用于IEEE 802.11b/g WLAN直接下變頻接收機的射頻前端設計

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)終端憑借低成本、低功耗和便于組網(wǎng)的優(yōu)越性逐漸成為校園、機場(chǎng)、醫院和家庭接人因特網(wǎng)的首選方案，無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應用。無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的設計研究已成為一個(gè)重要研究方向。

本文介紹了一種應用于IEEE 802.11b／g無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準的2.4 GHz ISM單片CMOS接收機射頻前端設計。IEEE 802.11b是目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品標準，而IEEE 802.11g則是IEEE 802.11系列的核心標準之一，它兼容另外兩個(gè)核心標準IEEE 802.11a和IEEE802.11b，即同時(shí)支持IEEE 802.11a的OFDM(正交頻分復用)和IEEE 802.11b的CCK(補碼鍵控)編碼的DSS(直接序列擴頻)調制方式。本文中設計的接收機應用于DSS調制方式。

1 系統結構

考慮到低成本、低功耗和高集成度，針對IEEE802.11b／g本身寬信道帶寬特性，本文采用直接下變頻接收機結構。隨著(zhù)電路技術(shù)和工藝的進(jìn)步，直接變頻所固有的問(wèn)題得到很大改善。尤其是直流偏移和1／f閃爍噪聲問(wèn)題，現在都能有效地降低它們的影響。

表1列出了近期設計的射頻前端性能總結。

圖1給出了接收機的系統結構，包括低噪聲放大器、I／Q下變頻器、去直流耦合電路、基帶線(xiàn)性放大器和信道選擇濾波器。

DSS標準包含11個(gè)2 MHz帶寬的子信道，總的信道帶寬為22 MHz。如果在保證誤幀率在8×102情況下，要達到靈敏度為-80 dBm，那么，

kNF+RSNR=174 dBm-10log(22 MHz)-80 dBm=20.6 dBm

式中：KNF為噪聲系數；RSNR為信噪比。

針對需要的FER，假設RSNR≈10 dB，再考慮到射頻濾波器約2 dB損耗，接收機的要求低于8.6 dB。

標準還要求在接收信號-74 dBm時(shí)，具有40 dB的鄰近信道抑制能力，鑒于此，接收機的輸入1 dB壓縮點(diǎn)要達到至少-30 dBm左右。

2 電路實(shí)現

2.1低噪聲放大器

圖2給出了低噪聲放大器電路具體實(shí)現。電路采用典型的差分Cascode結構，增加對片上干擾抑制，減少源極寄生電感影響，另外，還能提高CMRR(共模抑制比)。不過(guò)，相對于單端輸入單端輸出，差分結構帶來(lái)更大的功耗。

下面只分析放大器對稱(chēng)的左半部分，它是一個(gè)窄帶Cascode結構低噪聲放大器，這種結構能得到更好的噪聲性能。Ls和Ld采用片上電感，Lc、Lg由鍵合電感實(shí)現。M1、M3是跨導晶體管，共柵連接的M2、M4提高輸出輸入之間的隔離，并減少M1、M3漏極電容Cgd的密勒效應。電容Cd、Cout和Ld調節輸出匹配并起到與次級電路隔直的作用。

當然，除此之外，在優(yōu)化電路時(shí)還應該考慮到電容Cs的影響，但式(1)、式(2)給出了各元件對電路性能的影響趨勢，這點(diǎn)在設計電路時(shí)具有指導意義。

仔細選擇器件參數，得到0.84 dB的噪聲系數。從圖3的仿真結果可看出，電路優(yōu)化結果使kNF非常接近kNFmin。

用電感Le代替傳統的尾電流源提高差分電路的共模抑制比，這樣可以節省直流電壓裕度。

下式給出了CMRR(記為RCMRR)的參考公式：

式中：ZA為差分對管虛地點(diǎn)對地的阻抗。

電感采用鍵合電感，因為它有高Q值和節省芯片面積的優(yōu)勢。

仔細地在功耗與性能之間獲取均衡，實(shí)現的低噪放噪聲系數為0.84 dB，增益為16 dB，S11-15 dB，直流電壓1.8 V時(shí)電流為7.6 mA。

2.2 I／Q下變頻器

圖4給出了I／Q正交下變頻器的一路混頻器?；祛l器的設計需要仔細選擇每一個(gè)參數來(lái)平衡增益、線(xiàn)性度與噪聲之間的矛盾。由于處于接收機射頻信號最強處，往往混頻器對線(xiàn)性度的要求很高。本文采用Gilbert單元有源雙平衡混頻器，具有較高的各端口之間的隔離度?？鐚Ъ壘w管源極直接接地，以提高混頻器的線(xiàn)性度。電路中還采用電流注入技術(shù)，以降低混頻器開(kāi)關(guān)管的低頻噪聲，同時(shí)可以增大跨導級電流，改善線(xiàn)性度。

Gilbert單元的IIP3可以表示為：

式中：I和K分別是跨導電路的偏置電流和跨導參數。

當本振信號是正弦波時(shí)，與開(kāi)關(guān)對管有關(guān)的噪聲為：

式中：A為本振信號的幅度；ISW為開(kāi)關(guān)對管的偏置電流。

分析式(4)和式(5)，需要增大跨導差分對管的偏置電流來(lái)提高混頻器的線(xiàn)性度，同時(shí)又必須減小開(kāi)關(guān)對管的偏置電流來(lái)降低開(kāi)關(guān)噪聲，因此，需要采用電流注入技術(shù)來(lái)解決二者之間的矛盾。

2.3 交流耦合

直流偏移的解決是直接下變頻結構的難點(diǎn)之一。這里可以采用一個(gè)去直流的高通濾波器，該濾波器具有很低的拐角頻率。

圖5描述了文獻[2]的研究結果關(guān)于高通濾波器的拐角頻率對傳輸數據恢復的影響。