零中頻接收機(jī)中直流偏移問題與技術(shù)解決方案

孔良

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

傳統(tǒng)射頻接收機(jī)的解調(diào)方法是射頻信號(hào)（RF）進(jìn)入天線后，通過下變頻技術(shù)，先將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻（IF）信號(hào)，然后把中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為同相（I）和正交（Q）兩路相互正交的基帶信號(hào)。在信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中，在中頻部分需要加入中頻濾波器。這種解調(diào)方式使得電路變得相對(duì)復(fù)雜、集成度降低、功耗和成本提高[1-5]。

1 零中頻接收機(jī)中的直流偏移（DC-offset）問題

雖然零中頻接機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下四方面的缺陷：閃爍噪聲、直流偏移、I/Q 通道不平衡、偶次諧波失真，須制定相應(yīng)的解決方案[6]。尤其在長(zhǎng)距離傳輸過程中，區(qū)域和地理因素會(huì)引起信號(hào)波動(dòng)，影響信號(hào)的后端處理，并受到諸如直流失配等干擾。造成載波在射頻頻段，載波恢復(fù)困難，只能用在非相關(guān)檢測(cè)方案中，零中頻接機(jī)對(duì)于I/Q 很敏感等問題。事實(shí)上，直流偏移是影響零中頻接收機(jī)性能的關(guān)鍵因素[7-9]。因此，本文將根據(jù)零中頻接收機(jī)直流偏移問題，來設(shè)計(jì)相應(yīng)的解決方案。

2 技術(shù)解決方案

直流偏移產(chǎn)生的主要原因是本振頻率與載波頻率相同，易產(chǎn)生本振泄露，使直流信號(hào)混入有用的信號(hào)中，增大了系統(tǒng)的誤碼率。如何解決零中頻接收機(jī)的直流偏移問題，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案多采用交流耦合的方式，這種方式會(huì)產(chǎn)生兩種缺陷，一是如果直流偏移變化，其響應(yīng)會(huì)非常慢，二是導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出卡爾曼濾波器算法、差動(dòng)法、算法校準(zhǔn)、改變局部振動(dòng)信號(hào)的頻率、動(dòng)態(tài)頻譜資源共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方法，來解決零中頻接收機(jī)的直流偏移問題。

第一，采用新的數(shù)字直流偏移消除方法。使用先進(jìn)的卡爾曼濾波器算法進(jìn)行直流偏移估計(jì)。與其他數(shù)字方法相比，該方法不需要輔助信息，需要的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)較少，處理時(shí)長(zhǎng)較短。

第二，差動(dòng)法。由于其對(duì)共模噪聲的高抗干擾性、對(duì)寄生耦合的良好抑制、動(dòng)態(tài)范圍的增大等優(yōu)點(diǎn)，在射頻集成電路設(shè)計(jì)中越來越受到重視。混頻器是一個(gè)特殊的射頻前端構(gòu)件，通常被設(shè)計(jì)成微分電路。本文設(shè)計(jì)了一種微分混合機(jī)，特別是雙平衡混頻器上實(shí)現(xiàn)，零中頻接收機(jī)如果(zero-intermediate 頻率)或直接變頻架構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)的90nm 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)過程操作5GHz 的頻率，這是一個(gè)典型的頻率的微波存取全球互操作性(WiMAX)接收機(jī)。阻抗匹配是充分優(yōu)化混頻器設(shè)計(jì)的必要條件。零中頻雙平衡混頻器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了11.46 dB 的轉(zhuǎn)換增益和16.53 dB的噪聲，與其他混頻器設(shè)計(jì)相媲美。

第三，通過算法校準(zhǔn)消除了直流偏移。在不可能進(jìn)行電容耦合的情況下，可以通過向系統(tǒng)中注入合適的直流信號(hào)來消除直流不平衡，并且接收機(jī)可以通過計(jì)算輸入信號(hào)來獲得輸入信號(hào)的平均值。將平均值發(fā)送到前面并減去，通常通過數(shù)字計(jì)算得出[10]。

第四，改變局部振動(dòng)信號(hào)的頻率。該方法通過其他頻率的本機(jī)振蕩器信號(hào)、倍頻、分頻和混頻信號(hào)形成與所需信號(hào)相同頻率的信號(hào)。LTC5586s 射頻輸入在500 MHz 到6 GHz 之間匹配，覆蓋所有LTE 頻段，以及正在興起的3.6 GHz 和5 GHz 的4.5G 和5G 頻段。一個(gè)額外的電容器擴(kuò)展匹配從300 到500 兆赫。該解調(diào)器包括前端的RF 開關(guān)，該開關(guān)將兩個(gè)輸入中的一個(gè)引導(dǎo)到可編程衰減器，該衰減器由芯片上的串行總線控制[11-12]。

第五，動(dòng)態(tài)頻譜資源共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)。零中頻接收機(jī)基于全差分I/Q 解調(diào)結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)相同的可調(diào)濾波器陣列，以滿足系統(tǒng)共存對(duì)相鄰信道抑制的要求。根據(jù)抗干擾的需要，計(jì)算和推導(dǎo)了可調(diào)濾波器陣列中各濾波器的性能要求。使用兩個(gè)可調(diào)濾波器陣列可大大提高零中頻射頻接收機(jī)的抗干擾能力。改進(jìn)的可重構(gòu)零中頻射頻接收機(jī)，具有抗干擾能力，可用于特高頻動(dòng)態(tài)頻譜資源共享系統(tǒng)，基于可調(diào)濾波器陣列計(jì)算。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采用兩組可調(diào)濾波器陣列，大大提高了改進(jìn)的零中頻射頻接收機(jī)的抗干擾能力[13]。

3 結(jié)語

針對(duì)零中頻接收機(jī)存在直流偏移問題，如在長(zhǎng)距離傳輸過程中，區(qū)域和地理因素會(huì)引起信號(hào)波動(dòng)，影響信號(hào)的后端處理，并受到諸如直流失配等干擾。因此，本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出卡爾曼濾波器算法、差動(dòng)法、算法校準(zhǔn)、改變局部振動(dòng)信號(hào)的頻率、動(dòng)態(tài)頻譜資源共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方法，來解決零中頻接收機(jī)的直流偏移問題。