基于无线局域网标准的接收机射频前端设计

发表于 2017-12-12 13:24:20 收藏 已收藏
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基于无线局域网标准的接收机射频前端设计

发表于 2017-12-12 13:24:20

近年来,无线终端凭借低成本、低功耗和便于组网的优越性逐渐成为校园、机场、医院和家庭接人因特网的首选方案,无线接入技术得到迅速发展和广泛应用。无线收发模块的设计研究已成为一个重要研究方向。

本文介绍了一种应用于IEEE 802.11b/g无线局域网标准的2.4 GHz ISM单片CMOS接收机射频前端设计。IEEE 802.11b是目前市场上主流产品标准,而IEEE 802.11g则是IEEE 802.11系列的核心标准之一,它兼容另外两个核心标准IEEE 802.11a和IEEE802.11b,即同时支持IEEE 802.11a的OFDM(正交频分复用)和IEEE 802.11b的CCK(补码键控)编码的DSS(直接序列扩频)调制方式。本文中设计的接收机应用于DSS调制方式。

1 系统结构

考虑到低成本、低功耗和高集成度,针对IEEE802.11b/g本身宽信道带宽特性,本文采用直接下变频接收机结构。随着电路技术和工艺的进步,直接变频所固有的问题得到很大改善。尤其是直流偏移和1/f闪烁噪声问题,现在都能有效地降低它们的影响。

表1列出了近期设计的射频前端性能总结。

基于无线局域网标准的接收机射频前端设计

图1给出了接收机的系统结构,包括低噪声放大器、I/Q下变频器、去直流耦合电路、基带线性放大器和信道选择滤波器。

基于无线局域网标准的接收机射频前端设计

DSS标准包含11个2 MHz带宽的子信道,总的信道带宽为22 MHz。如果在保证误帧率在8×102情况下,要达到灵敏度为-80 dBm,那么,

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

式中:KNF为噪声系数;RSNR为信噪比。

针对需要的FER,假设RSNR≈10 dB,再考虑到射频滤波器约2 dB损耗,接收机的要求低于8.6 dB。

标准还要求在接收信号-74 dBm时,具有40 dB的邻近信道抑制能力,鉴于此,接收机的输入1 dB压缩点要达到至少-30 dBm左右。

2 电路实现

2.1低噪声放大器

图2给出了低噪声放大器电路具体实现。电路采用典型的差分Cascode结构,增加对片上干扰抑制,减少源极寄生电感影响,另外,还能提高CMRR(共模抑制比)。不过,相对于单端输入单端输出,差分结构带来更大的功耗。

基于无线局域网标准的接收机射频前端设计

下面只分析放大器对称的左半部分,它是一个窄带Cascode结构低噪声放大器,这种结构能得到更好的噪声性能。Ls和Ld采用片上电感,Lc、Lg由键合电感实现。M1、M3是跨导晶体管,共栅连接的M2、M4提高输出输入之间的隔离,并减少M1、M3漏极电容Cgd的密勒效应。电容Cd、Cout和Ld调节输出匹配并起到与次级电路隔直的作用。

基于无线局域网标准的接收机射频前端设计

当然,除此之外,在优化电路时还应该考虑到电容Cs的影响,但式(1)、式(2)给出了各元件对电路性能的影响趋势,这点在设计电路时具有指导意义。

仔细选择器件参数,得到0.84 dB的噪声系数。从图3的仿真结果可看出,电路优化结果使kNF非常接近kNFmin。

用电感Le代替传统的尾电流源提高差分电路的共模抑制比,这样可以节省直流电压裕度。

下式给出了CMRR(记为RCMRR)的参考公式:

基于无线局域网标准的接收机射频前端设计

式中:ZA为差分对管虚地点对地的阻抗。

电感采用键合电感,因为它有高Q值和节省芯片面积的优势。

仔细地在功耗与性能之间获取均衡,实现的低噪放噪声系数为