第1章 引 言
集成電路(IC)不僅是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心,而且是信息社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ).這是因?yàn)镮C是各類電子信息產(chǎn)品與裝備的核心部件,而電子信息部件又是眾多其他產(chǎn)品和裝備的核心部件.可以毫不夸張地說,21世紀(jì)重點(diǎn)高科技領(lǐng)域都與IC技術(shù)密切相關(guān).所以,IC技術(shù)是國家綜合國力的標(biāo)志,IC產(chǎn)業(yè)是一門戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè).IC還直接關(guān)系到信息安全與國家安全,因此得到了各國政府的高度重視.
未來的信息交流,特別是與人直接關(guān)聯(lián)的信息交流正在朝著無線和移動(dòng)的方向發(fā)展.包括移動(dòng)通信?無線局域網(wǎng)?衛(wèi)星通信?無線接入等在內(nèi)的各類無線移動(dòng)技術(shù)正在蓬勃發(fā)展,所有這些系統(tǒng)都需要射頻(RF)技術(shù)?射頻集成電路(RFIC)或射頻系統(tǒng).例如,移動(dòng)通信需要射頻收發(fā)集成電路,數(shù)字電視需要俗稱“高頻頭”的射頻接收機(jī).此外,在21世紀(jì)最受關(guān)注的生命科學(xué)領(lǐng)域,射頻無線系統(tǒng)也有用武之地,范例之一就是植入體內(nèi)的?可與外界通信的無線傳感芯片.同時(shí),以光纖為介質(zhì)的超高速通信系統(tǒng)將繼續(xù)在“信息高速公路”和“光纖到戶”的寬帶通信網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮重要作用.在這些通信系統(tǒng)中,人們需要開發(fā)信號(hào)頻譜延伸到射頻段?與射頻集成電路具有同樣特點(diǎn)的超高速集成電路.因此,射頻集成電路與系統(tǒng)的技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)已在世界范圍內(nèi)形成巨大的熱潮.
1??1 無線通信技術(shù)的發(fā)展
無線通信技術(shù)的發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)中期.1864年JamesMaxwell在倫敦英國皇家學(xué)會(huì)發(fā)表的論文中首次提出了電場和磁場通過其所在的空間中交連耦合會(huì)導(dǎo)致波傳播的設(shè)想;1887年Heinrich Hertz通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁能量可以通過空間發(fā)射和接收;1901 年GuglielmoMarconi成功地實(shí)現(xiàn)了無線電信號(hào)(radiosignals)橫越大西洋的傳遞,從此無線電技術(shù)正式誕生.從1920年的無線電通信和1930年的TV 傳輸,到1980年的移動(dòng)電話和1990年的全球定位系統(tǒng)(GPS),以及當(dāng)今的移動(dòng)通信和無線局域網(wǎng)(WLAN),射頻集成電路在其中均扮演著非常重要的角色,它的發(fā)展大大推動(dòng)了無線通信技術(shù)的發(fā)展.
蜂窩移動(dòng)通信從20世紀(jì)80年代出現(xiàn)到現(xiàn)在,已經(jīng)發(fā)展到了第三代.目前業(yè)界正在研究面向未來第四代移動(dòng)通信的技術(shù);無線城域網(wǎng)(WMAN)?無線局域網(wǎng)(WLAN)和無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)技術(shù)的寬帶無線接入也在全球不斷升溫,寬帶無線用戶數(shù)增長勢(shì)頭強(qiáng)勁;衛(wèi)星通信以其特殊的技術(shù)特性,已經(jīng)成為無線通信技術(shù)中不可忽視的一個(gè)領(lǐng)域;手機(jī)視頻廣播作為一種新的無線業(yè)務(wù)與技術(shù),正在成為目前最熱門的無線應(yīng)用之一.
1??2 頻譜劃分
通信系統(tǒng)中不同的信道具有不同的工作頻率范圍.表1-1列出了通信系統(tǒng)中使用的波段名稱及其相應(yīng)的波段和頻段,同時(shí)列出了不同的有線和無線信道所使用的頻段.
表1-1 電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)制定的頻譜劃分表
頻段頻率工作模式頻率
LF(低頻) 30~300kHz 中波廣播530~1700kHz
MF(中頻) 300~3000kHz 短波廣播5??9~26??1MHz
HF(高頻) 3~30MHz RFID 13MHz
VHF(甚高頻) 30~300MHz 調(diào)頻廣播88~108MHz
UHF(特高頻) 300~1000MHz (無線)電視54~88MHz,174~220MHz
L-Band(L波段) 1~2GHz 遙控模型72MHz
S-Band(S波段) 2~4GHz 個(gè)人移動(dòng)通信900MHz,1??8GHz,1??9GHz,2GHz
C-Band(C波段) 4~8GHz WLAN,Bluetooth
(ISM? Band) 2??4~2??5GHz,5~6GHz
?ISM(Industrial,ScientificandMedical),即工業(yè)?科學(xué)和醫(yī)學(xué).
1??3 通信系統(tǒng)的組成
圖1-1給出的是通信系統(tǒng)的一般模型,它由信源?發(fā)送設(shè)備?信道?接收設(shè)備和信宿組成.模型中同時(shí)考慮了噪聲源對(duì)信道的干擾.
圖1-1 通信系統(tǒng)的一般模型
信道是傳輸媒介,分為有線和無線兩類.有線信道有電線?電纜?光纖和波導(dǎo)等.無線信道是指自由空間,其中存在著各種干擾,如多徑衰落?鄰近頻道干擾?多普勒頻率和頻譜色散等.無線移動(dòng)信道是傳輸條件最為惡劣的一種信道.目前快速發(fā)展的無線通信技術(shù)正是為了克服無線信道的缺陷,以保證通信的可靠性.
根據(jù)信道中所傳輸信號(hào)的不同形式,通信系統(tǒng)可進(jìn)一步劃分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng).
1??3??1 模擬通信系統(tǒng)
我們把信道中傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng).模擬通信系統(tǒng)的組成可由通信系統(tǒng)的一般模型略加改變而成,如圖1-2所示.這里,將通信系統(tǒng)一般模型中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備分別用調(diào)制器和解調(diào)器代替.
圖1-2 模擬通信系統(tǒng)模型
對(duì)于模擬通信系統(tǒng),它主要包含兩種重要變換:一種是把連續(xù)消息變換成電信號(hào)(發(fā)送端信源完成);另一種是把電信號(hào)恢復(fù)成最初的連續(xù)消息(接收端信宿完成).由信源輸出的電信號(hào)為基帶信號(hào),由于它具有頻率較低的頻譜分量,一般不能直接作為傳輸信號(hào)發(fā)送到信道中去.因此,模擬通信系統(tǒng)里常有第二種變換,即將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào),這一變換由調(diào)制器完成;在接收端則需要相反的變換,它由解調(diào)器完成.經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)通常稱為已調(diào)信號(hào).已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特性:①攜帶有消息;②適合在信道中傳輸;③頻譜具有帶通形式,且中心頻率遠(yuǎn)離零頻.因而已調(diào)信號(hào)又常稱為頻帶信號(hào).
必須指出,從消息的發(fā)送到消息的恢復(fù),事實(shí)上并非僅有以上兩種變換.通常在一個(gè)通信系統(tǒng)里可能還有濾波?放大?天線輻射與接收?控制等過程.對(duì)信號(hào)傳輸而言,由于上面兩種變換對(duì)信號(hào)形式的變化起著決定性作用,它們是通信過程中的重要方面.而其他過程對(duì)信號(hào)變化來說,沒有發(fā)生質(zhì)的作用,只不過是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大和改善信號(hào)特性等,因此,這些過程我們認(rèn)為都是理想的,而不去討論它.
1??3??2 數(shù)字通信系統(tǒng)
信道中傳輸?shù)男盘?hào)為數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng).數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)?數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)?模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng).
1?? 數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)
數(shù)字通信的基本特征是,它的消息或信號(hào)具有“離散”或“數(shù)字”的特性,從而使數(shù)字通信面臨許多特殊的問題.例如,前邊提到的第二種變換,在模擬通信中強(qiáng)調(diào)變換的線性特性,即強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量與代表消息的基帶信號(hào)之間的比例特性;而在數(shù)字通信中,則強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量與代表消息的數(shù)字信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.
另外,數(shù)字通信中還存在以下突出問題:
(1)數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí),信道噪聲或干擾所造成的差錯(cuò),原則上是可以控制的.這通過所謂的差錯(cuò)控制編碼來實(shí)現(xiàn).于是,就需要在發(fā)送端增加一個(gè)編碼器,而在接收端相應(yīng)地要增加一個(gè)解碼器.
(2)當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)保密通信時(shí),可對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行人為“擾亂”(加密),此時(shí)在接收端就必須進(jìn)行解密.
(3)由于數(shù)字通信傳輸?shù)氖且粋�(gè)接一個(gè)按一定節(jié)拍傳送的數(shù)字信號(hào),因而接收端必須有一個(gè)與發(fā)送端相同的節(jié)拍,否則,就會(huì)因收發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂.
還有,為了表述消息內(nèi)容,基帶信號(hào)都是按消息特征進(jìn)行編組的,于是,在收發(fā)之間一組組編碼的規(guī)律也必須一致,否則接收時(shí)消息的真正內(nèi)容將無法恢復(fù).在數(shù)字通信中,稱節(jié)拍一致為“位同步”或“碼元同步”,而稱編組一致為“群同步”或“幀同步”,故數(shù)字通信中還必須有“同
步”這個(gè)重要問題.
綜上所述,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)模型一般可用圖1-3表示.
圖1-3 數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型
需要說明的是,圖中調(diào)制器/解調(diào)器?加密器/解密器和編碼器/譯碼器等環(huán)節(jié),在具體通信系統(tǒng)中是否全部采用,取決于具體設(shè)計(jì)條件和要求.但在一個(gè)系統(tǒng)中,如果發(fā)送端有調(diào)制/加密/編碼,則接收端必須有解調(diào)/解密/譯碼.通常把有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng).
2?? 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)
與頻帶傳輸系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),把沒有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng),如圖1-4所示.圖中基帶信號(hào)形成器可能包括編碼器?加密器以及波形變換等,接收濾波器亦可能包括譯碼器?解密器等.
圖1-4 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型
3?? 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)
上面論述的數(shù)字通信系統(tǒng)中,信源輸出的信號(hào)均為數(shù)字基帶信號(hào).實(shí)際上,日常生活中大部分信號(hào)(如語音信號(hào))為連續(xù)變化的模擬信號(hào).要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸,則必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)數(shù)字化,即進(jìn)行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換;在接收端則需要進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換,即數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換.模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)如圖1-5所示.
圖1-5 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸系統(tǒng)模型
1??3??3 調(diào)制的原因
無線通信中把基帶信號(hào)變成射頻已調(diào)信號(hào)有兩個(gè)原因.①為了有效地把信號(hào)用電磁波輻射出去.基帶信號(hào)是低頻信號(hào),如話音信號(hào)頻率為300~3400Hz,300Hz信號(hào)的波長達(dá)1000km,若天線長度取1/10波長,對(duì)應(yīng)的天線長度達(dá)100km 以上,不可能實(shí)現(xiàn).因此,為了降低天線的尺寸,以有效地輻射信號(hào),發(fā)射信號(hào)的頻率必須是高頻.發(fā)射機(jī)中振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)稱為載波.②為了有效地利用頻帶來傳輸多路頻率范圍基本相同的基帶信號(hào).為此,可將多路基帶信號(hào)分別調(diào)制到不同頻率的載波上,以避免基帶信號(hào)之間的相互干擾.
用基帶信號(hào)控制載波的幅度?頻率和相位分別稱之為調(diào)幅?調(diào)頻和調(diào)相;用模擬信號(hào)調(diào)制載波稱為模擬調(diào)制;用數(shù)字信號(hào)調(diào)制載波稱為數(shù)字調(diào)制.
1??4 無線通信系統(tǒng)舉例
除了諸如傳呼機(jī)和手機(jī)這些為人們熟悉的無線通信產(chǎn)品以外,RF技術(shù)已經(jīng)創(chuàng)造了許多其他市場.這些市場展示了快速成長的巨大潛力,每一個(gè)都對(duì)RF設(shè)計(jì)者提出了挑戰(zhàn).
無線局域網(wǎng):在一個(gè)擁擠的場所,人們或設(shè)備之間的通信可以通過無線局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn).采用在900MHz和2??4GHz附近的頻帶,無線局域網(wǎng)接收發(fā)送器能在辦公室?醫(yī)院?工廠等地提供移動(dòng)通信連接,這樣就不需要使用笨拙的有線網(wǎng)絡(luò).便攜性與重構(gòu)性是無線局域網(wǎng)的顯著特征.
全 球定位系統(tǒng)(GPS):隨著GPS接收器的成本和功耗下降,用它來確定一個(gè)目標(biāo)的位置及尋找方向?qū)ο�費(fèi)者十分有吸引力.這樣的系統(tǒng)在1??5GHz等頻率下工作,使汽車制造廠家考慮將其作為低成本的手持產(chǎn)品.
射頻識(shí)別(RFID):射頻識(shí)別系統(tǒng),簡稱“RFID”,是小的?低成本的標(biāo)簽.它們可以附加到物品上或被個(gè)人佩帶來跟蹤其位置.它的應(yīng)用范圍包括飛機(jī)場的行李?商品和軍事行動(dòng)的部隊(duì)等.由于有源標(biāo)簽的壽命由單個(gè)小電池的壽命決定,所以低功耗的要求尤其重要.工作在900MHz和2??4GHz頻率范圍的RFID產(chǎn)品已出現(xiàn)在市場上.
家庭衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(homesatellitenetwork):衛(wèi)星電視所提供的節(jié)目與服務(wù)已經(jīng)使眾多的用戶被家庭衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所吸引.這些網(wǎng)絡(luò)工作在10GHz頻段,需要附加碟形天線及連到電視機(jī)的接收器,它們直接與有線電視形成競爭.
無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)原理框圖如圖1-6所示,手機(jī)射頻前端原理框圖如圖1-7所示.
圖1-6 無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)原理框圖
圖1-7 手機(jī)射頻前端原理框圖
1??5 無線通信與RFIC設(shè)計(jì)
由于無線通信與射頻集成電路設(shè)計(jì)需要大量的專業(yè)知識(shí)?長期經(jīng)驗(yàn)?專用EDA 工具和昂貴的測試設(shè)備,因而面對(duì)突如其來的市場需求,這方面的人才顯得極為短缺,射頻集成電路的研究與開發(fā)已成為制約無線通信系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸.射頻集成電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不僅需要系統(tǒng)規(guī)劃?通信協(xié)議?無線信道預(yù)算?調(diào)制解調(diào)?編碼解碼?均衡和信息論等方面的系統(tǒng)知識(shí),以及增益?噪聲?功率?線性度?頻率與帶寬?匹配和穩(wěn)定性等方面的電路知識(shí),同時(shí)還需要器件物理?晶體管特性和建模等方面的器件知識(shí),并需要熟練掌握諸如Cadence的SpectreRF和Ag-ilent的ADS等集成電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具.RFIC設(shè)計(jì)應(yīng)具備的知識(shí)面如圖1-8所示.RFIC所涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)有集成電路設(shè)計(jì)?工藝與器件?器件模型?收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)?高頻測試技術(shù)?高頻封裝技術(shù)?EDA工具?系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)?數(shù)字通信?無線通信和微波理論,如圖1-9所示.
圖1-8 RFIC設(shè)計(jì)應(yīng)具備的知識(shí)面
圖1-9 RFIC所涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)
與相對(duì)成熟的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)相比,RFIC設(shè)計(jì)正處于發(fā)