全数字可重构低功耗物联网发射机射频前端关键技术的研究

The new concepts of smart home, smart city, national security, health care and etc., promote the rapid development of China's Internet of things (IoT) industry. In 2010, IEEE has started the wireless LAN technology standard 802.11ah for IoT and is expected to be officially released in 2016, which will provide a unified standard for the globalization of IoT technology. Moreover, with present scaling down CMOS technology, digital circuits show obvious advantages in the aspects of high speed, low power, small size and process compatibility. To support variable data rates and low power requirements of various IoT applications, the key techniques of all-digital reconfigurable low-power IoT transmitter RF chip will be researched in this project, based on the existing 802.11ah protocol. Besides, digital predistortion techniques will be studied to ultimately realize a multimode, low-cost, low-power and high-performance IoT transmitter front-end. This project will focus on the research of all-digital transmitter architecture optimization, highly-efficient CMOS power amplifier design and transmitter digital calibration techniques for I/Q imbalance, DC offset, linearization. The new circuitry topologies and calibration techniques proposed in this project will accelerate the development of RF IC design industry in China, which also possess high academic value and broad application prospects.

智能家居、智慧城市、国家安全和医疗健康等新概念的提出促进了我国物联网产业的快速发展。2010年，IEEE启动了物联网无线局域网技术标准802.11ah的制定并预计于2016年正式发布，这将为物联网技术的全球化提供统一标准。此外，随着CMOS工艺向深亚微米方向发展，数字电路在高速率、低功耗、小尺寸以及工艺兼容性方面体现出明显优势。针对各类物联网应用的多变数据率和低功耗需求，本项目将基于现有802.11ah协议，研究全数字可重构低功耗物联网发射机射频前端的关键技术，并在此技术上，辅助以数字预失真校正技术，最终实现一个多模可重构、低成本、低功耗、高性能的物联网发射机前端。本项目将重点研究多模可重构的数字发射机架构优化技术、高效率CMOS功率放大器技术以及发射机数字校正技术。本项目中提出的新型电路结构和校正技术将会促进我国射频集成电路设计产业的发展，具有很好的学术价值和宽广的应用前景。

本项目对宽带效率增强的全数字发射机的关键技术开展研究，主要包括低功耗可重构技术、宽带低损耗匹配网络技术、功率回退效率增强技术等。.首先，本项目对物联网全数字发射机系统进行了研究，使用VSA89600、SystemVue及MATLAB等软件进行系统建模仿真。为了兼容802.11ah和NB-IoT两种通信协议，提出了一种多模可重构低功耗基带信号处理电路。该电路采用正则有符号数字量的编码技术及时钟的低功耗处理技术，在1.2V电源电压和216Mbps采样率下，功耗约为5.4mW，实现了低功耗性能。.其次，本项目实现了一种功率回退效率增强的数字功率放大器电路。采用Class-G双电源技术实现6dB功率回退时效率提高，并且提出了一种新的电平转换电路。该芯片在SMIC 55nm CMOS工艺上实现，测试结果表明：在0.54-0.95GHz频段范围内，峰值输出功率仅有0.5dB波动。在载波频率0.55-0.93GHz范围内，峰值PAE均大于40%。在载波频率0.8GHz时，峰值输出功率为23.5dBm，峰值效率为42.7%，6dB功率回退效率为32.8%。与经典B类功率放大器相比，本项目设计的DPA在功率回退6dB时效率提升了54%。.此外，本项目提出了一种覆盖Sub-GHz的宽带低损耗匹配网络电路。它采用变压器匹配网络与三阶电感电容（LC）级联的匹配网络相结合的架构。考虑到片外的寄生参数，整体匹配网络的仿真结果表明：在0.55-0.95GHz范围内，阻抗值为11.4-12.1Ω，损耗小于1.45dB，波动约0.15dB。.最后，基于上述创新技术，本项目在SMIC 55nm CMOS工艺上实现了一款兼容802.11ah和NB-IoT物联网通信协议、具有较高集成度的全数字发射机芯片。测试结果表明：该芯片在载波频率850MHz处获得最大的峰值功率为24.2dBm，峰值效率为45.6%；在载波频率0.55-0.93GHz范围内，峰值输出功率仅波动1dB。在载波频率768MHz时，针对2MHz 802.11ah 64QAM和180kHz NB-IoT QPSK信号，芯片的平均输出功率分别为16.7dBm和18.6dBm，EVM分别为-28.8dB和-19.8 dB，系统效率分别为33.9%和37.5%，最终实现了一款多模宽带高能效的物联网发射机芯片。