TD-SCDMA射频前置分频器设计

摘要：随着3G的到来，通信系统及通信行业产生了很大的变化，TD—SCDMA作为3G标准之一已开始应用，这使中国在3G发展中有了更多的话语权，一方面可以大幅降低设备的价格，另一方面具有国家安全战略意义。为发展TD—SCDMA，需要发展全线的TD产业链，其中射频芯片是一个重要的瓶颈。在TD-SCDMA系统收发信机设计中，将采用零中频结构，这就要求本振信号的频率与系统射频频率相同。所以片上锁相环的设计非常关键。文章研究的就是在锁相环反馈电路上的动态分频器，部分器件工作在GHz以上，整个分频器可以实现射频条件下小数分频。
关键词：TD-SCDMA；分频器；低功耗；锁相环

0 引言
    随着3G移动通信技术在全球越来越多的国家进入商用阶段，作为中国拥有自主知识产权的国际移动通信标准却举步维艰，其中一个很重要的原因就是TD-SCDMA(时分同步码分多址)的移动终端产品成为其正式商业化进程中的一大瓶颈，这其中TD-SCDMA终端射频芯片更成为制约其快速商业化的瓶颈之一。
    在射频CMOS电路中，锁相环(PLL)是重要的组成模块之一，主要是通过频率合成，产生本振信号。用于TD-SCDMA的PLL模块需要更宽的频率范围和多种频率本振信号。因此更需要在通过小数分频等多种方式实现低功耗情况下，更快的锁频功能。双模分频器(Prescaler)工作在电路较高频率，功耗也较大，研究和开发双模分频器对于降低整片功耗，提升PLL性能有着重要意义。

1 TD-SCDMA标准特点及关键技术
    TD-SCDMA技术灵活地综合了FDMA、TDMA和CDMA等基本多址接入技术。由于该标准的提出比其他标准晚，所以吸纳了移动通信领域最先进的技术，技术兼容性强，后发优势明显。

    其主要特点包括：频谱利用率较高；支持多载频技术；呼吸效应不明显；组网灵活、频谱资源丰富；易与GSM网络兼容；灵活提供数据业务。
    在无线接口技术上主要包括以下关键技术：动态信道分配；智能天线技术；接力切换技术和联合检测技术。
    将我国3G公众移动通信系统主要工作频段规划为时分双工(TDD)方式，即1880～1920MHz、2010～2025MHz；补充工作频率为时分双工(TDD)方式，2300～2400MHz。
    因为3G公众移动通信系统中TDD方式仅有我国的TD—SCDMA，根据上述规定，产业界为方便表达，称1880～1920MHz为A频段，2010～2025MHz为B频段，2300～2400MHz为C频段。目前主要频段选取B频段，A频段将在小灵通全面退市后逐步采用。

2 TD—SCDMA收发信机结构
    TD—SCDMA系统频率范围为2010～2025MHz，带宽为20MHz。在一般的收发信机中，信道之间的干扰可以通过高质量的射频滤波器抑制，同时TD—SCDMA与其他两个制式的干扰需要在设计中考虑。

    TD-SCDMA系统采用如图1所示的零中频结构接收机。射频接收信号经过滤波器、低噪放，与两路正交本振信号混频，产生同相、正交两路基带信号。由于没有中频，本振信号与射频接收信号频率一致，混频后直接产生基带信号，在基带信号中通过低通滤波器和放大器进行信道选择和信号放大。
    零中频结构的优点在于不需要中频而变得简单，由于本振信号频率与射频接收信号相同，不存在镜像干扰，不需要片外高Q值带通滤波器，也使集成度更高，更适合TD设计需要。同时电路简化和外部器件删除也使功耗降低，干扰和故障点变少。缺点在于直流偏差、本振泄漏、偶次失真、闪烁噪声、I／Q失配等问题，使用零中频结构首先要解决好这些问题。但是总的来说，零中频结构简化了电路，更适于片上设计，具有一定优势。
    发射机与接收机结构相反，也采用零中频方式，在此不再赘述。
3 锁相环频率综合器结构介绍

    TD-SCDMA系统通过PLL式频率综合器产生本振信号。由图可见，该频率综合器主要包括鉴相器、电荷泵、低通滤波器、VCO，在反馈回路上包括多模分频器和Delta-Sigma调制器。其中多模分频器和Delta-Sigma调制器是我们的设计重点。

    如图3所示，首先VCO输出信号进入一个固定二分频电路，这个固定二分频电路也是工作频率最高、功率最大的模块，它的设计将采用CML结构下，基于注入锁定振荡原理完成，尽可能实现低功耗和低噪声。之后是一个模8／9的分频器，其中采用相位转换结构减少功率损耗，提升转换速度。P分频模块为一个11分频固定分频器。S分频由Delta-Sigma调制器控制，实现小数分频。根据结构框图可以计算出输出频率fVCO -out与输入频率，fref的关系为：
   

    由于输出频率范围为2010～2025MHz，参考频率10．8MHz，所以可以得出s分频范围在5．056～5．750。
4 电路级设计
4．1 高速二分频器。
    如图4所示，由于分频器工作频段在2010～2025MHz，所以高速固定二分频器工作频率在2GHz左右，通过分频，频率降低一半。实现形式，基于注入锁定理论，结构采用主从D触发器结构，通过负反馈结构形成环路振荡结构。

    电路级结构，如图5所示。

    由图5可见，主锁存器承担了混频器功能，包括M9、M1和M2，其中M1M2为本振口，M9为参考信号口。实际设计中通过电路参数调整，将电路自由振荡频率w0=clk／2。通过尾电流及电阻调节w0。基于注入锁定的固定二分频器输入输出波形如图6所示。

4．2 相位转换模块
    如图7所示，相位转换控制模块不再采用电平控制模式，采用Pn+1信号控制相位开关模块，即通过使用在切换目标信号的上升沿触发切换，避免了毛刺现象。

    正常的分频为4分频，当K=1时，分频数为4+K，即为5分频。

4．3 异步分频链
    异步分频由两个除2的分频器组成，每个二分频器为主从D触发器，电路采用CMI结构。电路为串接而成，工作频率相对较低。
4．4 输出Buffer
    输出Buffer主要起到放大成方波和整形作用，保证输出信号能够当作完整的本振信号使用。

4．5 小数分频模块
    根据对小数分频器Delta-Sigma调制器结构的分析，综合考虑系统稳定性、噪声调制效果、带外噪声平滑、频率分辨率及设计难度和电路面积，主要为了保证稳定，选用MASH型结构Delta-Sigma调制器。

    控制小数分频，实际分频比均值4．4375。

5 总结
    前置分频器是PLL中重要的部分。本文在研究和分析国内外3G系统结构基础上，选定零中频结构收发信机中本振PLL反馈回路上分频模块作为研究对象，实现射频模式下准确小数级分频。