051227@52rd_零中頻射頻接收機(jī)技術(shù)

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1、零中頻射頻接收機(jī)技術(shù)作者：東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所李智群王志功2004年7月A版?摘要：零中頻(ZeroIF)或直接變換(Direct-Conversion)接收機(jī)具有體積小、成本低和易于單片集成的特點(diǎn)，正成為射頻接收機(jī)中極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種結(jié)構(gòu)。本文在介紹超外差(SuperHeterodyne)結(jié)構(gòu)與零中頻結(jié)構(gòu)性能和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析零中頻結(jié)構(gòu)存在的本振泄漏(LOLeakage)、偶次失真(Even-OrderDistortion)、直流偏差(DCOffset)、閃爍噪聲(FlickerNoise)等問(wèn)題，并

2、給出零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)技術(shù)。關(guān)鍵詞：零中頻；超外差；本振泄漏；自混頻??引言近年來(lái)隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)產(chǎn)品越來(lái)越普及，成為當(dāng)今人類信息社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。射頻接收機(jī)位于無(wú)線通信系統(tǒng)的最前端，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和選擇合適的制造工藝，以提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，是射頻工程師追求的方向。由于零中頻接收機(jī)具有體積小、成本低和易于單片集成的特點(diǎn)，已成為射頻接收機(jī)中極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種結(jié)構(gòu)，在無(wú)線通信領(lǐng)域中受到廣泛的關(guān)注。本文在介紹超外差結(jié)構(gòu)和零中頻結(jié)構(gòu)性能和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分

3、析零中頻結(jié)構(gòu)可能存在的問(wèn)題，并給出零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)技術(shù)。?超外差接收機(jī)超外差(SuperHeterodyne)體系結(jié)構(gòu)自1917年由Armstrong發(fā)明以來(lái)，已被廣泛采用。圖1為超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。在此結(jié)構(gòu)中，由天線接收的射頻信號(hào)先經(jīng)過(guò)射頻帶通濾波器(RFBPF)、低噪聲放大器(LNA)和鏡像干擾抑制濾波器(IRFilter)后，進(jìn)行第一次下變頻，產(chǎn)生固定頻率的中頻(IF)信號(hào)。然后，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻帶通濾波器(IFBPF)將鄰近的頻道信號(hào)去除，再進(jìn)行第二次下變頻得到所需的基帶信號(hào)。低噪聲放大器(LNA

4、)前的射頻帶通濾波器衰減了帶外信號(hào)和鏡像干擾。第一次下變頻之前的鏡像干擾抑制濾波器用來(lái)抑制鏡像干擾，將其衰減到可接受的水平。使用可調(diào)的本地振蕩器(LO1)，全部頻譜被下變頻到一個(gè)固定的中頻。下變頻后的中頻帶通濾波器用來(lái)選擇信道，稱為信道選擇濾波器。此濾波器在確定接收機(jī)的選擇性和靈敏度方面起著非常重要的作用。第二下變頻是正交的，以產(chǎn)生同相(I)和正交(Q)兩路基帶信號(hào)。超外差體系結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最可靠的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈敏度。由于有多個(gè)變頻級(jí)，直流偏差和本振泄漏問(wèn)題不會(huì)影響

5、接收機(jī)的性能。但鏡像干擾抑制濾波器和信道選擇濾波器均為高Q值帶通濾波器，它們只能在片外實(shí)現(xiàn)，從而增大了接收機(jī)的成本和尺寸。目前，要利用集成電路制造工藝將這兩個(gè)濾波器與其它射頻電路一起集成在一塊芯片上存在很大的困難。因此，超外差接收機(jī)的單片集成因受到工藝技術(shù)方面的限制而難以實(shí)現(xiàn)。?零中頻接收機(jī)由于零中頻接收機(jī)不需要片外高Q值帶通濾波器，可以實(shí)現(xiàn)單片集成，而受到廣泛的重視。圖2為零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。其結(jié)構(gòu)較超外差接收機(jī)簡(jiǎn)單許多。接收到的射頻信號(hào)經(jīng)濾波器和低噪聲放大器放大后，與互為正交的兩路本振信號(hào)混頻，分別產(chǎn)生同相和正交

6、兩路基帶信號(hào)。由于本振信號(hào)頻率與射頻信號(hào)頻率相同，因此混頻后直接產(chǎn)生基帶信號(hào)，而信道選擇和增益調(diào)整在基帶上進(jìn)行，由芯片上的低通濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃魍瓿?。零中頻接收機(jī)最吸引人之處在于下變頻過(guò)程中不需經(jīng)過(guò)中頻，且鏡像頻率即是射頻信號(hào)本身，不存在鏡像頻率干擾，原超外差結(jié)構(gòu)中的鏡像抑制濾波器及中頻濾波器均可省略。這樣一方面取消了外部元件，有利于系統(tǒng)的單片集成，降低成本。另一方面系統(tǒng)所需的電路模塊及外部節(jié)點(diǎn)數(shù)減少，降低了接收機(jī)所需的功耗并減少射頻信號(hào)受外部干擾的機(jī)會(huì)。不過(guò)零中頻結(jié)構(gòu)存在著直流偏差、本振泄漏和閃爍噪聲等問(wèn)題。因此

7、有效地解決這些問(wèn)題是保證零中頻結(jié)構(gòu)正確實(shí)現(xiàn)的前提。本振泄漏(LOLeakage)零中頻結(jié)構(gòu)的本振頻率與信號(hào)頻率相同，如果混頻器的本振口與射頻口之間的隔離性能不好，本振信號(hào)就很容易從混頻器的射頻口輸出，再通過(guò)低噪聲放大器泄漏到天線，輻射到空間，形成對(duì)鄰道的干擾，圖3給出了本振泄漏示意圖。本振泄漏在超外差式接收機(jī)中不容易發(fā)生，因?yàn)楸菊耦l率和信號(hào)頻率相差很大，一般本振頻率都落在前級(jí)濾波器的頻帶以外。偶次失真(Even-OrderDistortion)典型的射頻接收機(jī)僅對(duì)奇次互調(diào)的影響較為敏感。在零中頻結(jié)構(gòu)中，偶次互調(diào)失真同樣

8、會(huì)給接收機(jī)帶來(lái)問(wèn)題。如圖4所示，假設(shè)在所需信道的附近存在兩個(gè)很強(qiáng)的干擾信號(hào)，LNA存在偶次失真，其特性為y(t)=a1x(t)+a2x2(t)。若x(t)=A1cosw1t+A2cosw2t，則y(t)中包含a2A1A2cos(w1-w2)t項(xiàng)，這表明兩個(gè)高頻干擾經(jīng)過(guò)含有偶次失真的LNA將產(chǎn)生一個(gè)低頻干擾信號(hào)。若混頻器是理想的，此