直接變頻接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)/多頻帶運(yùn)行的設(shè)計(jì)

直接變頻接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)/多頻帶運(yùn)行的設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)代直接變頻技術(shù)可為現(xiàn)場(chǎng)可編程無(wú)線電設(shè)計(jì)提供極具吸引力的解決方案，并提供比傳統(tǒng)接收器解決方案更高的性價(jià)比和潛在性能優(yōu)勢(shì)。另外，直接變頻架構(gòu)能夠使用單一硬件解決方案在多頻帶運(yùn)行方面提供更多的自由度。因此，直接變頻架構(gòu)無(wú)疑是更具成本效益的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的多標(biāo)準(zhǔn)/多頻帶無(wú)線電設(shè)計(jì)。本文將討論直接變頻接收器信號(hào)鏈在3G和4G無(wú)線蜂窩應(yīng)用環(huán)境中的性能和優(yōu)點(diǎn)。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商一直希望能夠部署通用型無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)，以便通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)編程提供各種蜂窩業(yè)務(wù)。在蜂窩業(yè)務(wù)量密集地區(qū)部署的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施最終需要提供動(dòng)態(tài)靈活性，以允許無(wú)線電硬件適應(yīng)不斷變化的信號(hào)狀態(tài)。多標(biāo)準(zhǔn)/多頻帶無(wú)線電設(shè)計(jì)提供的設(shè)備指配可以經(jīng)過(guò)裁剪定制滿足上述部署需求，從而幫助運(yùn)營(yíng)商解決這一難題。

高性能直接變頻信號(hào)鏈的組成

直接變頻接收器可以直接將RF調(diào)制載波解調(diào)為基帶頻率，其中的信號(hào)被直接檢出，同時(shí)恢復(fù)承載的信息。直接變頻架構(gòu)最早是在1932年開發(fā)的，用于替代超外差式接收機(jī)。由于取消了中頻（IF）級(jí)電路，元件數(shù)量有顯著減少，因此直接變頻架構(gòu)是一種極具吸引力的解決方案。

由于省去了中頻級(jí)電路，并將信號(hào)有效地直接變頻成零中頻頻率，設(shè)計(jì)師就可以忽略與超外差式架構(gòu)有關(guān)的鏡像問(wèn)題。然而，直接變頻也帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括本振泄漏、直流偏移和性能失真等，這些都使得實(shí)際的實(shí)現(xiàn)過(guò)程更加困難。不過(guò)隨著集成式RF電路技術(shù)的最新發(fā)展，傳統(tǒng)直接變頻（零中頻）架構(gòu)已能應(yīng)用于寬帶高性能接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

圖1：寬帶直接變頻接收機(jī)。

寬帶直接變頻接收機(jī)框圖如圖1所示。一些較關(guān)鍵的元件規(guī)格在信號(hào)鏈中作了高亮顯示。接收機(jī)信號(hào)路徑從天線端口開始，并連接到雙工器。雙工器經(jīng)常用于頻域雙工（FDD）系統(tǒng)，如W-CDMA和某些版本的WiMax。雙工濾波器網(wǎng)絡(luò)確保發(fā)射機(jī)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多許可頻帶之外的無(wú)用能量，同時(shí)有助于抑制無(wú)用的帶外信號(hào)，避免過(guò)度驅(qū)動(dòng)接收機(jī)輸入。

通常情況下，多個(gè)低噪聲放大器（LNA）級(jí)后面會(huì)連接額外的選頻濾波電路，以及為了優(yōu)化感興趣頻率范圍內(nèi)的性能而設(shè)計(jì)的補(bǔ)充/匹配網(wǎng)絡(luò)。用于演示用途的這些LNA電路具有非常好的寬帶性能，并能通過(guò)外部調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)提供更好的窄帶性能。在接收機(jī)需要滿足非常寬范圍的頻帶的應(yīng)用中，有必要使用一組開關(guān)矩陣，以便對(duì)不同的天線網(wǎng)絡(luò)和已經(jīng)針對(duì)特定頻帶作過(guò)優(yōu)化的LNA電路級(jí)進(jìn)行配置。

在低噪聲前端之后，所需載頻將通過(guò)IQ解調(diào)器下變頻為基帶頻率。本地振蕩器（LO）被應(yīng)用于載頻與有用信號(hào)相同的I和Q混頻器。這將在基帶I/Q輸出端口產(chǎn)生和頻與差頻，而輸出端口處的低通濾波器將極大地抑制和頻，只允許差頻信號(hào)通過(guò)。對(duì)于零中頻架構(gòu)，差頻代表的是有用信號(hào)的基帶包絡(luò)。利用可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）調(diào)整濾波后的基帶I/Q信號(hào)幅度通常具有很大的優(yōu)勢(shì)。VGA可以將I/Q信號(hào)電平調(diào)整到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換的最佳電平。一般來(lái)說(shuō)，會(huì)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前應(yīng)用額外的濾波電路，以確保高頻噪聲和電位泄漏或干擾音不會(huì)向后混疊進(jìn)有用信號(hào)的分析帶寬。

圖2：圖1所示接收機(jī)的雙音互調(diào)性能。

接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍

接收機(jī)使用的高性能RF集成電路具有寬頻覆蓋范圍和很高的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍。瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍對(duì)任何需要工作在多載頻環(huán)境中的接收機(jī)來(lái)說(shuō)都是關(guān)鍵指標(biāo)，在這種環(huán)境下有用信號(hào)可能存在功率電平非常大的相鄰干擾信號(hào)。雙音SFDR可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供對(duì)非線性行為的更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。常見的做法是，使用單音和雙音干擾信號(hào)測(cè)試接收機(jī)在大信號(hào)強(qiáng)干擾條件下的恢復(fù)能力。通過(guò)研究在雙音激勵(lì)下接收機(jī)的非線性行為可以計(jì)算各種截取點(diǎn)，這些截取點(diǎn)有助于對(duì)接收機(jī)的失真性能和總體動(dòng)態(tài)范圍能力進(jìn)行量化和建模。

圖2描繪了當(dāng)兩組與有用信號(hào)頻率非常接近的CW（連續(xù)波）干擾音出現(xiàn)時(shí)接收機(jī)的I+jQ輸出頻譜。在這種測(cè)試情況下，輸入信號(hào)電平在30dBm左右。這是一種非常惡劣的強(qiáng)干擾情景，比3G和4G蜂窩系統(tǒng)中要求的任何標(biāo)準(zhǔn)特定強(qiáng)干擾測(cè)試條件都要嚴(yán)重得多。在采樣接近或處于基帶頻率的信號(hào)時(shí)，來(lái)自二階、三階、四階甚至五階和七階非線性的諧波失真可能會(huì)限制大信號(hào)輸入條件下的性能。特別要指出的是，I/Q解調(diào)器的非線性行為必須足夠適當(dāng)，以確保從有用和無(wú)用信號(hào)產(chǎn)生的互調(diào)項(xiàng)不會(huì)破壞所需的有用信號(hào)。

不能只關(guān)注三階截取點(diǎn)（IP3）--雖然這是一個(gè)常用失真指標(biāo)，是大多數(shù)窄帶中頻采樣接收機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)焦點(diǎn)--因偶數(shù)階和奇數(shù)階非線性引起的失真項(xiàng)也很重要。這種非線性經(jīng)常用IP2、IP4和IP5等指標(biāo)來(lái)衡量。一般來(lái)說(shuō)，為了確保魯棒性操作，檢查在最壞輸入條件下到達(dá)接收機(jī)分析帶寬內(nèi)的所有雜散信號(hào)非常重要。在這種嚴(yán)格的強(qiáng)干擾條件下，由于高階非線性引起的互調(diào)分量可能落進(jìn)頻帶內(nèi)，進(jìn)而降低接收機(jī)的敏感性。較關(guān)鍵的非線性項(xiàng)被標(biāo)示在圖2中。請(qǐng)注意奇數(shù)階項(xiàng)是如何落在基本輸入音附近的，這有助于解釋附近干擾信號(hào)如何會(huì)產(chǎn)生落在有用信號(hào)頻帶內(nèi)的互調(diào)分量。干擾音的差頻（f2－f1）是接收機(jī)的有限二階非線性造成的，在使用直接變頻架構(gòu)時(shí)同樣可能落在有用信號(hào)頻帶內(nèi)。

ADIsimRF(tm)是ADI公司的一款免費(fèi)在線信號(hào)鏈計(jì)算器，可以用來(lái)建模在各種測(cè)試條件下的接收機(jī)的動(dòng)態(tài)噪聲和失真特性。ADIsimRF可以將非線性截取性能建模和測(cè)試到第七階非線性項(xiàng)，并與預(yù)測(cè)的級(jí)聯(lián)截取值進(jìn)行比較。通過(guò)檢查個(gè)別元件的非線性行為和總體級(jí)聯(lián)結(jié)果，接收機(jī)電路可以得到更好的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)最高等級(jí)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍性能。當(dāng)W-CDMA規(guī)范(ETSI EN 302 217-2-2 V1.2.3 (2007-09))中描述的單音和雙音干擾電平出現(xiàn)時(shí)，使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)噪聲指數(shù)（NF）小于2dB、去靈敏度小于1dB的高靈敏度接收機(jī)。

本振泄漏和直流偏移去靈敏度

向后發(fā)射到RF輸入端口的任何本振泄漏信號(hào)都可能向后反射進(jìn)接收機(jī)，并與本振進(jìn)行自混頻。自混頻將形成本振波形的平方，進(jìn)而產(chǎn)生通常很高頻率、將被基帶濾波器大幅衰減的二次諧波。自混頻還將產(chǎn)生一個(gè)落在直接變頻接收機(jī)頻帶內(nèi)的直流偏移量。請(qǐng)注意圖2中的直流項(xiàng)。

在所有基帶采樣系統(tǒng)中，經(jīng)常要求使用直流偏移校準(zhǔn)和修正方法。殘留直流偏移等效于信號(hào)分析帶寬內(nèi)的干擾信號(hào)。有幾種技術(shù)可以用來(lái)減輕問(wèn)題，包括直流跟蹤和抵消、基帶下的交流耦合或簡(jiǎn)單地選擇具有包括高偶數(shù)階失真性能在內(nèi)的良好直流特性的元件。

正交非理想性與鏡像抑制

I/Q幅度和相位失配將降低信噪比（SNR）水平。在理想的I/Q解調(diào)器中，基帶I/Q信號(hào)分享I與Q矢量之間完整的90度相位關(guān)系，也即所謂的理想正交。在這種狀態(tài)下，數(shù)字域中的符號(hào)辨別能力很容易通過(guò)瞬時(shí)I/Q矢量軌跡判定。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)I/Q失配時(shí)，I/Q符號(hào)矢量將受幅度和相位誤差的影響，最終降低恢復(fù)出來(lái)的感興趣信號(hào)的信噪比。靜態(tài)I/Q損傷可以通過(guò)數(shù)字技術(shù)治愈。研究有效的直接變頻接收機(jī)鏡像抑制性能與來(lái)自載頻的信號(hào)電平和偏移之間的關(guān)系很重要。理解接收機(jī)的單音I/Q損傷有助于簡(jiǎn)化應(yīng)用調(diào)制信號(hào)時(shí)所測(cè)性能的解釋過(guò)程。

調(diào)制誤差比（MER）性能

調(diào)制誤差比（MER）是用來(lái)衡量數(shù)字無(wú)線電發(fā)送機(jī)或接收機(jī)調(diào)制精度的一個(gè)指標(biāo)。在完全線性和無(wú)噪聲的系統(tǒng)中，接收機(jī)接收信號(hào)的所有I/Q符號(hào)軌跡都能映射到真正理想的信號(hào)空間星座圖位置，但具體實(shí)現(xiàn)中的各種非理想性（如幅度不平衡、本底噪聲和相位不平衡）會(huì)使實(shí)際測(cè)出的符號(hào)矢量偏離理想位置。直接變頻接收機(jī)可為各種調(diào)制方案提供理想的MER性能水平。圖3和圖4分別顯示了10MHz寬OFDMA、WiMAX和WCDMA信號(hào)時(shí)MER性能與輸入功率之間的關(guān)系曲線。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)接收機(jī)在接收到的輸入信號(hào)功率范圍內(nèi)有三處獨(dú)特的MER限制。在大信號(hào)電平段，由于接收機(jī)中的非線性而落入頻帶內(nèi)的失真分量將導(dǎo)致MER急劇下降。在中等信號(hào)電平段，接收機(jī)工作于線性方式，信號(hào)遠(yuǎn)高于任何噪聲電平，此時(shí)MER達(dá)到最佳值，并受解調(diào)器正交精度、濾波器網(wǎng)絡(luò)與可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）以及測(cè)試設(shè)備精度的支配。隨著信號(hào)電平的走低，噪聲的影響越來(lái)越顯著，相對(duì)于信號(hào)電平的MER性能將隨信號(hào)電平的下降呈dB-for-dB下降。在更低信號(hào)電平，噪聲將成為主要限制因素，以分貝為單位的MER將直接與SNR呈正比關(guān)系。

圖3：10MHz OFDMA WiMAX信號(hào)下的MER與RF輸入功率關(guān)系曲線。

仔細(xì)觀察圖4可以看出接收機(jī)在各種情形下的恢復(fù)性能。5MHz 低中頻可以被認(rèn)為是最好的情形，因?yàn)樗皇芘c零中頻有關(guān)的任何直流偏移和閃爍噪聲的影響。在較低功率電平，接收機(jī)的噪聲性能是相對(duì)不變的。即使存在單音或雙音強(qiáng)干擾（W-CDMA基站要求的常見測(cè)試情形），噪聲指數(shù)偏離值也只會(huì)在1dB以內(nèi)。

圖4：在零中頻、低中頻和強(qiáng)干擾情況下WCDMA信號(hào)的MER與RF輸入功率關(guān)系曲線。

鏡像抑制比是有用輸入頻率產(chǎn)生的中頻（IF）信號(hào)電平與鏡像頻率產(chǎn)生的中頻信號(hào)電平之比。鏡像抑制比用分貝表示。適當(dāng)?shù)溺R像抑制很關(guān)鍵，因?yàn)殓R像功率可能遠(yuǎn)高于有用信號(hào)功率，從而影響下變頻過(guò)程。圖5給出了W-CDMA的鏡像抑制與多個(gè)中頻頻率的關(guān)系。接收機(jī)可以提供出色的未校準(zhǔn)鏡像抑制性能。通過(guò)額外的數(shù)字校正措施，完全可以達(dá)到75dB以上的鏡像抑制效果，從而允許直接變頻接收機(jī)同時(shí)捕獲功率電平完全不同的多個(gè)相鄰信號(hào)（這是多載頻接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵特性）。

圖5：各種WCDMA中頻的鏡像抑制與RF頻率關(guān)系。

結(jié)束語(yǔ)

最新的直接變頻接收機(jī)能夠提供很高的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍和很寬的RF頻率覆蓋范圍。使用先進(jìn)的RF集成電路，現(xiàn)在完全可以構(gòu)建出高性能的蜂窩基站接收機(jī)。這些接收機(jī)使用固定的硬件解決方案，并能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)編程滿足多種蜂窩標(biāo)準(zhǔn)要求。為了確保魯棒性的接收機(jī)解決方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要特別注意更高階的非線性。通過(guò)研究單音和雙音行為，設(shè)計(jì)師可以更好地理解直接變頻的挑戰(zhàn)和內(nèi)在原理，規(guī)避傳統(tǒng)直接變頻系統(tǒng)中常見的缺點(diǎn)。