B3G射频接收机前端设计

田克纯,周武中,覃远年,赵 峰

（桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004）

B3G射频接收机前端设计

田克纯,周武中,覃远年,赵 峰

（桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004）

分析了DC-OFDM零中频接收方案,采用两个相邻子载波以分路/合路的方式进行信号处理以降低硬件难度和复杂度。利用ADS软件设计了B3G射频接收机,其低噪声放大器的最低噪声系数为1.7 dB,三阶交调点为-1 dBm;下变频器在频带范围内其增益为12.5 dB,1 dB压缩点-12 dBm,三阶交调点-3 dBm。实验测试结果表明,所设计的前端满足接收机的指标要求,适合于宽带通信系统。

B3G;宽带通信系统;零中频接收机;前端;子载波;移相器

1 引 言

移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。如今的第三代移动通信（3G）标准比第二代移动通信技术更强大,但也将面临竞争和标准不兼容等问题。人们开始呼吁移动通信标准的统一,以期通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。第四代移动通信与第三代移动通信相比,将在技术和应用上有质的飞跃,具有比3G更高的通信速率和效率。B3G支持有线及无线接入,具有超过2 Mbit/s的非对称数据传输能力,在高速移动环境下速率将达到100Mbit/s,在静止环境下将达到1 Gbit/s以上,能够支持下一代网络的各种应用。B3G作为未来移动通信发展的趋势,正受到越来越多的关注。而以Intel、TI等公司提出的多带-正交频分复用（MB-OFDM）方案较为成熟,该方案的特点就是把3.1～10.6GHz共7.5 GHz带宽分成128个子带,每个子带需要传输528 MHz的带宽,因此对射频前端的硬件如低噪声放大器、混频器等都有很高的要求。而双载波-正交频分复用方案的特点就是将每个子带的带宽降低一半,把系统的复杂度、功耗和硬件难度加以折衷。因此,本文中我们基于双载波-正交频分复用（DC-OFDM）系统结构并采用零中频接收机结构对B3G射频接收机前端进行设计。

2 射频接收机方案的介绍

B3G射频接收机具有很高的传输速率和传输质量,是3G无法比拟的优势,这也就对射频接收机提出了很高的要求。高性能的接收机是实现系统通信的关键,基于DC-OFDM系统并采用体积小、成本低和易于集成等优点的模拟正交混频零中频接收形式[1-2],但零中频接收机存在I、Q不平衡和直流偏移等问题[3-4]。本文接收机原理框图如图1所示。

图1 接收机的原理框图Fig.1 Block diagram of receiver

DC-OFDM采用的是正交频分多址技术,是一种特殊的多载波传输方案,其主要优势在于较好的抗频率选择性衰落、较好的抗窄带干扰能力和较高的数据传输速率。

本文主要针对B3G工作频率3.4～5 GHz的射频接收机进行分析研究,接收机包括低噪声放大器、混频器、宽带移相器等部件。

3 射频接收机前端的设计与仿真

为了保证系统的性能,需要对前端射频接收机的核心部件进行设计和仿真,包括低噪声放大器、混频器和宽带移相器的设计。

3.1 低噪声放大器的设计

3.1.1 低噪声放大器电路的设计

低噪声放大器（LNA）是无线通信系统射频接收机前端的关键模块,在接收并放大信号的过程中起着关键性的作用,其增益、噪声、线性度等都将直接影响着整个接收机的性能。因此,所设计的LNA应具备的性能是:在低功耗的前提下能提供足够大的增益,以克服后级（如混频器）的噪声干扰;优良的噪声性能以减小对系统动态范围的影响;良好的输入匹配以利于信号的有效传输。由于这些性能指标之间是相互交叉起作用的,所以设计过程中必须均衡考虑,兼顾各项性能指标。

本文设计的宽带低噪声放大器采用共栅放大器的输入阻抗来达到输入阻抗匹配的要求。输出匹配电路采用源随器,利用源随器的输入电阻大、输出电阻小负载能力强的特点,作为输出缓冲电路。

根据上述输入输出匹配电路的分析,本文设计的B3G前端的低噪声放大器的电路如图2所示。

由图2可知,输入采用共栅结构来实现输入电路的宽带匹配作用,并利用LC高通滤波器的作用,可以接收低端截止频率为3 GHz的输入信号;第二级采用共栅共源的放大器结构;输出匹配电路采用源随器来达到最大的输出功率。

图2 低噪声放大器的电路图Fig.2 The diagram of low noise amplifier

3.1.2 低噪声放大器电路的仿真实现

依据上述接收机指标的各项要求,我们采用两级级联的结构,利用安捷伦公司的ADS2008并基于TSMC 018 μ m CMOS工艺模型库来对低噪声放大器进行仿真,仿真结果如图3所示。

图3 低噪声放大器的仿真结果Fig.3 Simulation results of LNA

在本设计中第一级放大器采用共栅结构,这种结构可以很好地实现输入阻抗匹配。由图3的仿真结果可见,该低噪声放大器在3～5 GHz范围内,增益为19 dB,噪声系数2 dB,三阶交调点为-1 dBm,具有很好的增益和噪声平坦度,满足接收机系统的性能要求。

3.2 混频器的设计

3.2.1 混频器电路的设计

本振信号幅度对混频器的转换增益、线性度和噪声系数等性能都有很大的影响[5]。混频器的开关对的本振信号必须具有足够的电压振幅,但若本振信号幅度过大,开关对会对共源节点的寄生电容进行放电,充放电还可能出现尖脉冲,而且开关对中的晶体管还可能瞬间离开饱和区,这样反而降低了混频器的性能。对于MOS管开关对来说,一般信号电压幅度在100～300 mV之间比较合适。

在射频设计过程中,我们要考虑避免反射信号对本地振荡器造成干扰,本地振荡器也需要提供一个50 Ψ的阻抗匹配。对于本振的匹配电路如图4所示。

图4 本振匹配电路Fig.4 LO matching circuit

对于RC的匹配电路早就应用在混频器中,只是在高、低频端有很大不同的增益衰减。因此本文设计的这种适用于超宽带信号的LO匹配电路在3.1～10.6 GHz的增益为0.5～0.75,衰减量很小,满足设计的要求。

对于混频器来说,输入信号有本振信号和射频信号,因此在设计的时候必须考虑射频输入信号的匹配问题,对于射频输入端一般都是匹配到50 Ψ。本文设计的混频器的射频输入匹配电路如图5所示。

图5 射频匹配电路Fig.5 RF matching circuit

对于混频器的射频输入信号的匹配设计我们把电阻RL定为50 Ψ,对于超宽带3.1～10.6 GHz的信号采用两个LC电路进行优化设计,使射频输入信号阻抗匹配并且输入信号回波损耗降到最低。

根据前面对混频器匹配电路和性能参数的分析,并考虑混频器开关对导通产生的1/f噪声和二阶交调成分与混频器的寄生电容都会产生直流失调成分,对后级的零中频接收形式产生很大的影响。因此本混频器在开关对之间注入一个固定的偏置电流来降低1/f噪声的影响,同时在开关对晶体管之间串联一个电感,利用电感吸收电容充放电的电流,因而可以减小寄生电容对混频器的干扰作用。本文研究的混频器结构如图6所示。

图6 混频器的电路图Fig.6 Schematic of the proposed mixer

3.2.2 混频器的仿真实现

混频器在接收机中处于射频信号幅度最高的位置,而且许多干扰信号未得到有效抑制,因此线性度是一个非常重要的指标;同LNA相似,适当的增益有助于抑制后续电路的噪声。

本文基于 TSMC 0.18 μ m RF CMOS工艺模型,利用安捷伦公司的ADS2008对混频器在3～10 GHz频带范围内的传输增益、端口隔离度、1 dB压缩点和三阶交调点进行仿真,仿真结果如图7所示。

由图7可见,1 dB压缩点在-15 dBm左右,三阶交调点在-5 dBm左右;在3～5 GHz频带范围内增益误差仅为1 dB,且输入端的隔离度为-20 dB,该仿真的各项指标满足接收机的性能指标要求。

图7 混频器仿真结果Fig.7 Simulation results of mixer

3.3 射频宽带移相器

零中频接收机存在的固有缺陷就是当本振发生相位偏移时会导致接收机的I、Q不平衡,使得系统性能急剧下降。一般可以用RC-CR移相网络产生正交本振信号,RC-CR移相网络将输入信号分别移相±45°,在输出端产生两路正交的I、Q信号,但是输出的I、Q两路正交信号只在频率点幅度才保持一致,而且单级的RC-CR移相网络只在单频上才能达到完全的增益匹配。相位和增益的匹配对RC-CR移相网络的适配特别敏感。本系统中为了降低零中频接收机对相位偏移的敏感度,在射频前端加了一个宽带移相模块。文献中采用两级的宽带移相网络,我们对其进行改进,采用三级的宽带移相网络,其结构如图8所示。

图8 三级宽带移相网络Fig.8 Broadband phase-shifting network

图9 幅频特性Fig.9 Amplitude-frequency characteristic

图10 相频特性Fig.10 Phase-frequency characteristic

从上述仿真结果可知,当输入信号在1.6～6.4 GHz频段时输出信号能很好地保持正交性。观察图9和图10知,相频特性在频带内正交性良好,且幅度的衰减为-5.692～-5.875 dB,频带内输出信号幅度的衰减量误差为0.163 dB,这个误差范围不影响系统的性能。

4 射频接收机验证电路的测试

经过设计、仿真研制出的DC-OFDM双正交零中频射频接收机符合现代通信的高要求,为了验证双正交零中频接收机形式能很好地解决传统零中频接收机存在的I、Q不平衡和直流漂移问题[2,6-7],但鉴于现有器件的限制只制作了一个实验验证电路,以验证方案的可行性。经仿真、设计、制作的双载波零中频接收机实验测试平台如图11所示。

图11 实验接收机测试平台Fig.11 Experimental test p latform

当接收机存在相位误差时,为比较两种零中频接收机对相位的敏感度,现使接收机系统存在相同的相位误差时比较两接收机矢量图,实验测试矢量图如图12所示。

经仿真和实验测试可知,在系统存在相位误差时,本接收机方案的矢量和星座图都远优于传统的零中频接收机方案,接收机系统的镜像抑制能力较传统零中频接收机约提高了10～15 dB,接收机的系统性能大大提高。

5 结 论

本文设计的DC-OFDM双正交零中频接收机采用模拟正交混频降低了对AD的要求,通过实验电路的测试可以很好地解决零中频接收机存在的I、Q不平衡和直流偏移问题。在此基础上仿真设计了B3G射频接收机前端模块,结果表明满足射频前端低噪声、高线性和良好隔离度的要求。随着无线通信的发展,双载波B3G零中频接收机必然有广泛的前景,对实现无线宽带技术也有一定的参考价值。

[1] Namgoong W,Meng T H.Direct-conversion RF receiver design[J].IEEE Transactions on Communications,2001,49（3）:518-529.

[2] Kirkland W R,Teo K H.I/Q distortion correction for OFDM direct conversion receiver[J].Electronics Letters,2003,39（1）:131-133.

[3] Fouladifard S,Shafiee H.On adaptive cancellation of IQ mismatch in OFDM receivers[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and SignalProcessing.[S.l.]:IEEE,2003:564-567.

[4] W right A R,Naylor P A.IQ mismatch compensation in zero-IF OFDM receiverswith application to DAB[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing.[S.l.]:IEEE,2003:329-332.

[5] Safarian A Q,Yazdi A,Heydari P.Design and Analysis of an Ultrawide-band Distributed CMOS Mixer[C]//Proceedings of 2005 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.[S.l.]:IEEE,2005:618-629.

[6] Xing G,Shen M,Liu H.Frequency offset and I/Q imbalance compensation for direct conversion receivers[J].IEEE Transactions on Communications,2005,4（2）:673-680.

[7] Gil G T,Sohn I H,Lee Y H,et al.Joint ML estimation of carrier frequency,channel,I/Q mismatch,and DC offset in communications receivers[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2005,54（1）:338-349.

Design of a Front-end for B3G RF Receivers

TIAN Ke-chun,ZHOU Wu-zhong,QIN Yuan-nian,ZHAO Feng
（Information and Communication Institute,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China）

DC-OFDM zero-IF receiver scheme is studied in this paper.Two adjacent sub-carriers in splitter/combiner manner for signal processing are adopted to reduce the difficulty and complexity of the hardware.B3G RF receiver is designed through ADS software and the minimum noise figure of low-noise amplifier（LNA）is 1.7 dB,and the third-order intermodulation point is-1 dBm,the gain of down converter within range of the frequency band is 12.5 dB,1dB compression point is-12 dBm,and the third-order intermodulation point is-3 dBm.Experimental test results illustrate that the designed front-endmeets the demands of the receiver and is suitable for broadband communication systems.

B3G;broadband communication system;zero-IF receiver;front-end;sub-carrier;phase-shifter

The National Natural Science Foundation of China（No.60872022）

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.020

1001-893X（2010）11-0094-06

2010-05-14;

2010-09-07

国家自然科学基金资助项目（60872022）

田克纯（1950-）,男,河南洛阳人,教授,主要研究方向:移动通信与个人通信;

TIAN Ke-chun was born in Luoyang,Henan Province,in 1950.He is now a p rofessor.His research interests include mobile communication and personal communication.

周武中（1983-）,男,安徽安庆人,硕士研究生,主要研究方向:无线通信技术;

ZHOU Wu-zhong was born in Anqing,Anhui Province,in 1983.He is now a graduate student.His research direction is wireless communication technology.

Email:1234zwz@163.com

覃远年（1971-）,男,广西梧州人,副教授,主要研究方向:无线通信技术;

QIN Yuan-nian was born in Wuzhou,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1971.He is now an associate professor.His research direction iswireless communication technology.

赵 峰（1974-）,男,山东日照人,副研究员,主要研究方向:OFDM、MIMO技术。

ZHAO Feng wasborn in Rizhao,Shandong Province,in 1974.He is now an associate engineer of professor.His research direction is OFDM and MIMO technology.