GPS接收机内带镜像抑制的中频滤波器设计

论文摘要

目前,中国的IC产业方兴未艾,其对国计民生的基础性作用越来越受到重视。振兴国内IC产业,加速本土IC领域的产学研发展成为普遍共识。其中无线收发芯片的研发是目前非常热门的研究领域,但是由于起步较晚,在国内还处在非常初级的阶段,与国外发达国家相关的技术和产业的成熟度相比还存在不小的距离,填补这段技术空白便成为当务之急。无线技术的一个分支,无线定位导航就是一个重要发展方向和研究热点,关系到国防军事安全并拥有广阔的民用前景。所以本课题研究课题着眼点在全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的射频接收芯片的滤波器模块设计。本文的主要内容是:首先简介GNSS射频接受机通信系统的基本理论和概念,国内外技术发展的现状。然后介绍射频前端系统的几个重要指标。接下来从数学上详细阐述实数滤波和复数滤波的相关理论,比较不同低通滤波器类型之间的特点,分析有源滤波器中非理想性对滤波性能的影响,研究镜像干扰的产生机理以及镜像抑制的方法。然后得出两种可行性方案。重点讨论第一种方案,并给出详尽的设计流程和仿真结果。第二种方案则给出初步实现的结果和仿真数据。本文采用的是SMIC0.18um混合信号1P6M的工艺,实现了5阶Butterworth实数低通滤波器,一个3级RC多相位(Polyphase)滤波器和5阶Butterworth复数带通滤波器。仿真结果表明,第一种方案可以达到截止频率7.8MHz,频率调谐范围3MHz~20MHz,镜像抑制达到25dB以上,输出噪声在200nV/sqrtHz以内,带内输入三阶交调点6.6dBm,功耗为12mW。第二种方案可以实现复数带通滤波功能,中心频率在4M,带宽2M。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 全球定位系统（GLOBAL POSITIONING SYSTEM, GPS）
• 1.2 CMOS 射频接收机系统概述
• 1.3 本课题研究目标
• 1.4 本文组织结构
• 2 无线接收机射频前端系统简介
• 2.1 前言
• 2.2 中频的选择
• 2.3 灵敏度（SENSITIVITY）和噪声系数（NOISE FIGURE）
• 2.4 交调特性（INTERMODULATION CHARACTERISTICS）
• 3 实数滤波器理论简介
• 3.1 滤波器重要指标
• 3.2 低通滤波器原型的分类
• 3.2.1 Butterworth 滤波器
• 3.2.2 Chebyshev I 滤波器
• 3.2.3 Chebyshev I 与Butterworth 滤波器的对比
• 3.2.4 滤波器原型的设计流程
• 3.2.5 其他类型的滤波器
• 3.3 信号流图原理（SFG）
• 3.4 高阶滤波器的实现两种方式
• 3.4.1 Biquad 级联
• 3.4.2 RLC 梯形滤波器（Ladder）原型转化
• 3.4.3 梯形滤波器的电路实现方法
• 4 复数滤波和镜像抑制概述
• 4.1 复数信号处理的基本原理
• 4.1.1 希尔伯特变换（Hilbert Transform）和正频导通滤波器（Positive Pass Filter,PPF）
• 4.1.2 镜像抑制原理
• 4.1.3 方案1 polyphase 复数滤波器与实数低通滤波器级联
• 4.1.4 非理想性
• 4.1.5 方案2 复数带通滤波器的实现
• 5 电路实现的相关问题
• 5.1 滤波器电路不同实现方式之间的比较
• 5.2 单极点低通滤波器
• 5.3 BIQUAD 类型低通滤波器
• 5.3.1 Tow-Thomas biquad
• 5.3.2 Fleischer-Laker
• 5.4 运放的非理想性对滤波器的影响
• 6 滤波器的电路实现
• 6.1 方案1
• 6.1.1 5 阶Butterworth 低通滤波器原型
• 6.1.2 电阻电容阵列
• 6.1.3 运算放大器
• 6.1.4 电路的改进
• 6.1.5 偏置电路（constant-gm 电路）
• 6.1.6 缓冲级（Buffer）电路
• 6.1.7 RC Polyphase 滤波器设计
• 6.2 方案2
• 6.2.1 5 阶复数带通滤波器的设计
• 7 版图设计及仿真结果
• 7.1 版图设计
• 7.2 仿真结果
• 8 总结和展望
• 9 致谢
• 10 参考文献