一种实现低功耗射频接收机的模块指标分配方法
【技术领域】：
[0001] 本发明专利涉及射频前端模块指标的分配方法，按照这种方法分配射频接收机前 端电路模块指标，可以用最低的功耗来满足系统的性能要求。
【背景技术】：
[0002] 随着通信技术的不断发展，人们对通信设备的要求日益提高，由于射频系统的比 较复杂，而通信协议非常灵活且更新速度比较快，对射频接收机前端做系统建模可以为设 计者提供指导，这是射频收发系统设计中极为关键的一个步骤。射频接收机大致包括超外 差式、零中频式、低中频式等多种结构，每种结构各有优缺点。虽然结构多种多样，但射频接 收机都是由一些基本器件级联而成，实现GHz频段微弱信号检测、信号放大、频谱搬移等多 种功能。为了方便说明，本发明专利将以零中频结构为例，在这种结构中有用信号被直接下 变频为I/Q两路正交基带信号，它的系统级模型如附图1所示。其中标号1所指即射频输 入端口，标号2、3所指的是信号输出端口。整个系统由标号4所指的低噪声放大器（LNA)、 标号5所指的混频器（Mixer)、标号6所指的滤波器（Channelfilter)和标号7所指的自 动增益控制电路（AGC)组成，输出信号将作为模数转换器（ADC)的输入。射频接收系统都 是针对特定的通信协议设计的，在通信协议中通常会规定信号的频率范围、最强和最弱输 入信号、最强的相邻和相间信道干扰等参数，系统设计者将参考这些指标来推算接收机整 体的增益（G)、噪声系数（NF)和线性指标，同时将其合理地分配给每一个模块。对于级联的 射频系统而言，噪声系数和线性度指标都与每级的增益有关，这三种指标耦合在一起，设计 者通常都依据自身的经验来进行分配，并没有通用的分配方法。
【发明内容】
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[0003] 在特定的协议中，给定输入信号后，系统增益和噪声系数固定，设为Gtotal和 NFtotal，其中系统增益由输入信号强度、输入ADC的噪声以及协议规定的最小信噪比决定， 而系统的最大噪声系数由输入信号强度、信号带宽以及协议规定的最小信噪比决定。最 大输入信号的强度决定了器件的线性指标，通常用ldB压缩点和三阶交调点来描述电路的 线性。为了保证电路性能，其输入ldB压缩点应高于最强输入信号，而通常输入三阶交调 点（IIP3)又比输入ldB压缩点高10dBm。在输入信号较弱的情况下，低噪声放大器的最 强输入信号是协议规定的最强干扰信号，例如在IEEE802. 15. 4中规定最强相间信道干扰 为-52dBm(高于最弱输入信号30dB)。当输入信号高于最强干扰信号时，背景噪声对信号的 影响变得比较小，此时它需要的增益就比较小，可以将低噪声放大器去掉，此时混频器是系 统的第一级，它的最大输入信号即为此时输入信号的强度。对于给定的系统增益Gt(rtal、噪声 系数NFt(rtal和输入三阶交调点IIP3t(rtal指标，本发明专利提出一种通用的射频接收机前端 电路模块指标分配方法，可以在接近最低功耗的情况下满足系统的整体性能要求。
[0004] 电路模块的性能指标与它的电压、电流和拓扑结构有密切关系。当模块设计者选 定了拓扑结构后，对该模块的电压和电流进行扫描，可以得到各项性能和电压、电流以及功 耗的函数关系。附图2为一种0. 18umCMOS工艺实现的低噪声放大器原理图，附图2、附图 3和附图4分别为该低噪放在电源电压和电流平面上的等三阶交调点曲线、等噪声系数曲 线和等增益曲线。本发明是在传统系统指标分配方法基础上，在已知模块拓扑结构和各项 性能与电源电压和供电电流的关系后，对模块指标进一步优化。优化策略是在系统总增益 和噪声系数恒定的前提下，尽量减小射频模块的增益，增加基带滤波器后的基带部分的增 益，这样降低了前级模块的线性要求，而基带放大器的输入信号经过了滤波，干扰信号得到 了抑制，线性度要求可以放宽，从而实现系统的低功耗。
【附图说明】：
[0005] 附图1零中频接收机模型
[0006] 附图2源极电感负反馈结构低噪声放大器原理图
[0007] 附图3输出三阶交调点变化曲线
[0008] 附图4噪声系数变化曲线 [0009] 附图5增益变化曲线 [0010] 附图6系统指标分配流程
【具体实施方式】：
[0011] 1、根据经验分配系统中各个模块的指标初值。
[0012] 2、根据模块指标的初值设计各个模块，并且扫描模块的电源电压与供电电流，得 到增益、噪声系数与三阶交调点与电源电压和供电电流的关系。
[0013] 3、已知第一级的最大输入信号功率为Pi，对于包含低噪声放大器的系统而言，P1 是最强相间信道干扰的功率，此时有用信号的功率设为Pu，对于不包含低噪声放大器的系 统而言，Pi是输入信号的功率。留有5dB(可为其它值）裕量后，第一级电路的输入三阶交 调点应比P# 15dB，即应满足公式（1):
[0014] UPSidi,Ui) ^P1+15(dBm) (1)
[0015] 上述公式中功率单位为dBm，IIP3k(Ik，Uk)表示第k级的三阶交调点是该级的电压 及电流的函数。此时可以在电压和电流平面求出满足上述条件的区域，并且能找到二者的 乘积IiA所对应的最小点。
[0016] 4、设求得的电压和电流为七和ii，此时根据公式⑵可以求出第一级增益为：
[0017] Gjdj,Uj) = Uj) =gj(2)
[0018] 上述公式中增益的单位为dB，Gk(Ik，Uk)表示第k级的增益和该级的电压及电流的 关系。根据公式（3)可以求出第一级的噪声系数为：
[0019] NFid^U!) =NF1(i1,u1) =nf: (3)
[0020] 上述公式中噪声系数的单位为dB，NFk(Ik，Uk)表示第k级的噪声系数是该级的电 压及电流的函数。
[0021] 5、对于一个n级级联的射频接收系统而言，假设频段选择滤波器位于第n-1级，则 第i(2彡i彡n-2)级电路的输入最大信号由前级的最大输入信号Pg与增益Gh的和决 定，留有5dB(或为其它值）裕量后，第i级电路的输入三阶交调点满足公式（4):
[0022]IlPSjdi,Uj) ^Pi_1+Gi_1+15(dBm) (4)
[0023] 此时可以求得第i级电路的电压和电流满足上述条件，并且二者的乘积最小，设 为^和ip此时根据公式（5)求出第i级电路的增益为：
[0024] = 63凡）=gi (5)
[0025] 根据公式（6)可以求出第i级电路的噪声系数为：
[0026] NFid^Uj) =NFi(ii,ui) =nfj(6)
[0027] 6、频段选择滤波器通常是对于频段选择滤波器而言，有用信号经过后由于滤波器 的通带内插入损耗而发生微弱衰减，而干扰信号则处在通带之外而发生大幅衰减，因此经 过滤波器后，对于后级电路而言，最强输入信号的应为有用频段的信号。滤波器的输入三阶 交调点满足公式（7):
[0028]
【主权项】
L一种实现低功耗射频接收机的模块指标分配方法，其特征在于采用以下步骤： a) 设置各个模块指标的初值； b) 按各个模块指标的初值设计各个模块，有源模块满足线性度指标随功耗的增加而单 调增加，噪声系数随功耗的增加而单调减小的条件，放大模块满足增益随功耗的增加而单 调增加的条件； c) 扫描模块的供电电压和供电电流，得到各个噪声系数、增益和线性度指标与其电压 和电流的函数关系； d) 对于第一级的直至倒数第二级顺序找出每一级满足线性要求IIP3所对应的电压和 电流值，并由该电压和电流值得到该级的增益、噪声系数及下一级的最大输入信号值； e) 最后一级的增益由前边每级的增益和系统的整体增益决定，其电压和电流将由增益 和线性指标共同决定； f) 获得每级的增益和噪声系数后，由噪声系数的级联公式计算系统噪声； g) 如果满足系统指标，则指标分配结束；否则增加第一级的电流，重新按步骤d至f得 到新的系统噪声，直至满足指标要求。
2. 对于权利要求1所述的指标分配方法中的步骤d，其特征在于采用以下步骤： a) 根据某一级的最大输入确定该级输入三阶交调截取点IIP3的下限值； b) 根据某一级的输入三阶交调截取点与电压电流的函数关系找到满足该级IIP3下限 值要求所对应的最低功耗点的电压和电流值，并找出该点所对应的增益值和噪声系数值； c) 如果该级不是滤波器，则根据该级的输入最大值和该级的增益的乘积，计算得出下 一级的最大输入信号值；如果该级是滤波器，则需要考虑滤波器的滤波特性，所得到的输出 最大值作为下一级的最大输入；
3. 对于权利要求1所述的指标分配方法中所对应的系统，如果电源输出电压是可调 的，其特征是电源供电效率不受输出电压变化的影响。
【专利摘要】本发明公开了一种实现低功耗射频接收机的模块指标分配方法。当接收机各模块的性能与其电压电流函数关系已知，并与功耗的呈单调关系时，从第一级开始直至倒数第二级，根据每级的最大输入信号确定其线性指标，并找到一组电压电流使得满足该指标时该级功耗最小，随后根据电压和电流值确定该级的增益和噪声系数，从而可以得到下一级的最大输入信号值。最后一级的电压电流由线性和增益同时决定，其中增益由前边各级增益和与系统所需总增益的差决定。之后，检查系统总噪声系数，若不能满足要求，则按照一定步长增加第一级功耗，并重复以上过程，直至噪声系数达标为止。
【IPC分类】H03F1-26
【公开号】CN104734643
【申请号】CN201510027751
【发明人】卜刚, 邹鹭
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年1月16日