正交解調(diào)器簡(jiǎn)化直接轉(zhuǎn)換接收器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與以往相比，下一代無(wú)線系統(tǒng)的基站接收器必須以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的性能。而直接轉(zhuǎn)換接收器正是解決這對(duì)矛盾的理想方案。雖然這個(gè)方案在過(guò)去也曾被用于不同的設(shè)計(jì)中，但其性能受到包括解調(diào)器在內(nèi)的現(xiàn)有硬件的限制。幸運(yùn)的是，隨著商用集成電路（ic）正交解調(diào)器性能的改善，使直接轉(zhuǎn)換接收器設(shè)計(jì)成為傳統(tǒng)超外差接收器架構(gòu)之外的另一可行的選擇方案。

想要更好地理解直接轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)，只要通過(guò)與超外差系統(tǒng)的接收器方案進(jìn)行比較就一目了然了（圖1）。超外差系統(tǒng)接收器方案因其高選擇性和靈敏性而被普遍采用。在超外差接收器中，接收到的rf信號(hào)先經(jīng)首個(gè)rf預(yù)選濾波器濾除頻段外的信號(hào)，然后通過(guò)低噪聲放大器（lna）放大。位于lna輸出端的第二個(gè)rf預(yù)選濾波器提供額外的過(guò)濾以削弱鏡頻中的干擾信號(hào)。通過(guò)將降頻轉(zhuǎn)換混頻器與本機(jī)振蕩器（lo）相聯(lián)，處理過(guò)的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成較低的中頻（if）。if必須足夠高才能使鏡像頻道降至濾波器的停止頻段內(nèi)。出于對(duì)鏡頻抑制的考慮，if應(yīng)為載波頻率的10% 附近。rf預(yù)選濾波器能去除頻段外能量，拒絕鏡像頻段信號(hào)。超外差接收器在if和基帶級(jí)執(zhí)行頻道過(guò)濾功能，對(duì)這些元器件提出非常高的動(dòng)態(tài)范圍要求。

緊隨if頻道選擇濾波器之后，可用頻道經(jīng)可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蠛?，解調(diào)到基帶中進(jìn)行信號(hào)處理。高品質(zhì)因數(shù)（q）的if頻道選擇濾波器讓可用信號(hào)順利通過(guò)，將包括振幅較大的備用頻道信號(hào)在內(nèi)的無(wú)用信號(hào)排除在外。然而，這樣的選擇濾波器非常昂貴，不合理地提高了超外差接收器的成本。此外，高q濾波器的插入損耗通常很高，需要lna和混頻器級(jí)的額外增益以抵銷濾波器損耗和降低vga噪聲指數(shù)。

由于在基站接收器中l(wèi)na增益固定，混頻器必須達(dá)到很高的線性度才能滿足系統(tǒng)嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)范圍要求。此外，if頻道選擇濾波器擁有能精確調(diào)整到所需頻道帶寬的頻率響應(yīng)功能。if頻道選擇濾波器的不靈活性限制了接收硬件，使后者只能適應(yīng)單一的rf標(biāo)準(zhǔn)。由于無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的多樣性，新型接收系統(tǒng)必須在用于支持某一種標(biāo)準(zhǔn)的有限成本預(yù)算下，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫有效地支持不同標(biāo)準(zhǔn)。

直接轉(zhuǎn)換接收器架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)超外差設(shè)計(jì)的目標(biāo)，但結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不需要像后者那么復(fù)雜（見圖2）。在這一系統(tǒng)中，接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)首個(gè)rf預(yù)選濾波器后，由固定增益lna放大。隨后，rf信號(hào)直接降頻轉(zhuǎn)換成同相（i）和正交（q）基帶信號(hào)而無(wú)需加入if級(jí)。由于沒(méi)有鏡頻，二次rf預(yù)選過(guò)濾的要求無(wú)需像第一次那么嚴(yán)格。實(shí)際上，價(jià)格便宜的rf帶通濾波器能阻止頻段外的強(qiáng)信號(hào)使i/q解調(diào)器超負(fù)載。[如果沒(méi)有這個(gè)濾波器，強(qiáng)頻段外信號(hào)將導(dǎo)致帶內(nèi)二階和三階交調(diào)份量，結(jié)果產(chǎn)生符號(hào)相互干擾（isi）]。當(dāng) rf 信號(hào)解調(diào)到基帶后，單個(gè)頻道選擇通過(guò)采用基帶頻道選擇濾波器實(shí)現(xiàn)?；鶐V波器比超外差接收器的if頻道選擇濾波器更加緊湊和廉價(jià)。此外，基帶頻道選擇濾波器能根據(jù)不同的帶寬進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于多模式和多標(biāo)準(zhǔn)操作。

幸運(yùn)的是，凌特公司lt5515和lt5516 i/q解調(diào)器是現(xiàn)有為數(shù)不多并能提供這類性能的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。這兩款ic均集成了rf信號(hào)分離器、精確正交lo信號(hào)分配器和兩個(gè)高線性度下變頻混頻器的功能。這些芯片能直接將rf信號(hào)降頻轉(zhuǎn)換到基帶，解調(diào)同相（i）和正交（q）信號(hào)成份。它們匹配的i和q頻道以確保精確增益和相位匹配，以致很大程度上減少了校準(zhǔn)的需求。lt5515的工作范圍是1.5到2.5ghz，lt5516則能處理0.8到1.5ghz范圍內(nèi)的rf輸入信號(hào)。這些芯片還在每條i和q頻道上集成單極點(diǎn)260mhz帶寬的低通濾波器 (見表格1) 。

lt5515和lt5516解調(diào)器是需要良好線性度和寬動(dòng)態(tài)范圍接收器的理想解決方案，適用于無(wú)線基站（gsm、cdma、wcdma等）、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和儀器應(yīng)用領(lǐng)域。像正交解調(diào)器等直接轉(zhuǎn)換接收器ic無(wú)需額外的if級(jí)，緩減對(duì)高頻濾波器的需求，特別是免去了if頻道選擇濾波器。通過(guò) +20dbm輸入三階截取 （iip3） 和 +50dbm 輸入二階截?。╥ip2），正交解調(diào)器能滿足基站接收器嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)范圍要求。

直接轉(zhuǎn)換接收構(gòu)架的一個(gè)令人關(guān)注的問(wèn)題是寄生lo泄漏。這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生于i/q解調(diào)器從天線或其它途徑耦合少量的lo能量。lo泄漏與lo本身混合在一起生成了dc偏移。根據(jù)lo泄漏路徑，載波饋通經(jīng)過(guò)可能在有用的基帶信號(hào)上疊加較大和可能隨時(shí)間變化的dc誤差。在基站結(jié)構(gòu)中，由于接收系統(tǒng)是典型平穩(wěn)的，lo自混合產(chǎn)生的dc偏移可能更多的是靜態(tài)而不是隨時(shí)間變化。鑒于lt5515和lt5516采用的是有源而非無(wú)源的混頻器，所以它們僅需 –5dbm lo功率級(jí)，而不是典型無(wú)源混頻器所需的 +10dbm。由于lo和rf端口間的良好隔離性，lo泄漏降至最低，而lt5515僅 -46dbm，lt5516僅 –65dbm。最終，只有幾毫伏的靜態(tài)dc偏移從lo自混合產(chǎn)生。

直接轉(zhuǎn)換方式的另一個(gè)問(wèn)題是由設(shè)備失配產(chǎn)生的dc偏移。失配導(dǎo)致的dc偏差產(chǎn)生于正交解調(diào)器和/或vga。正交解調(diào)器輸出的dc偏移本身并不會(huì)引起接收器故障和性能下降。然而，由于vga電壓空間限制，當(dāng)vga在高增益模式下運(yùn)行，增益高達(dá)60db時(shí)，幾毫伏的dc偏移就足以減少信號(hào)擺幅或使vga飽和，從而降低接收器有效的動(dòng)態(tài)范圍。為處理大阻隔信號(hào)，lna增益通常限制在20db 范圍，以致在信號(hào)微弱情況下到達(dá)混頻器的有用信號(hào)級(jí)可能為幾百毫伏左右。因此，相對(duì)于vga輸入的累計(jì)dc偏移必須控制在上述級(jí)別以下。為進(jìn)一步基帶信號(hào)處理時(shí)正確操作vga，則需要dc偏移消除或ac輸入耦合。

雖然接收器和發(fā)射器在不同頻率下工作，但大多基礎(chǔ)設(shè)施的基站在全雙工模式下運(yùn)行。在這種接收系統(tǒng)中，不必對(duì)dc電壓的定位時(shí)間給予過(guò)多的關(guān)注。在許多現(xiàn)代的無(wú)線接收系統(tǒng)中，基帶信號(hào)幾乎不包含低頻信息。這使lt5515和lt5516解調(diào)器的i和q頻道輸出能ac耦合到基帶濾波器或通過(guò)隔直電容器至vga，從而有效去除dc偏移。lt5515或lt5516每一i頻道和q頻道輸出都通過(guò)一個(gè)60ω電阻內(nèi)部連接在供電電壓上。因此，高通濾波器 –3db滾降頻率由隔直電容器和輸出電阻負(fù)載rload的rc常量確定，其中rload特別大 (遠(yuǎn)大于60ω)。

當(dāng)lt5515或lt5516需要dc耦合至基帶電路時(shí)，數(shù)字偏移去除方法可運(yùn)用到基帶vga輸入上。每一次vga設(shè)置可以通過(guò)基帶處理器上評(píng)估并去除dc偏移。雖然dc偏移并不會(huì)影響接收器的rf性能，但為了vga的正常運(yùn)行，必須將之去除。dc周圍的頻譜損耗能低到幾赫茲。對(duì)于半雙工系統(tǒng)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆椒蓪c偏移分離開，具體是將基帶內(nèi)的載波恢復(fù)、符號(hào)定時(shí)恢復(fù)、自動(dòng)增益控制和數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)合在一起。在接收系統(tǒng)中，典型地是幀結(jié)構(gòu)的前同步信號(hào)有已知的dc信息，允許dc偏移的自適應(yīng)逐幀消除。lo在 –5dbm下運(yùn)行時(shí)，lt5516和lt5515的輸出dc偏移分別只有1mv和4mv。如此低的偏移電壓使接收器可通過(guò)低成本的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)偏移去除。

直接轉(zhuǎn)換接收器需關(guān)注的另一問(wèn)題是偶階失真產(chǎn)物。在傳統(tǒng)超外差接收器中，二階失真通常在頻帶外，很容易被過(guò)濾。然而在直接轉(zhuǎn)換接收器中，偶階失真 (特別是二階產(chǎn)物) 會(huì)引起帶內(nèi)干涉。例如，當(dāng)兩個(gè)頻率范圍接近頻道帶寬強(qiáng)干擾器處于正交解調(diào)器的輸入端時(shí)，解調(diào)器的二階非線性將產(chǎn)生低頻交調(diào)份量。變形產(chǎn)物將落入基帶頻譜，并且無(wú)法在之后的基帶信號(hào)處理中過(guò)濾出去。因此，卓越的iip2是直接轉(zhuǎn)換接收器提供一流性能的前提。解調(diào)器和lo信號(hào)路徑混頻器中存在的失配現(xiàn)象將導(dǎo)致帶內(nèi)二階交調(diào)份量。輸入rf信號(hào)（經(jīng)rf放大器二階變形）的二階諧波也會(huì)與lo信號(hào)的二次諧波混合，產(chǎn)生與前面相同的效果。因此，lt5515和lt5516 (分別是 +51和 +52dbm) 的高iip2在防范基帶信號(hào)免受偶階交調(diào)干涉方面起到十分重要的作用。通過(guò)在i和q輸出端正確過(guò)濾無(wú)用的高頻混合產(chǎn)物，性能還可被進(jìn)一步提升，從而有效防止無(wú)用混頻產(chǎn)物耦合回解調(diào)器，以免生成帶內(nèi)二階交調(diào)。一個(gè)簡(jiǎn)便的方法是用并聯(lián)電容器端接每一輸出。依靠工作頻率和特殊的印制電路板 (pcb) 布局，電容器值可被優(yōu)化。

高性能直接轉(zhuǎn)換接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代基站接收器發(fā)展最前沿的設(shè)計(jì)。雖然直接轉(zhuǎn)換接收器解決方案在過(guò)去的幾十年一直處于研究階段，但就在最近，現(xiàn)有的高性能元器件使直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)在很寬的無(wú)線應(yīng)用范圍內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。