論文組織

第一章導論

1.2 論文組織

本篇論文將利用 TSMC SiGe 0.35µm BiCMOS 製程技術來設計晶片。本論文分為五個章節，第一章為導論，說明無線通訊的發展與前端電路的設計觀念；第二章主要介紹威福-哈特利鏡像消除降頻器；第三章介紹電晶體的雜訊參數；第四章介紹低雜訊放大器。第二到第四章除了理論上的說明外，還有實作的量測結果以作驗證。第五章則對上述的所有電路設計與實作結果作個結論。

第二章

威福 - 哈特利鏡像消除

降頻器設計

2.1 前言

零中頻(Zero-IF)和低中頻(Low-IF)接收機是目前被廣泛使用的接收機架構，由於此架構不需使用外接的濾波器，可以由單一積體電路來實現，所以在無線接收機設計時常會使用該架構。零中頻接收機直接將射頻訊號降到基頻，因此不會有鏡像訊號(Image Signal)干擾的問題。低中頻接收機仍需將射頻訊號降到較低的中頻，因此會產生鏡像訊號干擾的問題。在無線通訊中，鏡像訊號干擾是一個很嚴重的問題，為了可以消除鏡像訊號，所以我們採用複數訊號(Complex Signal) 的架構，使用同相位(In-phase)和正交相位(Quadrature-phase)的射頻訊號、本地振盪訊號來處理接收訊號，將鏡像訊號消除掉。常見的鏡像消除接收機(Image Reject Receiver)為威福(Weaver)、哈特利(Hartley) 架構，此種架構可以消除鏡像訊號。然而威福鏡像消除接收機會產生第二鏡像訊號(Second Image Signal)的問題，無法藉由此架構消除，並且因為只與射頻訊號相差兩個第二中頻，所以無法由鏡像消除濾波器 (Image Rejection Filter)消除掉。因此本章節將分析威福、哈特利鏡像消除接收機的架構原理，以及實際電路的非理想效應對鏡像訊號消除的影響。並且提出新的鏡像消除降頻器架構，該架構可以同時消除第一鏡像訊號(First Image Signal)與第二鏡像訊號，並展示實作結果，對於常用的接收機架構也作討論。

2.2 射頻接收機架構

2.2.1 外差式接收機(Heterodyne Receiver)

射頻接收機架構，主要可分為外差式接收機、直接降頻接收機 (Homodyne Receiver)。這兩種架構接收機最主要的差別，為外差式接收機將訊號降到中頻，而直接降頻接收機直接將訊號降到基頻。如圖 2.1所示，由天線接收射頻訊號，再經由射頻濾波器(RF Filter)濾掉頻帶外之訊號，及低雜訊放大器放大射頻訊號，然後藉混頻器和本地振盪訊號混頻產生中頻訊號。但外差式接收機會有一個嚴重的問題，就是鏡像訊號的干擾。所謂鏡像訊號就是和射頻訊號一樣，經由本地振盪訊號混頻產生相同頻率的中頻。如果射頻訊號為(ω_LO+ )，則鏡像訊號即為( －

ωIF

ωLO ω_IF)，經過本地振盪訊號混頻，同樣降到而導致訊號頻譜重疊以致無法分辨。因而外差式接收機需要在低雜訊放大器及混頻器間，加上鏡像消除濾波器來消除鏡像訊號的干擾。通常濾波器需要高 Q 值，所以無法由晶片實現，需由晶片外的被動元件組成。

因此會不利系統整合積體化，此外低雜訊放大器及混頻器需要與外接的濾波器做阻抗匹配。

ωIF

I R Filter IF Filter

cosωLOt LNA

R F Filter

VGA

A / D DSP

圖2.1 外差式接收機

然而在外差式接收機中，中頻頻率的選擇對於整個通訊系統有很大的影響。如果選擇高中頻，鏡像訊號會離需要訊號(Desired Signal) 較遠。因此鏡像消除濾波器可以容易將鏡像訊號消除，但因為高頻濾波器的 Q 值不高，所以鄰近通道的干擾訊號較不易消除。如果選擇低中頻，鏡像訊號會離需要訊號較近。因此鏡像消除濾波器對於鏡像

干擾訊號較容易消除。圖2.2為選擇高、低中頻的鏡像消除頻譜圖，

Interferer Desired Signal

Channel Select Filter

Im age Channel Select Filter

ωIF

(b)

圖2.2 (a)高中頻 (b)低中頻的鏡像訊號消除

從以上所述，中頻的選擇需考慮此通訊系統，鏡像訊號和鄰近通道干擾訊號對於系統的干擾誰較嚴重，去決定中頻的頻率高低。

2.2.2 雙降頻外差式接收機(Double-Conversion Heterodyne Receiver)

根據上述的中頻頻率分析，得到圖2.3的雙降頻外差式接收機。

綜合高、低中頻的優點，將雙降頻外差式接收機的第一中頻設計為高中頻，容易將將鏡像訊號消除。接下來，將第二中頻設計為低中頻，

容易將鄰近通道干擾訊號消除。因此，雙降頻外差式接收機可以同時消除鏡像訊號與鄰近通道干擾訊號。

ωLO ω_LO₂

ωIF ₂

ωIF

圖2.3 雙降頻外差式接收機

雖然雙降頻外差式接收機，可以同時消除鏡像訊號與鄰近通道干擾訊號，同時此架構也產生了一個嚴重的問題，就是第二鏡像訊號問題(圖2.4)，因為第二鏡像訊號與需要訊號只相差兩個第二中頻，所以無法使用鏡像消除濾波器消除。

0 ω

LO1 LO2

ω + ω

ωRF

0 ω_{LO 2} ω

IF1 2 IF 2

ω − ω

RF 2 IF 2

ω − ω

RF L 1O I 1F ω − ω ω =

0 ω

IF 2 IF1 LO2 RF LO1 LO 2

ω =ω − ω = ω − ω − ω

圖2.4 第二鏡像訊號問題

2.2.3 零中頻接收機(Zero IF Receiver)

如前一節所述，外差式接收機由於實作上須外接鏡像去除濾波器，以達到規格的要求，所以無法將系統整合積體化。因此，近年來接收機的相關研究發展，朝向以零中頻架構為目標。零中頻接收機在架構上較外差式接收機簡單許多，圖2.5即為零中頻接收機的架構。

射頻訊號先經過低雜訊放大器放大訊號後，直接由本地振盪訊號降至基頻訊號，因此又稱為直接轉換接收機(Direct Conversion Receiver)。

因為本地振盪訊號頻率與射頻訊號頻率相同，沒有鏡像訊號的問題，

所以不須在混頻器前再加一個鏡像消除濾波器。

LPF

cosωLOt LNA

R F Filter

VGA

A / D DSP

圖2.5 零中頻接收機

不過圖2.5的架構只適用於雙邊頻帶(Double-Sideband)的振幅調變(AM)訊號，因為振幅調變正負兩側的頻譜是一樣的，在降頻後頻譜完全重疊並不會發生問題。如果要傳送頻率調變(FM)或是相位調變 (PM)的訊號，必須使用正交相位的架構(圖2.6)。

LPF

cosωLOt LNA

R F Filter VGA

A / D

DSP

LPF

VGA

A / D 90 Shifter

圖2.6 正交相位零中頻接收機

然而在電路的實作上，零中頻接收機在電路設計上，需解決許多可能產生的問題。包含了直流偏移(DC Offset)、同相位/正交相位不匹配(I/Q Mismatch)、偶次諧波失真(Even-Order Distortion)、低頻顫動雜訊(Flicker noise)等問題。以下簡單說明這些現象:

(1)

直流偏移

(DC Offset)

由於本地振盪訊號和射頻訊號頻率相同，如圖2.7所示。因為混頻器射頻-本地振盪源(RF-LO)為有限的隔絕度(Isolation)，較強的本地振盪訊號會耦合至射頻端，被低雜訊放大器反射回來後，與同頻率的本地振盪訊號混頻會產生直流訊號，如圖2.7(a)。另一種情況為若接收一個強干擾訊號，此強干擾訊號耦合至本地振盪源端，再與同頻率的干擾訊號混頻，會產生直流訊號，如圖2.7(b)。當上述狀況發生

的成份，通常這個直流偏移會造成下一級的類比/數位轉換器飽和而操作錯誤。

LPF

LNA

cosω0t

LO Leakage

(a)

LPF

LNA

cosω0t

Interferer Leakage

(b)

圖2.7 零中頻架構直流偏移原因

(2) I/Q

不匹配

(I/Q Mismatch)

在零中頻接收機架構上，要實現頻率調變或相位調變必須使用正交相位的架構，所以要將本地振盪訊號作 90 度的相位平移。如果同相位、正交相位間沒有準確的 90 度差或是有振幅的誤差，在作降頻時訊號的座標圖會產生誤差使Bit Error Rate 升高(圖 2.8)。

VRF

VLO

Q LPF

LPF

90°

Phase and Gain Error

圖2.8 零中頻同相位/正交相位不匹配

為了解同相位、正交相位不對稱，對接收訊號的影響。作以下

( )

(3)

偶次諧波失真

(Even-Order Distortion)

由於零中頻接收機將訊號降到基頻附近，若在通道附近的射頻干擾訊號，由於放大器產生的偶次諧波失真，將干擾基頻頻帶。如圖 2.11，有兩個鄰近通道的干擾訊號，經過低雜訊放大器後產生的二次諧波訊號，將直接干擾基頻頻帯。同時經過低雜訊放大器後產生的三次諧波訊號，經過混頻器降頻後也會干擾基頻頻帯。

ω

ω ω

cosωLOt LNA

Feedthrough IM3

IM2 Interferers Desired

Channel IM3 IM2

圖2.11 偶次諧波失真

(4)

顫動雜訊

(Flicker Noise)

除了直流偏移之外，低頻的顫動雜訊也是零中頻接收機所須面對的問題。由於金氧半場效電晶體(MOS)的顫動雜訊，其功率頻譜密度為1/f的曲線屬於低頻雜訊。所以此顫動雜訊會使直接降頻至基頻的訊號雜訊比降低。

2.2.4 低中頻接收機

相較於零中頻接收機將射頻訊號降頻為基頻訊號，另一類的接收機設計是將射頻訊號降頻為低頻率的中頻訊號，並且不需外加鏡像消除濾波器，且可避免直流偏移及顫動雜訊的問題。低中頻接收機將射頻訊號降頻到較低的中頻，其架構如圖2.12所示，和零中頻接收機架構上大致相同，並不需要外接的濾波器，適合高度整合成系統單晶片。不過，跟超外差接收機一樣，會產生鏡像訊號的問題。所以在此架構中利用複數混頻(complex mixing)的架構使得需要訊號為正頻訊號，鏡像訊號為負頻訊號。因此，可以使用一組多相位濾波器(Poly Phase Filter)來分辨鏡像訊號和需要訊號，將鏡像訊號濾掉。因為和零中頻架構一樣需要同相位/正交相位兩個路徑，所以同樣會因為電路設計時所造成的增益與相位的不匹配而對鏡像消除造成影響。

Complex

分析威福鏡像消除接收機前，先分析正、餘弦(sin、cos)弦波訊

A Signal Im age

ωLO1 況時，也就是I-通道(I-Channel)與 Q-通道(Q-Channel)沒有增益與相位的誤差。但在實際的電路中，一定會有誤差。因此我們考慮，當

的第一本地振盪訊號有φ_ε₁的相位誤差，因此Q tD

( )

、QIM

( )

t 訊號會產生 (式2.21、2.22)。從圖2.15可以發現 Q-通道與 I-通道的第二本地振盪訊號有φ_ε₂的相位誤差，以及兩個通道在增益上，有∆A的增益誤差。因

鏡像消除比值(Image Rejection Ratio)，相當於需要訊號的功率除以鏡像訊號的功率。威福鏡像消除接收機最後輸出為^{II t}

( )

⁻^QQ(t)^，因

有相位的誤差，但只要使φ = φ_ε₁ _ε₂，分母會最小，此時鏡像消除比值會 IRR dB 10log

II (t) QQ (t)

譜上相當於正頻訊號乘-j，負頻訊號乘 j。因此鏡像訊號會變為負的實 Signal Im age

ωLO1

(2) I/Q

不匹配對鏡像消除的影響

哈特利鏡像消除接收機最後輸出為 ^{I t}

( )

⁺^Q(t)^{，因此它的鏡像消} IRR dB 10log

I (t) Q (t)

2.4 實作，Weaver-Hartley Image Rejection Down Converter (SiGe 0.35µm HBT)

2.4.1 研究動機

威福鏡像消除降頻器架構，目前已廣泛地應用在鏡像消除接收機設計中。但其架構只能消除第一鏡像訊號，無法消除第二鏡像訊號，

並且該訊號跟需要訊號只相差兩個中頻，無法使用鏡像消除濾波器將其消除掉。因此我們提出新的鏡像消除系統架構，此系統架構不需要外接鏡像消除濾波器，就可以同時消除第一、第二鏡像訊號。

在文檔中威福-哈特利鏡像消除降頻器與雙頻道低雜訊放大器 (頁 19-0)

第一章 導論

1.2 論文組織

第二章

威福 - 哈特利鏡像消除

降頻器設計

2.1 前言

2.2 射頻接收機架構

2.2.1 外差式接收機(Heterodyne Receiver)

2.2.2 雙降頻外差式接收機(Double-Conversion Heterodyne Receiver)

2.2.3 零中頻接收機(Zero IF Receiver)

直流偏移

LPF

LPF

不匹配

( )

偶次諧波失真

ω

ω ω

顫動雜訊

2.2.4 低中頻接收機

( )

( )

( )

不匹配對鏡像消除的影響

( )

2.4 實作，Weaver-Hartley Image Rejection Down Converter (SiGe 0.35µm HBT)

2.4.1 研究動機

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