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应用于软件无线电的可重构带通Sigma-Delta调制器研究与设计

张科  
【摘要】:随着无线通信技术的飞速发展,多频段、多标准、多模式、双向无线通信应用与单向无线广播应用共存,以及无线上网,无线导航应用的多标准的出现,使得研究并开发能够支持多模式通信的软件无线电(SDR)硬件平台成为了当前的热点问题。这些无疑对可重构的射频前端,宽带数据转换器等集成电路设计提出了严峻的挑战。 本文基于低中频的SDR接收机,对多模式可重构的带通Sigma-Delta调制器(BPSDM)进行了系统的研究和设计。基于传统的反馈和前馈结构的单模式BPSDM,分别提出并设计了两种不同结构的可重构的BPSDM。在MATLAB中分别对其进行了系统建模分析和设计。对于反馈结构的可重构的BPSDM,在系统设计中考虑了各种电路非理想因素,包括OTA运放噪声、运放的有限直流增益、有限增益带宽积、运放有限的压摆率(SR)、时钟抖动、以及DAC的非线性等因素,从而对电路级的模块设计指标提供了参考。同时,基于应用于多位的宽带的可重构的系统结构,对其中的带通整形的DWA算法进行了MATLAB建模仿真,、Verilog代码设计和综合实现。 对于前馈结构的可重构BPSDM,本文提出了一种多模式的带通的noise-couple架构,该结构中的一阶和二阶可重构结构对比传统的单模式的BPSDM,在WCDMA宽带模式下,采样率为100 MHz时,动态范围分别提高了ll dB和2l dB。能同时满足多模式的通信标准的SNR的要求。并且由于采用单环结构,避免了MASH结构中的模拟和数字域的匹配问题和多位结构中的DAC非线性问题,同时具有潜在的低压低功耗的特点。 基于SMIC 0.13μm混合信号CMOS工艺,论文对反馈结构的可重构BPSDM进行了电路设计和流片验证。在电路设计上,提出了多模式共享单运放的结构,实现了硬件的可重构设计;同时对带通的DWA的算法进行了MATLAB的仿真和芯片验证。芯片测试结果表明,采样率为100 MHz时,在GSM和WCDMA的两种模式下,动态范围分别达到了74 dB和45 dB;芯片工作电压为1.2V,两种模式下的功耗分别为18 mW和22 mW,基本上达到了预期的设计目标。 作为应用于无线通信领域,特别是ADC等数模混合信号芯片上的电源转换器,本文也对低压差线性转换器(LDO)进行了研究和设计。该工作提出并设计了一种基于电流放大器的频率补偿技术,和传统的频率补偿方法相比,片上的补偿电容由几十pF的量级减小为0.3 pF,节省了芯片的面积和成本。芯片经过0.35μm CMOS工艺设计和流片验证,其主要测试性能指标如电源调整率,负载调整率,电源抑制比(PSRR)等能很好的满足无线通信领域低功耗低噪声以及动态性能的应用要求。


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