的射频电路系统，必须对影响信号的两个主要干扰：非线性和噪声进行分析。 本章首先简要介绍非线性和噪声的概念，并着重对宽带信号的非线性进行分析。 接着引入为权衡这两个指标而定义的信号噪声失真比的概念，并将这一指标作为 后续章节中系统增益分配的一个主要参考标准。最后，对接收机的架构做一个简 单的介绍，并讨论了各种架构的优势与缺陷。 2.1非线性 非线性是衡量信号质量的重要指标，在系统中造成非线性的因素有很多，包 括谐波失真，增益压缩，互调，交调等。对于谐波失真，良好的差分结构可以有 效抑制偶次谐波，而且很多高阶谐波会被模块自身的低通特性滤去。对于互调， 主要是在处理多个独立信号通道时影响较大。这里，我们主要关注的是系统的三 阶交调失真。 从另一方面来讲，对于谐波失真，我们考虑的是信号自身的影响，对于增益 压缩，我们所处理的情况是有用信号与同频道处的一个大的干扰信号。在射频设 计中，我们更多考虑到的，是有两个或者两个以上的干扰信号存在时，干扰信号 对有用信号的影响，这里我们首先讨论一种简单的情况：有用信号与两个干扰信 号输入到接收机中。 我们可以将接收机中的各个模块近似为一个个非线性无记忆的系统[4][5]， 那么其输入输出关系可以表示为； y(t)=C+aX(t)+a2X2(t)+C3x3(t)+… (2.1) 其中，y(0是输出信号，x(⑤是输入信号。如果两个干扰处于频率w1和w2处，且 w1<w2,考虑两个干扰的影响，可以假设干扰信号为X(⑤=A1C0sw1t+ A2c0sw2t,根据(2.1)那么， y()≈a+a,(Ac0sω，t+A,cosw2t)+a2(A cos w,t+A2cosw,t}2 (2.2) +ag(A coswt+Acoswzt)3 上式展开后，易知，输出将在w1、w2、w1±w2、2w1±w2、2w2±w1产生分量， 这里，如果有用信号ω0与以上任意交调频率相等，则会对ω0处的输出产生失 真，图2-1显示了当w0=2w1-w2时，干扰信号的交调量对有用信号的影响

第二章 射频设计中的主要参量与接收机架构 4 第二章 射频设计中的主要参量与接收机 架构 在射频设计中，信号的大小是使用功率来衡量的，为了得到具有良好的功率 传输的射频电路系统，必须对影响信号的两个主要干扰：非线性和噪声进行分析。 本章首先简要介绍非线性和噪声的概念，并着重对宽带信号的非线性进行分析。 接着引入为权衡这两个指标而定义的信号噪声失真比的概念，并将这一指标作为 后续章节中系统增益分配的一个主要参考标准。最后，对接收机的架构做一个简 单的介绍，并讨论了各种架构的优势与缺陷。 2.1 非线性 非线性是衡量信号质量的重要指标，在系统中造成非线性的因素有很多，包 括谐波失真，增益压缩，互调，交调等。对于谐波失真，良好的差分结构可以有 效抑制偶次谐波，而且很多高阶谐波会被模块自身的低通特性滤去。对于互调， 主要是在处理多个独立信号通道时影响较大。这里，我们主要关注的是系统的三 阶交调失真。 从另一方面来讲，对于谐波失真，我们考虑的是信号自身的影响，对于增益 压缩，我们所处理的情况是有用信号与同频道处的一个大的干扰信号。在射频设 计中，我们更多考虑到的，是有两个或者两个以上的干扰信号存在时，干扰信号 对有用信号的影响，这里我们首先讨论一种简单的情况：有用信号与两个干扰信 号输入到接收机中。 我们可以将接收机中的各个模块近似为一个个非线性无记忆的系统[4][5]， 那么其输入输出关系可以表示为， 2 3 01 2 3 yt xt x t x t ( )     α α ( ) α ( ) α ( )  (2.1) 其中,y(t)是输出信号，x(t)是输入信号。如果两个干扰处于频率 ω1 和 ω2 处，且 ω1 < ω2，考虑两个干扰的影响，可以假设干扰信号为 x(t) = A1cosω1t + A2cosω2t，根据(2.1)那么， 2 0 11 1 2 2 21 1 2 2 3 31 1 2 2 ( ) ( cos cos ) ( cos cos ) ( cos cos ) y t α α A ω t A ω t α A ω t A ω t α A ω t A ω t       (2.2) 上式展开后，易知，输出将在 ω1、ω2、ω1 ± ω2、2ω1 ± ω2、2ω2 ± ω1产生分量， 这里，如果有用信号 ω0 与以上任意交调频率相等，则会对 ω0 处的输出产生失 真，图 2-1 显示了当 ω0 = 2ω1 – ω2时，干扰信号的交调量对有用信号的影响

第二章射频设计中的主要参量与接收机架构 6Uh02 wb W1 W2 图2-1三阶交调量对有用信号的影响 2.1.1三阶交调点 以上讨论的三阶交调对信号的影响，有两个需要注意的地方：1.我们推导 公式时，考虑的都是一个一个的单频点，实际上，这是我们对处理窄带信号的一 种简化假设。2.三阶交调量来自带外的两个干扰信号，由带外两个干扰源产生 了三阶交调量落在带内，对带内有用信号产生影响。 然而，对于三阶交调，还有一种恶化信号的可能来自带内信号的交调，举例 来讲，假设一个窄带信号，我们关注带内两个频率处的信号w1和w2,假设w1< w2,并且两个频率非常接近，那么当它们通过系统后，这两个信号的众多交调 量中，2w1-w2和2w2-w1处的交调量可能会落在带内，如图2-2，从而恶化 了整个频道的输出信号。 W W2 uu 2w-w 2w2-W1 图2-2带内三阶交调量的干扰 为了衡量这种失真造成的影响，我们引入三阶交调点(P3)的概念，首先将相 关频率的分量列出，根据(2.2)式， w:(aA+ 40+3。 aAA)cosw.ta.A.cosw.t (2.3) 仙：aA+,4残+ aAA2)coswt=a,A cosw,t (2.4) 21

第二章 射频设计中的主要参量与接收机架构 5 图 2-1 三阶交调量对有用信号的影响 2.1.1 三阶交调点 以上讨论的三阶交调对信号的影响，有两个需要注意的地方：1. 我们推导 公式时，考虑的都是一个一个的单频点，实际上，这是我们对处理窄带信号的一 种简化假设。2. 三阶交调量来自带外的两个干扰信号，由带外两个干扰源产生 了三阶交调量落在带内，对带内有用信号产生影响。 然而，对于三阶交调，还有一种恶化信号的可能来自带内信号的交调，举例 来讲，假设一个窄带信号，我们关注带内两个频率处的信号 ω1和 ω2，假设 ω1 < ω2，并且两个频率非常接近，那么当它们通过系统后，这两个信号的众多交调 量中，2ω1 – ω2和 2ω2 – ω1处的交调量可能会落在带内，如图 2-2，从而恶化 了整个频道的输出信号。 图 2-2 带内三阶交调量的干扰 为了衡量这种失真造成的影响，我们引入三阶交调点(IP3)的概念，首先将相 关频率的分量列出，根据(2.2)式， 3 2 1 11 31 312 1 11 1 3 3 : ( )cos cos 4 2 ω α A   α A α A A ω t α A ω t (2.3) 3 2 2 12 32 321 2 12 2 3 3 : ( )cos cos 4 2 ω α A   α A α A A ω t α A ω t (2.4)

第二章射频设计中的主要参量与接收机架构 2w,-w2: 3aAAzcos(2w,-w)t (2.5) 4 2-w: 3a,A.Acos(2w2.)t (2.6) 令A1=A2=A,转换到对数坐标，2w1-w2和2w2-w1处的交调量是以3倍于 基波的速度增长，因此定义当基波幅度等于交调量幅度时的那一点为三阶交调点 (P3)[4],这一点所对应的输入为输入三阶交调点(P3),对应的输出为输出三阶 交调点(OIP3),如图2-3所示。 Aout↑20log(3/4agA3) 20log(aA) AoIP3 AIIP3 Ain 图2-3三阶交调点在对数坐标上的表示 这样，根据P3的定义，令(2.4)式与(2.6)式所表示的基波与交调量的幅度相 等，可以得到， 3a3A3 4 (2.7) 整理后得到P3, 4a1 3a3 (2.8) 以上推导得到的A3是一个很大的值，大到甚至超过电源电压。因此实际 的信号传输过程中不会遇到这样的输入情况，但是A3作为一个衡量线性度的 指标需要我们通过测试得到。比较流行的一种测试方法是双声测试(two-tone test)[4],只要我们通过测试得到输入基波量Ain以及输出基波量Aout和交调量 AM,就可以计算得到信号的AIP3, 6

第二章 射频设计中的主要参量与接收机架构 6 2 31 2 12 12 3 2 : cos(2 ) 4 α A A ωω ωω   t (2.5) 2 312 21 21 3 2 : cos(2 ) 4 α A A ωω ωω   t (2.6) 令 A1 = A2 = A，转换到对数坐标，2ω1 – ω2和 2ω2 – ω1处的交调量是以 3 倍于 基波的速度增长，因此定义当基波幅度等于交调量幅度时的那一点为三阶交调点 (IP3) [4]，这一点所对应的输入为输入三阶交调点(IIP3)，对应的输出为输出三阶 交调点(OIP3)，如图 2-3 所示。 图 2-3 三阶交调点在对数坐标上的表示 这样，根据 IP3的定义，令(2.4)式与(2.6)式所表示的基波与交调量的幅度相 等，可以得到， 3 3 IIP3 1 IIP3 3 4 α A α A  (2.7) 整理后得到 IIP3， 1 IIP3 3 4 3 α A α  (2.8) 以上推导得到的 AIIP3 是一个很大的值，大到甚至超过电源电压。因此实际 的信号传输过程中不会遇到这样的输入情况，但是 AIIP3 作为一个衡量线性度的 指标需要我们通过测试得到。比较流行的一种测试方法是双声测试(two-tone test)[4]，只要我们通过测试得到输入基波量 Ain 以及输出基波量 Aout 和交调量 AIM，就可以计算得到信号的 AIIP3

第二章射频设计中的主要参量与接收机架构 20iogAm=2201ogAu-20ogA)+201ogA (2.9) 2.1.2P3的级联公式 由于在接收机中，信号要通过从低噪声放大器到模数转换器等多个模块，所 以要考虑P3的级联公式（图2-4）。 1P3.1 IP3.2 1P3,3 IP3n 图2-4多级级联的P3 首先考虑两级级联的情况，那么各级的输入输出关系可以简化为， y(t)=a x(t)+a2x-(t)+ax(t) (2.10) y2(t)=By(t)+B2y(t)+Bay;(t) (2.11) 将两式合并后可以得到总的输入输出关系，我们只关心一阶和三阶量， y2(t)=aBX(t)+(a3B1+2a,a2B2+a3B3)x3(t)+… (2.12) 结合式(2.8)，可以得到两级级联的P3公式（这里的P3指的都是输入端）， 4 aB (2.13) 13 asB,+2a,a2B2+a;B 令第一级的IP3为AP3,1,第二级的P3为AP3,2,可以将式(2.13)整理为， 1=1+3aβ2+a A3A3.128,A62 (2.14) 由于偶次谐波可以有效的抑制，因此a2与2可以忽略，得到更加简化的级联公 式， 11，a2 (2.15) 根据这个简化的两级级联公式，我们可以扩展到级， 1s1++呢吃++听呢im Apan (2.16) AP3,n为第n级的输入三阶交调点，a1,n为第n级的一阶增益。根据这个级联公 式，可以看到，第一级的增益1,1对系统线性度影响最大，前级的增益越小，系 统的线性度就越好，因此当处理多个可变增益模块时，如果需要系统体现较好的 >

第二章 射频设计中的主要参量与接收机架构 7 IIP3 out IM in 1 20log (20log 20log ) 20log 2 A   AAA (2.9) 2.1.2 IP3的级联公式 由于在接收机中，信号要通过从低噪声放大器到模数转换器等多个模块，所 以要考虑 IP3的级联公式(图 2-4)。 图 2-4 多级级联的 IP3 首先考虑两级级联的情况，那么各级的输入输出关系可以简化为， 2 3 11 2 3 y t() () () ()   α x t α x t α x t (2.10) 2 3 2 11 21 31 y t() () () ()   β y t β y t β y t (2.11) 将两式合并后可以得到总的输入输出关系，我们只关心一阶和三阶量， 3 3 2 11 3 1 12 2 1 3 y t() () ( 2 ) ()     α β x t α β αα β α β x t  (2.12) 结合式(2.8)，可以得到两级级联的 IP3公式（这里的 IP3指的都是输入端）， 1 1 3 3 31 122 1 3 4 3 2 IP α β A α β αα β α β    (2.13) 令第一级的 IP3为 AIP3,1，第二级的 IP3为 AIP3,2，可以将式(2.13)整理为， 2 22 1 22 2 IP3 IP3,1 1 IP3,2 1 1 3 2 αβ α A A β A   (2.14) 由于偶次谐波可以有效的抑制，因此 α2与 β2 可以忽略，得到更加简化的级联公 式， 2 1 22 2 IP3 IP3,1 IP3,2 1 1 α AA A   (2.15) 根据这个简化的两级级联公式，我们可以扩展到 n 级， 2 22 22 2 1,1 1,1 1,2 1,1 1,2 1,(n 1) 22 2 2 2 IP3 IP3,1 IP3,2 IP3,3 IP3,n 1 1 α αα αα α AA A A A        (2.16) AIP3,n为第 n 级的输入三阶交调点，α1，n为第 n 级的一阶增益。根据这个级联公 式，可以看到，第一级的增益 α1,1 对系统线性度影响最大，前级的增益越小，系 统的线性度就越好，因此当处理多个可变增益模块时，如果需要系统体现较好的