射頻接收芯片結(jié)構(gòu)選擇的幾個(gè)要點(diǎn)

　　摘要： 概述無線接收器的幾種常見結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)要分析各自優(yōu)缺點(diǎn)。著重介紹在接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇上的考慮要點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 射頻;接收器;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　如果簡(jiǎn)單的把射頻芯片設(shè)計(jì)分成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、路模塊設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段，那么，我們知道，越早出現(xiàn)不良設(shè)計(jì)對(duì)后面的設(shè)計(jì)工作造成的難度越大，為得到相同效果所花費(fèi)的代價(jià)也就越大，由此系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。射頻接收器結(jié)構(gòu)的確定可以說是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本任務(wù)。

　　一般而言，在現(xiàn)代的射頻系統(tǒng)中，天線接收到的信號(hào)頻率很高而且具有極小的信道帶寬。如果考慮直接濾出所需信道，則濾波器的Q值將非常大，而且高頻電路在增益、精度和穩(wěn)定性等方面的問題，在目前的技術(shù)條件下，對(duì)信號(hào)直接在高頻段解調(diào)是不現(xiàn)實(shí)的。使用混頻器將高頻信號(hào)降頻，在一個(gè)中頻頻率進(jìn)行信道濾波、放大和解調(diào)可以解決高頻信號(hào)處理所遇到的上述困難，但是又引入了另一個(gè)嚴(yán)重的問題，即鏡像頻率干擾：當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的頻率與本振(LO)信號(hào)頻率差在頻率軸上對(duì)稱地位于本振信號(hào)的兩邊，或者說它們的絕對(duì)值相等但是符號(hào)相反，那么經(jīng)過混頻后這兩個(gè)信號(hào)都將被搬移到同一個(gè)中頻頻率。如果其中一個(gè)是有用信號(hào)，另一個(gè)是噪聲信號(hào)，那么噪聲信號(hào)所在的頻率就稱為鏡像頻率，這種經(jīng)過混頻后的干擾現(xiàn)象通常被稱為鏡頻干擾。為了抑制鏡頻干擾，普遍采用的方法是利用濾波器濾除鏡像頻率成份。但是由于該濾波器工作在高頻頻段，其濾波效果取決于鏡頻頻率與信號(hào)頻率之間的距離，或者說取決于中頻頻率的高低。如果中頻頻率高，信號(hào)頻率與鏡像頻率相距較遠(yuǎn)，那么鏡像頻率成份就受到較大的抑制;反之，如果中頻頻率較低，信號(hào)頻率與鏡像頻率相隔不遠(yuǎn)，濾波的效果就較差。但另一方面，由于信道選擇在中頻頻段進(jìn)行，基于同樣的理由，較高的中頻頻率對(duì)信道選擇濾波器的要求也較高。所以，鏡像頻率抑制與信道選擇形成了一對(duì)矛盾，而中頻頻率的選擇成為平衡這對(duì)矛盾的關(guān)鍵。在一些要求較高的應(yīng)用中，常常使用兩次或三次變頻來取得更好的折衷。

　　依靠考慮周到的中頻頻率選擇和高品質(zhì)的射頻(鏡像抑制)和中頻(信道選擇)濾波器，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的超外差接收機(jī)可以達(dá)到很高的靈敏度、選擇性和動(dòng)態(tài)范圍，長(zhǎng)久以來成為經(jīng)典的傳統(tǒng)選擇。如前所述，超外差接收機(jī)在抑制鏡像頻率干擾、敏度和選擇性上有較大優(yōu)勢(shì)，而且多級(jí)轉(zhuǎn)換無直流漂移和信號(hào)泄漏，但是也有成本高、對(duì)IR濾波器有較高要求、需要低噪聲放大器(LNA)和混頻器(Mixer)與50W的良好匹配等缺點(diǎn)，而且鏡像頻率抑制濾波器和信道選擇濾波器通常不適于單片集成。

　　后來的零中頻(Zero IF)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，不需要抑制濾波器，交互調(diào)制降低，較適合單片集成。但也有直流失調(diào)、信號(hào)泄漏的缺點(diǎn)，而且需要高頻、相噪的頻率合成器，給電路設(shè)計(jì)也帶來一定難度。與零中頻相似，低中頻(Low IF)結(jié)構(gòu)也適于集成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示(兩圖均以2.4GHz頻段的IEEE802.15.4協(xié)議為例)。但需要注意的是帶內(nèi)鏡像頻率信號(hào)的抑制。通常需要70dB的鏡像抑制比，但往往片上集成只能達(dá)到40dB或更少。

圖1  零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2  低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)

　　其他接收結(jié)構(gòu)還有寬帶-雙中頻接收機(jī)、采樣接收機(jī)、數(shù)字中頻接收機(jī)等。寬帶-雙中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)具有易集成、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是閃爍噪聲影響和二階互調(diào)失真明顯，且有射頻中頻串?dāng)_的問題。子采樣接收機(jī)和數(shù)字中頻接收機(jī)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)有較高要求，如需要ADC有足夠高的動(dòng)態(tài)范圍，帶通Σ-Δ ADC( Band pass Σ-Δ ADC)等，而帶通Σ-Δ ADC有較大的設(shè)計(jì)難度。

　　如前所述的原因，現(xiàn)在的射頻芯片采用零中頻和低中頻方案的設(shè)計(jì)較為普遍，也是射頻接收端通常需要仔細(xì)評(píng)估的兩種方案。零中頻采用IQ解調(diào)的方法提取相位，正交成分等信息，由ADC將其數(shù)字化后處理。低中頻則采用典型的限頻鑒頻器從調(diào)制載波中提取信號(hào)。

　　低中頻結(jié)構(gòu)避免了自動(dòng)增益控制(Automatic gain control, AGC)電路且對(duì)信道信號(hào)的好壞有較快的響應(yīng)速度，由此降低了接收機(jī)及相關(guān)電路的復(fù)雜度。鑒頻器等電路易于設(shè)計(jì)，不要求載波同步及大電流，占用芯片面積也較小。不過相對(duì)于采用相干解調(diào)的零中頻結(jié)構(gòu)，低中頻結(jié)構(gòu)的靈敏度會(huì)有3dB的損失。而且通常低中頻結(jié)構(gòu)需要一個(gè)信道濾波器獲得有效載波頻率，降低噪聲，鄰道干擾等的影響。如果射頻系統(tǒng)所使用的協(xié)議所限定的信號(hào)頻率寬度，鄰道選擇要求較寬松，則對(duì)濾波器的要求就比較低。低中頻結(jié)構(gòu)還需要鏡像抑制混頻器降低鏡像干擾問題。

　　對(duì)于低碼元(chip)率的協(xié)議，如2M Chips/s，要求調(diào)頻寬度約為2 MHz。如果中頻過低，信道濾波器相對(duì)帶寬過高，那么濾波器也很難實(shí)現(xiàn)，而且也難以將中頻信號(hào)濾出，則將難度轉(zhuǎn)嫁給了基帶的數(shù)字濾波器。相反，中頻濾波器頻率過高就要求放大器的帶寬足夠大。

　　相比于低中頻，零中頻結(jié)構(gòu)不需要本振在接收和放射模式間改變頻率，也就降低了頻率合成器設(shè)計(jì)的難度。零中頻結(jié)構(gòu)也不需要鏡像抑制混頻器，因?yàn)榱阒蓄l結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生鏡像頻率。相比于相等帶寬的中頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)，零中頻結(jié)構(gòu)只需要更簡(jiǎn)單的低通濾波器以確定I路與Q路輸出信噪比。零中頻結(jié)構(gòu)可以在濾波器匹配和同步檢波技術(shù)上獲得最佳解調(diào)效果。

　　不過零中頻相比于低中頻技術(shù)也有自身的缺點(diǎn)。比如需要AGC，混頻器后的直流偏移(DC offset)消除電路，并且由于信號(hào)分I、Q兩路，故須兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及一個(gè)共用的ADC來對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。IQ兩路與基帶芯片或集成的基帶電路之間需要一個(gè)IQ模擬接口，IQ結(jié)構(gòu)存在一個(gè)重要設(shè)計(jì)難點(diǎn)就是IQ平衡問題。IQ兩路間的幅值和相位失衡將產(chǎn)生IQ圖像疊加在有用信號(hào)上，這會(huì)降低EVM性能。所以，零中頻結(jié)構(gòu)有時(shí)還需要額外的電路來隔離基帶芯片以實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)。表1給出在一種IEEE802.15.4的射頻接收器在0.18mm工藝下的兩種設(shè)計(jì)方案的面積對(duì)比。

　　通過上面的敘述，簡(jiǎn)要比較了幾種常見接收結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇最適合協(xié)議的結(jié)構(gòu)還包括對(duì)功耗、總體匹配、鏡像消除、閃爍噪聲與品質(zhì)噪聲等方面的考慮。在低功耗考慮方面可以有直接變頻、通S-D ADC( Low pass S-D ADC)、交帶通S-D ADC( Quadrature band pass S-D ADC)等考慮。對(duì)于不同的協(xié)議，他們的閃爍噪聲、碼率等情況都有所不同，需要仿真后得出結(jié)論。

　　總之，接收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為哪種結(jié)構(gòu)“好”哪種結(jié)構(gòu)“不好”，而是需要認(rèn)真的分析協(xié)議要求，根據(jù)相關(guān)參數(shù)仿真，而且最終的定案會(huì)牽涉到多方面的折衷考慮。

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