基于深亚微米CMOS工艺射频光传输系统的研究

发布时间：2020-08-10 07:27

【摘要】：随着移动通信系统向宽带第五代(5G)移动通信演进,系统带宽和性能的要求大大增加,使得无线频谱资源的重复利用及与数字光纤通信网的适配与融合成为整个通信网络架构的一项重要研究内容。射频光传输(Radio over fiber)系统为通信网络提供了灵活的信息传输手段,成为可充分利用有限无线频谱资源、便于与固定光纤有线通信网实现有机融合的优选方案。因此,结合了光纤通信与无线通信两者优势的射频光传输即ROF(Radio over Fiber)技术获得了广泛的关注。本文基于CMOS工艺,针对ROF系统的各个模块,进行了分析和研究,主要的工作如下:1)对ROF系统的增益特性、噪声特性与非线性特性进行了系统的理论研究。研究表明,可通过无耗匹配网络、减小驱动源输出阻抗;可选用小寄生电阻的激光二极管(LD)减小发送端匹配损耗;可通过无耗匹配网络、增大前置接收放大电路输入阻抗;并可选用小导纳PD减小接收端匹配损耗。另外,射频信号损耗与光传输链路损耗的平方成正比,即光路1dB损耗将产生2dB射频损耗。因此,光路损耗需要仔细设计。(2)通过研究ROF系统的噪声特性,导出了在PD输出端噪声电流及系统噪声指数理论表达式,分析了ROF系统噪声指数与发送端匹配、LD直流偏置、光路损耗、接收端匹配、前置接收放大电路噪声特性的关系。(3)通过研究发现,可通过无耗匹配网络、减小射频调制驱动器的输出阻抗、选用低阻值的LD可减小发送端匹配噪声;系统噪声指数随LD直流偏置的二次方增长。在满足其它条件的情况下,尽可能降低LD的直流偏置点;在接收端可通过采用无耗匹配网络、选用小跨导及小暗电流的PD、设计或选用低噪声前置放大器来改善接收端噪声性能。2)采用ADS(Advanced Designed Systems)软件里的SDD(Symbolic Defined Device)器件对激光器的物理模型进行了建模。激光器的模型对于设计ROF链路有着非常重要的意义。此外,根据激光器的速率方程,对激光器的大信号和小信号模型进行了分析。利用Volterra级数建立了激光器的数学模型,并进行了相关非线性公式的推导。3)独创地提出了一种全新的预失真电路,并通过TSMC 0.18mm CMOS工艺流片进行了验证。虽然针对ROF激光器的预失真技术已经有很多报道,但是最近30年,采用CMOS工艺设计的模拟预失真的电路却非常少。因为如果采用CMOS工艺,并按照传统的预失真结构来设计预失真电路,整体电路的结构是非常复杂的,而且需要占用很大的芯片面积,消耗更大的功率。这对于系统集成以及设计成本来说,是难以接受的。而本文提出的这个预失真电路具有结构简单、功耗低以及芯片面积小的优势,并且解决了预失真电路不能实现宽带工作的问题,实现了CMOS模拟预失真技术的突破。测量的结果表明IMD3在1~2.5GHz的工作带宽下,IMD3有3~16d Bc的下降。4)提出了DNW-strip-SMPD和Psub-strip-SMPD两种结构的光电探测器。基于对光电探测器的工作原理以及性能指标的研究,对SMPD结构的光电探测器建立了数学模型分析,并用Matlab软件对3dB带宽与PN结之间距离的关系进行了仿真。通过SILVACO软件对两种能够有效提高光电探测器带宽的结构进行了器件仿真,为CMOS光电探测器的设计提供了依据。本次设计的光电探测器的测试结果显示DNW-strip-SMPD的工作带宽为2.9GHz,而Psub-strip-SMPD的工作带宽为1.8GHz。此外,DNW-strip-SMPD和Psub-strip-SMPD的寄生电容的值大约为820f F和440f F。Psub-strip-SMPD在响应度和寄生电容方面具有优势,而DNW-strip-SMPD则是在带宽方面具有优势。5)提出了一种应用于射频光传输链路的宽带可编程增益放大器(PGA),通过数字控制晶体管的有效宽长比来实现增益的可变。测试结果表明宽带PGA的3dB带宽为0.9~5GHz,实际测试的增益步长接近3dB。在最高增益的工作状态,测得最小噪声系数为4.7dB,而在最低增益工作状态,最小噪声系数为8.5dB。在最大增益模式下的IIP3大小为-9.6dBm。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5;TN929.1
【图文】：

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