本文關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航射頻接收芯片單片集成關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī) 射頻前端芯片 低噪聲放大 鏡像抑制 自動(dòng)增益控制

【摘要】：以全球定位系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)、伽利略系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)為代表的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是航天、空間技術(shù)和通信、信息技術(shù)的結(jié)合,具有重要的軍用和民用應(yīng)用價(jià)值,現(xiàn)在已深刻的影響著人們的生活。單芯片化的地面接收機(jī)具有低功耗、小體積、低成本的優(yōu)點(diǎn),是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)展的主要方向,其中的射頻前端電路會(huì)很大程度上影響接收機(jī)功能和性能。隨著工藝的發(fā)展,CMOS工藝已經(jīng)逐步取代化合物半導(dǎo)體工藝成為射頻集成電路的主流工藝,有利于射頻前端和基帶進(jìn)一步集成形成片上系統(tǒng)。因此,基于CMOS工藝的單片高集成度衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端芯片技術(shù)具有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。本論文基于多項(xiàng)實(shí)際課題,針對(duì)單片衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)射頻前端的功能和性能要求,研究了射頻前端單芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)、頻率可配置低噪聲放大技術(shù),鏡像抑制混頻和濾波技術(shù)、數(shù)字自動(dòng)增益控制技術(shù)和鎖相環(huán)型頻率合成技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),并最終研制了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端樣片進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。首先,對(duì)于單芯片化的射頻前端系統(tǒng),本文基于集成電路的特點(diǎn)選擇低中頻結(jié)構(gòu)作為具體實(shí)現(xiàn)方式;研究了不同于分立式導(dǎo)航接收機(jī)而適用于射頻芯片的整體指標(biāo)參數(shù)計(jì)算方法,給出增益、噪聲系數(shù)、線性度、相位噪聲等主要參數(shù)指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程;在此基礎(chǔ)上研究了接收機(jī)芯片參數(shù)指標(biāo)的模塊化分解方法,并給出了一種指標(biāo)分解方案;還提出了單通道雙模和雙通道多模這兩種多模兼容接收機(jī)射頻芯片結(jié)構(gòu)。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面接收端時(shí)強(qiáng)度非常微弱,本文首先研究了位于單片化接收機(jī)最前端的低噪聲放大器的噪聲特性及分析方法;然后基于源極負(fù)反饋電感型低噪聲放大器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了兩種針對(duì)多模兼容需求的頻率可配置低噪聲放大器電路,利用開(kāi)關(guān)電容調(diào)諧的方法改變工作頻點(diǎn),實(shí)現(xiàn)模式可配置;在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了版圖,并進(jìn)行了投片。樣片測(cè)試結(jié)果為:雙頻點(diǎn)和三頻點(diǎn)可配置低噪聲放大器在1.2GHz和1.5GHz兩個(gè)主要頻段的三個(gè)頻點(diǎn)上,噪聲系數(shù)為1.6~1.8dB,增益達(dá)到16~20dB,輸出1dB壓縮點(diǎn)大于-21dBm,功耗7~10mW,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了研究方法的正確性和有效性。其次,針對(duì)低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)中的鏡像抑制問(wèn)題進(jìn)行了研究。在正交混頻器方面,改進(jìn)經(jīng)典結(jié)構(gòu)得到了一種有源雙平衡混頻器電路,并提出了旁路電流注入結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整性能;仿真結(jié)果顯示,該混頻器可以完成正交下變頻的功能,并提供14dB的增益,噪聲系數(shù)為11dB,模塊功耗小于10mW。在鏡像抑制濾波器方面,研究并設(shè)計(jì)了一種四級(jí)無(wú)源多相濾波器的電路,針對(duì)無(wú)源器件的失配問(wèn)題進(jìn)行了版圖優(yōu)化和后仿真。另外,還研究了復(fù)數(shù)帶通濾波器的鏡像抑制方法,基于頻率搬移方法設(shè)計(jì)了五階Gm-C復(fù)數(shù)帶通濾波器電路和版圖并進(jìn)行了后仿真;正交混頻器結(jié)合濾波器的鏡像抑制比超過(guò)30dB。然后,本文還研究了數(shù)字自動(dòng)增益控制環(huán)路。提出了一種針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)高斯白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的自動(dòng)增益控制算法。該算法采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),能提高芯片集成度;而且通過(guò)優(yōu)化功率估計(jì)方法,能夠?qū)⒃鲆嬲{(diào)整過(guò)程控制在兩步以?xún)?nèi),大大縮短了環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間;還建立模型對(duì)環(huán)路的功能和穩(wěn)定性進(jìn)行了討論。本文還基于典型結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種可編程增益放大器,能夠提供62dB的動(dòng)態(tài)范圍和2dB增益步進(jìn)。為了獲得穩(wěn)定有效的本地振蕩信號(hào),本論文還研究了鎖相環(huán)頻率合成器。通過(guò)改進(jìn)鑒頻鑒相器和電荷泵電路,解決了“死區(qū)”問(wèn)題;還設(shè)計(jì)了一種振蕩頻率在2~3GHz的電感電容壓控振蕩器,配合基于源極耦合邏輯的高速分頻器以及片外環(huán)路濾波器等其他功能單元,構(gòu)成了鎖相環(huán)頻率合成器。頻率合成器子系統(tǒng)進(jìn)行了單獨(dú)投片和測(cè)試,樣片測(cè)試結(jié)果為:頻率合成器可以在1.2GHz正常鎖定,VCO振蕩頻率范圍為2.23GHz到2.69GHz,調(diào)諧特性良好;相位噪聲為-101dBc/Hz@100kHz、-123dBc/Hz1MHz,可以滿(mǎn)足衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的要求。最后,基于TSMC 0.18μm CMOS工藝,試制了針對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的單芯片射頻前端樣片。在完成芯片結(jié)構(gòu)規(guī)劃、版圖規(guī)劃、管腳定義后進(jìn)行了投片;樣片封裝為QFN形式,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)測(cè)試板對(duì)樣片進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目包括直流、頻率合成器子系統(tǒng)、射頻通道和中頻四個(gè)部分,涉及到所有主要參數(shù)。針對(duì)北斗B2/B3頻點(diǎn)的測(cè)試如下:直流測(cè)試無(wú)漏電,整體功耗54mW;在匹配良好的情況下,射頻通道總體增益最大為105dB、噪聲系數(shù)為3.2~3.7dB、輸入1dB壓縮點(diǎn)為-43d Bm;頻率合成子系統(tǒng)輸出頻率調(diào)諧范圍從1.056GHz到1.294GHz,相位噪聲為-79.69dBc/Hz@1kHz、-86.81dBc/Hz@10kHz、-99.10dBc/Hz@100kHz、-123.48dBc/Hz@1MHz;受參考頻率影響,在10MHz偏移處存在72dBc的雜散;中頻濾波器中心頻率46MHz,3dB帶寬為34MHz~59MHz,帶內(nèi)波動(dòng)為1dB,鏡像抑制比32dB;AGC環(huán)路動(dòng)態(tài)范圍62dB,增益步進(jìn)2dB,增益誤差小于±0.3dB,穩(wěn)定時(shí)間小于32μs。測(cè)試結(jié)果顯示樣片能夠滿(mǎn)足衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的要求,同時(shí)也驗(yàn)證了本文的研究方法和所提出的結(jié)構(gòu)、電路和算法的正確性和有效性。
【關(guān)鍵詞】：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī) 射頻前端芯片 低噪聲放大 鏡像抑制 自動(dòng)增益控制
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN967.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 縮略語(yǔ)對(duì)照表15-16
• 符號(hào)對(duì)照表16-21
• 第一章 緒論21-27
• 1.1 選題背景緣由和意義21-23
• 1.1.1 衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展21
• 1.1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)芯片發(fā)展21-23
• 1.2 論文的研究要點(diǎn)及研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3 論文的主要工作及組織結(jié)構(gòu)25-27
• 第二章 單芯片化衛(wèi)星導(dǎo)航射頻接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)27-47
• 2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)概述27-31
• 2.1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述27-30
• 2.1.2 射頻接收機(jī)概況30-31
• 2.2 鏡像抑制問(wèn)題與射頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)選型31-34
• 2.2.1 三種主要射頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)31-33
• 2.2.2 低中頻接收機(jī)中鏡像信號(hào)的產(chǎn)生與抑制33-34
• 2.3 單芯片化系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)計(jì)算方法34-40
• 2.3.1 總增益參數(shù)指標(biāo)計(jì)算方法35-36
• 2.3.2 動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)指標(biāo)計(jì)算方法36
• 2.3.3 噪聲系數(shù)參數(shù)指標(biāo)計(jì)算方法36-38
• 2.3.4 鏡像抑制比指標(biāo)計(jì)算方法38
• 2.3.5 相位噪聲指標(biāo)計(jì)算方法38-40
• 2.4 多模多頻導(dǎo)航射頻芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)40-42
• 2.4.1 單通道雙模接收機(jī)40-41
• 2.4.2 雙通道多模接收機(jī)41-42
• 2.5 接收機(jī)芯片參數(shù)指標(biāo)模塊化分解方法與規(guī)劃42-45
• 2.5.1 參數(shù)指標(biāo)模塊化分解方法42-43
• 2.5.2 主要模塊指標(biāo)規(guī)劃與分解方案43-45
• 2.6 本章小結(jié)45-47
• 第三章 頻率可配置低噪聲放大器研究47-73
• 3.1 低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法研究47-60
• 3.1.1 射頻MOS管噪聲分析47-48
• 3.1.2 雙端.網(wǎng)絡(luò)噪聲分析方法48-50
• 3.1.3 低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)50-52
• 3.1.4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)考慮52-60
• 3.2 頻率可配置的低噪放電路設(shè)計(jì)60-67
• 3.2.1 增益切換方法61-62
• 3.2.2 頻點(diǎn)帶寬切換方法62-63
• 3.2.3 雙�？膳渲玫驮肼暦糯笃�63-65
• 3.2.4 三模可配置低噪聲放大器65-67
• 3.3 低噪聲放大器單模塊投片與測(cè)試67-71
• 3.4 本章小結(jié)71-73
• 第四章 鏡像抑制混頻與濾波技術(shù)研究73-95
• 4.1 正交下變頻器設(shè)計(jì)73-77
• 4.1.1 下變頻器主要設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)考慮73-74
• 4.1.2 有源雙平衡混頻器電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化74-77
• 4.2 無(wú)源多相濾波器研究與設(shè)計(jì)77-84
• 4.2.1 無(wú)源多相濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)77-81
• 4.2.2 無(wú)源多相濾波器電路設(shè)計(jì)與仿真81-84
• 4.3 復(fù)數(shù)帶通濾波器研究與設(shè)計(jì)84-93
• 4.3.1 復(fù)數(shù)帶通濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)84-88
• 4.3.2 復(fù)數(shù)帶通濾波器電路設(shè)計(jì)88-93
• 4.4 本章小結(jié)93-95
• 第五章 基于白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的數(shù)控AGC研究95-117
• 5.1 數(shù)字控制AGC設(shè)計(jì)方法研究95-99
• 5.1.1 數(shù)字AGC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)95-96
• 5.1.2 反饋與前饋AGC系統(tǒng)96-97
• 5.1.3 AGC系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)97
• 5.1.4 線性算法與對(duì)數(shù)算法的選擇97-99
• 5.2 可編程增益放大器電路設(shè)計(jì)99-102
• 5.2.1 PGA電路原理與結(jié)構(gòu)99-101
• 5.2.2 增益控制101-102
• 5.3 基于白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的AGC算法102-113
• 5.3.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的高斯白噪聲統(tǒng)計(jì)特性103-104
• 5.3.2 AGC算法思路104-106
• 5.3.3 AGC增益調(diào)整方法106-109
• 5.3.4 AGC環(huán)路穩(wěn)定性與穩(wěn)定時(shí)間109-110
• 5.3.5 AGC算法優(yōu)化110-112
• 5.3.6 AGC電路設(shè)計(jì)112-113
• 5.4 AGC環(huán)路建模與仿真113-115
• 5.4.1 AGC環(huán)路建模113-114
• 5.4.2 AGC環(huán)路仿真114-115
• 5.5 本章小結(jié)115-117
• 第六章 鎖相環(huán)型頻率合成器研究117-137
• 6.1 鎖相環(huán)頻率合成器電路設(shè)計(jì)117-134
• 6.1.1 鑒頻鑒相器電路設(shè)計(jì)117-120
• 6.1.2 電荷泵120-123
• 6.1.3 壓控振蕩器123-127
• 6.1.4 分頻電路127-132
• 6.1.5 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)132-134
• 6.2 鎖相環(huán)頻率合成器單獨(dú)投片與測(cè)試134-136
• 6.2.1 鎖相環(huán)頻率合成器樣片與測(cè)試板134-135
• 6.2.2 樣片測(cè)試135-136
• 6.3 本章小結(jié)136-137
• 第七章 單片化射頻前端樣片研制與測(cè)試137-157
• 7.1 單片高集成度射頻前端樣片總體規(guī)劃137-141
• 7.1.1 樣片布局規(guī)劃137-138
• 7.1.2 樣片總體版圖規(guī)劃138-139
• 7.1.3 封裝形式與管腳定義139-140
• 7.1.4 投片版圖設(shè)計(jì)140-141
• 7.2 樣片投片與測(cè)試板設(shè)計(jì)141-142
• 7.2.1 樣片投片141
• 7.2.2 樣片測(cè)試板141-142
• 7.3 樣片測(cè)試與結(jié)果分析142-155
• 7.3.1 直流測(cè)試143-144
• 7.3.2 鎖相環(huán)頻率合成器子系統(tǒng)測(cè)試144-148
• 7.3.3 射頻通道測(cè)試148-151
• 7.3.4 中頻測(cè)試151-154
• 7.3.5 總體測(cè)試結(jié)果154-155
• 7.4 本章小結(jié)155-157
• 第八章 結(jié)論和展望157-159
• 8.1 研究結(jié)論157-158
• 8.2 研究展望158-159
• 參考文獻(xiàn)159-169
• 致謝169-171
• 作者簡(jiǎn)介171-173

【共引文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 靳剛;莊奕琪;陰s，

本文編號(hào)：750156