本书立足一个完整的通信系统，从信号处理的角度逐步引出射频集成电路设计中的相关方法学，具体内容包括射频集成电路设计基础知识，阻抗匹配及稳定性，频域分析，射频通信基础与链路预算，射频集成电路架构，低噪声放大器，射频混频器，功率放大器，射频振荡器，锁相环，频率综合器，射频收发机设计实例。本书配套提供了晶体管级射频收发机工程设计供读者参考。
李松亭，国防科技大学空天科学学院副研究员，国防科技大学天拓系列卫星物联网载荷主任设计师，主要从事天基物联网、模拟射频及混合信号集成电路设计等方面的研究。先后研发出多款星基物联网载荷、多款多模导航射频芯片、射频基带一体化SoC芯片、具有自主知识产权的超高频RFID标签芯片、电源管理芯片等。承担和参与各类国家、省部级项目20余项，发表学术论文30余篇，授权国家发明专利30余项，出版专著1部。获军队科技进步奖一等奖1项，天津市科技进步奖特等奖1项。
目 录
第1章 射频集成电路基础知识 1
1.1 增益 1
1.2 非线性效应 2
1.2.1 谐波现象 2
1.2.2 增益压缩 3
1.2.3 减敏（阻塞）现象 4
1.2.4 互调现象 5
1.2.5 交调现象 5
1.2.6 级联系统的非线性特性 10
1.2.7 典型放大器结构的非线性表征 13
1.3 噪声 21
1.3.1 电阻热噪声 21
1.3.2 晶体管噪声 24
1.3.3 噪声通过滤波器系统 26
1.3.4 输入参考噪声 28
1.3.5 噪声系数 33
1.3.6 级联系统的噪声系数 35
1.3.7 有损系统的噪声系数 37
1.3.8 等效噪声温度 38
1.4 灵敏度 39
1.5 链路预算 40
参考文献 42
第2章 射频集成电路阻抗匹配及稳定性 43
2.1 传输线理论 44
2.1.1 传输线 44
2.1.2 集总参数系统与分布参数系统 44
2.1.3 传输线波动方程 46
2.1.4 传输线终端接负载 48
2.1.5 传输线特征阻抗 52
2.2 双端口网络理论和信号流图 53
2.2.1 双端口网络 53
2.2.2 信号流图 56
2.3 Smith圆图理论 59
2.4 基于无源匹配网络或微带线的功率传输理论 63
2.4.1 无源RLC网络 65
2.4.2 基于Smith圆图的L型匹配网络设计 72
2.4.3 基于Smith圆图的T型匹配网络和?型匹配网络设计 76
2.5 基于Smith圆图的微带线匹配网络设计 78
2.6 射频集成电路中的电压/电流传输理论 83
2.7 射频集成电路稳定性 84
参考文献 88
第3章 射频集成电路频域分析 89
3.1 系统 89
3.2 系统响应与传输函数 90
3.3 卷积和乘积 93
3.4 傅里叶级数 96
3.5 傅里叶变换 103
3.6 拉普拉斯变换 105
3.7 离散傅里叶变换 107
3.8 Z变换 109
3.9 功率谱密度与频谱 110
3.10 频域概念在射频集成电路设计中的应用 111
3.11 射频集成电路频域模型 116
附录1 离散时间域单位冲激函数 121
附录2 DAC输出信号频谱 121
第4章 射频通信基础与通信链路预算 123
4.1 基本通信过程 123
4.2 调制和解调 127
4.2.1 幅移键控（ASK） 127
4.2.2 相移键控（PSK） 130
4.2.3 频移键控（FSK） 132
4.2.4 正交幅度调制（QAM） 136
4.2.5 频率选择性衰落与正交频分复用 137
4.2.6 码速率和调制方式与信号带宽的关系 139
4.2.7 码间串扰与成型滤波 141
4.2.8 眼图与星座图 142
4.3 各调制方式误比特性能分析 144
4.3.1 二进制通信误码性能分析 145
4.3.2 MASK误码性能分析 151
4.3.3 MPSK误码性能分析 153
4.3.4 MFSK误码性能分析 155
4.3.5 MQAM误码性能分析 157
4.3.6 不同调制方式之间的解调性能对比 158
4.3.7 常用调制方式非相干解调误码性能分析 159
4.4 双工模式与多址接入技术 162
4.4.1 频分双工与时分双工 162
4.4.2 频分多址与频分多路复用 162
4.4.3 时分多址与时分多路复用 164
4.4.4 码分多址与码分多路复用 165
4.4.5 空分多址与空分多路复用 167
4.5 MIMO技术 169
4.5.1 空间分集 170
4.5.2 空间复用 172
4.6 通信链路预算 173
4.6.1 自由空间链路衰减 173
4.6.2 通信链路预算 175
参考文献 178
第5章 射频集成电路架构 179
5.1 射频收发集成电路一般性设计考虑 180
5.1.1 接收链路镜像问题 182
5.1.2 载波同步问题 184
5.1.3 发射链路带外干扰抑制问题 188
5.2 超外差接收机 189
5.2.1 一级变频超外差接收机 190
5.2.2 二级变频超外差接收机 191
5.2.3 零中频超外差接收机 192
5.2.4 低中频超外差接收机 193
5.3 零中频接收机 195
5.3.1 正交失配 196
5.3.2 正交失配校准 199
5.3.3 本振泄漏及本振谐波 202
5.3.4 直流偏移 203
5.3.5 直流偏移校准 204
5.3.6 偶阶非线性失真 208
5.3.7 偶阶非线性失真校准 210
5.3.8 闪烁噪声 212
5.4 低中频接收机 213
5.4.1 复数域镜像抑制滤波器设计 215
5.4.2 正交失配 218
5.4.3 正交失配校准 221
5.4.4 直流偏移及直流偏移校准 222
5.4.5 基于无源多相网络的低中频接收机 226
5.5 直接变频射频发射机 227
5.5.1 正交失配 228
5.5.2 正交失配校准 230
5.5.3 载波泄漏 232
5.5.4 载波泄漏校准 233
5.5.5 信号调制方式与非线性效应 234
5.5.6 锁相环注入频率牵引与设计优化 236
5.6 低中频射频发射机 238
5.7 超外差射频发射机 240
5.8 面向软件定义无线电的射频集成电路架构 242
5.8.1 谐波抑制 243
5.8.2 宽带可配置滤波器带宽校准 247
5.8.3 发射泄漏校准 249
5.8.4 自适应干扰抑制 251
5.9 射频集成电路的多片同步校准 253
参考文献 254
第6章 低噪声放大器 259
6.1 低噪声放大器设计考虑 259
6.1.1 噪声系数 260
6.1.2 阻抗匹配 262
6.1.3 增益与带宽 262
6.1.4 线性度 264
6.1.5 稳定性 265
6.1.6 功耗 266
6.2 窄带匹配低噪声放大器 267
6.2.1 电路结构 267
6.2.2 匹配网络拓扑结构 269
6.2.3 增益计算 273
6.2.4 噪声性能 274
6.2.5 窄带匹配低噪声放大器线性性能 277
6.2.6 设计过程 279
6.3 宽带匹配低噪声放大器 279
6.3.1 基于共源结构的宽带低噪声放大器 279
6.3.2 基于共源负反馈结构的宽带低噪声放大器 281
6.3.3 基于共栅结构的宽带低噪声放大器 283
6.3.4 基于带通滤波器结构的宽带低噪声放大器 289
6.4 噪声抵消低噪声放大器 291
6.4.1 基于共源负反馈结构的宽带低噪声放大器噪声抵消技术 292
6.4.2 基于共栅负反馈结构的宽带低噪声放大器噪声抵消技术 293
6.5 高线性度低噪声放大器 294
6.5.1 二阶失真优化 294
6.5.2 三阶失真优化 297
6.6 镜像抑制低噪声放大器 299
参考文献 300
第7章 射频混频器 302
7.1 射频混频器设计考虑 302
7.1.1 噪声系数 303
7.1.2 转换增益 306
7.1.3 线性度 307
7.1.4 馈通效应 307
7.2 射频混频器工作原理 308
7.2.1 单平衡混频器与双平衡混频器 311
7.2.2 正交混频器 313
7.2.3 多相混频器 314
7.2.4 次谐波混频器 317
7.3 电压模无源下变频混频器 319
7.3.1 单平衡电压模无源下变频混频器 320
7.3.2 双平衡电压模无源下变频混频器 327
7.3.3 八相结构电压模无源下变频混频器 329
7.4 电流模无源下变频混频器 331
7.5 有源下变频混频器 338
7.5.1 转换增益 338
7.5.2 噪声 342
7.5.3 线性性能 347
7.6 上变频混频器 351
7.6.1 单边带上变频混频器 353
7.6.2 上变频混频器线性性能 355
参考文献 356
第8章 功率放大器 357
8.1 功率放大器设计考虑 357
8.1.1 阻抗匹配与功率匹配 358
8.1.2 Knee电压影响 361
8.1.3 大信号条件下近似线性效应 362
8.1.4 功率放大器的负载牵引特性 364
8.2 功率放大器设计指标 367
8.2.1 增益 367
8.2.2 功率转换效率及附加功率转换效率 369
8.2.3 功率转换因子 369
8.2.4 线性度 370
8.2.5 峰值-均值功率比 370
8.3 压控电流型功率放大器 370
8.3.1 A类功率放大器 371
8.3.2 B类功率放大器 375
8.3.3 C类功率放大器 378
8.3.4 AB类功率放大器 379
8.3.5 压控电流型功率放大器性能比较 380
8.4 压控开关型功率放大器 382
8.4.1 D类功率放大器 382
8.4.2 E类功率放大器 386
8.4.3 F类功率放大器 393
8.4.4 压控开关型功率放大器性能比较 396
8.5 功率放大器的效率提升技术 396
8.5.1 包络跟踪功率放大器 397
8.5.2 包络消除与恢复功率放大器 403
8.5.3 LINC功率放大器 405
8.5.4 Doherty功率放大器 410
8.6 功率放大器的线性化技术 412
8.6.1 高线性LINC功率放大器 412
8.6.2 数字预失真 413
8.6.3 前馈技术 419
8.6.4 Cartesian反馈技术 420
8.6.5 包络反馈技术 421
8.7 数字功率放大器 421
8.7.1 开关电容数字功率放大器 422
8.7.2 高效率G类开关电容数字功率放大器 423
8.7.3 高效率Doherty开关电容数字功率放大器 426
8.8 全数字发射机 429
8.8.1 数字相位插值器 429
8.8.2 数字极化发射机 430
8.8.3 数字LINC发射机 433
8.8.4 数字正交发射机 433
参考文献 434
第9章 射频振荡器 438
9.1 射频振荡器原理 438
9.1.1 闭环系统根轨迹法 439
9.1.2 反馈法 447
9.1.3 负阻补偿法 451
9.2 描述函数 454
9.3 常用射频振荡器类型 458
9.3.1 反馈式LC振荡器 458
9.3.2 环形振荡器 463
9.3.3 负阻振荡器 472
9.3.4 晶体振荡器 472
9.4 压控振荡器 477
9.4.1 压控变容管 477
9.4.2 数控人工电介质传输线 479
9.4.3 压控振荡器频率调谐 481
9.5 相位噪声 485
9.5.1 相位噪声的由来 485
9.5.2 相位噪声对系统性能的影响 486
9.5.3 相位噪声数学模型 491
9.5.4 常用振荡器相位噪声性能分析 500
9.6 频率锁定与牵引 508
9.6.1 振荡器注入频率锁定 508
9.6.2 振荡器注入频率牵引 512
9.6.3 振荡器耦合频率锁定与耦合频率牵引 514
9.7 正交信号的产生 516
9.7.1 RC-CR串联网络 517
9.7.2 分频器 518
9.7.3 无源多相网络 518
9.7.4 正交负阻振荡器 524
参考文献 529
第10章 锁相环 531
10.1 锁相环基本原理和结构 531
10.1.1 锁相环传输函数 532
10.1.2 锁相环动态方程 533
10.2 鉴相器 534
10.2.1 异或电路鉴相器 534
10.2.2 乘法器型鉴相器 536
10.2.3 序列鉴相器 536
10.3 一阶Ⅰ型锁相环 538
10.4 二阶Ⅰ型锁相环 540
10.5 二阶Ⅱ型锁相环 542
10.6 基于鉴频鉴相器的Ⅱ型锁相环 546
10.6.1 鉴频鉴相器 546
10.6.2 二阶Ⅱ型锁相环 548
10.6.3 三阶Ⅱ型锁相环 549
10.6.4 四阶Ⅱ型锁相环 552
10.7 应用于频率综合器的锁相环结构 553
10.8 高性能鉴频鉴相器设计 556
10.8.1 死区效应 556
10.8.2 传输路径时延 557
10.8.3 电荷注入与时钟馈通 559
10.8.4 电荷共享 561
10.8.5 充电电流和放电电流失配 562
10.8.6 高性能鉴频鉴相器设计 563
10.9 锁相环相位噪声性能分析 564
10.10 锁相环的频率牵引效应 570
10.10.1 锁相环注入频率牵引 570
10.10.2 锁相环耦合频率牵引 571
10.11 锁相环的其他应用场景 573
10.11.1 载波跟踪 573
10.11.2 调制和解调 574
10.11.3 数据采样和传输的同步化 576
10.11.4 时钟/数据恢复 577
10.11.5 延迟锁定环 579
参考文献 582
第11章 频率综合器 583
11.1 直接数字频率综合器 584
11.1.1 工作原理 584
11.1.2 相位噪声性能分析 587
11.1.3 杂散分析 587
11.1.4 杂散抑制 593
11.1.5 直接数字频率综合器在调制解调中的应用 601
11.1.6 直接数字频率综合器作为任意波形发生器 602
11.1.7 直接数字频率综合器与锁相环型频率综合器的混合设计技术 602
11.2 模拟域锁相环型整数分频频率综合器 603
11.2.1 基于双模预分频器的吞脉冲型整数分频器 604
11.2.2 双模预分频器 605
11.2.3 常用分频器逻辑单元 616
11.2.4 基于2/3双模预分频器的级联整数分频器 622
11.2.5 其他分频器结构 626
11.3 模拟域锁相环型小数分频频率综合器 629
11.3.1 ∑-Δ调制器 631
11.3.2 单环高阶∑-Δ调制器 634
11.3.3 高阶级联∑-Δ调制器 637
11.3.4 小数分频频率综合器相位噪声减小技术 642
11.4 锁相环型小数分频频率综合器在信号调制过程中的应用 649
11.5 宽带频率综合器设计 651
11.5.1 自动频率校准 652
11.5.2 宽带频率综合器稳定性校准 658
11.6 全数字频率综合器 663
11.6.1 全数字频率综合器基本架构 664
11.6.2 全数字频率综合器频域模型 668
11.6.3 全数字频率综合器主要模块 673
11.6.4 全数字频率综合器相位噪声模型 693
11.6.5 全数字频率综合器设计 699
附录 小数分频频率综合器相位噪声计算 710
参考文献 711
第12章 射频收发机设计实例 714
12.1 射频集成电路设计流程 714
12.2 窄带多模导航射频集成电路设计 716
12.2.1 多模导航系统射频通信链路预算 716
12.2.2 多模导航射频接收机架构及频率规划 717
12.2.3 射频接收链路预算 718
12.2.4 主要模块设计 723
12.2.5 测试结果 732
12.3 宽带软件定义无线电射频收发机 736
12.3.1 软件定义无线电射频收发机架构 736
12.3.2 射频接收前端电路设计 738
12.3.3 接收链路模拟中频电路设计 740
12.3.4 频率综合器 742
12.3.5 数字基带部分 745
12.3.6 发射链路 746
12.3.7 多通道应用场景中的射频链路与基带采样同步操作 747
12.4 全数字发射机设计实例 749
附录 运算放大器设计方法 753
参考文献 757
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