1.蓝牙无线发射器的设计

1.蓝牙无线发射器的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 1.蓝牙无线发射器的设计 复旦大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 蓝牙无线发射器的设计 姓名:张振勇 申请 关于撤销行政处分的申请关于工程延期监理费的申请报告关于减免管理费的申请关于减租申请书的范文关于解除警告处分的申请 学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学 指导教师:杨莲兴 20030526 蓝牙无线发射器的设计 摘要 蓝牙技术的出现是为了替代现有电子产品间用于数据通信的大量有线连接，所以它有很大的应用市场。其针对的市场应用要求蓝牙技术的特点是:低价格，低功耗，系统健壮。为了实现这些要求，很多公司部致力于单芯片蓝牙系统的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。而其中射频电路的全芯片实现是最大的难点。本论文就是针对采用,,,,,,工艺实现蓝牙无线发射器。 无线射频电路的设计不同于一般的电路设计，它是一个非线性时变系统，由于从天线上接收到的信号动态范围非常大，所以我们非常关注电路的噪声性能和非线性性能，电路噪声过大会淹没有用的弱信号，输入信号过强会驱使电路进入非线性区，强干扰信号会降低信号增益，产生的新的频率分量。所以在无线射频电路设计中引入一些特—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 有的电路性能衡量指标。 无线射频系统的架构设计至关重要，它影响整个系统的性能，集成化程度，功耗性能等。传统的外差式架构，集成度较差，而且没法很好的解决,,,,,信号的抑制;零中频架构又深受基带寄生信号的困扰。但在模拟域引入复信号处理的方法后(产生很多新的无线射频系统的架构，这些架构结构简单(性能理想，集成度高。 受到,,,,工艺的限制:寄生效应显著，损耗大，高频增益较小。高频电路是射频电路设计的难点，工艺的改进，成熟使这部分电路的实现成为可能。升频器，功率放大器是发射器中的重要组成部分，根据蓝牙射频设计的需要，选取合理的电路结构，充分考虑寄生效应，微波效应，才能保证其设计成功。 蓝牙发射器还包括很多中低频电路，,,,，,,,(,,,，等等，涵盖了大多数经典模拟电路(由于其设计指标不是特别苛刻，其设计过程比较成熟，论文中投有作详细介绍。 高频电路的版图设计非常具有挑战性，版图设计时对隔离，匹配又很高的要求。 蓝牙系统要得到蓝牙商标，必需通过蓝牙认证委员会的认证，为此蓝牙,，,颁布了一系列关于蓝牙的测试 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，其中包括射频部分测试 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。蓝牙系统本身也提供了一种测试的工作模式，在这种模式下，待测器件在测试设备的控制下写入具体的配置参数，发射接收信号，由特定仪器测试其性能。关键词:蓝牙，射频(无线发射器，无线接收器，混频器(功率放大器 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 中图书目分类号:,,,,，,,,,,， 堕至歪些苎堑墅塑墨～? ,,,,,,;, 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------------------------------------------------------------------------------------------------ 测试方法也 有所不同。文献【,,】 ,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,，,,,,,,,,, ,,,。,蓝牙市场规模 疽牙无线发射器的设计第一章蓝牙简介 ,,,,年爱立信，诺基亚等几家大公司发起成立了蓝牙特殊利益集团(,，,)，并于,,,,年合作公布了蓝牙,(,的协议规范，这是一个公开的规范，但所有公司开发出的蓝牙产品如果要获得蓝牙标识，必须经过蓝牙认证委员会的认证，通过兼容性测试和互通性测试，保证蓝牙产品符合蓝牙的协议规范，实现不同品牌蓝牙产品的互通。文献【,,】 ,(,蓝牙技术简介 蓝牙选取,(,,,,的，,,的公用频带作为其传输频段，不同的地区由于当地通信频带开放标准的不同，其工作频率范围也有所不同，在大多数国家该频带为,(,,,,,,。,(,,,,,,,，所以其工作频率信道有,,个或,,个之分，见文献【,,】。相邻信道间隔为,心,，数据传输率,,,,,,。 蓝牙采用跳频方式，以减小干扰和信号衰退，提高了通信的安全性，正常情况下要求跳频率,,,,,,,,,,。调制方式采用,,,,:两进制的,,调制，降低了收发器的复杂性，经过高斯滤波后的码型，使频谱更集中。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 每个通信通道以时隙(,,,,)作为基本通信单位，正常的时隙长度为,,,,,，对于双工数据发射，采用时分双工架构(,,,)，双向交替发射接收。信息以数据包(,,;,,,)方式传输，通常每个数据包占用一个时隙，最长可占用,个时隙(低干扰接收环境下，异步数据传输可以采用这种数据包格式，用以提高传输效率)，对于每个数据包，蓝牙采用固定的频率传输。 蓝牙支持同步传输(语音传输)，和异步传输(数据传输)两种方式。对于同步传输，在有规则的时间间隔内，蓝牙使用保留的时隙传输数据，保证数据传输的实时性。蓝牙可以同时支持一个异步传输通道和最多三个同步语音传输通道，或者一个通道同时进行数据异步通信和同步语音通信。每个语音通道支持,,,,,,的单向语音传输，异步通道在非对称模式下支持最大,,,(,,,,,的数据传输(此时在返回方向上数据传输率为,,(,,,,);在对称模式下支持双向,,,(,,,,,的数据传输率。 蓝牙技术支持两个蓝牙器件之间的点对点通信(,,,(,,)，以及一个蓝牙器件和多个蓝牙器件之间的一点对多点的通信(,,,(,,)，此时多个蓝牙器件共享通信通道，组成一个蓝牙网络:匹克网(,,;,,,,)。在匹克网中，一个蓝牙器件作为主器件，其他器 蓝牙无线发射器的设计第一章蓝牙简介 件作为从器件，主器件决定跳频序列。最多可有七个从器件和主器件保持数据通信，与此同时还允许更多的器件和主器件处于同步状—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 态。多个匹克网重叠组成散射网(,;,,,,,,,,)，如图(,,,(,;)。一个匹克网中的主器件在另一个匹克网中可以是从器件。每个匹克网根据主器件的地址产生唯一的跳频序列，匹克网中的其他器件都要遵循这一的跳频序列。文献【,,】 ,,,(,匹克网和散射网 ,(,蓝牙系统的解决方案 蓝牙应用主要是将有线连接替代为无线连接，所以要求低价格，低功耗，低复杂性，系统健壮。为了满足这些要求，蓝牙采用跳频方式，同时设计时更强调低功耗，健壮性，要求对，,,频带内众多的无线信号干扰，有很强的免疫力。完整的蓝牙系统由射频单元，基带的链接控制单元，和链接控制软件组成，见,,,(,(,)。 目前已有爱立信，诺基牙，飞利浦等很多公司提供通过认证的蓝牙芯片，或芯片组，见文献【,,】。其中有些厂商采用多芯片的解决方案，用,,,,器件实现基带的,,,，微控制器，用双极型器件实现射频部分:另有一些厂商采用完全,,,,工艺实现单芯片的蓝牙系统。，我们采用后一种解决方案，,,,(,(,)给出了我们蓝牙系统的实现框图。我们蓝牙系统的设计主要针对后一种解决方案，主要考虑到这种解决方案更能迎 蕴牙无线发射器的设计第一章蓝牙简介 合市场对蓝牙系统低价格的要求:随着,,,,,,工艺的成熟，,,,,工艺实现高频电路完全胜任:很多芯片代工厂都能提供成熟的,,,,,,工艺下的器件模型，例如,，,电容，平面螺旋电感，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 高频的,,,管模型等。?事实上,，公司已经能够在大批量生产的前提下，提供价格低于四美元的单芯片蓝牙系统。 ,,,。,(,)蓝牙系统框图 ,,,。,(,) ,(,(,蓝牙系统框图无线射频电路用集成电路实现的优点 射频部分完全用集成电路实现(有其独特的优点。因为在中低频集成电路中，电 蓝牙无线发射器的设计第一章菔牙简介 路的尺寸远小于电路处理的信号频率对应的波长，所以基尔霍夫电流定理和基尔霍夫电压定理适用。但是当电路的工作信号频率对应的波长和电路的尺寸可以相比拟时，上述两个定理不再适用，必须考虑微波效应，所以电路只能作为一个离散的系统来处理。如果用集成电路来实现射频电路，则由于器件尺寸很小，当其远小于信号波长时，电路仍然可以看作是一个集总系统。另一方面如果在集成电路设计时，电路作为一个离散系统设计，电路几乎没法设计。假定一个集成电路中，最大的尺寸是,,，,，如果远小于认为是相差十倍以上，那么在空气中，集总方法适用的最短的信号的波长为,;,，对应频率,,,,,。因为硅，二氧化硅的介电常数都大于,(分别为,,(,，,(,)，可作为集总系统分析的工作频率小于,,,,,，但对大多数目前的通信系统来讲，已经是足够了。 全片上射频电路的解决方案，要求,,信号的处理过程在一块芯片上完成，这就不需要额外驱动电路驱动,,,,,的滤波器，传输—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 线等外接元件，可以大大降低功耗。 在集成电路制造中，寄生器件的存在，使连线延迟不可避免，通过减小寄生器件可以减小延迟，但是这种减小总是受到工艺条件的限制，不可能无限制地减小下去，所以将电路作为集总系统分析时，会发现传输带宽受到寄生器件的限制。但如果此时能把连线看作传输线，用微波理论进行分析，那么可以发现，在连线上同样可以传输很高频率的信号。见文献【,,】 ,(,参考文献 【，,】。“,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,叫却,,,;,,,,,,,,,,,,,—,，,,,, ,,,,:,,,,,(,？,,,,,(;,,,,,,,,,,,,,,,,, 【,,】。“,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,;,,,,,,,,,,,,,一,，,,,, ,,,,:,,,,,(,,,,,,,(;,,,,,,,,,,,,,,,,, 【,,】。“,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,”，,,,, ,,,,:,,,,,(,,,,,,,,,(,,,, 【,,,。“浅谈蓝牙无线测试”，来自安立公司的蓝牙测试仪介—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 绍。 【,,】。,,,,,,,(,,,“,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,？,,,;,，,,,,,,,,,, ,,,;,,,,”，,,,,,,,,,,,,,,( 蓝牙无线发射器的设计第二章无线射频电路设计的基本概念 第二章无线射频电路设计的基本概念 无线系统是一个非线性时变系统，相对传统的线性时不变系统的分析方法，有其独特性，本章对对其设计中的一些基本概念作简单的介绍。:,(,非线性时变系统 ,(,(,非线性系统 如果一个系统是线性的，那们它的输出可以表示成它每个输入响应的线性组合。如果对于输入,，(,)，,～(,)，相对应的系统输出响应分别为:?(,)，,:(,) ,,(,),,,(,)，,,(,)一,,(,)(,) 这里，箭头表示系统的传输特性。如果对于所有的常数,，,都存在: ,(,,(,)，,,,(,),?,,,(,)，印,(,)(,) 那么这样一个系统是线性系统，任何不满足上述条件的系统都是非线性系统。,(,(,时变系统 如果一个系统的输入在时域上的平移，其对应的系统输出是相同—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 的时域上平移，那么这个系统是时不变系统。即:如果工(,),,(,)，那么,(,—,)寸,(,—,)。任何不满足上述条件的系统都是时变系统。 ,(,(,系统函数 如果一个系统是无记忆系统，那么它的输出不依赖于输入的过去值，对于一个无记忆线性系统，系统函数可以表示成: ,(,),口,，口,,(,)十岱,,(,)，口,,(,)，???(,) 这里，铲;(等儿，。 如果该系统是时变系统，那们,，是时间的函数。如果当,为偶数时，口。,,，那么该系统是奇对称的电路，称之为“差分电路”或“平衡电路”。 无线系统是一个非线性时变系统，但可以用线性模型加以近似，以获取它对小信号输入的输出响应。简单起见，把这些电路近似看作无记忆时变电路用式(,)加以近似，这里为了简化，三次以上高阶项忽略了。 ,(,),口,,(,)，口,,(,)，岱,,(,)(,) 蕊芽无缓发射嚣的设计第二章笼线射攘锻鼯设计的囊本概念,(,系统中豹专车线注阂素静影嚷 无线系统作为,,线性系统，要考虑系统,,线性引入的,些特殊效应。 ,?,?,谐波‘ —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 褥一个正弦壤号输入,,线蛙系绕，羧如孛含露输入傣号频率整数傍豹频率成分(谐波)。如果输入为:,(,),,;,,;,,，那么对于式(,)表示的系统: ,(,),搿,,;,,,,,，岱,,,,,,耐，甜，,,,,,,,耐(,) 锄翩,耐十吉;,,,,(,，;,,,咖竿(,;撼联，;,,,叫)(,) ,竿，国,,，竿冲,甜，竿;,,,硝，竽;,,融 蠢，式(,)孛,,远大子其氇会有,靛磺, ,，,。,?输入频率，,,称巍基频，蟪入频率豹整数倍,,,，,,，分别繇为二次，三次谐波。可以观察到，如果采用麓分结构，可以去除输出的偶数阶谐波。对于小信号输入丽增益压缩 对于输入小信号而裔，式(,)中谐波分蠹可以忽略，所以小信号增益为:(,蠢，竿)“嘶蠢，因为输入的是小僚号，,,,,,,蝴。毽随着输入箔度瓣增大，三号,在总的小倍号增益中比重增大，不能忽略不计。黼为,猩电路里,般是负德，故三笔,是嫩值，所以随着输入幅度的增大，小信母增益降低。(对,般电路可以观察浏，当输入幅度增大时(输出达到饱和，增益降低)，如图,,,。,。憋小信粤增益下降为,,,聪豹戆入幅度，豫为“,一,,魇缨点”。 ,,,,,,,,,,; ,,,。,,—,,压缩点 由式(,)可计弊,—,,压缩点:亨 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 蓝牙,邑线发射器的设计第二章觉线射频电路设计的基本概念 ,,,,,,嚣,十三,“,—,，一?,,,,,,,,,,,,,(,) 聋。,,,,毒, ,(,(,?(镲号失灵粒隰塞 当一个有用弱信号和,个高强度干扰信号同时输入式(,)系统时，设输入工(,),,, 馕号，则;,,?,,，,,,,,,,,,,其中,,,,,,,，,为有糟的输入信号，,,,,,,,,,是干扰, ,(,),(群，“,，言,,爿,，，吾搿,,,,,,);。,?，,，??? 黼为,，,《,,，所以式(,,)可以简化为(,,) ,露),(,,，妄盘，菇;)碡,,,,?，??,(,,) 嗣为鳓,,，所以当于扰信号强度,:增大时，有用信号的增益弛，，昙岛爿,,)卫;下蹲，阻塞有用弱信号，当干扰信号强度信号足够大时，有用信号增赫可能下降为零。,(,(, ,(,(,(,互灞效应，，,,的定义 当两个不同频率的信号输入一个如式(,)瓣示的,,线性系统时，商于菲线性离次项的存在，输出的频率戒分中不仅裔这两个信号频率的基频和谐波，还有它们谐波频率的差值，这样的效应,？做互调。 设输入饺号:,(,),,,,,,,,,,，,,,,,,()—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,,粼; ,,,,,，,，,,;,,脚,,),,(,),口，(,,,,,,,,,，,,,,,,,,,)十盘,(一,;,,？,，,,,,,,),,),，口,(,， (,,) 游装(,,)爨开，忽臻鼹个骧入缓率匏,雾渡分妻粒壹渡分鳖，褥垂,互调产生熬频攀成多子:?,,,,,土掰,:口,,,,,,,,(,,，，?,弦，口,,，,,,,,(,),一曲,),(,,) :,掰、??::,,，,,,,,，;。,(,甜，，?:),，三曼,丢堕;。,(,掰，一?:),(,,) (,,)勘:蛔:塾笋删毡十嘞抄,,,,,,,,,，;,,(,蛾一？? 基频成分:掰,?:扭函，三如?,，寻嘞爿，,,,);。,皱, 蕴牙无线发射器的设计第二章无线射频电路设计的基本概念 甜::(,，爿:，;,，,,:，;口，爿:爿,?);。,国:,(,,) 在无线电路设计中，特别关心互调产生的三阶频率分量,;,(一奶，,,,:一?，:当一个有用的弱信号和两个邻近信道的强干扰信号同时进入一个,,电路时，这两个干扰信号产生的三阶互调信号常常落入有用的频带内，降低有用信号接收质量，见,,,(,—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ , ，,,,,,,,,,;,八 ,,,,,, 厂—,, 一?,,,,,,,,一？,,,?,一?,,,,？ ,,,(,互调产生干扰 这种效应可用三阶截点(球,)来表征。假设邻近两个信道的干扰信号的强度都为,，式(,,)，(,,)可改写成: ,舭叫竿;,,(,:蚴,竿;,,(,旷蚴, ?::(口。,，;,，“,),,,(,,,，(,,:(,,,，詈,，,,);。,?(,(,,)(,,) 当,足够小时，式(,,)中产生的非线性高阶项可以忽略，基频信号增益为小信号增益口(，随着,的增大，输出基频?。，,:的幅度正比于,增大;而三阶互调项,,),,,,:，,,),一国，的幅度正比于,,增大(见式(,,)，(,,))，如,,,(,(,)所示。三阶截点就是在对数坐标系中这两根线外延线的交点，见,,,,,(,)。 ,，边,,,(,(,)，,,点图示,,),,,(,(,)，,,点在对数坐标系的图示 蓝牙无线控射器的设计第二章无线射频电路设计的基本概念 ,,,(,(,)中交点的横坐标称做,，,,(输入，,,点)，纵坐标称作,，,,(输出，,,点)。，,,用以表征电路的非线—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 性程度，电路的，,,越大，表明电路线性度越好。,(,(,(,,，,,的计算 ,，那么根据，，,,的定义，当输出(,,，,,,与 (,,)见式(,,)，如果口(，)(罢,,,,?。一?:，,?:一甜,强度相等时，，口?,一一，,;，口，，一，,，, 锄,挣詈, ,(,(,(,(,,)对于电路,，,,测量也可以采用输入单频率信号,，逐步增大其强度，考察其输出中的基频和三次谐波分量，当两者强度相等时，对应的输入信号强度就是,，,,点。级联非线性系统的，，,, 如果两个非线性电路级联，见,,,(, ,,,(,非线性级联系统 第一级电路可以用线性模型近似为:儿(,),口【,(,)，,,,(,)，,,(,)(,,)第二级电路可以用线性模型近似为:,:(,),屈,(,)，岛,(,)，岛,(,)(,,)将(,,)代入(,,)得到级联系统的最终输出，如果只考虑一次项和三次项: ,,(,),口,,，,,)，(口,?，，,口,口,卢,，，口,,,?，弦,(,)，???(,,) 最终级联系统的，，,,: (,,) , —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 万,,,———下丽,,一赤警南,，口,卢,,，，,盘，,,卢,,，，口,?,(,,) 这里(,;』,,,，,,。:代表第一级电路和第二级电路各自的,,,点。式(,,)中，等式右边第二项的分子，,口(口,?,,，是由第一级电路输出中的二次谐波,粉,,)，，,,):和基频 成分。(，,,:，在第二级电路中互调产生的三阶互调项,？一国,，,,):一？。而在无线 蔫牙无线发射辑的设计第二章无线射频电路设计的基本概念 级联系统设计时，每级之间都有一个窄带的选频网络，所以第一级电路输出中的谐波频率成分,;,(，,;,:将被输出选频网路衰减掉。因此在式(,,)中第二项可以忽略。 去赤有，燕(,,)推而广之，对于一个多级的级联系统，它的，，,,点和每级电路的各自,,,,点关系石,万,，一,,,,，,，蕉嘉:”一,;—,，』,，乓盟十((( 噪声系数(,,)如果级联系统中的每级电路小信号增益乘积平方,,远大于,，那么可以看到:最后一级电路的，，,,点对整个级联系统的，，,,点有巨大的影响。,(,(, 常常用噪声系数，表征电路的噪声性能。噪声系数的定义为:输入信噪比,,,。与输出信噪比淞。。的比值:黑磬，表明经过电路之后，输出的信噪比的降低程度。如果噪声系数为,时，说明电路不引入噪声。式(,,)进一步阐述了噪声系数的含义。这里,是电路的功率增益:,,，,是输入的信号功率:,，,是输入噪声功率(信—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 号源内阻产生);风，,输出的信号功率，,,，,是输出的噪声功率,,,，,,,是由电路内部噪声源在输出端产生的噪声功率。可以观察到噪声系数与电路内部噪声成正比，与输入噪声功率和电路对输入噪声的增益乘积成反比。 二堕:?掣:,—掣:～——:—,,，，，,，—,,，,,,:,，—,,，—,,,(,,)洲,,乡乞，。胁,只’,，眠,,,)一只，‘‘爿只，。一 对于一个各级之间阻抗匹配的级联系统，设各级的功率增益为:却，,，各级电路的噪声系数为,,,，系统总的噪声系数,,,,,为: ??，(蝇,,)，等，,,,，‘面?(,,) 可以看到，如果前级电路的功率增益很大，那么后级电路对整个系统噪声系数的贡献就减小，所以第一级电路的噪声系数对一个级联系统的总的噪声系数影响至关重要。这就是为何在无线收发器中，对低噪声放大器的噪声性能有很高的要求。 堕要歪塑垄塑翌塑堡生 ,(,墨三兰重些塾堡皇堕堡生竺苎查塑鱼一一参考文献 ,,,,，,,,,,,,，,,;,,,,,,,,,,,“,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,”，,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,, —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 【,,】，,,,,,,,,,,,,，“,,,,;,,,,,;,,,,,;,”，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,。,,,,,,, ,, 蓝牙无线发射器的蹬计第三章靛牙收发器的架构设计 第三章蓝牙收发器的架构设计 无线收发器按其实现的功能分为前端和后端，前端实现频率的迁移(升频至发射频段或降频至基带频率)主要在模拟域实现;后端完成对基带原始信号的调制解调。这里讨论蓝牙收发器前端的架构设计。,。,节简单介绍了复信号处理的概念，,。,介绍了采用复信号处理的接收器架构，,。,节介绍了采用复信号处理方式的发射器架构，,。,节介绍了蓝牙收发器的架构选择和和各模块的指标。 ,(,复信号处理方式 无线收发器的架构按其降频方式分为外差式中频架构和零中频架构。中频接收 器将,,信号先降频至中间频率，然后再通过一次或多次降频，将信号降至基带频率:而零中频接收器则将,,信号直接从工作信道一次降频至基带频率。发射器的架构与接收器的架构类似，只是频率迁移方向不同。 在传统的架构中，仅在零中频接收器中才使用正交两路信号处理，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 实际上这种 信号处理方式同样可以应用于单级和多级的外差式收发器中，这就产生了一种新的模拟信号处理方式和一类新的收发器架构。这种架构中，它把正交的两路信号作为一路复信号处理，认为这两路信号只是一个复信号的实部与虚部，整个收发器实现的就是对这个复信号在复数域的放大，滤波，和相乘操作。这里简单介绍复信号相乘和复信号滤波的过程。 ,(,(,复信号相乘 ,,,。,是复信号,,,，，肛』，与,,复信号;,,,),。,,,,,;,‘,,在模拟域相乘的 电路实现过程，采用双正交相乘，这里,,信号的，，,两路分别看作复,,信号的实部与虚部。对于任意一个实信号;,,咖。:(口”一，,,坼‘形是由一个正频率信号,一?和一个负频率信号,,，“一组成，这两个信号能量相同，都为总信号能量的,,,。当两个实信号相乘就会产生,,信号与,,,,,,信号的混叠(,,,。,)，无法将它们分离。而对于一个复信号,，“一或,,，,。而言，它只是一个单纯的正频率信号甜。或一个负频率信号一?”，所以采用复数相乘(,,,。,(,))，只是实现在频率坐标上的迁移。因为产生的，，,两路信号中仍然保留着分离,,和,,,,,,信号所必需的信息，在后续的信号操作过程中，仍然可以将它们两者区分，将,,,,,,信号进行抑 旋牙无线发射器的设计第三章蓝牙收发器的架构设计 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 制(,,,。,(,))，获取有用的,,信号。复信号相乘，在频谱上可以用,,,。,(,)表示，这里假定输入的,,是一个理想的正频率信号(，，,两路信号幅度相位完全匹配，【，,失配会产生正负频率之间的串扰，例如，,的幅度误差，在正负频率之间产生一,,,,的串扰，对镜像信号抑制为(,,,,，,。的相位误差会产生,,,,,,的正负频率之间的串扰，对镜像信号抑制为(,,,,。见文献,,,】)。 ,(,),,(,) ,,,。,(,)复信号相乘 , ,,, ,,,,,,,, 门门,一 (,,,(,,,,,？ ,„一。一竺拶,一孟,,。忑,„,, ,一一一一一一眨梦一一一一, ,,。 ,,,,,,,, 厂,门一 (,,一(,,—,,,？ ,,,。,(,)复信号相乘在频域上的表示 ,(,复信号滤波 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 与常规的滤波器不同，复信号滤波器区分频率的正负性，在整个频域内对信号进行选取，见,,,(,(具体实现见文献【,,】。最常用的复信号滤波器是,,,,,,,,,滤,( 蕊牙无线发射器的设汁第三章蓝牙收发器的架丰暂设汁 波器，有有源和无源之分:无源序列非对称滤波器(,,,(,(,))是一类带阻滤波器，多用于高频电路:有源综合序列非对称滤波器，是一类复信号带通滤波器，多用于低频电路。(,,,(,(,)),见文献,,,】。 阿, :, ?，:盯, 译,,,,,、?,、一蒴?圳,;，』一 ,—,,一。一一,一一一一一一„一„::糟?:::一一 ,一一„,一„一((?，,赢,广,上一一一 。„„„,,„,,,„,,,„,,,,,,„„“,„„„„„„„„’,——,„,吐兰‘,,, 一„„„一,一„„„„„„， ,,,,,,，,, 一(((((。((((((((((((((((((((』((((。(((,((。((((【(((((((, :((((((、(((((((((((。(，((((((((((，((((((一—(,,,,,,, ,？《,,,,,，,,,,,, —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,,,。,实信号相乘在频域上的表示 ,,,? 一一,，,行茹，一一,,,一一一一一,(，门型？,„一一陛磐釜„ ,,,？,,,,,,,,,,, ,,,。,(,)无源,,,,,,,,,滤波器 ,,,。,(,)有源,,,,,,,,,滤波器 ,(,采用复信号处理方法的接收器结构 ,(,(,零中频接收器 只经过一次降频，直接将有用的,,信号从工作信道降至基带频率，这样的接收器就是零中频接收器(,,,。,)。降频过程中的,,,,,,,问题仍然存在，这时,,,,,,信号就是,,信号本身，,,信号的上下边带互为彼此的,,,,,,信号。外差式接收器中的,,,,,,信号可能高于有用,,信号，而在零中频架构中，,,,,,,信号和有用 蓝牙无线发射器的设计第三章蓝牙收发器的架构设计,,信号的强度相同，所以对于,,,,,,信号的抑制要求降低，一般通过采用，，,正交调制，可以达到所要求的对,,,,,,信号的抑制。，，,两路信号的匹配决定了零中频的,,,,,,抑制，对于相位上,,失配，产生,,,,的,,与,,,,,,的抑制比，考意到,,,,,,信号与有用,,信号的强度相同，,,,,的抑制比可以接受。(,,,。,)零中频接收器的优点很明显，它不需要任何—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 高？值的中频带通滤波器在降频前对,,,,,,进行抑制，架构简单，集成度高，功耗低。但零中频接收器的最大缺点在于:降频后的有用基带信号对降频中产生的寄生基带信号非常敏感，这两种信号混叠后，很难分离。寄生基带信号来自于以下几方面:在混频器中，高频的,,信号和,,信号很容易互相泄漏，导致,,信号，,,信号的自相乘，,,的自相乘得到式(,)，产生一个直流失调电压;这里的,,信号指的是整个,,应用频段内的信号，其自相乘在频域内是一个卷积的过程，产生一个两倍于,,频带带宽的基带寄生信号，这一基带寄生信号与有用的基带信号相混叠(见,,,。,)。,,,,,(?,，)(,?,,,(,,，,,)(一肘:,爿,,,(,,一(;,,(,，？,,()(,)这里爿。是泄漏增益。 ,,,。,零中频接收器框图 ? ,„一一(,掺一(一一一一一一一(一，一一一一一一，,,,。,零中频接收器降频过程在频域上表示 瘟牙无线发射器的设计第三章蓝牙收发器的架构设计,(,(,,,,,,,。,,,信号，,,信号泄漏产生基带寄生信号低中频结构 低中频一般选择信道带宽的一倍或两倍，其降频过程如,,,。,所示，因为采用双正交降频架构，利用复信号处理的方法，,,,,,,信号与,,信号在降频后能很好的分离，所以降频前高,值的抑制,,,,,,信号的带通滤波器可以省去，中频的选择不再受抑—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 制,,,,,,信号的高,值的带通滤波器的限制，可以取较低频率的中频，这样的架构集成度提高了。 与零中频接收器不同，低中频接收器中的,,,,,,信号强度可能大于有用的,,信号强度，所以要求对,,,,,,信号有更大的抑制，完全通过，，,匹配来实现所需的抑制，对匹配的要求过于苛刻，所以必须在高频时对,,,,,,信号进行附加的抑制。例如可以在降频前使用高频带通滤波器对,,,,,,信号予以抑制，这样中频就不能取得太低，否则高频带通滤波器的,值要求太高，以致无法实现。但如果中频较高，信号的可能需要几级降频来完成，需要多个的本地振荡器和混频器，功耗和芯片面积开销会增加。 ,,,。,(,)提供了另外一种解决方案。因为,,,。,(,)中与,,信号产生混叠的是正频率的,,,,,,信号，而与正频率,,信号卷积的是有用,,负频率信号。所以在降频前对所有正频率信号进行抑制，然后再实现最终降频和降频后的,,,,,,信号抑制。这里,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,是无源序列非对称滤波器(,,,。,(,))，它对所有正频率信号予以抑制。,,,。,(,)中的负频率的,,信号是由,,的，，,两路信号失配导致的正负频率之间的串扰。 因为仅要求对正频率信号进行抑制，,,,,,,,,,滤波器的,值要求不高，适合片上无源实现，这样片外的高频带通滤波器就可以省略了，缺点是混频器的数目增加为六个。降频后的低频信号可以使用复信号滤波器对负频率上的,,,,,,信号予以抑制，再降—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 频至基带;也可以不经过抑制直接降频至基带，但这样的话，由于未经过滤波存在一些高强度的干扰信号，要求后续电路有很大的动态范围，所以前者 蓝牙无线发射器的设计第三章蓝牙收发器的架构设计 的处理方式更适宜。 ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,, ,,塾 新型低中频接收器架构,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,?,,,,,,,,,,,,,,“,,,。,(,) „„,:::蛮竺„;,,,„,,,,孟„„一,， ,„„„„一,一„„„』 ,„,二,磊,,鼍誉竺„„„„,？—一;,,,,,,,,,, ,一一„„一,一(„„„„„, ,, (,(一，『降频后 ,,,。, ,(,(,(,)低中频接收器将频过程在频域上表示高中频结构 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 先用固定的高频,,将整个,,频带迁移至高中频，然后用可变频的,,在二次降频时进行信道选择，将有用,,信号降频至基带。相对于低中频和零中频架构，由于高中频的,,不处于,,的应用频带，所以,,的误发射和接收杂散发射问题减轻了。由于一次降频后几乎没有任何带通滤波，二次降频时所要处理的信号的动 蓝牙无线发射器的殴计第三章蓝牙收发器的架构设计 态幅度很大，容易产生基带寄生信号，而此时有用的,,信号还没有得到足够的放大，对信噪比对很坏的影响。这里使用高频带通滤波器主要是为了提供一次降频前对,,,,,,信号的附加抑制。二次降频前，由于没有任何抑制,,,,,,信号的滤波过 , 程，所以,,,,,,影响比较突出。高中频结构另一缺点是需要两个高频的本地振荡器，六个高频的混频器，会占用较大的功耗和面积。 ,,,懈, ,,,。,高中频接收器 ,(,采用复信号处理方法的发射器结构 ,(,(,直接升频发射器 直接升频发射器的架构与零中频接收器的架构类似，采用正交两路信号。此架构与中频发射器的不同在于:无需使用高频滤波器对,,,,,,信号进行抑制，所以架构简单，可集成度高。缺点也类似:由于发射的信号与,,信号的频率相同，,,信号容易泄漏到混频器—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 的输出，经过,:,放大输出，因为在直接升频发射器中，,,与,,信号频率相同，无法通过外加高频滤波器去除，所以会将,,信号误发射。同时经过,,放大后的,,大功率信号(很容易泄漏到,,中的压控振荡器，影响压控振荡器的工作，将其输出频率调制到与,,频率相同，产生“自调制效应”。这种发射器仍然受到,,,,,,问题的困扰，(发射信号的上下变带之间发生混叠)。 ,,,。,,直接升频的发射器 菹牙无线发射器的设计第三章蓝牙收发器的架构设计 ,圜霹参二,一呕一，毒鸯,,构，利用后继的,,,,,,,,,滤波器对升频产生的,,,,,,信号进行抑制, ,,,。,,正交中频发射器架构 ,(,蓝牙收发器射频部分的架构设计如图,,,。,,，蓝牙收发器射频部分包括，接收器;发射器;频率综合器:,,, 蓝牙无线发射嚣的设计第三章蓝牙收发器的架构设计 店掺二一,,一。燃,;,,，:::,,,,,,二一,一,,, 二刊一管,只等一一——竺?一,～至一,参一羞(,————::～一一??一”，,?,,“,,„,,,,,,,,～～～:～—旦～二 —?“墨:——?—,,,:一?二垦，, 蕴牙充线发瓣器静设计第三蕈菱矛收发嚣翡椠拇设计 升频时同样要考虑,,,,,,信号的抑制闽题，这里的,,,—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,,,是指蓝牙发射信号中除肖援鲍,,猿号努静雯一个秃燃懿边荣。为了城小发菇麓号占曩戆带突，要隶蓝牙发射的是一个单边带信号。这里单边带信譬的产生(也就是对,,,,,,信号的抑制)，通过，，,两路正交调制实现，所以同样蒙求，，,两路有很好的殴飙。 凄,蒙字壹羧综合产生熬德发射毽号鬃落鞍羝，爨良数字毫路酶磺传开镑移功耗不大，而且在数字域实现升频时，可以采用一些特殊的方法避免升频时产生,,,,,,信号。直接升频架构由于,,信号和,,,输出的大功率,,信号频率接近，仍然容荔受弱塞调裁效应翡霾撬。穗考寇裂本设谤戆辕窭凌窭是赞怼蓥雾瓣频趣蓬孛第二类功率等级，壤大发射功率仅为,,,,，而且,,的输出匹配网络都是通过外加无源器件实现，降低了,,输出到,,之间的泄漏，所以只要采用良好的版图隔离技术，器量镬,,帮,,辕惠之秘戆瀣潺躐小，叁谖《效艘霹鞋避免。 ,(,(,,,, ,,,模块包括了三个部分:数字,,,,调制解调器,串并接口(,,，)实现錾蒂瓣频控裁器蓐羹爨频模块中蠹孽逶矮毒存嚣之闻爨逶售，实瑗黠模熬穰块懿控制;蠢,融状态机，控制在发射接收时射频部分的时序，控制射频部分各电路在发射，接鬣和低功耗模式下的工作状悫。 ,(,，,模掇搂凌静参数设跫 蓝牙射频部分的架构设计，系统模拟非常复杂，因为本论文主糕—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 是关于蓝牙发射器的设计，这里只是简单介绍如何制定箍牙射频模块中各电路鑫勺指标。 ,(,(,(,搂浚器 实际设计时，设计指标略高于蓝牙规范中的要求。根据蓝牙规范，对于蓝牙系统，保证,。,,误码率所瓣的信噪比(,,,)为,,,,，设计时取,,,,。蓝牙规范簧袋懿参考灵敏度是(,秘器,。设诗参考必敲度秀一,,,,,。文献,,,, ,(,(,(,(,高频带通滤波器 如图,,,。,,，高频带遇滤波器在,,,之前，对蕊,牙频带之外的阻塞信号进行掷裁。蠢为校据薤牙蕊范，带辩酲塞僖号的功率可戳篱遮(,,,,，始采不妻妥李牵蒂《纛接进入,,,，会使,,,和混频器进入,,线性区，甚黧使其不能工作。对于高频带通滤波器的，其输入动态范围(,,)可以虫输入信号的动态范围确定:,,,(最大阻塞信号功率)一(脊用信号的参鸯灵敏度)，(信嗓眈) 益牙无线发射器的醴计第三章蓝牙收发器的架构设计 ,,,一,,,,,一(一,,,,,)，(,,,,),,,,, ,(,，,(,(,(,)低噪声放大器,,,，,,,,, 对于蓝牙系统，因为输入有用信号的功塞范围要求达到(,,,,,,(,,,,,，但由 于紧跟,,,之后的降频电路的线性度有限，,,,,左右是其—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 能处理的最大的有用 信号功率，大于,,,,，电路的非线性加强，性能下降，所以,,,的增益可以确 定为: ,,,,,(混频器允许的摄大输入信号功率)一(输入有用信号的最大功率)一(天线开关上的功率损失) ,,,,,一(,,,,,,)一(一,,口),,,,,(,) 但在实际电路，采用全片上器件设计的,,,，高频情况下增益很难提高，这里 取,,,,。而对起噪声系数(,,)的要求可以确定为: ,,,(最弱接收信号)((系统要求的信噪比)一(天线电阻在,,碳道内产生的噪声功率) ,(一,,,,,)一(,,,,,)一(,,,,,,,，,,,口),,,,,(,) 所咀系统的噪声系数要求在,,,,，考虑,,,的裕量，通常天线开关和高通滤 波器将引入,,,的噪声系数，则,,,和混频器产生的总噪声系数小于,,,。可以 作如下分配，,,,的噪声系数要求小于,,,，混频器对整个噪声系数的影响小于,,,，因为,,,的增益为,,,,，所以要求混频器的噪声系数为: ,?一,对系统噪声系数的贡献，工,吼的功率增益 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,,,,，,,,,,】,,, ,(,(,(,(,,,,,,,抑制 虽然采用了复信号处理的方法，使用，，,两路正交降频，但由于，，,两路的失配， 仍然会产生正负频率之间干扰，还是有部分镜像信号落在工作信道内，因为蓝牙规范中要求在镜像信号功率比有用信号功率高,,,的情况下满足,。,,误码率，所以要求其镜像抑制达到: 镜相抑制比,(系统要求的信噪比)，(镜像信号和有用信号的功率比) ,,,,,，,,,,,,,,(,) 这是一个非常宽松的要求，只要求，，,，两路的相位误差小于,(,。;两路信号的幅度误差小于,。,,。实际情况是由于中频取,。,,,,，邻,信道为,,,,,,信号，其接 蓝矛琵线发射嚣静设计蘸三章蓝蒡牧发器鲍黎秘设,中收信号允许高于稍用信号,,,,，所以要求对镜像信号的抑制太子,,,,。这种情况下，，,的娟位误差要求小手,(,。，溪鹱误差枣予,。,,，这零参瀵淡下要求过予严掺，在蘩牙规范中，当出现黧复的对相邻倍道干扰的规范时，采用相对宽松的规范要求。这里我们取，，,的相位谈差小于,。，幅度误差小于,。,,，对，陂镜像信号抑制,,,,。见文献【,,】。 ，,, , —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,,,。,,蓝牙邻近信邀和工作信邋的功率谱密度 ,。,(,(,。,有源,,,,,,,,,滤波器秘,,, 有源,,,,,,,,,滤波器实现了对中频为正频率,。,,,,,,上的,,信号进行信邋 选取，对其他信号予以抑制，完成了低通滤波器的功能，所以,,,之间的,,,,—,,,,,,,,低 ——————————————————————————————————————