基于近零中頻的改善直接變換接收器設(shè)計(jì)淺析

無(wú)論是用于傳輸語(yǔ)音還是數(shù)據(jù)，RF通信鏈路都是現(xiàn)代生活的基本組成部分。發(fā)射器將信息調(diào)制到射頻，無(wú)線電接收器處理接收和解調(diào)過(guò)程?，F(xiàn)代接收器通常將RF信號(hào)下變頻到基帶，在其中對(duì)其數(shù)字化和進(jìn)一步處理。從無(wú)線電發(fā)展的歷史上看，接收器使用了超外差(superheterodyne)方式，采用兩級(jí)或更多級(jí)的下變頻方式，每一級(jí)通常都使信號(hào)更接近基帶頻率，但代價(jià)是復(fù)雜度增大，包括可能需要非常昂貴且笨重的濾波器，也需要多個(gè)本地振蕩器，它們可能引入難以濾除的亂真信號(hào)響應(yīng)(spurious responses)，這些是超外差技術(shù)的 固有問(wèn)題。

直接變換是通過(guò)將信號(hào)從RF頻率直接變到基帶，從而不再需要中間級(jí)的過(guò)程，將多級(jí)壓縮成單級(jí)能夠使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。直接變換接收器有時(shí) 也稱為零中頻(IF)接收器，因?yàn)镮F為0Hz。用于下變頻RF信號(hào)的本地振蕩器與RF信號(hào)的頻率相同，這顯著降低了整體設(shè)計(jì)的成本。然而，這種技術(shù)并非沒(méi)有挑戰(zhàn)，特別是可能易受從各種源產(chǎn)生的DC偏移影響。最大的問(wèn)題是由于幅度變化的信道外阻塞信號(hào)而導(dǎo)致的DC變化，這些變化的DC分量很難被去除，因?yàn)樗鼈儾蝗菀缀陀杏眯盘?hào)區(qū)分開(kāi)。這在采用TDMA的系統(tǒng)中非常普遍，可導(dǎo)致脈沖信號(hào)包絡(luò)。在相鄰的接收器中，這個(gè)脈沖包絡(luò)會(huì)通過(guò)一個(gè)稱為二階互調(diào)(second-order intermodulation)的過(guò)程產(chǎn)生DC偽影。信號(hào)的脈沖速率在DC處非常明顯，幾乎與信號(hào)無(wú)法區(qū)分。在有用信號(hào)較弱時(shí)，來(lái)自附近發(fā)射器的無(wú)用信號(hào)可能會(huì)覆蓋有用信號(hào)。由于現(xiàn)在使用的許多數(shù)字調(diào)制方案遵循這種短串脈沖模式，而不是更長(zhǎng)的脈沖串或連續(xù)傳輸(例如在FDMA系統(tǒng)中)，這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得更加普遍。

近零中頻

從私人/陸地移動(dòng)無(wú)線電到蜂窩系統(tǒng)，都正在變得越來(lái)越多由數(shù)字傳輸主導(dǎo)，接收器暴露于在相同頻帶中工作的脈沖信號(hào)。隨著這種趨勢(shì)的加強(qiáng)，與直接變換相關(guān)的直流偏移問(wèn)題變得更加明顯，但仍然需要權(quán)衡數(shù)字化帶來(lái)的許多積極影響。借助于CML Microcircuits(CML)提供的解決方案，可以構(gòu)建出非常受歡迎的設(shè)計(jì)，即在非常接近基帶頻率下應(yīng)用直接變換，在信號(hào)帶寬內(nèi)使用非常低的中頻(或“近零IF”)。

例如，對(duì)于一個(gè)典型的12.5kHz信道系統(tǒng)，IF可以在3～6kHz范圍內(nèi)。 IF越高，對(duì)上述問(wèn)題的抵抗能力就越強(qiáng)。例如，在具有33Hz重復(fù)率的DMR之類TDMA系統(tǒng)中，DC處的信號(hào)將具有峰值在33Hz諧波處的頻譜，雖然這些諧波的幅度在高階處會(huì)衰減，但高次諧波仍然具有足夠高的功率而出現(xiàn)問(wèn)題，因此IF需要足夠高才能免受這些諧波的影響。

采用近零中頻變換所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶寬略有增加，如果I/Q輸出沒(méi)有平坦的響應(yīng)，則需要使用數(shù)字濾波器來(lái)進(jìn)行滾降補(bǔ)償(roll-off compensaTIon)。近零中頻方法還有一些其他挑戰(zhàn)，其中包括在一側(cè)落入相鄰信道內(nèi)的鏡像響應(yīng)(image response)，這可能導(dǎo)致相鄰信道抑制(channel rejecTIon)，例如一側(cè)為65 dB，另一側(cè)僅為30 dB，反過(guò)來(lái)又可能導(dǎo)致接收器失去某些管控功能。針對(duì)該問(wèn)題有各種各樣的解決方案，其基本原理或者是使用某種形式的校準(zhǔn)方案，增強(qiáng)鏡像抑制，或者使用動(dòng)態(tài)本地振蕩器控制來(lái)避免有問(wèn)題的信道(即優(yōu)化抗干擾性能)。

處理需要功率

與直接變換和近零中頻相關(guān)的問(wèn)題是軟件定義無(wú)線電(SDR)架構(gòu)中所固有的，一種似乎合理的解決方案是針對(duì)問(wèn)題采用更高數(shù)字處理能力，但數(shù)字處理可能需要大量功率，在一些應(yīng)用中可能令人望而卻步。CML開(kāi)發(fā)的解決方案包括一系列直接變換IC，它們具有非常先進(jìn)的功能，能夠以最低功耗提供最佳結(jié)果。其中一款產(chǎn)品是CMX994/A/E，采用了一種名為PowerTrade的專有技術(shù)，可用于動(dòng)態(tài)平衡功耗與所需性能。圖1顯示了基于CMX994系列的典型系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

圖1：基于CMX994的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)示例。

CXM994系列中的所有器件在輸入端都有一個(gè)低噪聲放大器，其信號(hào)輸入到下變頻器部分和基帶濾波器(見(jiàn)圖2)。 該濾波器級(jí)在信號(hào)放大之前能夠去除通道外阻塞信號(hào)，然后進(jìn)一步濾波。CMX994/A/E的差分I/Q輸出之后饋入ADC，進(jìn)而饋入濾波和解調(diào)階段。這種方案是一種高性能直接變換/近零中頻變換芯片組，而且針對(duì)低功耗運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

圖2：CMX994系列器件功能框圖。

完美的解決方案

由于這些系統(tǒng)的“后端”通常在數(shù)字域中運(yùn)行，因此一種誘惑是繼續(xù)應(yīng)用處理周期以實(shí)現(xiàn)最高性能。實(shí)際上，處理周期需要付出相應(yīng)功耗的代 價(jià)，也應(yīng)考慮開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。CML在直接變換和近零中頻變換系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)查看空中接口的特定方面，并評(píng)估如何應(yīng)用這些技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題，因而，確定問(wèn)題是首先要做的第一步。

這其中涉及利用那些干擾信號(hào)來(lái)測(cè)量結(jié)果以真正識(shí)別問(wèn)題所在。當(dāng)然，最終目標(biāo)是完全免受干擾。在首次開(kāi)始進(jìn)行接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，近零 中頻正在成為一種非常有效的方法。

通過(guò)精心設(shè)計(jì)和很好地選擇其他RF模塊(例如本地振蕩器)，CMX994E能夠獲得與基于傳統(tǒng)超外差技術(shù)的無(wú)線電系統(tǒng)相當(dāng)?shù)目垢蓴_性能，同時(shí)仍然可受益于直接變換或近零中頻變換的許多優(yōu)勢(shì)，例如，可以避免超外差技術(shù)所固有的亂真信號(hào)響應(yīng)和復(fù)雜性問(wèn)題。

無(wú)線電系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠具備所有高品質(zhì)因數(shù)的解決方案，包括性能、成本、尺寸、靈活性和功率。使用來(lái)自CML等專業(yè)供應(yīng)商的專用芯片組可以幫助實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，因?yàn)檫@些解決方案能夠解決直接變換設(shè)計(jì)流程存在的問(wèn)題。