无线计算机数据通信系统芯片设计.pdf

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1、南开大学硕士学位论文无线计算机数据通信系统芯片设计姓名：王其源申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：吴虹20040501摘要通过无线链路与计算机进行通信是近年研究的热点，业界已经针对这种应用开发了相关的标准，如无线局域网(8 0 2 1 1)。这类技术主要是为无线计算机网络通信设计的，其数据通信速率较高，采用2 4 G H z 频段，协议复杂，设计成本较高。对于点对点通信，通信速率低且功耗有严格要求的计算机通信系统并不适用。在本文中针对低通信速率的无线计算机数据通信系统进行分析，提出满足这种应用的系统模型。对其中无线通信芯片进行系统仿真，同时设计应用于无线鼠标键盘系统中的计算机接口控

2、制芯片。本文设计的无线通信芯片使用2 7 M t-l z 频段。片内集成了频率合成器以实现通信信道的选择。论文主要进行系统级设计，并使用C a d e n c e 公司的仿真工具S p e c t r e 和V e r i l o g A 语言进行系统仿真。计算机接口使用通用串行总线(U S B)接口。芯片使用V e r i l o g 语言设计，拟应用于无线鼠标键盘系统中。片内集成了鼠标、键盘的列举内容，并初始化为复合设备。芯片的逻辑综合使用S y a o p s y s 公司的D e s i g nA n a l y z e r，布局布线使用C a d e n c e 公司的S i l i

3、 c o nE n s e m b l e 工具。关键词：频移键控，频率合成器，调制器，解调器，电荷泵锁相环，环路滤波器，通用串行总线，列举W i r e l e s sc o m m u m c a d o nw i t hc o m p u t e ri ss t u d i e dm o r ea n dm o r et h e s ey e a r s S o m es t a n d a r d sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d，f o re x a m p l eW I _ A N8 0 2 1 1 T h e s et e c h n o

4、l o g i e sa l ed e s i g n e df o rw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k W i t hh i 曲c o s ta n dc o m p l i c a t e dp r o t o c o l，t h e yu s u a l l yu s e2 4 G H zs p e c t r u ma n ds u p p o r th i 曲c o m m u n i c a t i o ns p e e d T h e s et e c h n o l o g i e sa r en o ts u i tf

5、o rl o wd a t as p e e da n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n Sp o i n tt op o i n tc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m I nt h i st h e s i s，l o wd a t as p e e dw i r e l e s sc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ea n a l y z e d S y s t e mm o d e li sd e s

6、i g n e df o rt h e s ea p p l i c a t i o n s W i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i p Ss y s t e ml e v e lm o d e l i n gi sd e s c r i b e d C o m p u t e ri n t e r f a c ec o n t r o l l e rc h i po fw i r e l e s sm o u s ea n dk e y b o a r di sa l s od e s i g n e d W i r e l e s sc

7、o m m u n i c a t i o nc h i p si nt h i sp r o j e c tu s e2 7 M H zs p e c t r u m F r e q u e n c yS y n t h e s i z e ri si n t e g r a t e di nt h ec h i p s S y s t e ml e v e lm o d e l i n go fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i pi sd o n eu s i n gS p e c t r ea n dV e r i l o g-A

8、l a n g u a g e T h es y s t e mu s eU S B(U n i v e r s a lS e r i a lB u s)a sc o m p u t e ri n t e r f a c e T h i sc h i pi sd e s i g n e dw i t hV e r i l o gl a n g u a g e I ti sa p p l i e di nw i r e l e s sm o u s ea n dk e y b o a r ds y s t e m E n u m e r a t i o no fm o u s ea n dk e

9、),b o a r di si n t e g r a t e di t h ec h i p M o u s ea n dk e y b o a r da r ei n i t i a t e da sc o m p o s i t ed e v i c e S y n o p s y sc o r p o r a t i o n St o o lD e s i g nA n a l y z e ri su s e di nl o g i cs y n t h e s i sa n dC a d e n c ec o r p o r a t i o n St o o lS i l i c o

10、 nE n s e m b l ei su s e di np l a c ea n dr o u t e K e y w o r d s：F S K，F r e q u e n c yS y n t h e s i z e r，M o d u l a t o r，D e m o d u l a t o r，C h a r g ep u m pP U。，L 0 0 pf i l t e r，U S B，E n u m e r a t i o n无线计算机数据通信系统芯片设计第一章引言随着计算机应用的日益普及，越来越多的系统应用需要将数据传送给计算机。无线通信技术在近年来也日益成熟，通过无线链路

11、传送数据可以方便人们的使用。这些系统要求使得无线计算机通信成为近年研究的热点，计算机生产厂商和通信公司相继推出了相关的规范和协议，如用于解决无线局域网接入的8 0 2 1 1 协议，用于移动设备小范围连接的蓝牙协议等。这些协议的共同特点是数据传输速率高(大于1 Mb i t s)，载波频率高(2 4 G H z)，使用跳频、扩频技术。采用这些协议的产品需要集成较复杂的协议栈，成本高，功耗大，设计复杂。对于一些低功耗，通信速率低的短程无线设备使用这些协议并不适合。这些短程无线设备(W i r e l e s sS h o r tR a n g eS y s t e m)包括无线鼠标，无线键盘，无

12、线游戏控制器，遥控系统，简单家用自动化设备等。其系统特点如下：1)在较小的物理区域内通信(小于1 0 m)2)要求的数据通信速率较低(小于1 0 k b i t s)3)只要求和计算机进行点对点通信，不需要组成网络4)发射方采用电池供电，对功耗有较高要求5)成本严格控制本文的研究内容主要针对短距离低通信速率无线计算机数据通信系统中芯片的设计。主要包括三部分内容：1)无线通信部分系统设计本文设计的无线通信系统采用2 7 M H z 频段，调制方式为频移键控，可实现通信信道选择。其中通信信道选择通过设计分频比可变的基于锁相环的频率合成器实现。锁相环使用电荷泵结构的锁相环，文中分析了电荷泵锁相环组成

13、部件的特性，并给出了频率合成器中锁相环环路滤波器的设计方法。这部分内容在本文第二章论述。无线计算机数据通信系统芯片设计2)无线通信系统仿真为了验证通信系统的正确性要进行系统仿真。在目前的大规模集成电路设计中，系统级设计和电路设计往往是分开进行的。系统设计人员使用诸如C C+，M a t l a b 等系统设计语言和软件进行系统描述和算法仿真，并书写系统设计书，然后移交给电路设计部门。电路设计人员，首先要花大量的时间理解系统设计书后，才能进行电路设计。根据有关统计从系统级设计到电路级设计所花费的时间一般是系统级设计所花时间的3 倍左右。本文中无线通信芯片的系统验证使用了一种较新的方法，即使用V

14、e r i l o g A语言描述系统中的模拟电路模块，使用V e r i l o g 语言描述系统中的数字电路模块。V e r i l o g A 语言是V e r i l o g 语言的扩展，它的目的是让数字模拟混合信号集成电路的设计者用高级行为描述的方式对系统进行仿真。系统的仿真工具使用支持V e r i l o g A 和V e r i l o g 混合仿真的仿真软件S p e c t r e。S p e c t r e 支持电路，V c r i l o g A 和V e r i l o g 的混含仿真。本文主要对通信系统中发射机频率合成器，调制器；接收机频率合成器，解调器进行仿真，这

15、部分内容在本文第三章论述。3)计算机接口控肯I 器芯片设计本文设计的接口控制器为U S B 接口控制器。U S B 接口是近年来出现的计算机接口标准。现在的计算机都配有U S B 接口。这种接口的设计比以前的接口设计要复杂。当U S B 接口最早出现在计算机上时，W i n d o w s 操作系统尚未包含所有外围设备的驱动程序。不过这些问题，现在都已经得到了解决。因为越来越多的控制芯片、开发工具，以及操作系统支持U S B 接口，U S B 已经成为外围设备的最新标准接口。U S B 接口具有下列特性：(1)自动检测：当U S B 设备连接到计算机上时，W i n d o w s 操作系统会

16、自动4无线计算机数据通信系统芯片设计检测设备，并且加载相应的驱动程序。(2)容易连接：U S B 外围设备属于外接设备，用户不需要打开计算机机箱安装设备。(3)不需要电源：U S B 接口包含+5 V 的电源线和接地线，设备可以直接使用这组电源。1 l芯片遵循U S B l 1 全速设备协议设计。文中第四章分析了U S B 协议的相关内容。这个芯片拟应用于无线鼠标键盘系统中。众所周知，鼠标和键盘是目前计算机上最主要的输入设备，用户在日常应用中与它们的接触也最为频繁。因此，现在新型的鼠标和键盘产品越来越表现出人性化的特点，在这里我们所提出的无线鼠标键盘正是适应了市场需求，使用户彻底摆脱了传统的鼠

17、标线与键盘线的束缚，在一定范围内让用户对计算机的操作变得更加舒适，灵活。鼠标、键盘属于人机接口设备类，W i n d o w s 操作系统自带了相关的驱动程序，只要按照人机接口设备协议中的规定完成设备的列举即可。为了通过一个U S B 接口复用鼠标、键盘两个设各，本文给出了一种U S B 设备扩展的方法。即通过不同的端点地址来进行设备区分。由于在芯片内部集成几个端点是很方便的，所以这种方式减小了芯片设计的难度和芯片的面积。这部分内容在本文第四章论述。无线计算机数据通信系统芯片设计第二章无线通信系统设计1方案设计本系统中无线通信速率设计为t o k b i t s，属于低速通信系统。为了防止在通

18、信范围之内的同频干扰，系统设计为多通信信道系统。在设计具体通信电路之前，要先制定通信方案。1 1通信频率范围为避免无线设备之间的干扰，对其使用的通信频率有很明确的规定。无线电管理机构管理通信频率的使用，最基本的规则是无线发射器的使用需要获得许可。然而。管理部门也规定某些频带不需许可，以满足不同的需要。这些频带通常包括工业、科研和医用(I S M)频带。在本系统中采用2 7 M H z 频率范围，这个频段为国际公用的I S M 频段，在我国根据微功率(短距离)无线电设备管理暂行规定2 7 M H z 频段属于C 类设备，具体频率范围为2 6 9 5 7 2 7，2 8 3 M H z。这个频段设

19、计相对简单，为多数计算机外设产品采用，但也有其缺点：1)天线设计困难，理论上天线的长度为通信载波波长的1 4 可获得最好的效果。2 7 M H z 频段的波长约为1 1 米，因此天线要达到2。8 米。这种长度的天线在一般的产品设计中是不允许的，所以会限制传输的有效距离。2)电波容易被金属阻挡吸收而衰减，穿透力差，隔墙传输信号衰减大，置于金属桌面信号衰减严重。3)数据传输速率低，不适合做高速数据传输。这些问题导致这个频段只适合于短距离低传输速率的设备。1 2调制方式本系统的调制方式采用连续相位频移键控(F S K)。频移键控类似于频率调6无线计算机数据通信系统芯片设计制(F M)，其调制信号是数

20、字信号。调制波形如图2 1 所示。F S K 调制具有下面一些优点：1)噪声抑制：因为大多数噪声都引起载波的振幅变化，而F S K 调制信息包含在载波的频率里，可以采用限幅器将不需要的振幅变化去掉，从而达到抑制噪声的目的。2)捕捉效应：F S K 接收机可以区分在同一个频率点接收到的两个信号，限幅器对弱信号的处理和对噪声的抑制方法相同。【2】3)F S K 信号可以使用效率较高的C 类放大器作为功率输出级，这点对使用电池供电的设备来说尤其重要。【3】为防止输入信号变化时产生相位突变，一般的F S K 通信系统都采用连续相位频移键控(C P F S K)。对于非连续相位F S K 调制，当输入信

21、号从逻辑1 变到逻辑0，信号产生非连续的相位突变。当有这种情况出现时，解调器会出现问题，使用通过调制数据控制两个振荡源产生F S K 调制信号就会产生不连续的相7无线计算机数据通信系统芯片设计位突变。连续相位F S K 调制当输入数据改变时相位是平滑的连续的过渡，没有相位跳变。l _ 3通信频率空间中的信号存在相互干扰，为了在相同的空间能够同时使用多套系统而设计了不同的通信频率。具体通过分频比受控制的频率合成器来实现。发射频率限制在C 类设备频率范围即2 6 9 5 7 2 7 2 8 3 M H z 范围内。发射机发射频率(1 3个频点)如表2 1 所示。频道C H O C H l发射载频频

22、道C H O C H l发射载频C H 2 C 髓(M H z)C H 2 C H 3(M H z)10 0 0 02 6 9 7801112 7 1 4 520 0012 6 9 9 5910O O2 7 1 730 0102 7 0 21 010 012 7 1 9 54O Ol12 7 0 4 51 110102 7 2 25O10O2 7 0 7 01 210112 7 2 4 5601012 7 0 9 51 3110 02 7 2 77Ol102 7 1 2解调器中频为4 5 5 K I-r _ z，所以发射载频和接收本振信号频率相差为4 5 5 K I-I z，接收机本振信号频率

23、如表2 2 所示。频道C H O C H l接收机本振信频道C H O C H l接收机本振C H 2 C H 3号(M H z)C H 2 C H 3信号(M H z)l0 0 0 02 7 4 2 580 1112 7 6 020 0 012 7 4 5910 0O2 7 6 2 53O O1O2 7 4 7 51 01O O12 7 6 5400112 7 5 01 11OlO2 7 6 7 550 1O O2 7 5 2 51 21O1l2 7 7 06O1012 7 5 51 3110 02 7 7 2 5701102 7 5 7 58无线计算机数据通信系统芯片设计2系统结构分析根据

24、以上分析，无线通信系统要实现数据的调制解调，同时要提供1 3 个通信通道。以下分析发射机和接收机芯片的结构。2 1发射机部分发射机将基带数据调制到发射载波上并经过功放放大后通过发射天线发射出去。系统设计中要求提供1 3 个通信频率，通过设计分频比可变的基于锁相环的频率合成器来实现，同时数据的调制也由锁相环完成。以下主要分析频率合成器和调制器的结构。2 1 1发射机频率合成器系统要求发射机有1 3 个通信频率可供选择，通信频率间隔为2 5 1 c I-I z，采用在锁相环反馈回路上设计分频比可变的频率合成器来实现。结构如图2 2 所示。环路参考信号，0 是从晶体振荡分频得到的2 5 K I-I

25、z 参考信号。当环路锁定时反馈信号频率等于参考信号频率。压控振荡器的输出信号为：厶。一厂，盯。，0+K K m(2 1)无线计算机数据通信系统芯片设计(2 1)式中，0 是V C O 的中心频率，墨。是V C O 的压控增益。频率分频比N 通过外加的控制字设置。2 1 2调制器调制器要完成数据的F S K 调制，采用锁相环结构。把受调制数据控制的信号接到鉴频，鉴相器的参考信号端，将V C O 输出信号和频率合成器输出信号的差频接到鉴频鉴相器的反馈信号端。结构如图2 3 所示。D A T AC图2 3 中D A T A 信号为要发射的数据，它控制分频器产生两种不同频率的信号d i v(0。o u

26、 t(t)信号为发射机频率合成器的输出信号，通过和V C O 输出频率混频后产生，l+，2 和，l 一，2 两个信号。其中，1 一，2 是系统所需要的，通过一个低通滤波器产生差频信号m i x(t)，经过比较器整形后和d i v(t)信号鉴相构成环路。f s k(t)信号即为调制器的输出信号a2 1-3发射机分析由以上两个锁相环可以构成整个发射机的频率变换部分，其整体原理框图如图2 4 所示。1 0无线计算机数据通信系统苍片设计D A I AC o n t r o lm z 4 发越梗聂理框銎P A发射机工作原理分析：正。是系统振荡源，经过分频器产生频率合成器中鉴频鉴相器的参考信号，。，锁相环

27、中N 分频器受外部4 b i t 控制字控制产生1 3 个分频比使V C O 输出对应的信号厶。调制器中的混频器输出信号通过低通滤波器选出差频信号厶。一，0 一厂f r，经过比较器输入到调制器P F D 的反馈信号端。P F D 的另外一端接到受调制数据控制的可变分频器的输出端厂肚。环路的控制使一厶一。，丘为发射机的输出信号，随着，。频率的变化，厶频率也随之变化，从而完成数据调制的功能。2 2接收机部分接收机要完成数据的解调功能，包含两部分电路。一部分是接收机频率合成器，其输出信号要和发射机发射信号频率相差4 5 5 K H z。另一部分是F S K 信号解调电路。下面分析这两部分电路结构。无

28、线计算机数据通信系统苍片设计2 2 1接收机频率合成器接收机频率合成器的结构和发射机所用的频率合成器结构完全相同，如图2 5 所示。其输出信号频率如表2 2 所示。2 2 2F S K 解调部分芯片采用正交解调，正交解调是一种常用的解调方法，适合芯片实现。F S K解调部分包含中频变换部分和相位检测部分。中频变换部分包括混频器，中频滤波器和限幅器。天线接收到的信号首先要和接收机频率合成器的信号混频，经过中频滤波之后产生4 5 5 K H z 的中频信号。限幅器去掉信号中噪声引起的振幅变化，在解调过程中改善了信噪比。相位检测部分包含移相器，乘法器和低通滤波器。移相器根据输入信号的频率产生相位偏移

29、。混频器检测输入信号和移相器输出信号的相位差。因为移相器产生的相位偏移是正比于输入信号频率的，所以乘法器输出信号的幅度也正比于输入信号的频率，从而完成解调功能。低通滤波器滤除信号中的高频分量，其输出信号经过比较器整形后即为F S K 解调信号。移相器完成频率一相位的变换，如图2 6 所示。无线计算机数据通信系统芯片设计C l根据图2 6 得到电压的传递函数为：妒百V 2。可瓦j o 巧J C l令(2 2)式中输入信号的中心频率ri：=：=却幼Z(c l+C 2)Q r 一可R 一五R在失谐不大的情况下，(2 5)式可简化为妒_j丽oCIR可-筹1+J Q r _ 二上”珊口+K(2 2)(2

30、 3)(2 4)(2 5)(2 6)(2 6)式中亭。2 蜴竺=生为广义失谐量。由此可以得到网络的幅频特性W P和相频特性分别为：4。丽c o C l R(2 7)中一，-a r c t g 亨(2 8)由(2 8)式可以得到当输入信号频率；f o p 时，垂=要。当m 偏离时，无线计算机数据通信系统芯片设计垂在兰上下变化。当失谐很小时，相频特性函数可认为是线性的，得到：2垂寺亭2 争等c C O-C O p，包，(2 9)表明了移相器引入的相位偏移巾正比于输入信号频率和中心频率的差，从而完成频率一相位的转换。乘法器完成相位检测的功能，设输入信号为：，1-U lC O S(Ot)(2 1 0)

31、移相器的输出信号为：，2-U 2s i n(t+m)(2 1 1)乘法器的输出信号电压为：【，一三u。U zs i n(D)+三u。U 2s i n(勘r+中)(2 1 2)通过低通滤波器滤出高频分量后，可得：U 一妻u l U 2s i n(C P)(2 1 3)中较小时，s i n(中)一垂，可得：u，三u，U，中(2 1 4)2。(2 1 4)式说明乘法器加低通滤波器可以实现鉴相的作用。2 1【4】整体接收机结构如图2 7 所示。【6 F r o m圈Z 7 接嫂扭结构1 4无线计算机数据通信系统芯片设计3电荷泵锁相环发射机、接收机中的锁相环采用电荷泵结构的锁相环。这种结构的锁相环相对于

32、传统结构的锁相环具备很多优点，比如这种锁相环有无限宽的锁定范围，可以使用无源滤波器获得有源滤波器的性能等。目前片内集成的锁相环多采用这种结构。3 1电荷泵锁相环结构包含鉴频鉴相器和电荷泵的锁相环称为电荷泵锁相环(C h a r g eP u m pP L L)。电荷泵锁相环结构如图2 8 所示。环路的锁定分为两步：(1)当环路开始工作时，参考信号频率可能离V C O 振荡频率相差较多，P F D和电荷泵改变控制电压，使V C O 频率逼近参考信号频率。(2)当输入和输出频率足够接近时，P F D 就当作鉴相器进行相位锁定。当相位差下降到0 并且电荷泵保持相对的空闲时，环路就锁定了。当环路锁定的

33、时候，V C O 的控制电压是一定的，由于V C O 振荡频率和相位的漂移而产生的相位误差通过P F D 产生修正脉冲进行校正。由于环路相位的比较是在每个周期进行的，所以V C O 的相位和频率不会有很大的漂移。I q在V C O 反馈回路增加分频器即可构成频率合成器，环路滤波器使用二阶无源滤波器，环路结构如图2 9 所示。无线计算机数据通信系统芯片设计C h a r 秘P u n 珏、，0 0电荷泵C h a r g eP u m p 对电容C 2 充电放电产生控制电压调整V C O 输出频率电阻R 2 在环路增益中引入了一个零点，修改了系统的相位特性使系统稳定；电容C 1 避免了向环路滤波

34、器注入电流时控制电压的跳变。系统中P F D C P L P F 的传递函数为：圪。(s)m O)互1 兰：互11 生：R+上+上幼S C，S C，3 2电荷泵锁相环组件墨里2 兰!尺c z c-等n(c 1“：)s 等电荷泵锁相环包括鉴频鉴相器，电荷泵，环路滤波器和压控振荡器。下面分析各个部分的功能。3 2 1鉴频鉴相器鉴频鉴相器(P F D)既可以检测相位差又可以检测频率差。系统中使用的P F D 由两个带复位端的D 触发器和一个与门构成，触发器的D 输入端都接高电1 6无线计算机数据通信系统芯片设计平。参考信号r e f(t)和V C O 反馈信号d i v(t)作为触发器的时钟。结构如

35、图2 1 0所示。如果u p(t)和d a w n(t)的起始值都是0 且r e t)信号由低到高，则u p(t)输出高电平。接着若d i v(t)信号也由低到高，于是d o w(t)也输出高电平，则与门产生复位脉冲使两个D 触发器复位，u p(t)和d o w n(t)平均值之间的差值可以正确地表示输入的相位差和频率差，输入输出信号如图2 1 1 所示。站一L jL jL jq)J-1一-ll门强，。nn -llVl-1-上-T-环路锁定的情况下，鉴频鉴相器起着鉴相器的作用，而当环路失锁时它提供频率差别信号。例如参考信号频率大于V C O 反馈信号，鉴频，鉴相器在参考信号上升沿的作用下输出u

36、 p 脉冲信号，这个信号将通过电荷泵控制V C O 频率Y t-i 岛，从而使参考信号频率等于V C O 振荡信号频率。I s 1 7无线计算机数据通信系统芯片设计3 2 2电荷泵电荷泵将鉴频，鉴相器的输出信号转换为电流信号。电荷泵由两个带开关的电流源组成，根据两个逻辑输入信号决定是把电荷输入到环路滤波器还是将电荷从环路滤波器中取出。其结构如图2 1 2 所示。o 辆窜r 岱母P u _ pV D DV 书$醢Z 毪电黄泵链构銎电路有三个状态：若u p 信号和d o w n 信号均为低电平，则开关s 1 和s 2 都断开，输出电压保持不变：若u p 脉冲有效，则对环路滤波器充电：若d o w

37、n 脉冲有效，则环路滤波器放电。，和1 2 分别被称为上拉电流和下拉电流，它们的值是相等的。3 2 3环路滤波器环路滤波器将电荷泵输出的相位差电流转化为V C O 控制电压。环路滤波器与环路的捕获时间，噪声特性都有关系，系统中采用二阶无源滤波器。具体的设计在3 3 中分析。3 2 4压控振荡器压控振荡器的振荡频率受来自环路滤波器的误差电压控制，其输出信号的相位随输入信号的变化而变化，从而保持环路相位跟踪。如果控制电压为0，1 8无线计算机数据通信系统芯片设计则振荡器以中心频率，0 振荡。其振荡频率f o f o K o vc(2 1 6)(2 1 6)式中，0 是V C O 的中心频率，K。是

38、V C O 的压控增益，K 为V C O 的控制电压。3 3环路滤波器的设计环路滤波器的设计包括选择合适的环路滤波器结构，环路滤波器阶数，相位裕度和环路带宽。这些参数确定之后，环路的零点和极点就确定了，从而确定了环路的传递函数。然后根据采用的电路结构逼近理论计算的传递函数，即可完成设计。电荷泵结构的锁相环通常使用二阶无源滤波器，如图2 1 3 所示。环路的相位模型图2 1 4 所示。1 9无线计算机数据通信系统芯片设计如图2 1 4 所示，系统的开环传递函数为F f s)。K K v c o Z(S)、7S(2 1 7)(2 1 7)式中z(s)是环路滤波器的阻抗，K。是电荷泵充放电电流。对于

39、二阶环路滤波器，其阻抗为：设五一雨C 1 C 2 R 2 疋。则系统的开环传递函数为(2 1 8)F 岱)。K K I v c o(1+S=_ T 2)(2 1 9)、7S2 L(1+S T,)下面通过环路带宽和相位裕度计算(2 1 9)式中互，瓦和己环路的相位裕度定义为1 8 0。加上开环传递函数的相位，即中一1 8 0+a r c t a n(c 0 1 2)一a r c t a n 正)相位裕度在甜；峨时最大，。为系统的环路带宽，得到通过(2 2 0)式和(2 2 1)式得到：，s e c(中)一t a n )tI 一c根据环路带宽的定义，当。时环路的开环增益=l，即2 0(2 2 0)

40、(2 2 1)套煮狮五一气兰啬峙丝如无线计算机数据通信系统芯片设计妒得五=l根据(2 2 2)式，(2 2 3)式和(2 2 5)式可求出正，正和五。根据t，E 和L 的定义，可得到：c，；五。拿，(2 2 4)(2 2 5)(2 2 6)(2 2 7)尺2 一争(2 2 8)L 2根据上面的分析只要确定了系统的环路带宽、相位裕度、系统分频比、压控增益和电荷泵电流即可计算得到环路元件的参数。相位裕度直接影响系统的稳定性，一般取值范围在4 0。到5 5。之间。大的相位裕度减小了锁相环的过冲，但是增长了系统的锁定时间。相位裕度4 8。对应了最佳的锁定时间。系统仿真中环路的相位裕度取4 8。环路带宽

41、是环路滤波器设计中最重要的一个参数，小的环路带宽可以抑制参考信号噪声，但导致锁定时间过长。相反，优化的锁定时间会使参考信号噪声增大。系统仿真中环路带宽设计为参考频率的1 2 0。1 9 1【1 0】哿磊铡瓣竖等。慑磐朴生到4无线计算机数据通信系统芯片设计第三章无线通信系统仿真1仿真工具简介第二章中对系统中无线通信部分进行了分析，设计了相应的电路结构，本章使用v e r i l o g-A 语言对系统进行仿真。V e r i l o g A 是一种新的硬件描述语言，用于描述电路的系统功能。V e r i l o g A语言是V e r i l o g 语言的扩展，它的目的是让数字模拟混合信号集成

42、电路的设计者可以用高级行为描述的方式对系统进行仿真。C a d e n c e 公司将V e r i l o g-A 标准和V e r i l o g 标准以及传统的S p i c e 网表结合起来，这样的仿真器(即S p e c t r e)就可以在设计流程的不同层次上应用。在本设计中，采用的是C a d e n c eE D A 设计工具中的A n a l o gA r t i s tD e s i g nS y s t e m集成环境，仿真器为S p e c t r e，输入工具为V i r t u o s oS c h e m a t i cC o m p o s e r。该环境支持V

43、 e r i l o g A 语言建模并可与实际的模拟电路联合仿真。1 1 1 随着电路的规模越来越大，仿真的时间也变得很长。可以在实际的电路中将部分模块替换为V e r i l o g-A 语言描述的模块以加快仿真的速度，这样也便于及早的发现电路中的问题。本系统包括了V e r i l o g-A 和V e r i l o g 两种描述方式的模块，在系统仿真之前先对单个模块进行建模生成S y m b o l，然后将各个S y m b o l 连接起来构成整个系统。2仿真系统设计要仿真的通信系统主要包括四部分，即发射机频率合成器，调制器，接收机频率合成器和解调器。按照第-章分析的结构对每部分进

44、行建模。无线计算机数据通信系统芯片设计2 1发射机频率合成器频率合成器包括分频器，鉴频鉴相器，电荷泵，压控振荡器，环路滤波器。分频器(n d i v i d e r t r a n s m i t t e r)使用V e r i l o g 语言设计，以通信频道7 为例，分频比为l i 0 0。鉴频鉴相器(p f d s y n t r a n s m i t t e r)使用3 2 1 介绍的结构。电荷泵(c p _ s y n t r a n s m i t t e r)使用V e r i l o g A 语言描述，冲放电电流为1 5 u A。压控振荡器(V C O t r a n s m

45、 i t t e r)使用V e r i l o g A 语言描述。V C O 初始振荡频率为2 7 4 M H z，压控增益为1 M 托n，。按照系统参数，V C O 目标频率为2 7 5 M H z，控制电压锁定后为1 0 0 m V。环路滤波器(1 0 0 pf i l t e r)由电阻电容构成。按照3 3 提供的环路滤波器计算方法得到环路滤波器元件值。发射机频率合成器分频比为1 0 9 z L 1 1 0 6，分别计算不同分频比对应的环路滤波器参数并求平均值带入系统仿真。分频比元件C 1(p f)元件C 2(p f)元件R 2(K)1 0 9 48 5 3 2 44 9 3 7 36

46、 7 1 8 11 0 9 58 5 2 4 64 9 3 2 86 7 2 4 21 0 9 68 5 1 6 84 9 2 8 36 7 3 0 41 0 9 78 5 0 9 14 9 2 3 86 7 3 6 51 0 9 88 5 0 1 34 9 1 9 36 7 4 2 71 0 9 98 4 9 3 64 9 1 4 86，7 4 8 81 1 0 08 4 8 5 94 9 1 0 36 7 5 4 9I i 0 18 4 7 8 24 9 0 5 96 7 6 1 1王1 0 28 4 7 0 54 9 0 1 46 7 6。7 21 1 0 38 4 6 2 84 8 9

47、 76 7 7 3 41 1 0 48 4 5 5 14 8 9 2 56 7 7 9 51 1 0 58 4 4 7 54 8 8 8 16 7 8 5 61 1 0 68 4 3 9 84 8 8 t 3 76 7 9 1 8均值为C l=8 5 P FC 2=4 9 1 p fR 2=6 7 5 k无线计算机数据通信系统芯片设计发射机频率合成器(S y n _ T r a n s m i t t e r)项层系统连接图如图3 I 所示。鉴频鉴相器仿真结果如图3 2 所示，s y n _ r e f 信号为输入到鉴频鉴相器的参考信号；s y n _ v c o b a c k 为V C O

48、 输出经过分频的信号：s y n _ u p 为P F D 输出的u p脉冲信号；s y n _ d o w n 为P F D 输出的d o w n 脉冲信号。4 o一)2，口一a o一o：2。一口。_-口：2 o一矗o4。一2 o一叫“t h 1 2 t r 州a l。g，咖爪o t kF b41 1 0：1 B2 口口p r D“m u I a t i a nv T(协。5“”)f 口口。口口口口口。口口口口口。口口口口口口口I 山山o o uuL。J 1u L一一删一无线计算机数据通信系统芯片设计V C O 控制电压仿真结果如图3 3 所示，可看到经过大约2 m s 锁定在1 0 0 m

49、 Y。根据环路参数计算得到V C O 锁定在目标频率2 7 5 M H z。1 6 0 m1 4 0 m1 2 9 i n2 7 H z s v i t e m2 7 M H z s y s t e ms c n e m o t l c：M o tl g1 2：5 3：4 I2 0 4T r a n s m i l t e rS y n t h e$1 z e rv C Oc o n t r o l _ v o l t o g eV H M 0 t r a n s m i t t e r _ s y n c o n t r o F7)0 02 2调制器 i m e(s)调制器中包括调制分频器，

50、鉴频鉴相器，电荷泵，环路滤波器，压控振荡器，混频器，低通滤波器和滞回比较器。调制分频器(f s k d i v i d e r)使用v e r i l o g 语言设计。鉴频鉴相器(p f d _ m o d u l a t i o n)和电荷泵(c p _ m o d u l a t i o n)使用频率合成器中的模块。压控振荡器(v c o _ m o d u l a t i o n)初始振荡频率为2 7 M H z，压控增益1 M H z V，按照系统参数，目标频率为2 7 1 2 M H z 附近，控制电压为1 2 0 m V。无线计算机数据通信系统芯片设计混频器(m i x e r