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用戶對(duì)體積更小、價(jià)格更低、功耗更小的手機(jī)需求促使業(yè)界關(guān)注射頻接收機(jī)的發(fā)展,設(shè)計(jì)人員不得不重新考慮接收機(jī)的結(jié)構(gòu)、元器件、各部分的集成以及怎樣才能降低成本。本文介紹在設(shè)計(jì)GSM射頻接收機(jī)時(shí)應(yīng)該如何看待直接轉(zhuǎn)換型接收機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷,并提出了相應(yīng)的解決方案。
超外差式接收機(jī)將一個(gè)可調(diào)諧的本地振蕩器(LO)與輸入信號(hào)混頻,將接收的RF信號(hào)轉(zhuǎn)換到中頻(圖1)。在混頻器輸出處使用一個(gè)中心頻率固定的窄帶濾波器,然后再進(jìn)行放大和解調(diào)。通常,在LNA前后都要使用RF濾波器,以便讓所需頻帶中所需信道的信號(hào)通過(guò)。通常RF濾波器是以增大其尺寸和成本為代價(jià)來(lái)獲得所需的帶寬和保證其抑制鏡像信號(hào)干擾的能力,而濾波器的帶寬和抗干擾能力又決定了系統(tǒng)可以達(dá)到的IF頻率。
超外差式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于濾波和放大通常發(fā)生在某個(gè)固定的頻率,而不需要可調(diào)諧的高Q值帶通濾波器,也不必進(jìn)行穩(wěn)定的寬帶放大。在某些系統(tǒng)中,為了把放大和選擇性分布到多個(gè)中頻上以獲得更多的信道,還要使用多中頻。
盡管超外差式結(jié)構(gòu)是一種很好的接收機(jī)結(jié)構(gòu),但其中仍然必須使用IF濾波器。而接收機(jī)中每個(gè)元件的成本和尺寸對(duì)整個(gè)設(shè)備影響很大,所以如果能夠去掉IF濾波器(該濾波器通常為體積笨重而且價(jià)格昂貴的聲表面波器件),對(duì)設(shè)備生產(chǎn)商而言就非常具有吸引力。隨著多模手機(jī)的發(fā)展,超外差式接收機(jī)需要對(duì)每種模式中的每個(gè)通道帶寬都用一個(gè)單獨(dú)的IF SAW濾波器來(lái)進(jìn)行處理,這就增大了元件的尺寸、元件數(shù)量,因而也相應(yīng)增大了接收機(jī)的成本。
通常超外差式接收機(jī)都將中頻選得很高,因?yàn)檫@樣可以在RF階段進(jìn)行預(yù)濾波時(shí)就將帶外鏡像信號(hào)濾除,有時(shí)可以在混頻級(jí)就濾除鏡像信號(hào)。有一種特殊的混頻器叫做鏡像抑制混頻器,在混頻器處理的末級(jí)加入相位抵消信號(hào),以此消除鏡像信號(hào)(圖2)。除了采用這種混頻器以外,還可以通過(guò)適當(dāng)規(guī)劃頻率,使鏡像信號(hào)恰好落在有用信號(hào)的相鄰信道中,這樣就可以消除鏡像信號(hào)。多年來(lái),鏡像信號(hào)消除技術(shù)已廣為人知,并且已經(jīng)在不計(jì)其數(shù)的接收機(jī)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。通過(guò)利用這種技術(shù),我們就可以將接收機(jī)的中頻選得很低。
低中頻的好處在于可降低功耗,并使濾波器元件更容易集成到芯片上,從而減少了元件總數(shù)。如果在放大級(jí)再采用交流耦合,那么還可以消除所有與直流偏移有關(guān)的問(wèn)題。
但這種接近零中頻的接收機(jī)設(shè)計(jì)方案有一個(gè)缺點(diǎn),那就是它所采用的多相濾波器與直接轉(zhuǎn)換型接收機(jī)中相應(yīng)的低通濾波器相比,需要更多元件。另外,鏡像信號(hào)能否很好地濾除取決于本振(LO)的正交精確度(正交相移網(wǎng)絡(luò)和多相濾波器的匹配程度),而本振的正交精確度會(huì)隨處理過(guò)程和溫度條件的不同而產(chǎn)生變化。
在模擬和數(shù)字混合的實(shí)現(xiàn)方案中,鏡像抑制功能在實(shí)現(xiàn)時(shí)被分為模擬相移和數(shù)字相移兩部分,而且A/D轉(zhuǎn)換在IF處完成。這種處理方式與基帶轉(zhuǎn)換方式相比,功耗更大,對(duì)采樣時(shí)鐘的控制也要求得更嚴(yán)格,因?yàn)闀r(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)使IF信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程發(fā)生退化。
直接轉(zhuǎn)換型接收機(jī)
直接轉(zhuǎn)換型接收機(jī)(也稱作零中頻接收機(jī)或零差接收機(jī))是一種特殊的超外差接收機(jī)。在這種接收機(jī)中,LO與有用RF信道的頻率相同,也就是說(shuō),該接收機(jī)的IF頻率為零,或者說(shuō)該接收機(jī)的IF信號(hào)從直流開始,這樣放大和濾波就能在直流處實(shí)現(xiàn),而在直流處只需較低的功耗就可以獲得與在較高中頻處相同的增益,同時(shí)還可以用片上的電阻電容實(shí)現(xiàn)濾波,而無(wú)需外加一個(gè)既昂貴又龐大的SAW濾波器。
此外,將濾波器放在基帶還可以在不增大電路板面積的條件下實(shí)現(xiàn)多頻帶濾波,因?yàn)檫@時(shí)濾波是在片內(nèi)完成的,所以說(shuō)直接轉(zhuǎn)換方式在今后的多模接收機(jī)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵。在理想情況下,直接轉(zhuǎn)換式接收機(jī)似乎完美無(wú)缺(見表1),但實(shí)際上,設(shè)計(jì)師要想從直接轉(zhuǎn)換式接收機(jī)設(shè)計(jì)方案中受益,就必須對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行周密的考慮,一步一步克服他們所面臨的困難。
大多數(shù)接收機(jī)設(shè)計(jì)師都知道三階失真,這種失真通過(guò)三階截矩點(diǎn)(IP3)進(jìn)行量化。三階失真是由于兩個(gè)相鄰信號(hào)互相干擾產(chǎn)生的,干擾的頻率為M*f1±N*f2,其中M與N之和為3。例如,一個(gè)接收機(jī)被調(diào)諧到其所需信道f0上,在f0附近有兩個(gè)輸入信號(hào),頻率分別為f1=f0+△和f2=f0 + 2△。那么RF級(jí)產(chǎn)生的非線性會(huì)造成以下四個(gè)頻率處的三階失真:
2f1 + f2 = 2f0 + 2△ + f0 + △= 3f0 + 3△,該失真與接收機(jī)的有用信道的間隔是f0,因而較易通過(guò)濾波濾除,其次:
2f2 + f1 = 2f0 + 4△ + f0+ △ = 3f0 + 5△,該失真距f0也比較遠(yuǎn)。再次:
2f2 - f1 = 2f0 + 4△ - f0 - △ = f0 + 3△,該失真可以通過(guò)一個(gè)窄帶濾波器濾除。最后:
2f1 - f2 = 2f0 + 2△ - f0 - 2△ = f0,該失真與接收機(jī)有用信道頻率相同。
交調(diào)乘積與接收機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān),無(wú)法通過(guò)濾波消除,只能通過(guò)在LNA和混頻器級(jí)實(shí)現(xiàn)足夠的線性度來(lái)將其降至最小。
直接轉(zhuǎn)換型接收機(jī)的問(wèn)題
直接轉(zhuǎn)換型接收機(jī)也存在幾個(gè)問(wèn)題,如由LO-RF泄漏導(dǎo)致的自檢、直流偏移和AM檢波。在實(shí)際情況下,有些直接轉(zhuǎn)換問(wèn)題也會(huì)影響低IF超外差接收機(jī)。
第一個(gè)問(wèn)題是由LO-RF泄漏導(dǎo)致的自檢,這種情況之所以會(huì)產(chǎn)生,是因?yàn)橹苯愚D(zhuǎn)換接收機(jī)中的本振與目標(biāo)信號(hào)完全同頻。這樣,任何LO信號(hào)的泄漏到達(dá)RF輸入端或接收天線之后,都會(huì)以直流偏移的形式通過(guò)整個(gè)信號(hào)鏈路。直接轉(zhuǎn)換接收機(jī)中最基本的操作就是將輸入頻率為fC+△的信號(hào)與頻率為fLO的本振信號(hào)混頻,其中△為調(diào)制帶寬,產(chǎn)生兩個(gè)頻率分別為fMIXOUT = (fC + △ - fLO) 和(fC + △ + fLO)的輸出:
其中第二項(xiàng)結(jié)果的頻率為載波頻率的兩倍,很容易濾除。而第一項(xiàng)則更有趣一些,因?yàn)閷LO= fC代入fMIXOUT = (fC + △ - fLO )可以得到:
fMIXOUT= fLO+△ - fLO= △
也就是說(shuō),混頻之后,調(diào)制被轉(zhuǎn)化為從直流到調(diào)制帶寬這個(gè)頻帶內(nèi)完成,這時(shí)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換都很容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)某些信道內(nèi)的LO泄漏(頻率為fC)被送至混頻器的RF端時(shí),會(huì)產(chǎn)生直流偏移問(wèn)題,結(jié)果如下:
fLO- fLO= 0(或直流)
為了減少這種因素造成的影響,在設(shè)計(jì)中常采用屏蔽技術(shù)以及一些其它布線技術(shù)。此外還有一種方法就是在芯片內(nèi)將LO信號(hào)頻率由信道外變到信道內(nèi),以此減少泄漏路徑。對(duì)于單頻帶應(yīng)用,可以使LO工作于要抑制頻率的半頻處(或者倍頻處),而對(duì)于多頻帶應(yīng)用,則可以采用一個(gè)再生分頻器來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
在將LO-RF泄漏帶來(lái)的直流偏移降低之后,第二個(gè)問(wèn)題就凸現(xiàn)出來(lái)了,那就是基帶放大級(jí)固有的直流偏移以及這種直流偏移隨溫度的漂移。這時(shí),最好的解決辦法就是在設(shè)計(jì)放大部分時(shí)倍加小心,要保證該部分電路能提供足夠的增益,同時(shí)也要保證這個(gè)增益不能過(guò)大。因?yàn)槿绻鶐Р糠衷鲆孢^(guò)大,那么盡管造成的偏移可以立刻被糾正,但這種偏移可能會(huì)繼續(xù)漂移,于是就必須進(jìn)行額外的溫度補(bǔ)償。
有三種方法可以處理接收機(jī)中的偏移。
1. 連續(xù)反饋法,既能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)也能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。目的是使混頻器輸出處的直流誤差為零。要達(dá)到這個(gè)目的,通常要求基帶處理器和軟件之間能緊密配合,但這樣不同廠商生產(chǎn)的RF IC和基帶控制器及軟件就很難配套。
2． “跟蹤-保持”法。首先在有效脈沖到來(lái)之前對(duì)直流偏移進(jìn)行估算(這時(shí)系統(tǒng)處于跟蹤模式),然后當(dāng)有效脈沖到來(lái)時(shí),將直流偏移值存儲(chǔ)起來(lái)(這時(shí)系統(tǒng)處于保持模式)。這整個(gè)過(guò)程通常可以完全集成到射頻芯片中去,在芯片上由本地產(chǎn)生所有必要的定時(shí)信號(hào),使整個(gè)過(guò)程對(duì)用戶透明。該方法實(shí)現(xiàn)時(shí)要處理多時(shí)隙數(shù)據(jù)(如GPRS中的多時(shí)隙數(shù)據(jù)),還要確保在跟蹤模式中得到十分準(zhǔn)確的直流偏移估計(jì)值。在多時(shí)隙數(shù)據(jù)中,每個(gè)時(shí)隙的基帶增益都可能有所不同,因此系統(tǒng)沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行重新校準(zhǔn)。這種方案既能在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)也能在模擬域?qū)崿F(xiàn)。
3． 開環(huán)法。此時(shí)射頻芯片已經(jīng)大大降低了直流偏移,并且對(duì)所使用的A/D轉(zhuǎn)換器性能要求較低(這種A/D轉(zhuǎn)換器的可用動(dòng)態(tài)范圍通常為60到65dB),不但如此,這些芯片對(duì)軟件也沒有任何特殊要求。
直接轉(zhuǎn)換接收機(jī)中的第三個(gè)問(wèn)題是AM檢波。AM檢波指當(dāng)一個(gè)AM輸入信號(hào)足夠大時(shí),混頻器會(huì)檢出其調(diào)制包絡(luò),并將該包絡(luò)復(fù)制,作為混頻輸出。引發(fā)AM檢波的原因有幾個(gè),其中包括RF與LO的耦合和二階失真。其中,二階失真可以由二階截距點(diǎn)(即IP2)來(lái)表示和量化。在蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)中,AM檢波會(huì)影響接收系統(tǒng)的實(shí)際性能。
作者:Jon Strange
Kent設(shè)計(jì)中心主任
模擬器件公司
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Doug Grant
業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)
RF與無(wú)線系統(tǒng)事業(yè)部
模擬器件公司
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