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学术报告：基于40nm CMOS工艺的802.11ah发射器设计与实现

作者及发表信息

这项研究由Seong-Sik Myoung等研究人员完成，所属机构为Newracom, USA。研究成果发表于2022 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium，文章标题为“A novel 802.11ah transmitter for TV white spaces”。论文详细介绍了一种新型基于40nm CMOS工艺的802.11ah射频发射器，并通过实验验证其满足FCC和ETSI的TVWS（电视白频）设备严格的发射限制。

研究背景

本文的研究领域为射频集成电路设计，尤其是应用于TVWS频段的低功耗长距离无线通信。TV白频指未被广播电视占用的UHF频段，被证明在物联网（IoT）和机器对机器（M2M）通信中具有优越的传播和穿透性能。近年来，包括FCC（美国联邦通信委员会）和ETSI（欧洲电信标准协会）在内的政策制定机构允许在这些频段中部署非授权无线设备。然而，为保证TVWS设备与现有广播用户的共存，上述机构对设备邻道发射限制提出了极为严格的要求。例如，美国FCC针对±3MHz偏移频率的要求为−52.8dBm/100kHz，而ETSI在±20MHz偏移频率范围要求为−54dBm/100kHz。

在这样的背景下，研究团队设计了一种高线性、低噪声且兼顾节能的发射器架构，解决了满足射频干扰限制标准与性能优化之间的工程难题。

研究目的

本研究旨在设计一种符合FCC和ETSI的TVWS设备发射器，具备如下关键特性：

1. 低噪声和高线性，确保满足邻道功率泄漏比（ACLR）要求；
2. 强大的二次谐波抑制能力，特别是在470MHz至790MHz范围内，以避免干扰FCC限制的960MHz到1240MHz受限频段；
3. 支持全面的802.11ah协议特性，包括完整的调制编码方案（MCS0至MCS7）、带宽配置（CBW1/2/4）和频率范围（470MHz至860MHz）。

研究方法

总体架构设计

研究团队设计了一种完整的802.11ah发射器架构，包括以下模块： - 802.11ah调制解调器（Modem）： 支持CBW1/2/4的频段带宽，并覆盖从MCS0到MCS7的调制编码方案。 - DAC和低通滤波器（LPF）： 采用12位精度和32MHz工作频率，结合三级可调滤波器（1.5/3/6MHz截止频率）。 - 有源混频器： 替代传统的无源混频器，具有33dB的宽增益控制范围。 - 差分级射频功率放大器（PA）及负载设计： 提供一个二次谐波跟踪陷波滤波器，以大幅提升谐波抑制性能。 - 基于锁相环（PLL）的本振（LO）： 覆盖2.56–3.84GHz的振荡频率，支持LO分频至4和6以涵盖广泛的TVWS频段。

完整的设计方案旨在优化线性度和噪声性能，同时在功率效率上保持高效。

创新技术：新型线性化电压-电流转换器（V2I）

文中提出了一种基于Class-AB架构的新型V2I混频器驱动器，具有突破噪声与线性度平衡限制的能力。主要工作原理如下： 1. 利用负反馈设计核心放大器，确保输入电压被准确转换为输出电流。 2. 采用Class-B模式对电流镜进行偏置处理，最大限度降低静态电流损耗，同时减小混频器的整体功耗。 3. 在整个工作周期内调整关键晶体管的工作区域，确保线性响应。

这种设计能够最小化输入信号的回退（backoff），使发射器链路的噪声性能得到进一步优化。

新型变压器矩阵二次谐波陷波滤波器

为了增强二次谐波的抑制能力，研究团队开发了一种变压器基二次谐波跟踪陷波器，其核心在于： 1. 巧妙利用变压器和电容器的组合设计，使其在共模下表现为LC串联谐振器，而在差模下仅表现为电容器。 2. 不会对基波信号产生附加的插入损耗，即实现优秀的谐波抑制性能，同时确保对主信号的支持。

实验结果

设计最终以40nm CMOS工艺实现，并与一个完整的802.11ah SoC结合。发射器核心面积为1.22平方毫米。关键实验结果如下：

1. ACLR性能： 在±3MHz和±20MHz频偏下，邻道功率泄漏比分别达到−55dB和−58dB，符合FCC和ETSI要求。
2. 功率输出： 4MHz信号下实现4dBm信道功率输出。借助额外14-16dB增益的功率放大器（外置PA），可达到18dBm和20dBm的最大EIRP输出功率。
3. 二次谐波抑制： 在470MHz至640MHz频段的二次谐波抑制性能达到−60dB，在860MHz频段仍保持−50dB的抑制性能。
4. 误差矢量幅度（EVM）： 在470MHz、640MHz和860MHz频段分别为−38dB、−37dB与−33dB，远优于MCS7调制下EVM要求的−27dB。

研究表明，该设计在可靠性、功耗和面积方面都取得了显著进展。

研究结论

本文提出的新型射频发射器架构，实现了卓越的噪声抑制和二次谐波抑制能力，是首个完全符合FCC和ETSI规范要求的SoC级别TVWS频段射频发射器。此研究弥补了现有技术在满足严格发射标准方面的不足，为未来TV白频设备的开发提供了重要的工程和理论参考。

研究亮点

1. 方法创新： 提出并实现了新型的线性化Class-AB V2I和变压器陷波滤波器。
2. 性能突破： 在多个关键指标上显著优于现有研究，尤其在ACLR和谐波抑制上取得了工程化和学术意义的双重突破。
3. 设计完整性： 一体化的SoC解决方案兼备广泛的频段覆盖和协议支持，为IoT和M2M应用的普及奠定了技术基础。

研究意义

这项研究具有重要的科学价值和应用价值。一方面，其结果为射频集成电路设计提供了新的技术思路和数据支持。另一方面，这种高线性、低噪声的发射器设计将在实际产品中推动TVWS频段IoT设备的大规模商业化应用。