宽动态高效有线通信模拟收发器芯片关键技术研究

The project will research the key technologies and implementation schemes of nanometer high-integrated analog transceiver based on the problems of wire communication system and relevant researches at home and abroad, according to the demands of intelligent network and digital home in the period of big data. Based on the wide-dynamic range characteristic of wire communication signal, the dual-input, reconfigurable receiving circuit technologies and models are proposed and the difficulties of high-linearity and low-noise factor are broken through. Finally, the high-speed, high-performance and high-reliable methods with compatibility of maximum and minimum signal power are obtained. Considering the transmitting demand of signal, the high-efficiency and high-linear transmitter with envelop elimination and restoration and damping factor control function is proposed and the circuit schemes are established. The performance of stable loop frequency characteristic is achieved in spite of various load impedances. Combining the transmitting and receiving characteristics of wire communication signal, the models of transceiver port impedances are established and the dual-channel input impedance and programmable output impedance matching technologies are proposed. The matching capacity of equivalent loads is optimized and the power efficiency of transceiver is improved. The project would provide important theoretical foundation and technical support for the further development and wide application of wide-band wire communication technology. The indispensable solution for industrialization development of intelligent community is also obtained through this project research.

本项目面向大数据时代下智能网络和数字家庭应用需求，针对有线通信系统面临的问题和国内外研究存在的不足，研究纳米级高集成、一体化模拟收发器系统关键技术及其实现方案，主要包括：基于有线信号宽动态范围特征，提出双输入可重构接收技术及其电路模型，突破高线性度和低噪声系数双重技术难点，获得兼容最大和最小功率信号的高速，可靠，高信噪比处理方法；基于有线通信信号发射要求，提出具备包络消除恢复与阻尼系数控制功能的发射电路技术，建立兼容高功耗效率和高线性度的电路控制方案，获得线缆阻抗复杂变化下稳定的环路频率特性；结合线缆阻抗特征和信号传输、接收特性，建立模拟收发器端口阻抗网络模型，提出接收电路双重输入阻抗匹配和发射电路可编程输出阻抗匹配技术方案，优化负载线缆等效阻抗匹配能力，提升收发器功耗效率。本项目研究将为宽带有线通信技术的发展推广提供重要的理论依据和技术支撑，为智慧城市产业化提供必要解决方案。

本报告针对智能网络下高速宽带有线通信应用中信号宽动态范围接收、高效率线性发射以及线缆阻抗合理匹配等科学问题，研究基于纳米级高集成、一体化模拟收发器系统的关键技术及其实现方案，主要包括：基于有线信号宽动态范围特征，提出双输入可重构接收技术及其电路模型，研究实现可重构接收通路和具备可重构架构的双输入射频可编程增益放大器（DI-RFPGA）电路技术，其中的DI-RFPGA基于开关型梯度电容衰减结构和双输入可重构放大器设计实现，突破了高线性度和低噪声系数双重技术难点，获得兼容最大和最小功率信号的高速，可靠，高信噪比处理方法；基于有线通信信号发射要求，提出具备包络消除恢复与阻尼系数控制功能的发射电路技术，针对LD波特曲线出现的高频峰值效应问题，提出具备阻尼系数控制（DFC）技术的网状米勒补偿（NMC）放大器结构。针对LD电路功耗问题，提出基于包络消除与恢复（EER）技术的E类放大器，该技术不仅仅保留了开关类功率放大器原有的高效率特点，同时兼顾了通信系统对于功率放大器高线性度的要求；基于线缆阻抗特征和信号传输、接收特性，建立模拟收发器端口阻抗网络模型，提出接收电路双重输入阻抗匹配和发射电路可编程输出阻抗匹配技术方案，针对接收电路在处理极限功率输入信号情况下最小噪声系数和最大线性度性能要求，提出有源反馈和阻性接口双重输入阻抗匹配技术方案。针对最大化信号传输效率要求，提出可编程阻抗匹配发射电路。系统采用反馈合成技术，调制模拟发射电路输出阻抗以匹配负载线缆等效阻抗，实现模拟收发器输出效率最大化。项目提出的模拟前端基于SMIC 0.18-μm 3.3-V CMOS 工艺设计实现，测试结果表明其可以满足有线通信网络应用要求，其中接收器和发射器功耗分别为160 mW和350 mW，芯片包含双通道收发器，面积5.75 mm2。接收器带宽100 MHz，增益范围 -26.2 dB~21 dB, 最小噪声系数20.2 dB @ 最大增益21 dB 并且最大IIP3为36.1dBm在最小增益-26.2 dB。发射器在低频带和高频带多音频功耗比分别为 47 dB 和9.6 dB。本报告的研究成果可为未来基于宽带有线通信技术的发展推广提供重要的理论依据和技术支撑，为智慧城市产业化提供必要解决方案。