【導讀】在一個(gè)射頻通信系統中，噪聲，尤其是信噪比（SNR），是無(wú)線(xiàn)接收機中的一個(gè)基本問(wèn)題。高噪聲電平會(huì )限制系統的容量、覆蓋范圍，以及許多對系統運營(yíng)商和終端用戶(hù)都有重大影響的相關(guān)特性。射頻通信接收機是射頻電路中比較重要的一部分，射它能在頻信號經(jīng)天線(xiàn)接收后，經(jīng)過(guò)相關(guān)濾波器和放大器，將射頻信號進(jìn)行一系列的頻率變化，最終將信號調節成所需要的調制信號。
在一個(gè)射頻通信系統中，噪聲，尤其是信噪比（SNR），是無(wú)線(xiàn)接收機中的一個(gè)基本問(wèn)題。高噪聲電平會(huì )限制系統的容量、覆蓋范圍，以及許多對系統運營(yíng)商和終端用戶(hù)都有重大影響的相關(guān)特性。射頻通信接收機是射頻電路中比較重要的一部分，射它能在頻信號經(jīng)天線(xiàn)接收后，經(jīng)過(guò)相關(guān)濾波器和放大器，將射頻信號進(jìn)行一系列的頻率變化，最終將信號調節成所需要的調制信號。
超外差接收機
超外差結構能提供非常好的性能，但這種結構需要大量分離元件，像濾波器等。這種結構無(wú)法單芯片集成實(shí)現，因此出現了零中頻，低中頻接收機結構。超外差接收機自從1917首次出現以來(lái)一直作為接收機設計的主要結構。直到2000，出現了零中頻接收機，這種接收機結構適合完全集成實(shí)現。
圖1 一級混頻的超外差結構
圖1所示為單級混頻的超外差結構，混頻器利用本振信號將RF信號下變頻到IF頻率。超外差結構由以下模塊組成：輸入帶通濾波器，低噪聲放大器，鏡像抑制濾波器，混頻器，中頻濾波器，AD。
輸入帶通濾波器通常用于抑制帶外干擾信號，防止帶外強干擾信號阻塞低噪聲放大器。通常輸入帶通濾波器帶寬比較寬，由多個(gè)信道組成。鏡像濾波器用于抑制鏡像頻率，關(guān)于鏡像濾波器我們下面會(huì )做詳細介紹?；祛l之后的IF帶通濾波器決定了接收機的通道選擇性，用于抑制鄰道信號功率，同時(shí)IF帶通濾波器也通常作為AD前端的抗混疊濾波器。
零中頻接收機
超外差接收機需要解決的主要問(wèn)題就是鏡像頻率抑制問(wèn)題。而零中頻接收機通過(guò)將信號直接轉換到基帶（0Hz），從而克服了鏡像抑制問(wèn)題。其結構如下：
圖2 零中頻接收機結構
零中頻接收機本振頻率（LO）和射頻信號頻率（RF）相等，鏡像頻率也就是信號頻率本身。不存在鏡像頻率干擾的問(wèn)題，原超外差接收機結構中的鏡像抑制濾波器及中頻濾波器都可以省略。這樣一方面取消外部元件，有利于系統的單芯片實(shí)現。
如圖2所示，混頻器后面是一個(gè)模擬低通濾波器，該濾波器作為通道選擇濾波器和AD前端的抗混疊濾波器。如果接收機的通道選擇性完全由該濾波器實(shí)現，那么要求該濾波器的截止頻率為信號帶寬的一半，以有效抑制鄰道和更遠端的信道干擾。
由于該濾波器工作在低頻，因此可以用有源模擬濾波器實(shí)現，注意上下兩個(gè)分支幅度響應匹配。有源模擬濾波器相對于超外差接收中的無(wú)源中頻濾波器輸入動(dòng)態(tài)范圍有限，并且阻帶衰減有限。
零中頻接收機結構雖然減小鏡像信號抑制問(wèn)題，但同時(shí)帶來(lái)了其他問(wèn)題。這些問(wèn)題主要是由于輸入信號的放大組要集中在基帶。這些問(wèn)題包括：
接收機的偶次非線(xiàn)性失真
本振泄露和直流偏置
直流偏置
Flicker噪聲
低中頻接收機
低中頻接收機嘗試解決零中頻接收機的直流偏置及flicker噪聲問(wèn)題，但同時(shí)保持零中頻接收機的高集成性。很多無(wú)線(xiàn)標準要求鄰道干擾的抑制度相對于其他信道的干擾要相對較弱。低中頻接收機充分利用這樣的規定，選擇合適的中頻頻率將鄰道信號作為其鏡像信號。
圖3 低中頻接收機結構
信號經(jīng)過(guò)第一級混頻，輸出低中頻信號。I，Q兩路信號經(jīng)過(guò)低通濾波器（抗混疊濾波器），然后抽樣。正如前面提到的，由于I，Q兩路幅度和相位不匹配，很難獲得超過(guò)40dB的鏡像抑制比。如果不進(jìn)行較正，通過(guò)能過(guò)獲得25dB到35dB的鏡像抑制比。如圖所示，AD后面有兩個(gè)放大器和加法電路組成的校正支路，通過(guò)這個(gè)支路可以顯著(zhù)提高鏡像抑制比。
三種接收機的比較
今天比較三種常用接收機架構的優(yōu)勢和挑戰——外差接收機、直接采樣接收機和直接變頻接收機。我們的意圖并非要褒揚某種方案而貶抑其他方案，相反，本文旨在說(shuō)明這些方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并鼓勵大家按照工程準則選擇最適合特定應用的架構。
外差接收機
外差方法久經(jīng)檢驗，性能出色。實(shí)施原理是混頻到中頻 （IF）。IF需選擇足夠高的頻率，使得實(shí)際濾波器在工作頻段中能夠提供良好的鏡像抑制和LO隔離。當有超高動(dòng)態(tài)范圍ADC可用時(shí)，增加一個(gè)混頻級以降低頻率也很常見(jiàn)。此外，接收機增益分布在不同的頻率上，這使得高增益接收機發(fā)生振蕩的風(fēng)險非常小。通過(guò)適當的頻率規劃，外差接收機可以實(shí)現非常好的雜散能量和噪聲性能。
遺憾的是，這種架構是最復雜的。相對于可用帶寬，其需要的功耗和物理尺寸通常是最大的。此外，對于較大分數帶寬，其頻率規劃可能非常困難。在當前追求小尺寸、低重量、低功耗（SWaP） 并希望獲得寬帶寬的背景下，這些挑戰難度很大，導致設計人員不得不考慮其他可能的架構選項。
優(yōu)勢
經(jīng)過(guò)驗證、可信賴(lài)
高性能
最優(yōu)雜散噪聲
高動(dòng)態(tài)范圍u EMI抗擾度佳
挑戰
SWaP
濾波器數量多
直接采樣
直接采樣方法已被業(yè)界追求許久，其障礙在于很難讓轉換器工作于直接射頻采樣所需的速率并且實(shí)現大輸入帶寬以及實(shí)現大輸入帶寬。
在這種架構中，全部接收機增益都位于工作頻段頻率，如果需要較大接收機增益，布局布線(xiàn)必須非常小心。如今，在L和S波段的較高奈奎斯特頻段，已有轉換器可用于直接采樣。業(yè)界在不斷取得進(jìn)展，C波段采樣很快就會(huì )變得實(shí)用，后續將解決X波段采樣。
優(yōu)勢
無(wú)混頻
在L、S波段具有實(shí)用性
挑戰
ADC輸入帶寬
在感興趣的頻率范圍內增益不平坦
直接變頻
直接變頻架構對數據轉換器帶寬的使用效率最高。數據轉換器在第一奈奎斯特頻段工作，此時(shí)性能最優(yōu)，低通濾波更為簡(jiǎn)單。兩個(gè)數據轉換器配合工作，對I/Q信號進(jìn)行采樣，從而提高用戶(hù)帶寬，同時(shí)又不會(huì )有交織難題。
對于直接變頻架構，困擾多年的主要挑戰是維持I/Q平衡以實(shí)現合理水平的鏡像抑制、LO泄漏和直流失調。近年來(lái)，整個(gè)直接變頻信號鏈的先進(jìn)集成加上數字校準已克服了這些挑戰，直接變頻架構在很多系統中已成為非常實(shí)用的方法。
優(yōu)勢
最大ADC帶寬
寬帶選項最簡(jiǎn)單
挑戰
鏡像抑制：I/Q平衡
帶內IF諧波
LO輻射
EMI抗擾度（IP2）
DC和1/f噪聲
下圖顯示了三種架構的框圖和頻率規劃示例。
圖a為外差接收機示例，高端LO將工作頻段混頻到ADC的第二奈奎斯特區。信號進(jìn)一步混疊到第一奈奎斯特區進(jìn)行處理。
圖b為直接采樣接收機示例。工作頻段在第三奈奎斯特區進(jìn)行采樣并混疊至第一奈奎斯特區，然后將NCO置于頻段中心，數字下變頻到基帶，再進(jìn)行濾波和抽取，數據速率降低到與通道帶寬相稱(chēng)的水平。
圖c為直接變頻接收機示例。雙通道ADC與正交解調器對接，通道1對（同相） I信號進(jìn)行采樣，通道2對Q（正交）信號進(jìn)行采樣。
采用分立實(shí)施方案時(shí)，直接變頻架構的鏡像抑制挑戰可能相當難以克服。通過(guò)提高集成度并結合數字輔助處理，I/Q通道可以很好地匹配，從而大幅改善鏡像抑制?！?/p>
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