基于近零中頻的改善直接變換接收器設(shè)計淺析

無論是用于傳輸語音還是數(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，無線電接收器處理接收和解調(diào)過程?，F(xiàn)代接收器通常將RF信號下變頻到基帶，在其中對其數(shù)字化和進一步處理。從無線電發(fā)展的歷史上看，接收器使用了超外差(superheterodyne)方式，采用兩級或更多級的下變頻方式，每一級通常都使信號更接近基帶頻率，但代價是復(fù)雜度增大，包括可能需要非常昂貴且笨重的濾波器，也需要多個本地振蕩器，它們可能引入難以濾除的亂真信號響應(yīng)(spurious responses)，這些是超外差技術(shù)的 固有問題。

直接變換是通過將信號從RF頻率直接變到基帶，從而不再需要中間級的過程，將多級壓縮成單級能夠使設(shè)計更簡單。直接變換接收器有時 也稱為零中頻(IF)接收器，因為IF為0Hz。用于下變頻RF信號的本地振蕩器與RF信號的頻率相同，這顯著降低了整體設(shè)計的成本。然而，這種技術(shù)并非沒有挑戰(zhàn)，特別是可能易受從各種源產(chǎn)生的DC偏移影響。最大的問題是由于幅度變化的信道外阻塞信號而導(dǎo)致的DC變化，這些變化的DC分量很難被去除，因為它們不容易和有用信號區(qū)分開。這在采用TDMA的系統(tǒng)中非常普遍，可導(dǎo)致脈沖信號包絡(luò)。在相鄰的接收器中，這個脈沖包絡(luò)會通過一個稱為二階互調(diào)(second-order intermodulation)的過程產(chǎn)生DC偽影。信號的脈沖速率在DC處非常明顯，幾乎與信號無法區(qū)分。在有用信號較弱時，來自附近發(fā)射器的無用信號可能會覆蓋有用信號。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，而不是更長的脈沖串或連續(xù)傳輸(例如在FDMA系統(tǒng)中)，這個問題會變得更加普遍。

近零中頻

從私人/陸地移動無線電到蜂窩系統(tǒng)，都正在變得越來越多由數(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。隨著這種趨勢的加強，與直接變換相關(guān)的直流偏移問題變得更加明顯，但仍然需要權(quán)衡數(shù)字化帶來的許多積極影響。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，即在非常接近基帶頻率下應(yīng)用直接變換，在信號帶寬內(nèi)使用非常低的中頻(或“近零IF”)。

例如，對于一個典型的12.5kHz信道系統(tǒng)，IF可以在3～6kHz范圍內(nèi)。 IF越高，對上述問題的抵抗能力就越強。例如，在具有33Hz重復(fù)率的DMR之類TDMA系統(tǒng)中，DC處的信號將具有峰值在33Hz諧波處的頻譜，雖然這些諧波的幅度在高階處會衰減，但高次諧波仍然具有足夠高的功率而出現(xiàn)問題，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輸出沒有平坦的響應(yīng)，則需要使用數(shù)字濾波器來進行滾降補償(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，反過來又可能導(dǎo)致接收器失去某些管控功能。針對該問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，增強鏡像抑制，或者使用動態(tài)本地振蕩器控制來避免有問題的信道(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)的問題是軟件定義無線電(SDR)架構(gòu)中所固有的，一種似乎合理的解決方案是針對問題采用更高數(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)級設(shè)計。

圖1：基于CMX994的系統(tǒng)級設(shè)計示例。

CXM994系列中的所有器件在輸入端都有一個低噪聲放大器，其信號輸入到下變頻器部分和基帶濾波器(見圖2)。 該濾波器級在信號放大之前能夠去除通道外阻塞信號，然后進一步濾波。CMX994/A/E的差分I/Q輸出之后饋入ADC，進而饋入濾波和解調(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，而且針對低功耗運行進行了優(yōu)化，同時降低了設(shè)計復(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)字域中運行，因此一種誘惑是繼續(xù)應(yīng)用處理周期以實現(xiàn)最高性能。實際上，處理周期需要付出相應(yīng)功耗的代 價，也應(yīng)考慮開發(fā)的時間和成本。CML在直接變換和近零中頻變換系統(tǒng)開發(fā)方面擁有豐富的經(jīng)驗，通過查看空中接口的特定方面，并評估如何應(yīng)用這些技術(shù)來解決問題，因而，確定問題是首先要做的第一步。

這其中涉及利用那些干擾信號來測量結(jié)果以真正識別問題所在。當(dāng)然，最終目標(biāo)是完全免受干擾。在首次開始進行接收機設(shè)計時，近零 中頻正在成為一種非常有效的方法。

通過精心設(shè)計和很好地選擇其他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)的無線電系統(tǒng)相當(dāng)?shù)目垢蓴_性能，同時仍然可受益于直接變換或近零中頻變換的許多優(yōu)勢，例如，可以避免超外差技術(shù)所固有的亂真信號響應(yīng)和復(fù)雜性問題。

無線電系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實現(xiàn)一個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。使用來自CML等專業(yè)供應(yīng)商的專用芯片組可以幫助實現(xiàn)該目標(biāo)，因為這些解決方案能夠解決直接變換設(shè)計流程存在的問題。