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OFDM超宽带系统的频率综合器设计方法研究

陈丹凤  
【摘要】: 随着短距离高速无线通信技术的空前发展,超宽带(ultra-wideband, UWB)技术由于其低功耗、高速率传输等特性受到学术界和工业界的广泛关注。本论文针对WiMedia国际标准超宽带系统和中国国家标准超宽带系统的频率综合器的设计方法展开深入研究。 根据超宽带系统对频率综合器的特殊要求,频率跳变时间必须小于9.47ns,传统的锁相环结构无法实现,由此产生了几种基本的频率综合方法。在此基础上,本论文在针对WiMedia国际标准和针对中国国家标准超宽带系统的频率综合器研究中,提出了两种新的实现结构。 在WiMedia国际标准超宽带频率综合器研究中,主要针对3-5GHz第一频段组,采用三个锁相环(PLL)并联选择输出。为了实现宽频率调谐范围和低相位噪声的双重要求,本论文提出了一种新型的基于环型振荡器的双环路锁相环。它由一个粗调谐环路提供较大的VCO压控增益,以覆盖较宽的频率调谐范围。同时又由一个细调谐环路提供较小的VCO压控增益,以获得较好的相位噪声特性。并且论文设计了一款双控多通路环型振荡器,同时提供大、小两个压控增益。芯片经过0.18-μm CMOS工艺流片验证,其输出频率调谐范围是单环路时的2.2倍,并且具有同样低的相位噪声。 在针对中国国家标准超宽带频率综合器研究中,由于需要输出14个频点,因而必须采用基于单边带混频器的频率综合方式。但是单边带混频器会造成输出频谱的杂乱,使得输出杂散特性成了主要的设计难题。论文从频谱规划开始,以使用尽量少的单边带混频器为目标,并且使用最简单的实现方式以节约成本和能耗。论文提出了一种新颖的适用于中国国家标准的频率合成方案和频率综合器架构。经系统仿真验证,该结构简单高效,有效规避了一些不利于输出频谱质量或者功耗的潜在因素。 在对中国国家标准超宽带频率综合器的电路实现上,论文以输出频谱质量为主要目标,对每个模块进行优化设计。论文提出了一种新型谐波抑制I/Q校准电路,校准了单边带混频器的输入I/Q失配以减小输出镜像杂散,同时也抑制了I/Q校准电路自身所引入的三阶非线性,有效提高输出频谱质量。此外,论文提出了一种新型基于交叉耦合寄生抵消技术的多相位频率选通器,有效抑制了多输入信号的端口泄漏,并且不消耗额外功耗集成了多相位选择功能,也规避了多模块的非线性问题。该款针对于中国国家标准的超宽带频率综合器经过0.13-μm CMOS工艺流片验证,电源电压1.2V,功耗87mW,相位噪声-88dBc/Hz@125kHz,-105dBc/Hz@1MHz,积分相位噪声为2°,并且输出频谱镜像抑制可达-45dBc,可与国际上的领先工作相比拟。


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