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,而且是信息社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ).這是因為IC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世紀重點高科技領(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的方向發(fā)展.包括移動通信?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.此外,在21世紀最受關(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,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)信號頻譜延伸到射頻段?與射頻集成電路具有同樣特點的超高速集成電路.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世紀中期.1864年JamesMaxwell在倫敦英國皇家學(xué)會發(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導(dǎo)致波傳播的設(shè)想;1887年Heinrich Hertz通過實驗證實了電磁能量可以通過空間發(fā)射和接收;1901 年GuglielmoMarconi成功地實現(xiàn)了無線電信號(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年的移動電話和1990年的全球定位系統(tǒng)(GPS),以及當(dāng)今的移動通信和無線局域網(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)展大大推動了無線通信技術(shù)的發(fā)展.
蜂窩移動通信從20世紀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通信的技術(shù);無線城域網(wǎng)(WMAN)?無線局域網(wǎng)(WLAN)和無線個域網(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)增長勢頭強勁;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)中不可忽視的一個領(lǐng)域;手機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(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 個人移動通信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.模型中同時考慮了噪聲源對信道的干擾.
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)信道中所傳輸信號的不同形式,通信系統(tǒng)可進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(發(fā)送端信源完成);另一種是把電信號恢復(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為基帶信號,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,即將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)男盘?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)制后的信號通常稱為已調(diào)信號.已調(diào)信號有三個基本特性:①攜帶有消息;②適合在信道中傳輸;③頻譜具有帶通形式,且中心頻率遠離零頻.因而已調(diào)信號又常稱為頻帶信號.
必須指出,從消息的發(fā)送到消息的恢復(fù),事實上并非僅有以上兩種變換.通常在一個通信系統(tǒng)里可能還有濾波?放大?天線輻射與接收?控制等過程.對信號傳輸而言,由于上面兩種變換對信號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.而其他過程對信號變化來說,沒有發(fā)生質(zhì)的作用,只不過是對信號進行了放大和改善信號特性等,因此,這些過程我們認為都是理想的,而不去討論它.
1??3??2 數(shù)字通信系統(tǒng)
信道中傳輸?shù)男盘枮閿?shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng).數(shù)字通信系統(tǒng)可進一步細分為數(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,在模擬通信中強調(diào)變換的線性特性,即強調(diào)已調(diào)參量與代表消息的基帶信號之間的比例特性;而在數(shù)字通信中,則強調(diào)已調(diào)參量與代表消息的數(shù)字信號之間的一一對應(yīng)關(guān)系.
另外,數(shù)字通信中還存在以下突出問題:
(1)數(shù)字信號傳輸時,信道噪聲或干擾所造成的差錯,原則上是可以控制的.這通過所謂的差錯控制編碼來實現(xiàn).于是,就需要在發(fā)送端增加一個編碼器,而在接收端相應(yīng)地要增加一個解碼器.
(2)當(dāng)需要實現(xiàn)保密通信時,可對數(shù)字基帶信號進行人為“擾亂”(加密),此時在接收端就必須進行解密.
(3)由于數(shù)字通信傳輸?shù)氖且粋�接一個按一定節(jié)拍傳送的數(shù)字信號,因而接收端必須有一個與發(fā)送端相同的節(jié)拍,否則,就會因收發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂.
還有,為了表述消息內(nèi)容,基帶信號都是按消息特征進行編組的,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”這個重要問題.
綜上所述,點對點的數(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)計條件和要求.但在一個系統(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,信源輸出的信號均為數(shù)字基帶信號.實際上,日常生活中大部分信號(如語音信號)為連續(xù)變化的模擬信號.要實現(xiàn)模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸,則必須在發(fā)送端將模擬信號數(shù)字化,即進行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換;在接收端則需要進行相反的轉(zhuǎn)換,即數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換.模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)如圖1-5所示.
圖1-5 模擬信號數(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變成射頻已調(diào)信號有兩個原因.①為了有效地把信號用電磁波輻射出去.基帶信號是低頻信號,如話音信號頻率為300~3400Hz,300Hz信號的波長達1000km,若天線長度取1/10波長,對應(yīng)的天線長度達100km 以上,不可能實現(xiàn).因此,為了降低天線的尺寸,以有效地輻射信號,發(fā)射信號的頻率必須是高頻.發(fā)射機中振蕩器產(chǎn)生的高頻信號稱為載波.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.為此,可將多路基帶信號分別調(diào)制到不同頻率的載波上,以避免基帶信號之間的相互干擾.
用基帶信號控制載波的幅度?頻率和相位分別稱之為調(diào)幅?調(diào)頻和調(diào)相;用模擬信號調(diào)制載波稱為模擬調(diào)制;用數(shù)字信號調(diào)制載波稱為數(shù)字調(diào)制.
1??4 無線通信系統(tǒng)舉例
除了諸如傳呼機和手機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,每一個都對RF設(shè)計者提出了挑戰(zhàn).
無線局域網(wǎng):在一個擁擠的場所,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,用它來確定一個目標的位置及尋找方向?qū)ο�費者十分有吸引力.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.
射頻識別(RFID):射頻識別系統(tǒng),簡稱“RFID”,是小的?低成本的標簽.它們可以附加到物品上或被個人佩帶來跟蹤其位置.它的應(yīng)用范圍包括飛機場的行李?商品和軍事行動的部隊等.由于有源標簽的壽命由單個小電池的壽命決定,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)射機和接收機原理框圖如圖1-6所示,手機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)射機和接收機原理框圖
圖1-7 手機射頻前端原理框圖
1??5 無線通信與RFIC設(shè)計
由于無線通信與射頻集成電路設(shè)計需要大量的專業(yè)知識?長期經(jīng)驗?專用EDA 工具和昂貴的測試設(shè)備,因而面對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,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,同時還需要器件物理?晶體管特性和建模等方面的器件知識,并需要熟練掌握諸如Cadence的SpectreRF和Ag-ilent的ADS等集成電路設(shè)計自動化工具.RFIC設(shè)計應(yīng)具備的知識面如圖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?工藝與器件?器件模型?收發(fā)機結(jié)構(gòu)?高頻測試技術(shù)?高頻封裝技術(shù)?EDA工具?系統(tǒng)標準?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)計應(yīng)具備的知識面
圖1-9 RFIC所涉及的相關(guān)學(xué)科和技術(shù)
與相對成熟的數(shù)字集成電路設(shè)計相比,RFIC設(shè)計正處于發(fā)