用直接變頻技術(shù)降低WLAN無線電成本
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零中頻(ZIF)的概念是把信息直接轉(zhuǎn)換到發(fā)送頻帶發(fā)送(在接收端，反過來直接從收到的頻帶恢復(fù)出信息)，它不是一個(gè)新概念，早在超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)之前就已經(jīng)有人研究過。盡管在歷史上，直接下變頻(direct-down-conversion)結(jié)構(gòu)，也稱作自差結(jié)構(gòu)，曾是一種很難真正實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，但因?yàn)槠湔w結(jié)構(gòu)簡單，零部件也可以顯著減少，從而一直引人注意。設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)包括非常棘手的直流偏移問題。但是如果能把先進(jìn)的技術(shù)和優(yōu)良的設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)合起來，許多這樣的問題可以解決，使ZIF技術(shù)既可以用在單邊帶也可以用在雙邊帶無線局域網(wǎng)的無線電臺(tái)上。
采用ZIF技術(shù)確實(shí)可以解決無線電不得不面對(duì)的許多寄生偽頻率干擾問題，付出的代價(jià)是必須解決新出現(xiàn)的一個(gè)非常大的直流信號(hào)。為了解決這一問題，我們必須對(duì)直流電產(chǎn)生的熱量和外圍兩個(gè)要素進(jìn)行考慮。
因?yàn)榇蠖鄶?shù)ZIF無線電臺(tái)放大器工作在基帶，它需要匹配的平衡自動(dòng)增益控制(AGC) 放大器。另外一個(gè)問題是無線電發(fā)射機(jī)本振產(chǎn)生的泄漏正好位于頻帶的中心，會(huì)干擾附近接收機(jī)的正常工作。
零中頻
用ZIF技術(shù)時(shí)，被調(diào)制的信號(hào)是以直流為中心的低頻信號(hào)，它必須與實(shí)際電路引入的各種外來干擾直流低頻率信號(hào)競爭。被處理的信號(hào)不能有任何顯著的直流分量，因?yàn)槲覀儧]有辦法確定這個(gè)直流分量的哪一部分屬于被處理的信號(hào)。符合這個(gè)準(zhǔn)則的有許多波形，例如直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，它使用雙邊帶壓縮的載波相移鍵控調(diào)制。另外一種波形是不用中心載波的正交頻分復(fù)用(OFDM)。
該信號(hào)強(qiáng)度的變化范圍在75dB左右。它可以比混頻器的固有直流偏置引入的直流弱30到40dB。然而，最大的問題是這個(gè)直流不是固定的，而是隨著外部條件的變化而變化，如時(shí)間、電源電壓、溫度等，最糟糕的是它還會(huì)隨著信號(hào)電平調(diào)正增益的變化而變化。這就是說，為了確保這個(gè)直流電平不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，必需進(jìn)行動(dòng)態(tài)直流補(bǔ)償。必需進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)外部因素是信號(hào)在附近表面反射后再次進(jìn)入了天線。由于反射相位角和強(qiáng)度的不同，由此而產(chǎn)生的直流可以有很大范圍的變化。
如果附近表面是運(yùn)動(dòng)著的，還會(huì)產(chǎn)生多普勒分量和一個(gè)快速變化的衰落分量。另外還會(huì)有一個(gè)影響來自于附近表面對(duì)天線本身產(chǎn)生的電壓駐波比(VSWR)。如果由于近場的加載引起了電壓駐波比的變化，信號(hào)就會(huì)被反射回混頻級(jí)，產(chǎn)生直流。因?yàn)檫@個(gè)直流是隨時(shí)間而變化的，所以交流耦合或直流反饋回路的頻率響應(yīng)曲線的拐角必需比這個(gè)由反射引起的直流變化快。這個(gè)頻率通常在100kHz左右。必需考慮把這個(gè)交流耦合的響應(yīng)時(shí)間包括在采集時(shí)間中，特別當(dāng)采用802.11a 協(xié)議時(shí)更應(yīng)該如此，因?yàn)樗辉试S16ms的前導(dǎo)信號(hào)。
直流補(bǔ)償
有幾種辦法可以來對(duì)付直流和增益平衡問題：
● 避免使用ZIF,可考慮使用超外差技術(shù)，這樣把直流排除到頻帶外，信號(hào)可以只用一個(gè)放大器放大；
● 各個(gè)級(jí)之間全都采用交流耦合；
● 使用帶交流耦合反饋的直流耦合(其性能類似交流耦合)。
若要把ZIF概念付諸實(shí)踐，還有許多必要的權(quán)衡工作要做。零中頻接收機(jī)通過天線基本上把整個(gè)頻譜都接收下來，然后通過單邊帶下變頻，把想要的高頻率信號(hào)變換為基帶信號(hào)或者常常是零中頻信號(hào)。接下去，用低通濾波器(LPF)去除所有沒用信號(hào)只留下感興趣的信號(hào)，然后再放大并檢出信號(hào)。
合成器的工作頻率與包含接收信息的高頻是一致的，通過單邊帶下變頻后的信號(hào)頻率是以直流為中心的低頻率信號(hào)。通常，想要接收的低頻率信號(hào)必定與直流信號(hào)一樣進(jìn)行處理，因此它必需克服混頻器中產(chǎn)生的相對(duì)較大的直流偏移，才能正確檢出。此外基帶信號(hào)很復(fù)雜，有實(shí)部和虛部兩部分。這兩部分信號(hào)的幅度變化范圍可以從幾個(gè)毫伏到幾個(gè)伏。放大時(shí)必需要有很高的線性度以維持信號(hào)的相對(duì)幅度和相位不變。所以自動(dòng)增益控制電路必需能在兩個(gè)匹配得非常好的自動(dòng)增益控制放大器中處理很大的增益變化。
ZIF耦合的選擇
有兩種ZIP的耦合方式可供選擇：交流耦合或直流耦合。如果射頻信號(hào)是直接序列擴(kuò)頻或正交頻分復(fù)用類型的, 則基帶信號(hào)可以采用交流耦合的方式，也可以用交流放大器來放大基帶信號(hào)，如圖1所示。
這個(gè)辦法解決了ZIF接收機(jī)的一個(gè)問題。但是用這種辦法有一個(gè)難點(diǎn)，即需要使用大量的分立電容器，而且需要在每一級(jí)上安裝開關(guān)設(shè)法使信號(hào)進(jìn)入或繞過芯片。
由于電路中需要用到許多電容器，目前集成這樣的電路還存在不可克服的技術(shù)難點(diǎn)，因此這個(gè)方法是不可行的。如果把前置放大器、混頻器、低通濾波器和自動(dòng)增益控制放大器都集成在一個(gè)芯片上，而且把信號(hào)看成平衡差分信號(hào)來處理，則每個(gè)交流耦合級(jí)需要八條引腳和四個(gè)電容器。用這種解決辦法至少需要兩個(gè)交流耦合級(jí)。
直流耦合接收機(jī)：可以通過用電容器的辦法來達(dá)到去除直流(DC nulling)的目的, 也可以用直流反饋技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同樣的功能，如圖2所示。在這兩種情況下，都需要高通頻率特性的濾波器。采用直流反饋技術(shù)的好處在于不需要設(shè)法使信號(hào)繞過芯片，也不需要用任何電容器。
典型的頻譜中包含有許多種幅度差別很大的信號(hào)。這樣就有必要為接收機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍很大輸入級(jí)。想接收的信號(hào)可能位于這個(gè)頻譜的低端，也說不定位于高端。所有的信號(hào)處理過程一定以信號(hào)環(huán)境的整個(gè)頻譜范圍來考慮的，直到把帶寬逐步縮小到只出現(xiàn)感興趣的信號(hào)。接下去，需要處理只有這個(gè)感興趣信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。
如果該信號(hào)可以用交流耦合并被實(shí)行硬限制(hard-limited)，則它就很容易處理。然而對(duì)一個(gè)信號(hào)的實(shí)部和虛部分別進(jìn)行硬限制，會(huì)損壞該信號(hào)的相位和幅度特性。因?yàn)榛鶐盘?hào)需要進(jìn)行線性放大，為此必需用具有跟蹤增益控制的一組匹配放大器(包括獨(dú)立的實(shí)部和虛部放大器)來實(shí)現(xiàn)。
其他考慮
因?yàn)榱阒蓄l接收機(jī)沒有中頻級(jí)，就不存在使其覆蓋非常寬的信號(hào)頻率范圍的基本問題。頻率范圍的限制主要取決于預(yù)選擇濾波器、射頻放大器級(jí)和本地振蕩器調(diào)諧范圍的帶寬。了解了這些以后，零中頻接收機(jī)就可以很容易地覆蓋許多頻帶。集成電路技術(shù)允許放大器的緊密匹配，這樣就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。這些放大器必需在一個(gè)很寬的增益控制范圍內(nèi)在增益和相位方面匹配。
另外還需要考慮的是增益控制的反應(yīng)必需非常快以適應(yīng)信息包通信。例如 IEEE802.11a 的信號(hào)前導(dǎo)長度只有16毫秒，自動(dòng)增益控制和直流補(bǔ)償設(shè)定必需在這段時(shí)間內(nèi)完成。
低通濾波器
低通濾波器是零中頻接收機(jī)信道選擇的唯一防線。接收機(jī)帶內(nèi)的信道選擇全靠這個(gè)濾波器實(shí)現(xiàn)。這并非指預(yù)選擇濾波器是不需要的，而是指這個(gè)濾波器覆蓋的頻帶實(shí)在太寬了，因而不能很好地選擇相鄰信道的信號(hào)。
低通濾波器一定要能處理本地振蕩器的泄漏和從混頻器送來的射頻。例如，符合802.11a 協(xié)議要求信號(hào)的低通濾波器的通帶寬度應(yīng)該是8MHz，本振泄漏頻率應(yīng)該是5.3 GHz。所以如果器件的自諧振頻率低于這個(gè)頻率，根據(jù)理論分析，五個(gè)極點(diǎn)Butterworth濾波器是做不到的。如果濾波器是有源的，它將會(huì)需要一個(gè)帶有增益帶寬分量的增益部件。
如果泄漏信號(hào)的頻率等于或大于放大器的增益帶寬，則該濾波器不可能達(dá)到理想的頻率響應(yīng)。如果想把電平幅度大于放大器壓擺率極限值的大幅度的信號(hào)去掉，也會(huì)造成信號(hào)的很大的失真和交叉調(diào)制。
因此，可能需要一個(gè)無源的集中參數(shù)的濾波器或一個(gè)無源和有源的混頻器。從低通濾波器輸出的信號(hào)將包含想要接收的信號(hào)和噪聲還包含所有其他信道的殘留的信號(hào)。在純零中頻情況下，期待的信號(hào)占絕對(duì)優(yōu)勢，因此，不再需要附加的濾波器。
這個(gè)想要接收的信號(hào)，參照天線上場強(qiáng)，可以從-95dBm變化到 -20dBm，因此必需能容納正負(fù)75dB的動(dòng)態(tài)范圍。如果沒有前置放大器，需要采用18位的A/D轉(zhuǎn)換器；如果用一個(gè)60dB的自動(dòng)增益控制(AGC)放大器，則只需要采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器就行了。做一個(gè)高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器和做一個(gè)能滿足要求的平衡放大器各有困難之處，需要做一下權(quán)衡。
若在A/D轉(zhuǎn)換以后還需要做附加的濾波，則附加的動(dòng)態(tài)范圍必需達(dá)到附加的對(duì)A/D轉(zhuǎn)換所要求的精度。在這一點(diǎn)上可以做一些折衷，如果用較高的A/D轉(zhuǎn)換精度，就可以減輕自動(dòng)增益控制放大器的負(fù)擔(dān)，也可以對(duì)A/D轉(zhuǎn)換前的濾波要求低一些。
這些自動(dòng)增益控制放大器是工作在基帶上的，故它們分別位于實(shí)部和虛部路徑，并且具有一致的特性。這就是說，它們是一起受到控制的，必定在整個(gè)信號(hào)強(qiáng)度變化范圍內(nèi)受到控制，輸出變化在1dB左右。這些放大器的相位偏移一定需要在整個(gè)控制范圍內(nèi)得到匹配，但這不是一個(gè)太強(qiáng)制性的需求，因?yàn)檫@些放大器的帶寬可以比信號(hào)帶寬寬得多。
從某些角度看，零中頻無線電其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的超外差式無線電臺(tái)。它不需要使用會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生組延遲現(xiàn)象的聲表面波濾波器。從另外一方面看來，這就是意味著，由于不使用高性能的聲表面波濾波器，零中頻無線電將比較少地受到相鄰無線電的干擾。此外零中頻無線電除了受直流的影響外，更少受到虛假信號(hào)的干擾。但目前零中頻無線電的功率消耗還有些高，為了解決這個(gè)難題，還需要引進(jìn)先進(jìn)的電流技術(shù)。
然而，從所需元件的個(gè)數(shù)這一角度來看，零中頻無線電的結(jié)構(gòu)具有壓倒性的優(yōu)勢，請(qǐng)看圖3。參考建議的IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)，我們知道，零中頻技術(shù)還需要采用先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)來提高必要的實(shí)部/虛部增益以及相位平衡，才能支持54Mbps速率的正交頻分復(fù)用信號(hào)的高錯(cuò)誤矢量幅度和信噪比。這還包括進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)來處理信號(hào)的損壞。
雙頻段零中頻接收機(jī)
圖4所示的雙頻段無線電具有兩個(gè)互相補(bǔ)充的頻段：2.4 GHz ISM 頻段和5.2GHz U-NII 頻段。對(duì)于這種無線來說，最常用的接收技術(shù)是采用一個(gè)濾波器，把這個(gè)濾波器安裝在實(shí)際中可以做到的盡可能接近天線的地方(在任何放大級(jí)前)，而且把頻帶調(diào)得盡可能窄。
如接收機(jī)必需覆蓋一個(gè)頻率段，那么這個(gè)頻率段就是預(yù)選擇濾波器所需要的帶寬。如果接收機(jī)必需覆蓋兩個(gè)頻率段，例如，ISM頻段和U-NII頻段，則可以采用兩種方案來設(shè)計(jì)接收機(jī)：1)在覆蓋不同頻段的兩個(gè)濾波器之間切換；2)把濾波器分割為兩個(gè)通帶。對(duì)這個(gè)兩個(gè)通帶，也需要用一個(gè)合成的開關(guān)逐一進(jìn)行處理。
如果頻率合成器沒有切換開關(guān)，從U-NII頻段切換到ISM頻段需要一個(gè)額外的調(diào)諧區(qū)。這可以用一個(gè)用于壓控振蕩器的元件，即控制電容或電感變化的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。零中頻接收機(jī)沒有虛假頻率問題，所以從理論上講它能處理多個(gè)八輸入(multi-octave-input)濾波器帶寬問題。
實(shí)際上，因?yàn)檫@樣做會(huì)允許更多的信號(hào)帶內(nèi)的能量以及諧波輸入，使得接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求更難實(shí)現(xiàn)。于是，在輸入頻帶中會(huì)存在非常低階的交叉調(diào)制乘積項(xiàng)。若采用雙頻段技術(shù)，在擁擠的PCMCIA線路板尾部還需要采用創(chuàng)新的天線技術(shù)。
結(jié)語
先進(jìn)技術(shù)和優(yōu)良設(shè)計(jì)規(guī)范的互相結(jié)合，為我們帶來了采用直接變頻技術(shù)無線電的許多優(yōu)點(diǎn)，用直接變頻技術(shù)可大幅度降低WLAN無線電成本?！?(環(huán)宇)
評(píng)論