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利用高性能正交解調器簡化直接轉換接收器系統設計

上網時間: 2004年05月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Quadrature Demodulator  Direct Conversion  superheterodyne  preselection filter  low-noise amplifier 

對無線系統基地台接收器來說,直接轉換接收器架構能夠以較低成本提供更高性能,但由於解調器等硬體方面的限制,所以儘管該方法過去已有採用性能卻得不到充分發揮。本文介紹一種新型整合正交解調器設計方案,它可以進一步簡化基地台接收器設計,同時降低整體成本。

過去在無線通訊基地台裡,通常採用超外差式接收器,超外差方法因選擇性強靈敏度高而得到廣泛使用。為了更好理解直接轉換的優點,我們首先對這種超外差接收器進行分析,

超外差接收器原理如圖1所示,收到的RF信號被第一級RF預選濾波器濾掉帶外信號,然後由低噪音放大器(LNA)進行放大;LNA輸出再由第二級RF預選濾波器進一步過濾,對鏡像頻率處的無用信號進行衰減;之後產生的信號被下變頻混頻器和本振(LO)轉換為頻率較低的中頻(IF)信號。IF電平必須足夠高,以使鏡像頻率落在濾波器抑止頻帶內,鏡像抑制通常要求IF為載波頻率的10%左右,然後用RF帶通濾波器除去帶外能量並抑制鏡像頻帶信號。因為超外差接收器在IF和基頻進行通道過濾,因此這些部份的元件需要有較高的動態範圍。

對於基地台裡的超外差接收器而言,通常用一個固定增益LNA對收到的信號進行初步放大,整個傳輸頻帶包括噪音都被轉換到一個固定的IF上。頻率下變換時,一般用被動(二極體)混頻器來滿足高線性和低噪音動態範圍要求,需要較高本振功率(大於10dBm)驅動此類混頻器。被動混頻器的本振至IF隔離性能通常較差,使得接收器IF部份本振過濾變得較為複雜。在混頻器IF輸出中,希望的通道始終位於IF帶通濾波器的中央,該濾波器可以除去無用的相鄰或交流頻帶。

通過IF帶通濾波器之後,有用信號被一個可變增益放大器(VGA)放大,然後解調到基頻以便進行下一步信號處理,之後信號通過一個高品質因數(Q)帶通濾波器,該濾波器還要對包括大振幅交流信號在內的無用信號進行抑制。然而不幸的是,這種帶通濾波器價格非常昂貴,使超外差式接收器增加很多成本,而且高Q值濾波器通常伴隨著高插入損耗,需要在LNA和混頻器中提供額外的增益以補償VGA中的過濾損失和低噪音影響。

由於LNA增益在基地台接收器中是固定的,具體來說混頻器必須具有極高的線性度才能滿足系統嚴格的動態範圍要求,而且IF帶通濾波器的頻率響應需精確調整到所要求的通道頻寬,這種固定特性就限制了接收器線路只能適用於一個RF標準。但無線通訊標準不斷會有新的出現,接收系統必須以低成本的方式完整地支援各種不同的標準,且對任何標準在成本上都必須能接受。

直接轉換器架構

直接轉換接收器架構可實現超外差方案的目的,但更為簡單(圖2)。在該系統中,收到的信號通過第一級RF帶通濾波器處理後由一個固定增益LNA放大,之後RF信號直接下變換到同相(I)和正交(Q)基頻信號而不通過額外的IF級。這樣對第二級RF帶通濾波器的要求沒有第一個的高,因為已沒有了鏡像頻率。在實際設計中,價格便宜的RF帶通濾波器可阻止強帶外信號在I/Q解調器上造成過載,如果不使用這個濾波器,強帶外信號可產生帶內二階和三階互調積,導致符號間干擾(ISI)。RF信號解調到基頻以後,用基頻帶通濾波器進行通道選擇。與超外差接收器的IF帶通濾波器相比,基頻濾波器體積更小,成本更低,而且基頻帶通濾波器可設計為可變頻寬,便於以後多模式或多標準作業。

儘管基頻帶通濾波器具有很強靈活性,但合成的基頻信號含有所有相鄰通道閉塞信號,該信號通常在到達I/Q解調器之前被過濾,因此直接轉換接收器的I/Q解調器必須提供寬度達80dB的動態範圍。

目前已有半導體廠商推出的新型整合解調器可以提供這樣的性能,特別適合要求線性度高和動態範圍寬的接收器,如無線基地台(GSM、CDMA、WCDMA等)和無線基礎設備以及儀表等應用。正交解調直接轉換接收器IC不需要額外的IF級,降低了對高頻濾波器的要求,尤其是無需使用IF帶通濾波器。透過輸入信號20dBm三階截取(IIP3)和50dBm二階截取(IIP2),正交解調器可以滿足基地台接收器嚴格的動態範圍要求。

直接轉換接收器需要注意的一個問題是偽LO泄漏,當少量LO能量耦合到I/Q解調器輸入時,無論是透過天線還是其它途徑,都會出現這種問題,LO泄漏可與LO本身信號混合起來產生直流偏移。根據LO泄漏路徑不同,載波通道可在希望的基頻信號上添加較大且隨時間變化的直流偏差,然而在基地台基礎設施中,由於接收器系統通常固定,所以LO自身混合造成的直流偏移通常是靜態的,不會隨時間而改變。

直接轉換方法需要注意的另一個問題是元件不匹配造成的直流偏移,可能來自於正交解調器或VGA。正交解調器輸出的直流偏移本身不會導致接收器工作失常或性能下降,但由於VGA電壓空間有限,幾毫伏的直流偏移就可能足以使工作於高達60dB高增益模式的VGA大大降低信號幅度或者使VGA飽和,而降低接收器有效動態範圍。為了處理大閉塞信號,LNA增益通常限制在20dB,這樣信號較弱時到達混頻器的希望信號可能只有幾百毫伏,因此與VGA輸入相比累積直流偏移必須控制為小於該電平,需要進行直流偏移取消或交流輸入耦合以便基頻信號作進一步處理時VGA能正確工作。

接收器和發送器在不同頻率下工作,但大多數基礎基地台還是工作於全雙工模式。在這種接收器系統中,直流電壓穩定時間不是一個重要考慮因素,很多現代無線接收器系統裡基頻信號幾乎不含低頻資訊。這樣整合解調器的I和Q通道輸出可透過一個閉塞電容器以交流耦合方式傳到基頻濾波器或VGA,能有效消除直流偏移。

需要將整合解調器直流耦合到基頻電路時,可對基頻VGA輸入採用數位偏移消除方法,透過各VGA底部的基頻處理器評估和消除直流偏移。儘管直流偏移不影響接收器的RF性能,但也必須消除以便VGA正確作業,圍繞直流的頻譜損失可低至幾赫茲。對於半雙工系統,可用一種具有載波恢復、符號時序恢復、自動增益控制和基頻數據檢測的自適應方法分離直流偏移。一般情況下,接收器系統訊框結構中的前同步信號有一個已知的直流內容,可自適應逐訊框消除直流偏移。

直接轉換接收器架構需要注意的另一個因素是偶階失真分量。在傳統超外差接收器中,二階失真通常位於帶外,很容易過濾掉,但在直接轉換接收器中,偶階失真尤其是二階分量將導致帶內干擾。例如正交解調器輸入帶有頻率接近通道頻寬的兩個強干擾時,解調器的二階非線性將產生一個低頻互調分量,此失真分量位於基頻頻譜內,不能在後面的基頻信號處理中過濾掉。因此,優秀的IIP2是直接轉換接收器具有良好性能的先決條件。解調器的混頻器與LO信號路徑不匹配可能產生帶內二階互調分量,輸入RF信號的二階諧波(來自RF放大器的二階失真)也可能與LO信號的二階諧波混合在一起產生類似的效果。因此整合解調器具有較高IIP2對防止偶階互調干擾基頻信號相當重要,透過在I和Q輸出端正確過濾無用高頻混合分量可進一步增強此性能,這將有效防止無用混合分量耦合到解調器,產生帶內二階互調。一種便利的方法是用並聯電容作為各個輸出端的終結器,電容值可根據工作頻率和具體的印刷電路板(PCB)佈局進行最佳化。

作者:鄒閔中


高級設計工程師

Vladimir Dvorkin


RF應用工程經理

James Wong


產品推廣經理


高頻事業部


凌特有限公司




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