应用于2G/3G移动通信的多模发射机芯片的研究

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当前,移动通信网络呈现出多模式、多频段、多速率的趋势,而现有单模手机已经不能满足这种变化,因此通过单个移动终端实现对各通信协议的支持成为现阶段的研究热点,这其中最为关键的部分是多模收发机芯片。在此背景下,本论文针对应用于2G/3G移动通信的多模发射机进行了如下研究:首先,分析了GSM、WCDMA和TD-SCDMA等现有主流移动通信的频带分布、信道划分、双工方式等,着重研究了各种制式下的数字调制方式及滤波特性;第二,分析比较了现有的发射机架构,确定采用直接变频方案作为多模发射机实现架构,针对该方案提出了基于ADS的系统级模型,并对发射机在多模应用时所需满足的各个关键指标进行了详细分析和讨论,为后续系统方案及模块电路优化提供了有价值的参考;第三,针对发射链路中的关键模块功率放大器进行了研究,包括对MOS管进行了非线性建模与分析,设计了一种输出阻抗匹配网络,其不仅可以提升功率放大器的输出功率和效率,还具有良好谐波抑制特性,然后采用0.18μm CMOS工艺完成了一款工作在1.8V、频率为900MHz的两级高效率线性功放:第四,分析了直接变频发射机中载波泄漏的原因和来源,在现有载波泄漏消除算法的基础上,提出并验证了一种基于两点估计方法的载波泄漏消除新算法,测试结果表明,该算法对载波泄漏的改善达到了31dB。同时,在分析功率检测器噪声的基础上,采用前置宽带低噪声放大器的方法实现了一款适用于载波泄漏消除应用的高性能宽带功率检测器;第五,在SMIC 0.13μm工艺下实现了一款可应用于GSM、TD-SCDMA(或WCDMA)的多频多模发射机芯片。在发射机模块电路设计中,为满足发射机较低的输出噪底要求,充分考虑了各模块电路线性度和噪声的优化,其中指出了可配置滤波器中输出噪声的优化方案;提出了一种低噪声、低失调和高线性度的可变增益中频放大器;采用源级负反馈结构混频器实现了一款低噪声、高线性度的调制器。测试结果表明,该多模发射机芯片在线性度、功率控制、输出噪底以及调制精度等方而均可满足2G/3G移动通信对多模发射机芯片的指标要求。
目录第4-7页
图片目录第7-11页
表格目录第11-12页
摘要第12-13页
Abstract第13-14页
第一章 绪论第15-21页
    1.1 研究背景第15-16页
    1.2 无线射频芯片的研究现状第16-19页
    1.3 论文的研究内容与贡献第19-20页
    1.4 论文的组织结构第20-21页
第二章 发射机基础与系统架构分析第21-39页
    2.1 发射机系统概述第21-22页
    2.2 多址与双工方式第22-23页
    2.3 频带分布与信道第23-24页
    2.4 数字调制与滤波第24-33页
        2.4.1 GSM系统调制方式第24-29页
        2.4.2 WCDMA上行链路调制方式第29-33页
        2.4.3 TD-SCDMA上行链路调制方式第33页
        2.4.4 调制方式总结第33页
    2.5 发射机的系统架构第33-36页
        2.5.1 直接变频方案第33-34页
        2.5.2 二次变频方案第34-35页
        2.5.3 极化调制方案第35-36页
        2.5.4 射频DAC方案第36页
    2.6 多模发射机解决方案第36-38页
    2.7 本章小节第38-39页
第三章 系统仿真和关键指标分析第39-65页
    3.1 发射机的系统仿真第39-41页
    3.2 各协议的主要射频参数第41-42页
    3.3 发射机关键指标分析第42-63页
        3.3.1 单边带特性第42-46页
        3.3.2 邻近信道泄漏比第46-50页
        3.3.3 发射功率与功率控制第50-51页
        3.3.4 输出噪底第51-56页
        3.3.5 相位噪声第56-57页
        3.3.6 调制精度第57-62页
        3.3.7 收发延时第62-63页
    3.4 发射机级联参数的计算第63-64页
    3.5 本章小节第64-65页
第四章 CMOS线性功率放大器第65-83页
    4.1 CMOS功放的设计问题第65-66页
    4.2 功率放大器基础第66-69页
    4.3 功放的非线性分析第69-72页
        4.3.1 MOS管非线性等效模型第69-70页
        4.3.2 功放的非线性分析第70-72页
    4.4 输出阻抗匹配第72-75页
    4.5 两级线性功率放大器设计第75-78页
        4.5.1 差分结构和单端结构第75页
        4.5.2 单级和多级电路第75页
        4.5.3 共源和共源共栅第75-76页
        4.5.4 功放的电路设计第76-78页
    4.6 芯片实现和测试第78-81页
    4.7 本章小节第81-83页
第五章 发射机的载波泄漏消除技术第83-103页
    5.1 载波泄漏对发射机的影响第83-84页
    5.2 载波泄漏的原因和来源第84-87页
    5.3 载波泄漏消除技术第87-91页
        5.3.1 现有技术分析第87-88页
        5.3.2 基于两点估算法第88-89页
        5.3.3 算法实现和验证第89-91页
    5.4 宽带射频功率检测器第91-101页
        5.4.1 射频功率检测器原理第92-94页
        5.4.2 限幅放大器设计第94-95页
        5.4.3 全波整流器设计第95-96页
        5.4.4 宽带低噪放设计第96-99页
        5.4.5 芯片实现和测试第99-101页
    5.5 本章小节第101-103页
第六章 多模发射机的电路设计第103-123页
    6.1 多模发射机的系统解决方案第103-104页
    6.2 多模发射机的设计参数第104-105页
    6.3 模块电路设计第105-121页
        6.3.1 模拟低通滤波器第105-107页
        6.3.2 可变增益中频放大器第107-111页
        6.3.3 正交上变频混频器第111-116页
        6.3.4 分频器电路第116-118页
        6.3.5 可变增益多模射频放大器第118-121页
    6.4 本章小节第121-123页
第七章 芯片实现和测试结果第123-137页
    7.1 版图考虑与芯片实现第123-124页
    7.2 测试环境第124-126页
    7.3 发射机的参数测试第126-134页
        7.3.1 单边带测试第126-127页
        7.3.2 发射机动态范围测试第127-129页
        7.3.3 输出功率频响曲线第129页
        7.3.4 调制信号频谱第129-130页
        7.3.5 调制精度测试第130-132页
        7.3.6 输出匹配第132-133页
        7.3.7 发射机的噪底测试第133-134页
    7.4 测试结果总结比较第134-136页
    7.5 本章小节第136-137页
第八章 总结与展望第137-139页
    8.1 总结第137-138页
    8.2 展望第138-139页
参考文献第139-147页
致谢第147-148页
发表论文与专利第148-149页
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