一种高线性低功耗射频鉴频器的设计

史会英，鲍嘉明

（北方工业大学信息学院，北京 100144）

进入21 世纪以来，我国经济跟随全球化的脚步快速进步和发展，国内人口结构老龄化，在医疗体系中，传统的人体检测仪体积较大且连线较多，难以随身携带，给我们的日常生活造成很大的不便[1]。体域网是一种能够依附在人体的分布式网络，各类小巧轻便，移动便利的个人可穿戴设备的使用者可以将其作为个人信息感知节点，并实时传输数据和信息[2-3]。无线体域网是个人健康信息采集与传输的重要技术手段之一[4]，随着智能医疗[5]的产生，人们开始将无线体域网应用到医疗系统中[6-7]。无线通信技术作为无线体域网在医疗领域应用的技术支撑，对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义[8]。随着应用于无线体域网设备的大量使用，人与机器之间的各类信息交互成指数增长，大量数据的采集和传输需求对于信息采集和传递的实时性，准确性要求越来越高[9-11]。

在设计无线医疗设备时，必须注意以下问题：这些设备的位置非常靠近人体，因此必须降低射频辐射功率以减少对人体伤害[12]；为了避免频繁更换电池给使用者带来的不便，在设计收发机时需要实现低工作电压和低功耗[13]。随着设备功能越来越强大，接收信息的接收机向着超宽带、高频高速、低功率和高集成化方向发展[14-15]。基于频率调制及解调的收发机电路广泛应用于低功耗医疗系统。

1 几类射频鉴频接收机原理

对于射频收发系统来说，常用的鉴频方式主要分为两种：相位鉴频与斜率鉴频。已有的射频鉴频接收机结构如图1 所示，主要包括：（a）基于延时相乘的相位鉴频接收机；（b）基于单带通滤波器的斜率鉴频接收机；（c）基于双带通滤波器的斜率鉴频接收机。

图1 各类射频鉴频接收机原理图

相位鉴频的主要类型是延时相乘型，其原理如图1（a）所示，利用延迟线将射频调频信号延时，调频信号的相位变化量与调频波的频率变化呈线性关系，可以得到射频的调相—调频波，随后将该信号与原波形均输入由乘法器和低通滤波器构成鉴相器就可以解调出对应的调制信号。

假设发射端的子载波为正弦信号Vm(t)，经过VCO调制后得到超宽带调频信号VFM(t)，如式（1）。其中，βRF为超宽带调频信号的射频调制因子，ωc和ωm分别为子载波与常包络射频调频信号的中心角频率。

VFM(t)经过延时，并取τ（τ为四分之一射频载频周期的奇数倍）后；得到调相信号VPM(t)如式（2）：

将调相信号和原信号相乘后，当延时远小于子载波周期时，简化得到式（3）：

当子载波幅度很小时，鉴频器解调得到了子载波信号，如式（4）所示。

即使子载波的幅度很大，相位鉴频器解调得到的是子载波的频率而不是子载波本身，但对于接收机系统中后续的子载波解调部分没有太大的影响。

斜率鉴频电路如图1（b）所示，其基本原理是利用LC 谐振腔即带通滤波器的频谱曲线性边带将射频调频信号转化提取至信号包络中，使得常包络调频信号转化为调幅—调频波，再利用包络检波器将调幅—调频波中的包络信息提取出来。

相位鉴频器可以通过级联全通滤波器（APF）和带通滤波器（BPF），将调频信号转化为调相信号，并将延时相乘，得到低频的解调信号，也可以采用差分双极型晶体管（BJT）与电容构成的近似微分器电路来实现90°相移，并结合吉尔伯特乘法器完成鉴频功能。对于相位鉴频器来说，虽然具有非常好的噪声特性，但是延迟线模块的精度要求过高，导致接收机电路复杂度升高；而斜率鉴频器利用LC 谐振腔边带改变信号包络的方法则能够实现更低的功耗。

斜率鉴频器能够将射频调频波解调为中频信号，传统的基于单带通滤波器的斜率鉴频器，电路功耗低，但是LC 谐振电路的幅频曲线边带的线性度很差。幅频曲线越弯曲，得到的中频信号的非线性失真就越大，导致传输的信号质量严重下降。

针对基于单带通滤波器的斜率鉴频器非线性失真过大的缺陷，文献[16]采用了基于双带通滤波器的斜率鉴频器来改善线性度；缺点是在处理中频信号时，减法器模块的失调电压对鉴频灵敏度影响很大。

基于以上各类射频鉴频器的优缺点，该文为无线通信系统的设计了一款功耗为1 mW 的高线性低失调射频鉴频器，通过采用斜率鉴频的方法，实现低功耗鉴频功能；采用差分电路进行射频鉴频，从而提升了鉴频器的线性度；添加两路中频放大器并降低减法器增益来降低失调电压对鉴频灵敏度的影响。

2 鉴频器整体结构及解调原理

设计的鉴频器整体结构如图2 所示，整个电路大致可分为4 个部分：带通滤波器、包络检波器、中频放大器以及减法器。

图2 基于双带通滤波器的斜率鉴频原理图

接收机从天线接收射频信号之后，采用具有单端输入、双端输出低噪声放大器，将射频信号进行预放大，得到差分低噪声的射频信号RF+和RF-，随后将差分信号输入基于双带通滤波器的斜率鉴频器进行解调处理。射频调频信号经过带通滤波器的选频处理，将包含在射频载波频率中的FM 信息转化到幅度中，得到调频-调幅信号；包络检波器的作用是将射频载波信号滤除，从调幅波（AM）中得到差分中频解调利用带通滤波器解调射频FM 信号原理如图3所示，两个中心斜率对称失谐的带通滤波器的幅频特性曲线K1(ω)和K2(ω)将调制好的射频信号的频率信息映射为输出信号的电压幅度，并由包络检波器滤除射频成分并完成AM 波的包络解调，这样就可以避免直接处理难度较大的调频信号，转为更容易处理的调幅信号。

图3 调频信号斜率鉴频原理

3 鉴频器具体电路实现

该设计采用了基于双带通滤波器的电路结构，具体的电路如图4 所示。带通滤波器的选频网络为两个LC 谐振腔，分别由L1、C1和L2、C2构成。

图4 设计的鉴频器电路

常包络射频调频信号输入带通滤波器后，分别利用两个LC 谐振腔的幅频曲线的上升边带和下降边带，得到幅度与频率呈现正比例和反比例关系的调幅-调频信号，调整L和C的取值将射频信号的中心频率落入两谐振腔的上、下边带中心对应的频率处，并使得上、下边带线性边带部分能够覆盖信号带宽频率范围，可以将蕴含在调频波中的信号对应地转换到射频信号的包络中。

电路中的两个谐振腔的中心频率分别为3.7 GHz和4.3 GHz，线性边带范围大于600 MHz，能够解调出以4 GHz 为中心、600 MHz 调频范围内的射频调频信号。

调幅-调频信号通过由源极跟随器（M1、M2）和电容（C3、C4）构成的包络检波器[7]，滤除信号中的高频载波成分，得到两路轻微失真的中频解调信号，并由共栅放大器（M3、M4）将信号放大，将信号送入中频放大器。源极跟随器与共栅放大器为电流复用结构，降低了包络检波器的功耗。

信号由包络检波器输送至中频放大器进行放大，其增益约为60 dB，由结构相同的两级自偏置推挽放大器构成，随后将信号送入增益为30 dB 的减法器（即单级跨导放大器），处理差分信号，最终得到一路高线性的中频解调信号。

4 版图及仿真结果

设计的斜率鉴频器电路采用的工艺为65 nm CMOS 工艺。鉴频器电路的供电电压为1 V，功耗为1 mW。鉴频器整体版图布局如图5 所示，版图总面积为0.464 mm×0.545 mm。

图5 鉴频器版图

以模拟三角波调制的射频调频信号为例，设计的基于双带通滤波器的斜率鉴频器的输出信号如图6 所示，图中的调制信号通过控制理想压控振荡器，输出0.1 m 的常包络射频调频信号，曲线Vout+和Vout-分别为两路包络检波器的输出波形，Vout为完成差转单后的输出波形。从图中可以看出，与失真明显的单斜率鉴频器相比，双斜率鉴频器输出具有更好的线性度。

图6 射频鉴频器的时域波形

图7 为失调电压对于未添加中频放大器和添加中频放大器的斜率鉴频器的输出失调对比曲线。图7(a)为未添加中频放大器的斜率鉴频器的输出失调对比曲线，在产生160 mV 的输出失调电压时，对应的输入失调电压为0.01 mV；图7(b)为添加中频放大器后的斜率鉴频器的输出失调对比曲线，输入失调电压为0.01 mV 时产生的输出失调电压极小。在相同输入失调电压的情况下，图7(a)中的输出失调电压远低于图7(b)中的输出失调电压，因此与未添加中频放大器的斜率鉴频器相比，添加中频放大器后的斜率鉴频器具有更好的抗失调能力。

图7 两种斜率鉴频器的输出失调对比曲线

5 结论

该文采用65 nm CMOS 工艺，通过引入两路单端中频放大器，设计了一款基于双带通滤波器的斜率鉴频器，供电电压为1 V，功耗为1 mW，成功将幅度为0.1 mV 的射频调频信号解调为中频三角波，取得了-70 dBm 的灵敏度。通过对比射频接收系统的两类鉴频器，可以得出在功耗指标上，斜率鉴频器要小于在发射端与接收端需要进行射频载波同步的相位鉴频器；对于斜率鉴频器，基于双带通滤波器的结构相比于传统的基于单带通滤波器的结构拥有更理想的线性度；而采用了中频放大器的结构则更好地避免减法器输入失调电压对鉴频灵敏度造成的不良影响。