直接變頻接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)/多頻段接收

移動(dòng)蜂窩運(yùn)營商一直渴望著能夠通過部署可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場可編程來提供各種移動(dòng)業(yè)務(wù)的通用無線基礎(chǔ)設(shè)施。最終，在蜂窩業(yè)務(wù)流量比較高的地區(qū)所部署的無線基礎(chǔ)設(shè)施要求能夠提供動(dòng)態(tài)靈活度，使射頻硬件能適應(yīng)不斷變化的信號條件。多標(biāo)準(zhǔn)/多頻段射頻設(shè)計(jì)通過提供可以經(jīng)簡單定制就能滿足部署需求的設(shè)備指配，有助于解決上述難題。相對于傳統(tǒng)的接收機(jī)，先進(jìn)的直接變頻為現(xiàn)場可編程射頻設(shè)計(jì)提供了一個(gè)具有競爭力的解決方案，并節(jié)省了成本，另外還具有潛在的性能優(yōu)勢。此外，在利用單一硬件方案來解決多頻段接收時(shí)，直接變頻架構(gòu)提供了更大的自由度。這是一種正在使高性能的多標(biāo)準(zhǔn)/多頻段射頻設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)的、更具成本效益的解決方案。本文將討論3G和4G蜂窩應(yīng)用中直接變頻接收機(jī)的性能和優(yōu)點(diǎn)。

高性能直接變頻信號鏈

直接變頻接收機(jī)將射頻已調(diào)載波直接解調(diào)到可以直接檢測信號并恢復(fù)所傳信息的基帶頻率。直接變頻架構(gòu)最早發(fā)明于1932年，用來替代超外差接收機(jī)。由于省去了中頻級，因而元器件數(shù)量也減少，使其成為一個(gè)具有吸引力的解決方案。通過省去所有的中頻級，將信號直接變頻到零中頻，消除了超外差架構(gòu)中所存在的鏡像問題。不過，直接變頻架構(gòu)也存在一些挑戰(zhàn)，包括本振泄漏、直流偏置、失真大，這都使得實(shí)際實(shí)現(xiàn)變得很困難。不過，目前集成射頻電路技術(shù)的最新進(jìn)展，已使得傳統(tǒng)的直接變頻(零差拍)架構(gòu)可以用于寬帶高性能接收機(jī)應(yīng)用。

圖1：寬帶直接變頻接收機(jī)架構(gòu)。

圖1所示為寬帶直接變頻接收機(jī)架構(gòu)。在信號鏈中，已標(biāo)出一些關(guān)鍵器件的指標(biāo)。接收機(jī)信號通道從連接到一個(gè)雙工器的天線口開始。雙工器通常用于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)，如W-CDMA和某些版本的WiMAX。該雙工濾波網(wǎng)絡(luò)確保發(fā)射機(jī)不會(huì)產(chǎn)生太多的許可頻段之外的有害能量，同時(shí)有助于抑制接收機(jī)輸入過驅(qū)引入的任何帶外有害信號。通常，在幾級低噪聲放大器之后，都會(huì)跟有附加的頻段可選濾波以及衰減/匹配網(wǎng)絡(luò)，目的是優(yōu)化有用頻率范圍內(nèi)的接收性能。圖示中的幾級LNA提供了極好的寬帶性能，還利用外部調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)提升了窄帶性能。而在接收機(jī)需要解決一個(gè)非常寬的頻段接收時(shí)，也許有必要采用一個(gè)開關(guān)矩陣來配置專門為一些特定頻段優(yōu)化的天線網(wǎng)絡(luò)和LNA前端。在低噪聲前端之后，利用IQ解調(diào)器將有用載波頻率下變頻到基帶頻率，一個(gè)與有用信號的載波頻率相同的本振信號加到I/Q混頻器上，在基帶I/Q輸出口，產(chǎn)生和頻與差頻，而低通濾波器抑制和頻，只允許差頻通過。對于零中頻來說，所展現(xiàn)的差頻就是有用信號的基帶包絡(luò)。利用可變增益放大有利于量化濾波后的基帶I/Q信號的幅度。利用VGA可以將I/Q信號電平調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的最佳電平。通常，在ADC之前還需要加入額外的濾波，以確保不會(huì)將高頻噪聲和可能的泄漏、或者干擾混疊到有用信號分析帶寬內(nèi)。

接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍

該接收機(jī)采用了可以提供寬頻段覆蓋和瞬時(shí)大動(dòng)態(tài)范圍的高性能射頻集成電路。瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍是用在多載波應(yīng)用環(huán)境中所有接收機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)檫@里與有用信號相鄰的可能是一些功率電平很高的強(qiáng)干擾信號。雙音SFDR能夠使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對非線性特性進(jìn)行更精確的預(yù)測。而通常的實(shí)際做法是，利用單音或雙音干擾信號，測試接收機(jī)在強(qiáng)信號阻塞條件下的恢復(fù)能力。通過研究雙音激勵(lì)條件下接收機(jī)的非線性特性，能夠計(jì)算各種截點(diǎn)，有助于對接收機(jī)量化以及為失真性能和總動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行建模。

圖2：圖1中所示接收機(jī)的雙音互調(diào)性能。

圖2給出了當(dāng)有用信號頻率臨近地方存在兩個(gè)連續(xù)波強(qiáng)干擾時(shí)接收機(jī)的I+jQ輸出頻譜。本測試范例中，所加的輸入信號電平為–30dBm。這代表著比任何所規(guī)定的3G和4G蜂窩系統(tǒng)中所需的阻塞測試條件都要更加嚴(yán)苛的阻塞場景。對靠近或基帶頻率上的信號進(jìn)行采樣時(shí)，由2nd、3rd、4th，甚至是5th和7th諧波所導(dǎo)致的失真將會(huì)影響大信號輸入條件下的性能。特別地，I/Q解調(diào)器的非線性特性需求特別高，以確保產(chǎn)生自有用信號和無用信號的互調(diào)項(xiàng)不會(huì)劣化感興趣的有用信號。這里與只是將焦點(diǎn)集中在絕大多數(shù)窄帶中頻采樣接收機(jī)設(shè)計(jì)中的常見失真-即三階截點(diǎn)(IP3)上不同，關(guān)注由偶數(shù)和奇數(shù)非線性所引起的失真項(xiàng)也很重要。這類非線性通常用IP2、IP4和IP5進(jìn)行量化。通常，為了保證穩(wěn)健可靠的工作，重要的是要評估在最壞輸入條件下進(jìn)入接收機(jī)分析帶寬中的所有雜散信號。在這類嚴(yán)重的阻塞條件下，由高階非線性所產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物將會(huì)落入頻帶內(nèi)并降低接收機(jī)的靈敏度。圖2中標(biāo)出了比較關(guān)鍵的非線性項(xiàng)。請注意幾個(gè)奇數(shù)項(xiàng)與輸入基頻的靠近程度。這有助于解釋究竟距離多近的干擾信號將會(huì)引起落入有用信號帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物。當(dāng)采用直接變頻架構(gòu)時(shí)，干擾信號的差頻(f2–f1)-接收機(jī)的有限2nd階非線性的產(chǎn)物，也會(huì)落入有用信號的頻帶內(nèi)。

ADIsimRF?是ADI公司的免費(fèi)在線信號鏈計(jì)算器，可以用來對各種測試條件下的接收機(jī)的動(dòng)態(tài)噪聲和失真特性進(jìn)行建模。非線性截點(diǎn)特性可以通過建模并測試出來，一直到高達(dá)7th次非線性項(xiàng)，并且可以與有ADIsimR所預(yù)測的級聯(lián)截點(diǎn)進(jìn)行比較。通過對單個(gè)器件和整個(gè)級聯(lián)的非線性特性進(jìn)行評估，整個(gè)接收鏈路能夠得到更好的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)最高的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍性能。利用該方案的高靈敏度接收機(jī)的噪聲系數(shù)小于2dB，且在施加W-CDMA規(guī)范(ETSI EN 302 217-2-2 V1.2.3 (2007-09))所規(guī)定的單音和雙音干擾電平時(shí)，接收機(jī)的降敏小于1dB。

本振泄漏和直流偏置所引起的降敏

泄漏到射頻輸入端口的任何本振信號都將發(fā)射回接收機(jī)中并與本振信號形成自混頻。自混頻導(dǎo)致本振信號的平方項(xiàng)，這將產(chǎn)生二次諧波，雖然通過低通濾波可以大大衰減自混頻產(chǎn)生的高頻，但直流卻落入到直接混頻接收機(jī)的頻帶內(nèi)。請注意圖2中的直流項(xiàng)。

在基帶采樣系統(tǒng)中通常需要采用直流偏置校準(zhǔn)和修正方法。殘留的直流偏置等效于信號分析帶寬內(nèi)的干擾信號。有幾種可以減小該影響的技術(shù)，包括直流跟蹤對消，基帶采用交流耦合，或者采用簡單的方法——即通過選擇具有優(yōu)異直流特性(包含較高偶次項(xiàng)失真特性)的器件。

非理想正交和鏡像抑制

I/Q幅度和相位失配將會(huì)引起信噪比性能降低。理想的I/Q解調(diào)器中，基帶I/Q信號的I和Q向量之間的相位關(guān)系為90度，這就是所謂的理想正交。在理想條件下，數(shù)字域里符號的鑒別可以很容易地通過瞬時(shí)I/Q向量軌跡來實(shí)現(xiàn)。然而當(dāng)系統(tǒng)中具有I/Q失配時(shí)，I/Q符號向量將具有幅度和相位誤差，這將降低恢復(fù)信號的信噪比。I/Q的靜態(tài)誤差可以通過數(shù)字技術(shù)來消除。而研究直接變頻接收機(jī)的有效鏡像抑制與信號電平和偏移載波頻率的量之關(guān)系是非常重要的。正確理解接收機(jī)的單音I/Q失配的影響，將有助于簡化對加入一個(gè)調(diào)制信號時(shí)所測得性能的解釋過程。

調(diào)制誤差比性能

調(diào)制誤差比(MER)是用來衡量數(shù)字發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的調(diào)制精度的一種方法。在一個(gè)理想線性和無噪系統(tǒng)中，接收機(jī)接收到信號的所有I/Q符號都將映射到信號空間星座圖的準(zhǔn)確位置上，而設(shè)計(jì)中的各種非理想型(如幅度失衡、噪聲基底以及相位失衡)都將引起實(shí)測到的符號向量偏離其理想位置。該直接變頻接收機(jī)給出了各種調(diào)制方案所應(yīng)效仿的MER性能水平。

圖3：10MHz OFDMA WiMAX信號的MER與射頻輸入功率的關(guān)系。

圖4：零中頻、低中頻和阻塞干擾情況下WCDMA信號的MER與射頻輸入功率的關(guān)系。

圖3和圖4分別繪出了用于10MHz寬的OFDM，WiMAX和WCDMA信號的不同功率上MER性能。通常，針對所接收到的輸入信號功率，接收機(jī)有三個(gè)明顯限制MER的因素。強(qiáng)信號時(shí)，由于接收機(jī)非線性所引起的落入帶內(nèi)的失真分量將會(huì)大大降低MER。信號電平為中等時(shí)，接收機(jī)工作在線性狀態(tài)，信號又遠(yuǎn)大于任何噪聲貢獻(xiàn)，此時(shí)MER達(dá)到其最佳值，這時(shí)其主要控制因素有解調(diào)器的正交精度、濾波網(wǎng)絡(luò)和可變增益放大器(VGA)，以及測試設(shè)備的精度等。隨著信號電平的持續(xù)降低，噪聲成為主要因素，此時(shí)MER性能將隨著信號電平逐dB下降。低信號電平時(shí)，噪聲為主要限制因素，以分貝為單位的MER將與SNR成正比關(guān)系。

仔細(xì)觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)接收機(jī)在各種場景中的恢復(fù)性能。5MHz低中頻是最好的情況，因?yàn)椴粫?huì)受到與零中頻相關(guān)的任何直流偏置和閃爍噪聲的影響。在低功率電平上，接收機(jī)的噪聲性能相當(dāng)恒定。即便有單音或雙音強(qiáng)干擾(W-CDMA基站規(guī)范中一種常見測試)時(shí)，噪聲系數(shù)的偏差也位于1dB之內(nèi)。

鏡像抑制比是有用輸入信號頻率所產(chǎn)生的中頻信號電平與鏡像頻率所產(chǎn)生的中頻信號電平之比。鏡像抑制比的單位為分貝。適度的鏡像抑制比是非常關(guān)鍵的，因?yàn)殓R像功率可能遠(yuǎn)高于有用信號功率，從而影響下變頻性能。圖5給出了W-CDMA的鏡像抑制與不同中頻頻率的關(guān)系。該接收機(jī)提供了出色的未校準(zhǔn)鏡像抑制性能。通過附加的數(shù)字校正技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)大于75dB的鏡像抑制，從而使得直接變頻接收機(jī)能夠同時(shí)捕獲數(shù)個(gè)相鄰但功率相差很大的信號(這是多載波接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵性能)。

圖5：W-CDMA的鏡像抑制與不同中頻頻率的關(guān)系。

作者：Rakesh Soni

RF應(yīng)用工程師

Eric Newman

RF應(yīng)用系統(tǒng)工程師

RF和網(wǎng)絡(luò)元件部門

ADI公司