单载波宽带与超宽带通信系统射频电路研究

论文摘要

近年来，超宽带无线通信技术快速发展。超宽带无线通信有多种体制，不同体制的通信标准，实现方式差异很大。清华大学提出的单载波制式超宽带（SC-UWB）无线通信标准，性能高、复杂度低、易于芯片集成，系统由媒体介入控制层、物理层、射频部分构成，本文研究其中射频模块的设计与实现。论文包括频率综合器、宽带发射机、超宽带低噪声放大器的设计。频率综合器是一个由晶振、鉴频鉴相器（PFD）、电荷泵（CP）、环路滤波器、压控振荡器（VCO）、分频器等模块构成的锁相环（PLL）；本文详述了以上各部分的实现方法，并基于此结构设计了1.4GHz频率综合器。宽带发射机采用数字化手段实现，核心模块是高速高功率数模转换器（DACPA）；本文设计了1.4GHz高速DACPA，并提出了数字化的基带波形成形技术，结构简单、易于实现，文中对其性能做了详细分析。超宽带低噪声放大器（LNA）是超宽带射频接收机的最前端，有多种实现结构和消噪方式；本文研究了电容交叉耦合技术和噪声消除技术，并将两者同时运用到差分结构的LNA中，设计了工作频段在34GHz的超宽带低噪声放大器，对其噪声消除条件和噪声系数进行了数学分析。论文完成了上述三个模块的电路和版图设计，将频率综合器与集成方案发射模块拼接，组成了200M带宽的1.4G单载波宽带射频芯片，进行流片验证，可以与50Mbps的SC-UWB演示系统集成工作。对超宽带低噪声放大器进行了仿真验证，完全符合超宽带射频接收系统性能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 背景与意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 宽带/超宽带射频收发机芯片
• 1.2.2 超宽带低噪声放大器
• 1.3 研究内容与论文结构
• 第2章 宽带射频发射机中的频率综合器
• 2.1 射频发射机整体结构与设计指标
• 2.2 锁相环工作原理及设计方法
• 2.2.1 锁相环一阶线性模型
• 2.2.2 n+1 阶锁相环介绍与环路滤波器结构选择
• 2.2.3 三阶锁相环介绍与系统设计
• 2.3 频率综合器各模块电路实现
• 2.3.1 鉴频鉴相器
• 2.3.2 电荷泵
• 2.3.3 压控振荡器
• 2.3.4 分频器
• 2.4 频率综合器仿真与性能
• 第3章 数字集成的宽带射频发射机
• 3.1 设计方案
• 3.2 波形成形器
• 3.3 高速高功率数模转换器
• 3.4 集成发射机方案的理论分析
• 3.4.1 分析方法介绍
• 3.4.2 恒包络调制
• 3.4.3 正弦波包络调制
• 3.4.4 三角波包络调制
• 3.4.5 拟正弦包络调制
• 3.5 集成发射机仿真与性能分析
• 第4章 超宽带低噪声放大器设计
• 4.1 结构选择
• 4.2 优化噪声系数的电路结构
• 4.2.1 电容交叉耦合（CCC）结构
• 4.2.2 噪声消除技术
• 4.3 低噪声放大器电路结构
• 4.3.1 带噪声消除的 CCC 低噪声放大器
• 4.3.2 噪声消除条件
• 4.3.3 噪声系数与参数选择
• 4.4 低噪声放大器仿真结果与讨论
• 第5章 芯片版图设计
• 5.1 版图设计基本原则
• 5.2 管脚静电保护电路
• 5.3 射频发射机整体芯片版图
• 5.4 低噪声放大器版图设计
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果