学校代码：10246 学号：021021053 復旦大婴 博士学位论文 DVB-T接收机中频率综合器的研究 院 系： 微电子学系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名：何捷 指导教师： 洪志良教授 闵昊教授 完成日期： 2005年4月20日
学校代码： 10246 学 号： 021021053 博 士 学 位 论 文 DVB-T 接收机中频率综合器的研究 院 系： 微电子学系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 何 捷 指 导 教 师： 洪志良 教授 闵昊 教授 完 成 日 期： 2005 年 4 月 20 日
复旦大学博士学位论文 DVB-T接收机中频率综合器的研究 何捷 指导教师： 洪志良 教授 闵昊 教授 指导小组： 洪志良 教授 闵吴 教授 任俊彦 教授 杨莲兴 教授 复旦大学信息科学与工程学院微电子学系
复旦大学博士学位论文 DVB-T 接收机中频率综合器的研究 何 捷 指导教师： 洪志良 教授 闵 昊 教授 指导小组： 洪志良 教授 闵 昊 教授 任俊彦 教授 杨莲兴 教授 复旦大学信息科学与工程学院微电子学系
复旦大学博士学位论文 摘要 本文从应用于数字地面电视广播DVBT接收机中的频率综合器研究为出发点， 首先，简单介绍了DVB-T接收机对频率综合器的性能要求，概括了频率综合器的 结构和分析方法。在此基础上，着重研究了频率综合器的环路参数设计和噪声估计 方法，并采用TSMC0.25 m CMOS工艺设计了一个窄带的频率综合器加以验证。 在环路参数设计方面，本文定量分析了环路参数由于工艺、电压和温度等条件 的变化对整个环路稳定性的影响，并在此基础上，提出了基于稳定性优化的环路参 数设计方法。 在噪声估计方法，建立了对电荷泵等效噪声估算的采样噪声模型，并且进一步 的采用了基于环路的噪声参数模型和基于性能指标的噪声参数模型来估算整个环路 的相位噪声。 在电路设计方面，详细的论述了各个模块的实现方法。研究了差分电荷泵存在 的问题并提出了相应的改进技术，同时依据稳定性分析提出了结构简单的稳定性补 偿电荷泵：另外本文还提出了采用开关阶跃变容器的全差分压控振荡器电路：并研 究总结了低噪声分频器的原理和电路结构。 最后，通过仿真和芯片测试，验证了本文提出的基于稳定性优化的参数设计方 法，以及电荷泵的采样等效噪声模型的准确性和环路噪声估计方法的可行性：也验 证了新电路结构如差分电荷泵及差分压控振荡器的可行性。 论文论述了从频率综合器的系统级参数设计到电路设计的完整流程，在此基础 上，文章最后提出了噪声优化的方法，为进一步的研究工作提供的很好的参考。 关键字：频率综合器，环路稳定性，参数设计，相位噪声，等效噪声模型，噪 声估计，差分电荷泵，差分压控振荡器，分频器，稳定性优化，稳定性补偿，噪声 优化 中图分类号：TN4 IV
复旦大学博士学位论文 IV 摘要 本文从应用于数字地面电视广播 DVB-T 接收机中的频率综合器研究为出发点， 首先，简单介绍了 DVB-T 接收机对频率综合器的性能要求，概括了频率综合器的 结构和分析方法。在此基础上，着重研究了频率综合器的环路参数设计和噪声估计 方法，并采用 TSMC 0.25µm CMOS 工艺设计了一个窄带的频率综合器加以验证。 在环路参数设计方面，本文定量分析了环路参数由于工艺、电压和温度等条件 的变化对整个环路稳定性的影响，并在此基础上，提出了基于稳定性优化的环路参 数设计方法。 在噪声估计方法，建立了对电荷泵等效噪声估算的采样噪声模型，并且进一步 的采用了基于环路的噪声参数模型和基于性能指标的噪声参数模型来估算整个环路 的相位噪声。 在电路设计方面，详细的论述了各个模块的实现方法。研究了差分电荷泵存在 的问题并提出了相应的改进技术，同时依据稳定性分析提出了结构简单的稳定性补 偿电荷泵；另外本文还提出了采用开关阶跃变容器的全差分压控振荡器电路；并研 究总结了低噪声分频器的原理和电路结构。 最后，通过仿真和芯片测试，验证了本文提出的基于稳定性优化的参数设计方 法，以及电荷泵的采样等效噪声模型的准确性和环路噪声估计方法的可行性；也验 证了新电路结构如差分电荷泵及差分压控振荡器的可行性。 论文论述了从频率综合器的系统级参数设计到电路设计的完整流程，在此基础 上，文章最后提出了噪声优化的方法，为进一步的研究工作提供的很好的参考。 关键字：频率综合器，环路稳定性，参数设计，相位噪声，等效噪声模型，噪 声估计，差分电荷泵，差分压控振荡器，分频器，稳定性优化，稳定性补偿，噪声 优化 中图分类号：TN4
复旦大学博士学位论文 Abstract The purpose of the thesis is to research the fully integrated frequency synthesizer suitable for terrestrial digital video broadcasting(DVB-T)receiver.First,the thesis introduces the specification of synthesizers for DVB-T and summaries the common analysis methods and structure of synthesizers. Then,the research focuses on the analysis methods for loop parameters design and noise estimation, and the test chip of a narrow band synthesizer was manufactured with TSMC 0.25um CMOS technology to verify the analysis. In the part of loop parameters design,the influence on loop stability of parameters variations caused by process,voltage and temperature(PVT)etc is quantitively analyzed.Based on the analysis, the method of parameters design with stability optimization is proposed. In the part of noise estimation,the new sampling equivalent noise model for charge pump is proposed,and the block noise estimation based on the loop parameters or the design specification is suggested to estimate the whole loop noise. In the part of circuits design,the practical circuits including innovations are exhaustively discussed.The improving techniques on the differential charge pump are proposed,and the simple stability compensation method is also proposed based on the stability analysis.The fully differential VCO with new switch-varactor is also proposed.The principle and structure for low-noise divider is also theoretically analyzed and concluded. Finally,through the simulation and chip test,the proposed parameter design method based on stability analysis and optimization is verified,and the proposed sampling-equivalent noise model for charge pump and the method for noise estimation is also verified.Additionally,the novel circuits such as differential charge pump and VCO are validated. In general,the thesis discusses the method and complete procedure from system parameter design to circuits design for frequency synthesizers.At the end of the paper,the optimization method for noise optimization is discussed,which is the good reference for further research. Key words:frequency synthesizer,loop stability,phase noise,parameter design,equivalent noise model,noise estimation,differential charge pump,differential VCO,frequency divider,stability optimization,stability compensation,noise optimization. CLC number:TN4 V
复旦大学博士学位论文 V Abstract The purpose of the thesis is to research the fully integrated frequency synthesizer suitable for terrestrial digital video broadcasting (DVB-T) receiver. First, the thesis introduces the specification of synthesizers for DVB-T and summaries the common analysis methods and structure of synthesizers. Then, the research focuses on the analysis methods for loop parameters design and noise estimation, and the test chip of a narrow band synthesizer was manufactured with TSMC 0.25µm CMOS technology to verify the analysis. In the part of loop parameters design, the influence on loop stability of parameters variations caused by process, voltage and temperature (PVT) etc is quantitively analyzed. Based on the analysis, the method of parameters design with stability optimization is proposed. In the part of noise estimation, the new sampling equivalent noise model for charge pump is proposed, and the block noise estimation based on the loop parameters or the design specification is suggested to estimate the whole loop noise. In the part of circuits design, the practical circuits including innovations are exhaustively discussed. The improving techniques on the differential charge pump are proposed, and the simple stability compensation method is also proposed based on the stability analysis. The fully differential VCO with new switch-varactor is also proposed. The principle and structure for low-noise divider is also theoretically analyzed and concluded. Finally, through the simulation and chip test, the proposed parameter design method based on stability analysis and optimization is verified, and the proposed sampling-equivalent noise model for charge pump and the method for noise estimation is also verified. Additionally, the novel circuits such as differential charge pump and VCO are validated. In general, the thesis discusses the method and complete procedure from system parameter design to circuits design for frequency synthesizers. At the end of the paper, the optimization method for noise optimization is discussed, which is the good reference for further research. Key words: frequency synthesizer, loop stability, phase noise, parameter design, equivalent noise model, noise estimation, differential charge pump, differential VCO, frequency divider, stability optimization, stability compensation, noise optimization. CLC number：TN4
复旦大学博士学位论文 前言 研究背景 数字电视广播技术随着数字通信技术的迅猛发展也臻渐成熟。自从上世纪九十 年代以来，欧洲电信标准研究院ETSI(Europe Telecommunication Standard Institue)最 先提出数字电视标准DVB系列，随后美国和日本也相继出台了各自的数字电视标 准。而我国也于2000年成立了数字电视标准化工作组，展开未来数字电视标准的制 定工作。从全世界范围内来看，欧洲的数字电视标准已经被大部分地区所采用，并 且其中的卫星数字广播DVB-S和有线数字广播DVB-C两个标准也成为了我国广播 业事实上的准标准。就目前情况看来，我国的地面无线数字电视广播标准还正在争 论之中，而候选热门标准之一DMB-T[1]采用的技术与DVB-T[2]比较接近，都是基 于了OFDM技术。在电视调谐器（即射频接收机）部分，DVB-T和DMB-T对性能指 标的要求也基本一致，所以本文就暂以成熟的标准DVBT为切入点。 DVB-T是ETSI提出的地面无线数字广播标准。由于地面无线广播的信道复杂 性，及电视信号的高信噪比要求，使得电视调谐器的噪声性能要求很高。就目前而 言，全集成的调谐器也是工业界和学术界研究的热点，而其中的难点之一就是如何 实现全集成的低噪声频率综合器。 目前能达到调谐器性能指标的频率综合器芯片都是采用双极或者是BiCMOS工 艺实现的，而且需要较多的片外元器件。而如何用CMOS工艺实现满足调谐器性能 的全集成频率综合器面临着诸多的挑战，至少存在着两个方面的问题。首先，集成 的元器件会受工艺参数的影响发生改变，不能像片外元器件那么进行很方便的调整， 从而会对频率综合器的性能产生影响：其次，CMOS器件本身的高噪声使得低噪声 频率综合器设计没有采用双极器件那么容易，需要进行诸多方面的特别是噪声方面 的优化考虑。所以本论文将从频率综合器的稳定性优化和噪声优化进行研究，尝试 用CMOS工艺实现满足DVB-T接收机性能的全集成频率综合器。 论文的主要工作和贡献 论文的主要工作和贡献包括： 1)研究和总结了在DVB-T接收机中对频率综合器的性能要求，特别是相位噪声 的性能指标。 2)在三阶闭环环路模型的基础上，推导了环路参数设计的流程，并且首次定量
复旦大学博士学位论文 前言 研究背景 数字电视广播技术随着数字通信技术的迅猛发展也臻渐成熟。自从上世纪九十 年代以来，欧洲电信标准研究院 ETSI(Europe Telecommunication Standard Institue)最 先提出数字电视标准 DVB 系列，随后美国和日本也相继出台了各自的数字电视标 准。而我国也于 2000 年成立了数字电视标准化工作组，展开未来数字电视标准的制 定工作。从全世界范围内来看，欧洲的数字电视标准已经被大部分地区所采用，并 且其中的卫星数字广播 DVB-S 和有线数字广播 DVB-C 两个标准也成为了我国广播 业事实上的准标准。就目前情况看来，我国的地面无线数字电视广播标准还正在争 论之中，而候选热门标准之一 DMB-T[1]采用的技术与 DVB-T[2]比较接近，都是基 于了 OFDM 技术。在电视调谐器(即射频接收机)部分，DVB-T 和 DMB-T 对性能指 标的要求也基本一致，所以本文就暂以成熟的标准 DVB-T 为切入点。 DVB-T 是 ETSI 提出的地面无线数字广播标准。由于地面无线广播的信道复杂 性，及电视信号的高信噪比要求，使得电视调谐器的噪声性能要求很高。就目前而 言，全集成的调谐器也是工业界和学术界研究的热点，而其中的难点之一就是如何 实现全集成的低噪声频率综合器。 目前能达到调谐器性能指标的频率综合器芯片都是采用双极或者是 BiCMOS 工 艺实现的，而且需要较多的片外元器件。而如何用 CMOS 工艺实现满足调谐器性能 的全集成频率综合器面临着诸多的挑战，至少存在着两个方面的问题。首先，集成 的元器件会受工艺参数的影响发生改变，不能像片外元器件那么进行很方便的调整， 从而会对频率综合器的性能产生影响；其次，CMOS 器件本身的高噪声使得低噪声 频率综合器设计没有采用双极器件那么容易，需要进行诸多方面的特别是噪声方面 的优化考虑。所以本论文将从频率综合器的稳定性优化和噪声优化进行研究，尝试 用 CMOS 工艺实现满足 DVB-T 接收机性能的全集成频率综合器。 论文的主要工作和贡献 论文的主要工作和贡献包括： 1) 研究和总结了在 DVB-T 接收机中对频率综合器的性能要求，特别是相位噪声 的性能指标。 2) 在三阶闭环环路模型的基础上，推导了环路参数设计的流程，并且首次定量 1
前言 分析了频率综合器中环路参数的变化对环路稳定性的影响[3]。引入了变化因子的概 念，并讨论得到了稳定性最优闭环阻尼因子的计算方法，提出了基于稳定性优化的 环路参数设计方法。 3)提出了电荷泵等效电流噪声的采样噪声模型，与传统的导通比模型相比，在 低频段的噪声分析具有更好的精度。在此基础上，进一步分析了其它各模块的参数 化等效噪声模型，得出了环路总相位噪声的估算方法。 4)在详细分析全差分电荷泵电路的基础上，提出了电平位移电路、cascode管隔 离、复位信号生成电路等提高性能的方法，并提出了结构简单的稳定性补偿方法。 5)分析了采用开关阶跃可变电容器的新结构LC-VCO的工作原理4]，并且设计 了全差分的压控振荡器。 6)分析和总结了低噪声的分频器的设计原理和方法。 概括而言，本论文在基于环路稳定性优化的参数设计方法、以及如何准确的估计 环路的相位噪声的两个方面进行的深入的研究，为设计高性能的频率综合器得到了 很好的指导方法。同时，在电路实现方面，在全差分电荷泵、全差分压控振荡器的 设计也有所创新。仿真和测试的结果进一步验证了稳定性参数优化和噪声估计方法 的正确性，也验证了电路设计的可行性。 论文的组织结构 第一章，“DVBT接收机中频率综合器性能”，首先简单介绍一下DVBT标准， 及部分与频率综合器性能指标相关的内容：然后重点介绍了频率综合器中的相位噪 声和时钟抖动的基本概念；并且进一步推导了DVB-T接收机对频率综合器相位噪 声的性能要求。 第二章，“频率综合器的结构”，介绍了频率综合器的组成、线性分析模型和噪 声的产生及传递等基础知识；进一步介绍了常用的频率综合器的电路结构：整数分 频、分数分频和双环路结构，比较了各自的优缺点及适用范围：最后，介绍了DVB-T 接收机的基本结构，并分析了适用的频率综合器结构和存在的问题。 第三章，“环路参数设计”，采用闭环三阶的环路模型，推导了设计环路参数的 流程和方法：以闭环分析为基础，借助于根轨迹的分析方法，定量分析了环路参数 的变化与环路稳定性之间的关系，并且进一步提出了基于稳定性优化的参数设计方 法：此外，还分析了二阶模型和三阶模型、三阶模型和四阶模型相互之间的关系。 第四章，“噪声估计”，在闭环三阶模型的基础上，分析了环路中各个模块的传 输函数和降低环路噪声的方法。提出了电荷泵的采样等效噪声模型，并且分别采用
前言 分析了频率综合器中环路参数的变化对环路稳定性的影响[3]。引入了变化因子的概 念，并讨论得到了稳定性最优闭环阻尼因子的计算方法，提出了基于稳定性优化的 环路参数设计方法。 3) 提出了电荷泵等效电流噪声的采样噪声模型，与传统的导通比模型相比，在 低频段的噪声分析具有更好的精度。在此基础上，进一步分析了其它各模块的参数 化等效噪声模型，得出了环路总相位噪声的估算方法。 4) 在详细分析全差分电荷泵电路的基础上，提出了电平位移电路、cascode 管隔 离、复位信号生成电路等提高性能的方法，并提出了结构简单的稳定性补偿方法。 5) 分析了采用开关阶跃可变电容器的新结构 LC-VCO 的工作原理[4]，并且设计 了全差分的压控振荡器。 6) 分析和总结了低噪声的分频器的设计原理和方法。 概括而言，本论文在基于环路稳定性优化的参数设计方法、以及如何准确的估计 环路的相位噪声的两个方面进行的深入的研究，为设计高性能的频率综合器得到了 很好的指导方法。同时，在电路实现方面，在全差分电荷泵、全差分压控振荡器的 设计也有所创新。仿真和测试的结果进一步验证了稳定性参数优化和噪声估计方法 的正确性，也验证了电路设计的可行性。 论文的组织结构 第一章，“DVB-T 接收机中频率综合器性能”，首先简单介绍一下 DVB-T 标准， 及部分与频率综合器性能指标相关的内容；然后重点介绍了频率综合器中的相位噪 声和时钟抖动的基本概念；并且进一步推导了 DVB-T 接收机对频率综合器相位噪 声的性能要求。 第二章，“频率综合器的结构”，介绍了频率综合器的组成、线性分析模型和噪 声的产生及传递等基础知识；进一步介绍了常用的频率综合器的电路结构：整数分 频、分数分频和双环路结构，比较了各自的优缺点及适用范围；最后，介绍了 DVB-T 接收机的基本结构，并分析了适用的频率综合器结构和存在的问题。 第三章，“环路参数设计”，采用闭环三阶的环路模型，推导了设计环路参数的 流程和方法；以闭环分析为基础，借助于根轨迹的分析方法，定量分析了环路参数 的变化与环路稳定性之间的关系，并且进一步提出了基于稳定性优化的参数设计方 法；此外，还分析了二阶模型和三阶模型、三阶模型和四阶模型相互之间的关系。 第四章，“噪声估计”，在闭环三阶模型的基础上，分析了环路中各个模块的传 输函数和降低环路噪声的方法。提出了电荷泵的采样等效噪声模型， 并且分别采用 2
复旦大学博士学位论文 了基于参数的噪声模型和基于性能指标的噪声模型对不同的模块等效噪声进行估 计：最后由噪声传输函数和等效噪声模型，得到了环路的最终输出相位噪声的估计。 第五章，“电路设计”，先介绍了鉴相器的设计方法，随后详细的研究了全差分 电荷的电路设计方法和稳定性补偿技术：讨论了环路滤波器中电阻和电容的选择方 法，并讨论了降低电容面积的技术：介绍了开关可变电容器的工作原理，并且在此 基础上设计了全差分的压控振荡器电路：分析了分频器结构与噪声的关系，设计了 基于TPSC逻辑的低噪声分频器：最后介绍了用于整个电路中的偏置电路的设计方 法。 第六章，“仿真与测试”，针对DVB-T的要求设计了一个窄带的频率综合器来验 证稳定性分析和噪声估计的方法。通过仿真，验证了基于稳定性的参数设计方法和 稳定性补偿电荷泵调整电路。通过仿真和测试，验证了提出的电荷泵采样噪声模型 和噪声估计的计算方法。同时还测试了采用开关变容器的差分压控振荡器的相位噪 声。最后提出了进一步进行噪声优化的方法。 参考文献 [1]Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting System,P.R.China Patent 00 123597.4,Mar.21,2001 [2]ETSI EN 300 744,Digital Video Broadcasting(DVB):Framing structure,channel coding and modulation for digital terrestrial television.2001.http://www.etsi.org [3]He Jie,Tang Zhangwen,Min Hao,Hong Zhiliang."A CMOS Fully Integrated Frequency Synthesizer with Stability Compensation",Chinese Journal of Semiconductor, Accepted [4]Tang Zhangwen,He Jie,Jian Hongyan,and Min Hao."An Accurate 1.08-GHz CMOS LC Voltage-Controlled Oscillator",Chinese Journal of Semiconductor,Accepted 3
复旦大学博士学位论文 了基于参数的噪声模型和基于性能指标的噪声模型对不同的模块等效噪声进行估 计；最后由噪声传输函数和等效噪声模型，得到了环路的最终输出相位噪声的估计。 第五章，“电路设计”，先介绍了鉴相器的设计方法，随后详细的研究了全差分 电荷的电路设计方法和稳定性补偿技术；讨论了环路滤波器中电阻和电容的选择方 法，并讨论了降低电容面积的技术；介绍了开关可变电容器的工作原理，并且在此 基础上设计了全差分的压控振荡器电路；分析了分频器结构与噪声的关系，设计了 基于 TPSC 逻辑的低噪声分频器；最后介绍了用于整个电路中的偏置电路的设计方 法。 第六章，“仿真与测试”，针对 DVB-T 的要求设计了一个窄带的频率综合器来验 证稳定性分析和噪声估计的方法。通过仿真，验证了基于稳定性的参数设计方法和 稳定性补偿电荷泵调整电路。通过仿真和测试，验证了提出的电荷泵采样噪声模型 和噪声估计的计算方法。同时还测试了采用开关变容器的差分压控振荡器的相位噪 声。最后提出了进一步进行噪声优化的方法。 参考文献 [1] Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting System, P. R. China Patent 00 123 597.4, Mar. 21, 2001. [2] ETSI EN 300 744, Digital Video Broadcasting(DVB): Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television. 2001. http://www.etsi.org. [3] He Jie, Tang Zhangwen, Min Hao, Hong Zhiliang. “A CMOS Fully Integrated Frequency Synthesizer with Stability Compensation”, Chinese Journal of Semiconductor, Accepted. [4] Tang Zhangwen, He Jie, Jian Hongyan, and Min Hao. “An Accurate 1.08-GHz CMOS LC Voltage-Controlled Oscillator”, Chinese Journal of Semiconductor, Accepted 3
复旦大学博士学位论文 第一章DVB-T接收机中频率综合器性能 1.1引言 频率合成技术被广泛应用在国民生活和科技研究的各个方面，早己渗透到了空间 探测、通信、雷达、计算机及家电等各个领域。随着微电子技术（尤其是CMOS硅 工艺)的迅猛发展，现代频率合成技术已经向微型化和高集成度方向发展。尤其在 市场竞争激烈的消费电子领域，全集成的频率综合器已经成为了主流。 般来说，频率综合器关心的性能指标包含了：频率的分辨率、可调频率范围、 频率切换的瞬态稳定时间、相位噪声或者时钟抖动、参考时钟的馈通毛刺、功耗等 几个主要方面。由于不同应用对于频率综合器的性能要求各不相同，通常频率综合 器的结构和复杂度也随着应用系统的不同要求存在着差异。 本论文研究的是应用在DVB-T接收机中的频率综合器，而相位噪声及时钟抖动 是频率综合器设计的重点和难点，也是目前改进频率综合器的主要研究方向。因此 本章先简要的介绍一下DVB-T通信系统的特点：然后进一步介绍频率综合器中的 相位噪声和时钟抖动的基本概念：最后根据DVB-T的性能要求，初步计算满足系 统要求的频率综合器的相位噪声等性能指标。 1.2DVB-T简介 由于本论文所论述的频率综合器是应用于地面数字电视标准DVBT[1]接收机中 的，因此这里首先简单介绍一下DVBT的特点及性能要求，这些都将对频率综合 器的性能指标有影响。 DVB-T的主要特点： 1)规定的信道涵盖了VHF和UHF频段，并且同时定义了3种带宽，即8MHz、 MHz和6MHz,可以适合不同的国家和地区的应用。目前应用的最为广泛的是 8MHz的带宽。 2)采用编码正交频分多路(COFDM,Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信技术。正交频分多路(OFDM)是一种多载波通信技术，可以解决地 面无线信道中的多径效应。所谓编码就是指采用了信道编码技术，如线性分组编码 和卷积编码，这样能够提高整个系统的抗噪声和抗干扰能力。 3)DVB-T协议中目前定义了两种子载波数，即2K和8K模式。在2K模式、8MHz 带宽的情况下，实际的有效载波数是K=1704个，每个子载波的带宽是f=4.464, 4
复旦大学博士学位论文 第一章 DVB-T 接收机中频率综合器性能 1.1 引言 频率合成技术被广泛应用在国民生活和科技研究的各个方面，早已渗透到了空间 探测、通信、雷达、计算机及家电等各个领域。随着微电子技术（尤其是 CMOS 硅 工艺）的迅猛发展，现代频率合成技术已经向微型化和高集成度方向发展。尤其在 市场竞争激烈的消费电子领域，全集成的频率综合器已经成为了主流。 一般来说，频率综合器关心的性能指标包含了：频率的分辨率、可调频率范围、 频率切换的瞬态稳定时间、相位噪声或者时钟抖动、参考时钟的馈通毛刺、功耗等 几个主要方面。由于不同应用对于频率综合器的性能要求各不相同，通常频率综合 器的结构和复杂度也随着应用系统的不同要求存在着差异。 本论文研究的是应用在 DVB-T 接收机中的频率综合器，而相位噪声及时钟抖动 是频率综合器设计的重点和难点，也是目前改进频率综合器的主要研究方向。因此 本章先简要的介绍一下 DVB-T 通信系统的特点；然后进一步介绍频率综合器中的 相位噪声和时钟抖动的基本概念；最后根据 DVB-T 的性能要求，初步计算满足系 统要求的频率综合器的相位噪声等性能指标。 1.2 DVB-T 简介 由于本论文所论述的频率综合器是应用于地面数字电视标准 DVB-T[1]接收机中 的，因此这里首先简单介绍一下 DVB-T 的特点及性能要求，这些都将对频率综合 器的性能指标有影响。 DVB-T 的主要特点： 1) 规定的信道涵盖了 VHF 和 UHF 频段，并且同时定义了 3 种带宽，即 8MHz、 7MHz 和 6MHz，可以适合不同的国家和地区的应用。目前应用的最为广泛的是 8MHz 的带宽。 2) 采用编码正交频分多路(COFDM, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信技术。正交频分多路(OFDM)是一种多载波通信技术，可以解决地 面无线信道中的多径效应。所谓编码就是指采用了信道编码技术，如线性分组编码 和卷积编码，这样能够提高整个系统的抗噪声和抗干扰能力。 3) DVB-T协议中目前定义了两种子载波数，即 2K和 8K模式。在 2K模式、8MHz 带宽的情况下，实际的有效载波数是K=1704 个，每个子载波的带宽是fU=4.464kHz， 4
第一章DVBT接收机中频率综合器性能 丬f长一 保护边带 保护边带 ●●●●●● 7.61 MHz 8 MHz 图1.1DVB-T中信号的频域分布 循环 前缀 K△米 T Ts 图1.2DVB-T信号中一个symbol的时域分布 实际占用带宽是7.61MH,余下的带宽称为保护边带，如图1.1所示。在时域上， 如图1.2所示，一个数据符号(symbol)段Ts有两部分组成：有效数据段Tu=224us和 循环前缀段A。其中循环前缀段由有效数据的尾段组成，它的长度A在DVBT协议中 也有定义，可以是1/4、1/8、1/16或1/32有效数据段T的长度。 4)DVB-T可以采用多种调制方式将信号匹配到子载波上，包括QPSK、QAM-16、 QAM-64及非标准(non-uniform)的QAM-16、QAM-64。另外，DVB-T还提供了 采用BPSK调制的导频信号来进行参数传输、信道估计和均衡。 5)信道编码技术包括了线性分组码和卷积码。线性分组码采用Reed-Solomon编 码：RS(204,188,=8)。它表示可以纠正一个码字中8比特的错误，同时这种编码也 被称为外码。RS编码的编码率是固定的，而卷积编码在DVB-T标准中是可以选择 的，可以根据实际信道的情况加以调整。卷积编码的编码率可以有1/2、2/3、3/4、 56和7/8五种选择。卷积编码在标准中也被称为内码。同时，除了信道编码以外， 5
第一章 DVB-T 接收机中频率综合器性能 uf 7.61 MHz 8 MHz f {保护边带 {保护边带 图 1.1 DVB-T 中信号的频域分布 TU 循环 前缀 TS ∆ t 图 1.2 DVB-T 信号中一个 symbol 的时域分布 实际占用带宽是 7.61MHz，余下的带宽称为保护边带，如图 1.1 所示。在时域上， 如图 1.2 所示，一个数据符号(symbol)段TS有两部分组成：有效数据段TU＝224µs和 循环前缀段∆。其中循环前缀段由有效数据的尾段组成，它的长度∆在DVB-T协议中 也有定义，可以是 1/4、1/8、1/16 或 1/32 有效数据段TU的长度。 4) DVB-T 可以采用多种调制方式将信号匹配到子载波上，包括 QPSK、QAM-16、 QAM-64 及非标准（non-uniform）的 QAM-16、QAM-64。另外，DVB-T 还提供了 采用 BPSK 调制的导频信号来进行参数传输、信道估计和均衡。 5) 信道编码技术包括了线性分组码和卷积码。线性分组码采用 Reed-Solomon 编 码：RS(204,188,t=8)。它表示可以纠正一个码字中 8 比特的错误，同时这种编码也 被称为外码。RS 编码的编码率是固定的，而卷积编码在 DVB-T 标准中是可以选择 的，可以根据实际信道的情况加以调整。卷积编码的编码率可以有 1/2、2/3、3/4、 5/6 和 7/8 五种选择。卷积编码在标准中也被称为内码。同时，除了信道编码以外， 5
复旦大学博士学位论文 Reed-Solomon MPEG-2码流 编码 外交织 卷积编码 内交织 子载波符号 发送 (外码) (内码) 交织 (a)发送通道 MPEG-2码流 Reed-Solomon 外码 Viterbi 内码 子载波符号 解码 解交织 解码 解交织 解交织 接收 (b)接收通道 图1.3DVB-T标准中的信道编解码流程示意 图像信号 个 35 dB 声音和颜色信号 数字电视信号 PAL制 模拟电视信号 图1.4相邻的DVB-T数字电视信号和PAL模拟电视信号的频谱示意 还采用了交织技术来进一步提高系统对突发噪声的抗干扰能力。发送时的编码和交 织顺序如图1.3()所示；相应地，接收端也存在着解交织和解码的过程，如图1.3(b) 所示。通过编码和交织技术，发送端和接收端的MPEG-2码流能达到准无误(QEF, Quasi Error Free),即一个小时内出现的错误小于一个。DVB-T标准中也给出了在 不同信道、不同调制方式下，达到QEF时接收端的最小载噪比(CNR,Carrier to Noise Ratio)的参考测试值。例如，在移动条件下的信道（即Rayleigh信道），对于QAM-64 调制方式，要实现QEF的最小载噪比是27.9dB。 6)由于目前依然存在着模拟电视的广播，而模拟电视信号比数字电视信号要强 的多。DVB-T标准也给出了实际测试的参考值：在最坏情况下，模拟电视信号的强 度比数字电视信号要高35dB,如图1.4所示。如果模拟电视的信道与数字电视的信 道相邻，则相邻信道的干扰也要考虑，这对接收机中频率综合器的性能也有影响。 6
复旦大学博士学位论文 Reed-Solomon 编码 （外码） 外交织 卷积编码 （内码） 内交织 子载波符号 交织 Reed-Solomon 解码 外码 解交织 Viterbi 解码 内码 解交织 子载波符号 解交织 发送 接收 MPEG-2码流 MPEG-2码流 (a)发送通道 (b)接收通道 图 1.3 DVB-T 标准中的信道编解码流程示意 PAL制 模拟电视信号 数字电视信号 35 dB 图像信号 声音和颜色信号 图 1.4 相邻的 DVB-T 数字电视信号和 PAL 模拟电视信号的频谱示意 还采用了交织技术来进一步提高系统对突发噪声的抗干扰能力。发送时的编码和交 织顺序如图 1.3(a)所示；相应地，接收端也存在着解交织和解码的过程，如图 1.3 (b) 所示。通过编码和交织技术，发送端和接收端的 MPEG-2 码流能达到准无误（QEF, Quasi Error Free），即一个小时内出现的错误小于一个。DVB-T 标准中也给出了在 不同信道、不同调制方式下，达到 QEF 时接收端的最小载噪比（CNR, Carrier to Noise Ratio）的参考测试值。例如，在移动条件下的信道（即 Rayleigh 信道），对于 QAM-64 调制方式，要实现 QEF 的最小载噪比是 27.9 dB。 6) 由于目前依然存在着模拟电视的广播，而模拟电视信号比数字电视信号要强 的多。DVB-T 标准也给出了实际测试的参考值：在最坏情况下，模拟电视信号的强 度比数字电视信号要高 35 dB，如图 1.4 所示。如果模拟电视的信道与数字电视的信 道相邻，则相邻信道的干扰也要考虑，这对接收机中频率综合器的性能也有影响。 6
