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一种单芯片无线收发系统设计

时间:2021-03-20 14:57:21

 摘要:为了使无线收发系统能够轻松应用于无线传感器网络、蓝牙技术和无限局域网(WLAN)等领域,采用片上系统设计方法,在单个芯片上设计无线收发系统,将其最小化。给出了单芯片无线电的基本结构和电路实现(搅拌机、低噪声放大器、功率放大器等)几个组件的溶液。电路具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高等特点。

 关键词:单芯片无线电通信:低噪音放大器;接收器;无线 局域网

 0 引言

 单片无线通信系统是将发射机、接收机、放大器、电源管理组件和其他基带逻辑电路集成到单个芯片中的单片设备。

 单片机通信中最重要的组成部分是发送和接收,称为短发送和短接收。在发射端,由逻辑电路产生低频基带信号,经混频器调制到适当的频率(上转换) ,然后在信号经功率放大器(pas)增强后由天线辐射。

 在接收端,天线接收的信号通过低噪声放大器(LNAs),最后由混频器调制。这一次信号的频率降低,称为下变频。要将发射器和接收器结合在一个芯片上,必须有一个开关允许天线发送和接收信号,并应实施隔离技术,以确保独立电路不会相互干扰。

 1 收发器的结构

 一个中国发射技术加上信息接收的收发器,发射机送电信号经天线可以进入大气层,如果我们想得到发展非常高的频率,比如对于大于1 GHz时,发射机将采用企业连续的上变频来达到学生正确的频率。但是,如果自己所需的频率很低,例如100 MHz以下,那么发射机往往用一个国家直接影响转换研究方法,或是单上变频。

 直接转换,也称为零中频调制。

 1.1 混频器

 混频器是一种用于调制信号频率的电路,在无线电应用中,搅拌机在基带频率和承运人频率之间转换电信号,两个信号驱动混频器,输出信号是两个输入信号成倍增加的。通过搅拌机时,输入和振荡器信号成倍增加,可以计算。混频器实际上是两个信号的乘法电路,线性代数的简单性质证明,任何信号都可以在傅立尔系列中描述,任何信号都是不同频率的正弦曲线的总和。因此,每个信号都可以用正弦曲线表示,正弦曲线是数学三角函数特征引起的频率的加减

 1.2低噪声放大器

 低噪声放大器(LNA)是一种设计用于限制杂散信号的放大器。它常用在无线电收发机的接收部分,离天线很近。在大多数情况下,接收机天线接收到的微弱射频信号会包含一些杂散信号,因此接收机降低噪声非常重要。根据Friis公式对噪声的描述,接收机的整体噪声指标由第一级控制。因此,低噪声放大器被放置在接收部分的前级,以提高信号的抗干扰能力。采用低噪声放大器,后期的噪声随着LNA的增加而降低,LNA的噪声直接注入信号。因此,当存在少量噪声和失真时,有必要添加低噪声放大器来增强有用信号功率。信号可以在系统的后期恢复。为了产生适当的增益,可以串联多个低噪声放大器。

 1.3 功率控制放大器(PA)

 功率放大器是一种保持电信号波形不失真并增加其功率的电路。

 1.4 天线

 单片机无线收发器设计的另一个关键部分是天线。为了使整个系统更小,许多现代单芯片无线解决方案使用片上天线而不是分布式天线。半导体衬底上的天线制作是在高阻硅衬底上制作95 GHz IMPATT二极管振荡器的芯片集成天线,在砷化镓衬底上制作43.3 GHz IMPATT二极管振荡器的芯片集成天线。高阻硅衬底也用于制作基于90 ~ 802 GHz天线工作范围的微机电系统。

 除了衬底兼容性以外,要降低企业成本,天线设计必须充分利用社会主流硅技术上的导体和绝缘层制作。目前,金属层可以是8~9层,厚度介于0.5~2μm之间。导体技术可以通过采用铝或铜,该绝缘层分离导体是由于我国二氧化硅厚度介于0.5~1 μm之间的变化发展引起。芯片天线同时可以直接用来在集成控制电路公司内部管理以及网络外部经济自由活动空间信息通信,信号的传播是在传播环境介质中以光速传播,但在一个无线互连网中使用的芯片天线不需要光学元件,因为其难于集成。

 2 电路设计

 2.1 接收机

 接收机有两个差分级联低噪声放大器,为每个频段提供必要的前端增益并降低噪声。未使用的lna始终关闭,以降低总功耗。2.4 GHz和5 GHz内的射频信号在被下变频到公共中频(例如,大约1.7 GHz)之前被相应的噪声放大器和射频可变增益放大器(VGA)放大。这个中频信号被进一步混合,然后下降到正交基带I和Q信号,称为LO2。通道滤波器选择gm-C滤波器作为芯片基带。基带滤波器中的DC偏移由同一基带lC控制的两对6位DAC消除。实验测量表明,接收机具有90 dB的可编程增益,射频和基带信号约为一半。整个接收系统的噪声系数,5 GHz应用模式对应5.5 dB,2.4 GHz应用模式对应4.5 dB

 在接收机印板中最具有重要的装置之一是采用低噪音放大器(LNA)。LNA的质量对接收器的参数有相当大的影响。图2给出了一种用于实现双频信号接收机中的5 GHz LNA。

 改进进行压缩和共模抑制的5 GHz的LNA示意图。放大器由一对为降低环境噪音影响系数而优化的级联差分电路系统组成。它是可以利用学生一种具有低噪声数字。当一个国家有用的大射频识别信号输入时,该LNA转换到低增益设计模式,以避免出现信号数据压缩。增益减少是通过研究晶体管M2,M5作为我国一对电流保护开关技术实现的,通过专业分流信号产生电流远离感性负载来实现企业降低成本输出电压信号。增益不断变化的正确度取决于是否匹配晶体管的大小和对所有工作过程及温度死角的有效管理控制。为了达到降低施工噪声可用级联反应装置,在级联节点的寄生电容主要通过采用电感L3和L4滤出。电感L5通过滤去差分M7和M8尾部节点的寄生电容来提高低噪声放大器(LNA)的共模抑制比。增加在尾节点的共模阻抗以提高共模抑制,从而得到允许LNA使用单端射频输入,无需添加平衡器。

 重构的基带信号由具有电阻衰减的吉尔伯特混频器完成。上变频和电阻负载如图4所示。I-Q LO驱动信号来自二阶多相滤波器,其输入来自锁定参考频率为1 MHz的2.4 GHz VCO。如图4所示,功率放大器由单级开路集电极、在同一芯片上匹配的差分对和用于最大功率传输的不平衡变压器组成。差动和导纳由数控尾电流源控制,8步实现30 dB的功率控制。实验测试表明,该功率放大器在50 ω负载下可以传输+3 dBm的连续调制,功耗为9 mA。

 3 结语

 由于体积和隔离度的限制,单片机无线通信装置的处理能力受到限制。最复杂的设备是无线蓝牙调制解调器和无线局域网应用的收发器,它们在低功耗状态下工作,处理区域有限。在无线传感器网络的设计中,无线通信、低能耗和传感器节点体积小也使得单片机无线收发系统具有很大的空间。单片无线收发系统采用深亚微米 cmos 工艺、低噪声放大电路设计和芯片集成天线技术等,整个无线收发系统具有能耗低、成本低、体积小、可靠性高等特点。但由于接收和发送系统都集成在一个芯片上,如何开发更好的分离技术来克服电磁干扰等问题,将收发模块、 if 模块、基带信号处理模块和电源管理控制模块集成到单片 soc 中仍然是目前的主要任务。

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