电路设计 - 单芯片无线电通信系统设计

　　2.1 接收机

　　以下是一个适用于802.11a/b/g无线局域网的单芯片无线电接收机，它有2个波段。图1显示双频接收机详细框图。

　　接收机有两个差分级联低噪声放大器，对每一个波段，提供必要的前端增益和降低噪声。不用的LNA始终关掉，以减少目前的整体消费。2.4 GHz和5 GHz内的射频信号在下转换为共同的中频(如大约为1.7 GHz)之前被相应的噪声放大器和RF可变增益放大器(VGA)放大。这个中频信号进一步混合后下至正交基带I，Q信号，称LO2。信道滤波器选择用于芯片基带的gm-C滤波器。在基带滤波器中的直流偏移量被两对受同基带lC控制的6位DAC的删除。经实验测量，该接收机具有达90 dB可编程增益，射频和基带信号大约各半。整体接收系统噪声系数对应于5 GHz应用模式为5.5 dB，对应于2.4 GHz应用模式为4.5 dB。

　　在接收机印板中最重要的装置之一是低噪音放大器(LNA)。LNA的质量对接收器的参数有相当大的影响。图2给出了用于双频接收机中的5 GHz LNA。

　　图2是改进压缩和共模抑制的5 GHz的LNA示意图。放大器由一对为降低噪音系数而优化的级联差分电路组成。它是利用一种低噪声数字。当一个有用的大射频信号输入时，该LNA转换到低增益模式，以避免信号压缩。增益减少是通过晶体管M2，M5作为一对电流开关实现的，通过分流信号电流远离感性负载来实现降低输出信号。增益变化的正确度取决于匹配晶体管的大小和对所有过程及温度死角的有效控制。为了降低噪声可用级联装置，在级联节点的寄生电容通过电感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，从而允许LNA使用单端射频输入，无需添加平衡器。

　　2.2 发射机

　　图3显示了双波段发射机的方框图。正交基带I，Q信号由同一数字芯片中的DACs产生，以电流输入方式送发射机。输入信号先被可重构滤波器滤波，然后混合到1.7 GHz的中频。由此，无论发射机运行在2.4 GHz或5 GHz的模式，中频信号都被LOF或LO2上转换。发射机采用镜像抑制混频，以避免需要一个中频滤波器。对于图3中的混频器正交分量LO2和LOF是直接由合成器提供，而正交分量LO1为了产生射频混频局部采用RC-CR滤波器。在经过射频可变增益级之后，每一路的射频信号驱动芯片上的功率放大器(PA)。

　　图4是一个上变频混频器和功率放大器(PA)的电路图，用于蓝牙技术的单片无线调制解调器。这种调制解调器采用了直接转换，所以在收发中不必使用中频带。

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　　重构的基带信号由电阻衰减Gilbert型混频器完成，上变频以及电阻负载如图4所示。I-Q LO驱动信号来自于2阶的多相滤波器，它的输入源于一个锁定参考频率为1 MHz的2.4 GHz VCO。功率放大器如图4所示，由单级集电极开路、在同一块芯片上匹配的差分对和为得到最大功率传送的不平衡变压器组成。通过数控尾电流源对差分与导纳的控制来完成，分8步实现30 dB的功率控制。实验测试显示，这种功率放大器能够在50 Ω负荷下传送+3 dBm的连调，而消耗为9 mA。

　　3 结语

　　单片无线电通信装置由于受到尺寸和隔离限制，其处理能力有限。其最复杂的装置是应用于WLAN的无线蓝芽调制解调器和收发器，因为它们运行在低功耗状态且需处理的地方有限。而在无线传感器网络的设计过程中，传感器节点无线通信、低耗能、体积小等特点也使单芯片无线收发系统有了极大的空间。