零中頻架構(gòu)在接收機(jī)中的應(yīng)用分析

陳葉民 萬良金

【摘要】? ? 隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，大多數(shù)無線電應(yīng)用在滿足性能的前提下，更加關(guān)注無線設(shè)備的成本、功耗及體積，尤其是消費無線電應(yīng)用。零中頻架構(gòu)憑借其低成本、低功耗、體積小等優(yōu)勢在消費級無線接收設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。文章主要分析了零中頻架構(gòu)在無線電接收機(jī)設(shè)計中存在的一些問題以及相應(yīng)的解決方法。

【關(guān)鍵詞】? ? 零中頻架構(gòu)? ? 無線電? ? 接收機(jī)? ? 基帶信號

Abstract：With the rapid development of wireless technology， most radio applications are paying more attention to the cost， power consumption and volume of wireless devices， especially consumer radio applications. Zero-IF architecture has been widely used in consumer-grade wireless receiving devices due to its advantages of low cost， low power consumption and small size. This paper mainly analyses some problems and the corresponding solutions in the design of radio receiver based on zero-IF architecture.

Keywords：Zero-IF architecture; Radio; Receiver; Baseband signal;

引言

隨著無線技術(shù)需求不斷增長、頻譜資源日益擁擠，無線電接收機(jī)設(shè)計不僅要求高性能，同時還需要實現(xiàn)低成本、低功耗、小型化。在傳統(tǒng)超外差接收機(jī)中，一般需要經(jīng)過兩級或者多級變頻，同時受混頻器、中頻濾波器及中頻放大器等器件限制，難以實現(xiàn)接收機(jī)小型化設(shè)計。近年來，通過工藝、設(shè)計和算法組合，零中頻架構(gòu)不僅具有低成本、低功耗、小尺寸等優(yōu)勢，同時在性能上也滿足大多數(shù)無線電應(yīng)用需求。ADI公司的AD9371集成芯片則是零中頻架構(gòu)的一個典型案例。本文將主要分析零中頻架構(gòu)在無線電接收機(jī)設(shè)計中帶來的一些問題以及解決方法。

一、零中頻接收機(jī)

1.1工作原理

零中頻接收機(jī)[5]工作原理是將天線端接收到的射頻信號經(jīng)過濾波器和低噪聲放大器后，與互為正交的兩路同頻本振信號進(jìn)行混頻，分別產(chǎn)生同相和正交兩路基帶信號。信道選擇和增益控制則分別通過芯片內(nèi)部集成的有源低通濾波器和可變增益放大器完成。工作原理框圖如圖1所示。

1.2 鏈路仿真

信號鏈路仿真如圖2所示，整個信號鏈路增益設(shè)為60dB， 接收機(jī)需要20dB左右的信號增益來克服混頻器噪聲（14dB～16dB）。由于零中頻接收機(jī)無鏡像干擾，因此射頻前端帶通濾波器只需要低Q值、低成本的固定調(diào)諧諧振器來抑制帶外信號。信號鏈路其余40dB增益則通過基帶放大器實現(xiàn)。

由整機(jī)信號鏈路增益仿真圖可以看出，接收機(jī)輸出三階節(jié)點值為-6dBm，而實際測試結(jié)果可能會更差。若需要提高輸出三階節(jié)點值，可在數(shù)字部分采用精度更高的A/D集成電路，從而減小模擬部分最后一級的放大倍數(shù)。若采用14位A/D芯片，其動態(tài)理論值為66dB;而采用20位A/D芯片時其動態(tài)理論值可達(dá)102dB，此時模擬部分信號增益至少可降低30dB，整個接收機(jī)的輸出三階節(jié)點值將得到較大提高。

二、問題分析

2.1? 本振泄漏

零中頻接收機(jī)的本振頻率與信號頻率相同，若混頻器本振端口與射頻端口之間隔離性能較差，本振信號則直接耦合至射頻信號路徑中，并以相干方式下變頻至輸出，從而在I/Q信號路徑中表現(xiàn)為增大的直流失調(diào)。基于零中頻架構(gòu)的集成式接收器一般采用模擬優(yōu)化和數(shù)字跟蹤校準(zhǔn)技術(shù)，自動跟蹤并校正信號鏈增益、相位和失調(diào)誤差。

2.2? 偶次失真

典型的射頻接收機(jī)僅對奇次互調(diào)較為敏感。而在零中頻架構(gòu)中偶次互調(diào)失真同樣會給接收機(jī)帶來問題。如圖3所示，兩個高頻干擾經(jīng)過含有偶次失真的低噪聲放大器LNA將產(chǎn)生一個低頻干擾信號。由于混頻器RF輸入端與IF輸出端的隔離有限，干擾信號將經(jīng)過混頻器RF端直通進(jìn)入IF端，從而對基帶信號造成干擾。

偶次失真的另一種表現(xiàn)形式是，射頻信號的二次諧波與本振輸出的二次諧波混頻后，被下變頻至基帶上，與基帶信號重疊造成干擾，其變換過程如圖4所示。偶次失真的解決方法是在低噪放和混頻器中使用全差分結(jié)構(gòu)來抵消。

2.3? 直流偏差

直流偏差[3]是零中頻架構(gòu)所特有的一種干擾，它是由本振信號或者外界干擾信號自混頻引起的。本振泄漏信號從低噪放輸出端、濾波器輸出端及天線端反射進(jìn)入混頻器射頻輸入端，從而與原有本振信號自混頻產(chǎn)生直流信號，如圖5（a）所示。同樣，從外界進(jìn)入低噪放的強(qiáng)干擾信號也會由于混頻器的各端口隔離性能較差而泄漏至本振端，反過來與射頻輸入端的同頻干擾信號自混頻產(chǎn)生直流信號，如圖5（b）所示。這些無用的直流信號將疊加在基帶信號上，并對其構(gòu)成干擾，被稱為直流偏差。直流偏差往往帶來較大噪聲，使接收機(jī)信噪比變差，此外較大的直流偏差還可能導(dǎo)致混頻器后級的放大器飽和，從而導(dǎo)致信號增益失調(diào)。

因此如何消除直流偏差是零中頻接收機(jī)設(shè)計時需要重點關(guān)注的問題，一般可通過以下幾種方式來改善：

2.3.1? 差分驅(qū)動輸入

RF射頻端與LO本振端均采用差分驅(qū)動電路，可最大限度減小RF端與LO端之間的相互影響，并使信號增益最大。

2.3.2? I/Q信號交流耦合輸出

將下變頻后的基帶信號耦合輸出到基帶放大器可消除直流偏差帶來的影響。但對于直流附近集中較大能量的基帶信號，這種方法會導(dǎo)致誤碼率增大，因此抑制直流偏差的有效方法是將待發(fā)射的基帶信號進(jìn)行編碼并采用合適的數(shù)字調(diào)制方式，從而減少基帶信號在直流附近的能量。此時可采用I/Q信號交流耦合輸出的方法來減少直流偏差，此方法廣泛應(yīng)用于寬帶技術(shù)中。

2.3.3? 諧波混頻

初始時設(shè)置本振信號頻率為射頻信號頻率的一半，再將本振信號的二次諧波經(jīng)過帶通濾波器篩選后與射頻輸入信號進(jìn)行混頻，這樣由本振泄漏引起的自混頻將產(chǎn)生一個與本振信號同頻率的交流信號，但不產(chǎn)生直流分量，從而有效地抑制了直流偏差。諧波混頻工作原理如圖6所示。盡管諧波混頻可以將自混頻引起的直流偏差抑制到噪聲水平，但由于使用本振信號的二次諧波分量進(jìn)行混頻，使得電路的增益和噪聲性能均有所下降，從而限制了這種方法的應(yīng)用。

2.3.4? 基帶信號處理

基帶信號大多包含多種直流成分，因此很難確定這些直流分量是屬于有用信號，還是屬于由外部干擾引入的直流偏差。為了更加精確有效地抑制外部干擾，在基帶信號處理時采用專門的算法對直流偏移量進(jìn)行實時測量和動態(tài)補(bǔ)償。

2.4? 閃爍噪聲

有源器件內(nèi)的閃爍噪聲又稱為噪聲，其大小隨著頻率的降低而增加，主要集中在低頻段。因此零中頻架構(gòu)中混頻器不僅需要有一定的信號增益，而且還應(yīng)盡量減小混頻器噪聲。

2.5? I/Q失配

采用零中頻方案進(jìn)行數(shù)字通信時，如果同相和正交兩支路不一致，則會引起基帶I/Q信號變化，即產(chǎn)生I/Q失配問題。目前大多數(shù)集成式收發(fā)芯片針對該問題已有較大改善，但在板級設(shè)計時仍需注意。

三、小結(jié)

上述總結(jié)了零中頻架構(gòu)在接收機(jī)設(shè)計時存在的一些問題及解決方法，但在高性能微型化寬帶接收機(jī)中零中頻架構(gòu)應(yīng)用仍然需要克服以下幾點困難：

一、接收機(jī)射頻前端寬帶濾波器體積難以做得更小，且難以集成在芯片內(nèi)部，因此必須部署在片外;二、由于零中頻接收機(jī)的載波在射頻頻段，載波恢復(fù)困難，故只能用在非相干檢測方案中;三、零中頻接收機(jī)信道選擇性由基帶信號鏈中有源低通濾波器實現(xiàn)。而有源低通濾波器的局限性難以保證接收機(jī)同時滿足動態(tài)范圍大、低噪聲系數(shù)和良好的線性度等性能指標(biāo)。

盡管零中頻接收機(jī)相對傳統(tǒng)超外差接收機(jī)具有低成本、低功耗以及體積小等優(yōu)勢，但是在性能指標(biāo)上仍有待提高，特別是寬帶應(yīng)用時如何保證接收機(jī)各項性能指標(biāo)仍有待進(jìn)一步研究。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]梁曉峰，葉暉.一種零中頻接收機(jī)的直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)[J].現(xiàn)代信息科技，2019，40（10）：38-41

[2]李鑫.零中頻接收機(jī)技術(shù)綜述[J].河南科技，2014（22）：69-69

[3]唐琴，吳建輝.零中頻直流偏移消除技術(shù)比較與分析[J].微電子學(xué)，2008，38（6）：811-815

[4]? 魏苗苗，王竹剛，安軍社.零中頻接收機(jī)中的載波粗估計[J].電子設(shè)計工程，2016，24（17）：90-92

[5]李智群，王志功.零中頻射頻接收機(jī)技術(shù)[J].電子產(chǎn)品世界，2004，7（13）： 67～72

[6]王自強(qiáng)，張春，王志華.無線接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].微電子學(xué)，2004，8（4）： 455～459

[7]方俊，趙春明，莫瑋.零中頻接收機(jī)DC偏移和IM2消除的探討[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，24（3）： 50～53