基于零中頻接收機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案

0 概述

零中頻接收機(jī)在幾十年前被提出來，工程中經(jīng)歷多次的應(yīng)用實(shí)踐，但是多以失敗告終，近年來，隨著通信系統(tǒng)要求成本更低，功耗更低，面積更小，集成度更高，帶寬更大，零中方案能夠很好的解決如上問題而被再次提起。

本文將詳細(xì)介紹零中頻接收機(jī)的問題以及設(shè)計(jì)解決方案，結(jié)合TI的零中頻方案TRF3711測試結(jié)果證明，零中頻方案在寬帶系統(tǒng)的基站中是可以實(shí)現(xiàn)的。

1 超外差接收機(jī)

為了更好理解零中頻接收的優(yōu)勢，本節(jié)將簡單總結(jié)超外差接收機(jī)的一些設(shè)計(jì)困難和缺點(diǎn)。

圖一是簡單超外差接收機(jī)的架構(gòu)，RF信號(hào)經(jīng)過LNA(低噪聲放大器)進(jìn)入混頻器，和本振信號(hào)混頻產(chǎn)生中頻信號(hào)輸出，鏡像抑制濾波器濾出混頻的鏡像信號(hào)，中頻濾波器濾除帶外干擾信號(hào)，起到信道選擇的作用，圖中標(biāo)示了頻譜的搬移過程及每一部分的功能。

在超外差接收機(jī)種最重要的問題是怎樣在鏡像抑制濾波器和信號(hào)選擇濾波器的設(shè)計(jì)上得到平衡，如圖一所示，對(duì)濾波器而言，當(dāng)其品質(zhì)因子和插損確定，中頻越高，其對(duì)鏡像信號(hào)的抑制就越好，而對(duì)干擾信號(hào)的抑制就比較差，相反，如果中頻越低，其對(duì)鏡像信號(hào)的抑制就變差，而對(duì)干擾信號(hào)的抑制就非常理想，由于這個(gè)原因，超外差接收機(jī)對(duì)鏡像濾波器和信道濾波器的選擇傳輸函數(shù)有非常高的要求，通常會(huì)選用聲表濾波器(SAW)，或者是采用高階LC濾波器，這些都不利于系統(tǒng)的集成化，同時(shí)成本也非常高。

在超外差接收機(jī)中，由于鏡像抑制濾波器是外置的，LNA必須驅(qū)動(dòng)50R負(fù)載，這樣還會(huì)導(dǎo)致面積和放大器噪聲，增益，線性度，功耗的平衡性問題。

鏡像濾波器和選擇濾波器的平衡設(shè)計(jì)也可采用鏡像抑制架構(gòu)，如圖二所示的Hartley(1)和 Weaver(2)拓?fù)浼軜?gòu)，在A點(diǎn)和B點(diǎn)的輸出是相同極性的有用信號(hào)和極性相反的鏡像信號(hào)，這樣通過后面的加法器，鏡像信號(hào)就可以被抵消掉，從而達(dá)到簡化鏡像濾波器的設(shè)計(jì)，但是這種架構(gòu)由于相位和幅度不平衡，其鏡像信號(hào)沒有辦法完全抑制，如證明(6)，鏡像抑制比IIR.

E指相對(duì)的電壓幅度差，指相位差，如果 E和θ足夠小，式(1)可以簡化為(2)。

這里θ是弧度，如果E=5%,θ=5度，IIR約為26dB,如果要達(dá)到60dB的IIR,需要θ低于0.1度，這是非常難以實(shí)現(xiàn)的，通常這種架構(gòu)可以做到30-40dB的鏡像抑制(7)，所以，即使采用這種架構(gòu)，鏡像抑制濾波器和信道選擇仍然需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。

圖二： Hartley和Weaver鏡像抑制架構(gòu)

2、零中頻接收機(jī)

2.1 零中頻接收機(jī)架構(gòu)及優(yōu)勢

零中頻接收機(jī)架構(gòu)如圖三，是指RF信號(hào)(radio frequency)直接轉(zhuǎn)化到零頻信號(hào)，LPF(低通濾波器)用于近端干擾信號(hào)的抑制， 在零中頻架構(gòu)中，在典型的相位/幅度調(diào)制中，正交的I和Q兩路信號(hào)是必須的，由于兩個(gè)邊帶信號(hào)包含了不同有用信息，必須在相位上區(qū)分。

相較超外差架構(gòu)，零中頻架構(gòu)優(yōu)勢：1:沒有鏡像抑制要求;2:LNA不需要驅(qū)動(dòng)50R負(fù)載;3:采用相同ADC情況下，帶寬是超外差架構(gòu)的兩倍;4:聲表濾波器和復(fù)雜的LC濾波器可以采用簡單的低通濾波器替換，從而利于集成芯片設(shè)計(jì)，如圖四，TRF3711就是采用零中頻架構(gòu)，集成了I/Q解調(diào)器，低頻的可調(diào)增益放大器以及可調(diào)信道選擇濾波器，實(shí)現(xiàn)了高集成方案。

既然零中頻接收架構(gòu)如此簡單，為什么到目前為止，還沒有廣泛應(yīng)用呢?那是因?yàn)榱阒蓄l接收機(jī)極易被各種噪聲污染，從而影響系統(tǒng)性能，下面將討論零中頻接收架構(gòu)的挑戰(zhàn)。