基于深亞微米CMOS工藝射頻光傳輸系統(tǒng)的研究

發(fā)布時間：2020-08-10 07:27

【摘要】：隨著移動通信系統(tǒng)向?qū)拵У谖宕?5G)移動通信演進,系統(tǒng)帶寬和性能的要求大大增加,使得無線頻譜資源的重復(fù)利用及與數(shù)字光纖通信網(wǎng)的適配與融合成為整個通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一項重要研究內(nèi)容。射頻光傳輸(Radio over fiber)系統(tǒng)為通信網(wǎng)絡(luò)提供了靈活的信息傳輸手段,成為可充分利用有限無線頻譜資源、便于與固定光纖有線通信網(wǎng)實現(xiàn)有機融合的優(yōu)選方案。因此,結(jié)合了光纖通信與無線通信兩者優(yōu)勢的射頻光傳輸即ROF(Radio over Fiber)技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注。本文基于CMOS工藝,針對ROF系統(tǒng)的各個模塊,進行了分析和研究,主要的工作如下:1)對ROF系統(tǒng)的增益特性、噪聲特性與非線性特性進行了系統(tǒng)的理論研究。研究表明,可通過無耗匹配網(wǎng)絡(luò)、減小驅(qū)動源輸出阻抗;可選用小寄生電阻的激光二極管(LD)減小發(fā)送端匹配損耗;可通過無耗匹配網(wǎng)絡(luò)、增大前置接收放大電路輸入阻抗;并可選用小導(dǎo)納PD減小接收端匹配損耗。另外,射頻信號損耗與光傳輸鏈路損耗的平方成正比,即光路1dB損耗將產(chǎn)生2dB射頻損耗。因此,光路損耗需要仔細(xì)設(shè)計。(2)通過研究ROF系統(tǒng)的噪聲特性,導(dǎo)出了在PD輸出端噪聲電流及系統(tǒng)噪聲指數(shù)理論表達式,分析了ROF系統(tǒng)噪聲指數(shù)與發(fā)送端匹配、LD直流偏置、光路損耗、接收端匹配、前置接收放大電路噪聲特性的關(guān)系。(3)通過研究發(fā)現(xiàn),可通過無耗匹配網(wǎng)絡(luò)、減小射頻調(diào)制驅(qū)動器的輸出阻抗、選用低阻值的LD可減小發(fā)送端匹配噪聲;系統(tǒng)噪聲指數(shù)隨LD直流偏置的二次方增長。在滿足其它條件的情況下,盡可能降低LD的直流偏置點;在接收端可通過采用無耗匹配網(wǎng)絡(luò)、選用小跨導(dǎo)及小暗電流的PD、設(shè)計或選用低噪聲前置放大器來改善接收端噪聲性能。2)采用ADS(Advanced Designed Systems)軟件里的SDD(Symbolic Defined Device)器件對激光器的物理模型進行了建模。激光器的模型對于設(shè)計ROF鏈路有著非常重要的意義。此外,根據(jù)激光器的速率方程,對激光器的大信號和小信號模型進行了分析。利用Volterra級數(shù)建立了激光器的數(shù)學(xué)模型,并進行了相關(guān)非線性公式的推導(dǎo)。3)獨創(chuàng)地提出了一種全新的預(yù)失真電路,并通過TSMC 0.18mm CMOS工藝流片進行了驗證。雖然針對ROF激光器的預(yù)失真技術(shù)已經(jīng)有很多報道,但是最近30年,采用CMOS工藝設(shè)計的模擬預(yù)失真的電路卻非常少。因為如果采用CMOS工藝,并按照傳統(tǒng)的預(yù)失真結(jié)構(gòu)來設(shè)計預(yù)失真電路,整體電路的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的,而且需要占用很大的芯片面積,消耗更大的功率。這對于系統(tǒng)集成以及設(shè)計成本來說,是難以接受的。而本文提出的這個預(yù)失真電路具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低以及芯片面積小的優(yōu)勢,并且解決了預(yù)失真電路不能實現(xiàn)寬帶工作的問題,實現(xiàn)了CMOS模擬預(yù)失真技術(shù)的突破。測量的結(jié)果表明IMD3在1~2.5GHz的工作帶寬下,IMD3有3~16d Bc的下降。4)提出了DNW-strip-SMPD和Psub-strip-SMPD兩種結(jié)構(gòu)的光電探測器�；趯怆娞綔y器的工作原理以及性能指標(biāo)的研究,對SMPD結(jié)構(gòu)的光電探測器建立了數(shù)學(xué)模型分析,并用Matlab軟件對3dB帶寬與PN結(jié)之間距離的關(guān)系進行了仿真。通過SILVACO軟件對兩種能夠有效提高光電探測器帶寬的結(jié)構(gòu)進行了器件仿真,為CMOS光電探測器的設(shè)計提供了依據(jù)。本次設(shè)計的光電探測器的測試結(jié)果顯示DNW-strip-SMPD的工作帶寬為2.9GHz,而Psub-strip-SMPD的工作帶寬為1.8GHz。此外,DNW-strip-SMPD和Psub-strip-SMPD的寄生電容的值大約為820f F和440f F。Psub-strip-SMPD在響應(yīng)度和寄生電容方面具有優(yōu)勢,而DNW-strip-SMPD則是在帶寬方面具有優(yōu)勢。5)提出了一種應(yīng)用于射頻光傳輸鏈路的寬帶可編程增益放大器(PGA),通過數(shù)字控制晶體管的有效寬長比來實現(xiàn)增益的可變。測試結(jié)果表明寬帶PGA的3dB帶寬為0.9~5GHz,實際測試的增益步長接近3dB。在最高增益的工作狀態(tài),測得最小噪聲系數(shù)為4.7dB,而在最低增益工作狀態(tài),最小噪聲系數(shù)為8.5dB。在最大增益模式下的IIP3大小為-9.6dBm。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5;TN929.1
【圖文】：

數(shù)據(jù)流量,發(fā)展趨勢,思科,移動業(yè)務(wù)