一種基于OFDM的新型低功耗RF收發器設計*

徐 進，帥立國

（1.蘇州經貿職業技術學院SOC研發中心，江蘇蘇州215009；2.東南大學機械工程學院，南京210096）

一種基于OFDM的新型低功耗RF收發器設計*

徐 進1，2，帥立國2*

（1.蘇州經貿職業技術學院SOC研發中心，江蘇蘇州215009；2.東南大學機械工程學院，南京210096）

為實現低功耗信號傳輸，提出一種基于正交頻分復用（OFDM）的IEEE 802.15.4g低功耗無線電頻率（RF）收發器。該新型RF收發器電路由發射機（Tx）基帶模擬（BBA）、片上RF開關前端、接收機（Rx）BBA及鎖相環（PLL）構成，采用0.18μm CMOS技術制作，滿足了IEEE 802.15.4g OFDM系統低功耗信號傳輸的需要。實際測試結果顯示，相比傳統的RF收發器，在保持靈敏度和誤包率均不降低的條件下，提出的RF收發器具有更低的功耗，當電源電壓為1.8 V時，Tx模式下功耗為26.46 mW，Rx模式下功耗為28.26 mW。

IEEE 802.15.4g；RF收發器；OFDM；低功耗

目前，基于無線電頻率（RF）的網絡系統在計量系統領域擁有巨大的市場潛力［1-2］，可以提高服務效率并降低成本。IEEE 802.15.4g網絡是解決基于RF網狀網絡問題的辦法之一，但其本身存在許多缺陷，包括通信范圍有限、數據速率低、可靠性低及陰影區問題［3］。

為解決以上問題，龐娜［4］等人提出一種AODV混合Zigbee網絡，通過在路由層進行設計來提高傳輸速率和較低功耗。文獻［5］使用相位斜率碼集合恢復信號，來實現IEEE 802.15.4g接收器，解調方法簡單，能耗較低。但是以上研究均是從算法實現角度來解決能耗問題，很少涉及硬件方面。文獻［6］提出了基于OFDM IEEE 802.15.4g系統，該系統能夠在幾百米的范圍內，以800 kbit/s的數據速率進行通訊，并保證可靠性，十分適合應用于遠程水電數據采集。該系統同樣能夠用于PC外圍設備、個人醫療保健、萬能遙控器及家居控制［7-8］，具有較高的推廣價值。

此類基于OFDM IEEE 802.15.4g的系統需要2種條件：采用移頻鍵控（FSK）且帶有極低DC電源的低數據速率和使用正交頻分多址（OFDM）的高數據速率［9］，即在滿足高速數據傳輸的條件下，要求實現較低的傳輸能耗。為了降低數據傳輸功耗，提出了一種OFDM的IEEE 802.15.4g的低功耗RF收發器，可以應用于IEEE 802.15.4g OFDM系統，該收發器是使用0.18μm CMOS技術實現的。整體電路包括片上RF開關前端、Tx BBA（基帶模擬）、Rx BBA及PLL。在保持靈敏度和誤包率均不降低的條件下，提出的RF收發器具有更低的功耗。

1 提出的RF收發器設計原理

為了減少載波泄露，應采用低通濾波器（LPF）和可變增益放大器（VGA）等Tx基帶電路?？紤]到基于OFDM的發送器上的峰均功率比要求為10 dB，從1 dB輸出壓縮點開始，所有RF及模擬電路應在補償為+10 dB的情況下運行。

圖1是本文提出的基于OFDM的低功耗RF收發器的電路原理圖。當接收器最大能容納-20 dBm的輸入時，低噪聲放大器（LNA）應首先在低增益模式下運行，以便使接收器輸出處于不飽和狀態。本文提出的RF收發器采用了零中頻結構來實現高集成。該收發器包括帶有片上T/Rx開關的RF前端、同相正交（IQ）變頻混頻器、Tx及Rx鏈的IQ基帶模擬模塊（VGA及LPF）以及PLL模塊。考慮到表1和表2列舉了目標設計規格，對收發器中的所有電路模塊進行了設計。

圖1 提出的CMOS RF收發器電路原理圖

2 RF前端設計

圖2是本文提出的RF前端的設計電路圖，包括數模（DA）及LNA，該設計允許DA及LNA在不會降低各自性能或可靠性的前提下共享通向天線及外部匹配網絡（M/N）的共光路。

圖2 提出的RF前端的電路圖

圖2中，由于T/Rx開關僅位于LNA的輸入端，能夠在沒有損失的情況下將DA的輸出功率傳遞到天線，并產生極少的DC功率損耗。在傳輸模式下，開關SW0關閉，開關SW1開啟，盡管LNA無法工作，外部的M/N用于DA的輸出功率匹配電路。在接收模式下，DA無法工作，開關SW0開啟，開關SW1關閉。該模式下，直接將LNA的輸入耦合到M/N，目前M/N用于LNA的輸入匹配電路。在工作頻率為920 MHz的情況下，由SW0造成的損失低于1.1 dB，并且不會嚴重影響接收器的靈敏度。盡管圖2中的LNA存在單端輸入以便與DA共享外部M/N，LNA能夠提供微分輸出以驅動下面的雙平衡混頻器。本文提出的LNA提供了30 dB的高壓增益和10 dB的低壓增益用以容納-105 dBm～-20 dBm范圍內的RF輸入信號。

在接收器中，由于從5.208 kHz開始全是下變頻基帶信號，混頻器對閃爍噪聲的貢獻十分關鍵。作為電流驅動的無源混頻器，實現了圖2的IQ下變頻混頻器，其中零中頻接收器沒有或只有少數閃爍噪聲，相較于有源混頻器，同樣提供更高的線性度及更小的芯片面積。

3 LPF和PLL設計

為了實現高線性度，本文提出的收發器中的低通濾波器（LPF）采用了有源RC拓撲，該拓撲比Gm-C LPF等其它LPF類型更平直。圖3是本文提出發送器及接收器的有源RC 5級切比雪夫LPF的方框圖，該LPF能夠提供100 kHz/200 kHz/400 kHz/600 kHz的多信道帶寬用以支持所有選項以及阻帶中的高衰減量。在本文提出的LPF中，1/(Rs?C1-5)產生了1-dB的截止帶寬，并由抗PVT（過程、電壓及溫度）的干擾性能強的數控電容器C1-5進行控制。將LPF中采用的運算放大器設計成帶有大輸出裝置用以抑制DC頻率附近的閃爍噪聲。

圖3 本文提出的LPF的電路圖

為了在圖2中的接收器鏈實現100 dB的總電壓增益，LNA的電壓增益為30 dB，并且基帶模擬模塊（LPF及VGA）為1 dB的階梯提供了70 dB的電壓增益。由于DC偏移能夠讓整個基帶電路處于飽和狀態，為了緩解該問題，分別在I及Q基帶電路中采用了DC偏移抵消環。模擬結果顯示，由于輸入DC偏移達400 mV，可以默許模擬基帶輸出。

圖4是Δ-Σ小數-N頻率合成器的電路原理圖。其使用了24 MHz的參考時鐘，其中互補微分壓控振蕩器（VCO）兩次運行1.4～2 GHz的LO頻率。一比二分頻電路將微分VCO輸出信號轉換成圖2中上下變頻混頻器的IQ 920 MHz的LO信號。本文提出的PLL同樣采用3級3比特的輸出Σ-Δ調制器用以提高接近相位噪聲并使分辨率達到91.55Hz。

圖4 PLL的電路原理圖

對于發送器中的IQ調制及頻率上變頻，使用了正交電壓采樣無源混頻器，這樣線性度高且發送器上不存在LO。

考慮到線性度及功率效率的因素，我們將2級DA設計帶有單端拓撲，并包括A類及AB類放大器。A類放大器作為AB類放大器的高電壓擺幅提供適度增益及高線性度。第2階段的放大器是共源共柵的AB類放大器用以實現高效率及高線性度，如圖5所示。在本文提出的AB類放大器中，放大晶體管分成二進法裝置，通過b0～b4的厚氧化物共源共柵晶體管開關可以開啟或關閉該裝置。因此，整體DA的DC功率損耗與DA的輸出功率水平呈正比。整體DA的可變輸出功率的范圍為-10 dBm～+10 dBm，并且，當電源電壓為1.8 V時，相應的DC功率損耗的范圍為8.1 mW～24.3 mW。

圖5 可擴展AB類放大器的電路圖

4 實驗結果與分析

如圖6所示，在0.18μm CMOS技術中組裝了本文提出的RF收發器原型。圖6中，芯片面積為2.8 mm× 3.0 mm。當電源電壓為1.8 V時，Tx模式下，組裝的RF收發器會消耗14.7 mA，Rx模式下會消耗15.7 mA。

圖7為發送輸出頻譜，其調制方式為QPSK，數據速率為800 kbit/s?？紤]到發送器中的峰均功率比為+10 dB，測量的平均信道功率為-2.7 dBm（包括電纜損耗），在測試Tx誤差向量幅度（EVM）中，由QPSK調制的正交基帶信號用于發送器輸出，該信號由向量信號發生器（VSG）發出。如圖8所示，當信道功率為+3 dBm時，測量的Tx EVM大約為13%（-17.7 dB）；信道功率為-2 dBm時，EVM為-20 dB。圖9是接收器輸出基帶頻譜圖，其中帶寬為600 kHz，可以看出阻帶衰減率較好。

圖6 組裝的RF收發機的芯片圖片

圖7 發送的輸出頻譜

圖8 信道功率為+3 dBm時的測量的Tx EVM；為了測試Tx EVM，由向量信號發生器（VSG）發出的QPSK調制的正交基帶信號用于發送器的輸出。

圖9 基帶輸出頻譜（信道BW=600 KHz）

為了測量接收器的靈敏度，在SUN OFDM系統板上對提出的RF收發器進行了測試，如圖10所示。包括3個不同的PCBs，上面的PCB用于RF芯片，中間的PCB用于模數轉換器/數模轉換，底層的PCB用于調制解調器及媒體訪問控制（MAC）。模數轉換器/數模轉換是使用0.18-μm CMOS技術實現的，調制解調器及MAC均設計成帶有FPGA。使用該系統板后，評估了組裝的RF收發器的靈敏度水平。數據速率為100 kbit/s時，測量的最小靈敏度為-103 dBm且錯包率（PER）為1%。該測量的靈敏度水平符合IEEE 802.15.4g OFDM標準，該標準的要求為：數據速率為100 kbit/s時，測量的最小靈敏度為-103 dBm且PER＜10%。表1總結了測量的RF收發器的性能，并與其他文獻進行了對比，可以看出相比類似收發器［8］，提出收發器的靈敏度和誤包率相同，但Rx模式和Tx模式工作功耗更低。雖然文獻［10］的功耗更低，但是其信號質量指標EVM較差且誤包率較大，較低了系統可靠性。

圖10 包括RF、調制解調器的FPGA板

表1 收發器性能參數對比

5 結論

本文設計了一種基于OFDM的IEEE 802.15.4g新型低功耗RF收發器，該收發器是使用0.18-μm CMOS技術實現的。測量結果顯示，組裝的RF收發器芯片很好地滿足IEEE 802.15.4g OFDM系統。由于實現的OFDM系統包括RF、調制解調器及MAC，實際測試結果顯示，相比傳統的RF收發器，在保持靈敏度和誤包率均不降低的條件下，提出的RF收發器具有更低的功耗，雖然功耗沒有大幅降低，但是系統可靠性沒有降低。

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徐 進（1972-），男，漢族，江蘇泰州人，碩士，副教授，主要研究方向為電路與系統，無損檢測；

帥立國（1968-），男，漢族，江蘇高郵人，博士。教授、博導，主要研究方向為機器人、無損檢測。

A Novel Low Power RF Transceiver Based on OFDM*

XU Jin1，2，SHUAI Liguo2*
（1.SOC R&D Center，Suzhou Institute of Trade&Commerce，Suzhou Jiangsu 215009，China；2.Department of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

In order to realize low power consumption，a low power IEEE 802.15.4g radio frequency（RF）transceiver based on OFDM is proposed.The radio frequency（RF）transceiver circuit is composed of the on-chip RF switch front-end，TX BBA（Analog Baseband），RX BBA and phase-locked loop（PLL），fabricated using 0.18μm CMOS technology.The actual test results show that the proposed RF transceiver has lower power consumption and good sensitivity compared with the traditional RF transceiver.When the power supply voltage is 1.8 V，the proposed RF transceiver will consume 14.7 mA in Tx mode，and 15.7 mA in Rx mode.

802.15.4g IEEE；RF transceiver；OFDM；low power consumption

TN802

A

1005-9490（2016）06-1391-06

6250

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.022

項目來源：國家自然科學基金項目（61175069）；江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃項目（2014FX120）；蘇州市2016年度產業前瞻性應用研究（工業）指導性計究項目

2015-11-21 修改日期：2016-01-04