学位论文简介
广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B）是国际民航组织确立的新一代空管核心技术。该技术通过全向广播，自主传输其位置、航向、速度、高度等关键信息，即能实现空-空协同防撞，也可支撑地-空一体化管控能力的构建。相较于传统一次监视雷达，ADS-B具备低功耗、广域覆盖、低成本部署及高信息传输能力等优势，目前已被纳入《国际民用航空公约》强制标准体系。通过陆基基站网络与天基物联网系统建设，ADS-B系统逐步形成全球化、全天候民航监管体系，为高密度航线运行提供关键支撑。此外，该技术可助力无人机感知民航信号并主动避让，保障各类航空器飞行安全。然而，ADS-B在无人机、天基物联网等场景的规模化部署应用仍面临技术挑战：无人机平台对ADS-B接收系统的微型化、轻量化及能效平衡要求严苛；天基物联网中，低轨卫星载荷面临空间尺寸与功耗预算限制，进一步要求ADS-B单通道接收模块必须满足微型化、高可靠性及超低功耗的技术指标。
本文面向无人机与天基物联网场景，聚焦低功耗、低成本ADS-B射频基带一体化接收机芯片的设计与实现，围绕系统架构设计、射频前端、复数域滤波器、中频模数转换器及帧头检测算法等关键技术模块展开系统性研究，完成从前端/后端设计、流片、封装到测试验证的全流程开发。主要创新成果如下：
（1）针对中频复数滤波器带宽受工艺电压和温度（Process Voltage Temperature, PVT）影响的问题以及低功耗设计需求，提出了一种低功耗低成本自动带宽修调电路。在传统基于RC积分的自动带宽修调电路的基础上，优化设计了一种不需要外部基准电压的自动带宽校准电路，从而消除了外部基准电压生成电路带来的功耗和面积成本。设计的自动带宽校准电路的面积相较于传统设计降低一个数量级，仅为0.025857mm²；基于该校准电路的整个中频滤波器，最终芯片面积仅为0.1357mm²，工作功耗电流低至3.98mA，在满足带宽稳定性要求的同时，提升了接收机芯片的集成度与能效比。
（2）针对中频采样模数转换器低功耗、低成本的需求，提出了一种低功耗低成本共模电压自生成模数转换器电路。一是采用共模电压自生成电容数字模拟转换器（Capacitor Digital-to-Analog Converter, CDAC）技术。该技术通过内嵌共模电压生成机制，成功消除了传统结构中额外所需的共模电压生成电路模块和驱动电路，保证系统性能的同时优化了静态功耗和面积。二是提出一种两级动态比较器电路。第一级动态放大器引入开关电容尾电流技术来提升增益以及调控输出共模电压，为第二级比较器提供最优静态工作点，使整个比较器在速度与精度的权衡中达到最优工作状态，保障模数转换器采样的准确性与高效性。测试芯片有效位为11.27bit，无杂散动态范围范围为78.17dB，面积仅为0.144mm2。
（3）针对高灵敏度基带解调算法的设计与实现，提出了一种创新的定时误差抑制同步（Timing Error Rejection Synchronization, TERS）算法。首先采用基于前导码及其互补序列的双重相关策略，前导码用于累积目标信号，互补序列则专门收集噪声与定时误差数据，再计算两者的相关比率，充分利用信号和噪声特性，有效抑制定时误差干扰。其次巧妙利用ADS-B数据帧间的零时间间隔，增强对噪声的累积效果，使得无需预先获取噪声功率信息就能大幅降低误报率，显著提升检测灵敏度。理论分析与仿真实验结果均表明，TERS算法在1%的误报率条件下，相比现有方法，其检测阈值降低了1.5至3；在非相干检测情况下，误检性能提升2dB，相干检测情况下提升3dB。
本论文完成了低功耗、低成本ADS-B接收机芯片的前/后端设计、流片、封装、测试和试验的全流程验证。该芯片基于0.13um互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺设计，集成了射频模拟前端电路、数字解调基带电路以及数字通信接口电路等功能模块，芯片全版图面积为2990×1798um2。测试结果显示，接收机灵敏度达到了-88dBm，且全芯片在3.3V单电源供电情况下工作电流仅为51mA，满足无人机平台和天基物联网卫星载荷的应用需求，为ADS-B技术在多场景下的规模化部署提供有力支撑。
主要学术成果
[1] Dun Yan, Xin ZhangCA, Yu Xiao, Xiaoyou Yu, Shaoliang Peng, Songting Li, Kai Tang, Jie Liu. A 4.5-MS/s 12-bit Vcm self-generated SAR ADC in 130-nm CMOS[J]. Microelectronics Journal,2025,Vol.156: 106548.（中科院三区，本人一作）
[2] Dun Yan, Bingpeng Zhou, Yu Xiao, Linjun Wu, Xiaoyou Yu and Shaoliang Peng. Complementary Preamble based Timing Error Rejection Frame Synchronization for ADS-B Systems in low SNR[J]. IEEE Sensors Journal.（Under Review，本人一作）
[3] 颜盾，肖裕，余小游，张鑫；ADS-B接收芯片中自动带宽修调中频滤波器设计[J]，计算机工程与科学.（CCF T2，本人一作）
[4] 李松亭,颜盾. 射频集成电路校准技术综述[J]. 电子与信息学报,2022,44(11): 4058-4074.（CCF T1，本人二作）
[5] Yu Xiao, Songting Li, Dun Yan, et al. A Passive RFID Temperature Sensor With 0.16°C Resolution, +0.42/-0.83 °C Inaccuracy and 0.234nJ / conversion[J]. IEEE Sensors Journal,2025,: 1.
[6] 颜盾，肖裕，彭绍亮，余小游. ADS-B收发一体芯片及ADS-B收发机: ZL202411601655.4[P]. 2025.1.21.（已授权）
[7] 肖裕，王锋，颜盾，余小游. 基于共模电压的逐次逼近ADC、芯片及模数转换方法: ZL202411584941.4 [P]. 2025.03.11.（已授权）
[8] 肖裕，王锋，颜盾，余小游，张昭瀚.低功耗高精度温度传感器电路：CN202510489253.8（专利申请号）[P].2025.04.18.
余小游，张昭翰，颜盾. 一种低功耗上电复位电路: CN202411741652.0（专利申请号）[P]. 2024.11
