用直接变频技术降低WLAN无线电成本
时间：03-21
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随着无线局域网连接的逐步普及，对通信设备提出了更严酷的要求：即体积和功耗更小、使用的零件更少、价格更低，同时产品必需更快进入市场。由于有了零中频(ZIF)无线电结构领域的技术进展，上述许多要求才能得到满足。
零中频(ZIF)的概念是把信息直接转换到发送频带发送(在接收端，反过来直接从收到的频带恢复出信息)，它不是一个新概念，早在超外差接收机结构出现之前就已经有人研究过。尽管在历史上，直接下变频(direct-down-conversion)结构，也称作自差结构，曾是一种很难真正实现的结构，但因为其整体结构简单，零部件也可以显著减少，从而一直引人注意。设计者面临的挑战包括非常棘手的直流偏移问题。但是如果能把先进的技术和优良的设计实践结合起来，许多这样的问题可以解决，使ZIF技术既可以用在单边带也可以用在双边带无线局域网的无线电台上。
采用ZIF技术确实可以解决无线电不得不面对的许多寄生伪频率干扰问题，付出的代价是必须解决新出现的一个非常大的直流信号。为了解决这一问题，我们必须对直流电产生的热量和外围两个要素进行考虑。
因为大多数ZIF无线电台放大器工作在基带，它需要匹配的平衡自动增益控制(AGC) 放大器。另外一个问题是无线电发射机本振产生的泄漏正好位于频带的中心，会干扰附近接收机的正常工作。
零中频
用ZIF技术时，被调制的信号是以直流为中心的低频信号，它必须与实际电路引入的各种外来干扰直流低频率信号竞争。被处理的信号不能有任何显著的直流分量，因为我们没有办法确定这个直流分量的哪一部分属于被处理的信号。符合这个准则的有许多波形，例如直接序列扩频(DSSS)，它使用双边带压缩的载波相移键控调制。另外一种波形是不用中心载波的正交频分复用(OFDM)。
该信号强度的变化范围在75dB左右。它可以比混频器的固有直流偏置引入的直流弱30到40dB。然而，最大的问题是这个直流不是固定的，而是随着外部条件的变化而变化，如时间、电源电压、温度等，最糟糕的是它还会随着信号电平调正增益的变化而变化。这就是说，为了确保这个直流电平不会对信号产生干扰，必需进行动态直流补偿。必需进行补偿的一个外部因素是信号在附近表面反射后再次进入了天线。由于反射相位角和强度的不同，由此而产生的直流可以有很大范围的变化。
如果附近表面是运动着的，还会产生多普勒分量和一个快速变化的衰落分量。另外还会有一个影响来自于附近表面对天线本身产生的电压驻波比(VSWR)。如果由于近场的加载引起了电压驻波比的变化，信号就会被反射回混频级，产生直流。因为这个直流是随时间而变化的，所以交流耦合或直流反馈回路的频率响应曲线的拐角必需比这个由反射引起的直流变化快。这个频率通常在100kHz左右。必需考虑把这个交流耦合的响应时间包括在采集时间中，特别当采用802.11a 协议时更应该如此，因为它只允许16ms的前导信号。
直流补偿
有几种办法可以来对付直流和增益平衡问题：
● 避免使用ZIF,可考虑使用超外差技术，这样把直流排除到频带外，信号可以只用一个放大器放大；
● 各个级之间全都采用交流耦合；
● 使用带交流耦合反馈的直流耦合(其性能类似交流耦合)。
若要把ZIF概念付诸实践，还有许多必要的权衡工作要做。零中频接收机通过天线基本上把整个频谱都接收下来，然后通过单边带下变频，把想要的高频率信号变换为基带信号或者常常是零中频信号。接下去，用低通滤波器(LPF)去除所有没用信号只留下感兴趣的信号，然后再放大并检出信号。
合成器的工作频率与包含接收信息的高频是一致的，通过单边带下变频后的信号频率是以直流为中心的低频率信号。通常，想要接收的低频率信号必定与直流信号一样进行处理，因此它必需克服混频器中产生的相对较大的直流偏移，才能正确检出。此外基带信号很复杂，有实部和虚部两部分。这两部分信号的幅度变化范围可以从几个毫伏到几个伏。放大时必需要有很高的线性度以维持信号的相对幅度和相位不变。所以自动增益控制电路必需能在两个匹配得非常好的自动增益控制放大器中处理很大的增益变化。
ZIF耦合的选择
有两种ZIP的耦合方式可供选择：交流耦合或直流耦合。如果射频信号是直接序列扩频或正交频分复用类型的, 则基带信号可以采用交流耦合的方式，也可以用交流放大器来放大基带信号，如图1所示。
这个办法解决了ZIF接收机的一个问题。但是用这种办法有一个难点，即需要使用大量的分立电容器，而且需要在每一级上安装开关设法使信号进入或绕过芯片。
由于电路中需要用到许多电容器，目前集成这样的电路还存在不可克服的技术难点，因此这个方法是不可行的。如果把前置放大器、混频器、低通滤波器和自动增益控制放大器都集成在一个芯片上，而且把信号看成平衡差分信号来处理，则每个交流耦合级需要八条引脚和四个电容器。用这种解决办法至少需要两个交流耦合级。
直流耦合接收机：可以通过用电容器的办法来达到去除直流(DC nulling)的目的, 也可以用直流反馈技术来实现同样的功能，如图2所示。在这两种情况下，都需要高通频率特性的滤波器。采用直流反馈技术的好处在于不需要设法使信号绕过芯片，也不需要用任何电容器。
典型的频谱中包含有许多种幅度差别很大的信号。这样就有必要为接收机设计一个动态范围很大输入级。想接收的信号可能位于这个频谱的低端，也说不定位于高端。所有的信号处理过程一定以信号环境的整个频谱范围来考虑的，直到把带宽逐步缩小到只出现感兴趣的信号。接下去，需要处理只有这个感兴趣信号的动态范围。
如果该信号可以用交流耦合并被实行硬限制(hard-limited)，则它就很容易处理。然而对一个信号的实部和虚部分别进行硬限制，会损坏该信号的相位和幅度特性。因为基带信号需要进行线性放大，为此必需用具有跟踪增益控制的一组匹配放大器(包括独立的实部和虚部放大器)来实现。
零中频(ZIF)的概念是把信息直接转换到发送频带发送(在接收端，反过来直接从收到的频带恢复出信息)，它不是一个新概念，早在超外差接收机结构出现之前就已经有人研究过。尽管在历史上，直接下变频(direct-down-conversion)结构，也称作自差结构，曾是一种很难真正实现的结构，但因为其整体结构简单，零部件也可以显著减少，从而一直引人注意。设计者面临的挑战包括非常棘手的直流偏移问题。但是如果能把先进的技术和优良的设计实践结合起来，许多这样的问题可以解决，使ZIF技术既可以用在单边带也可以用在双边带无线局域网的无线电台上。
采用ZIF技术确实可以解决无线电不得不面对的许多寄生伪频率干扰问题，付出的代价是必须解决新出现的一个非常大的直流信号。为了解决这一问题，我们必须对直流电产生的热量和外围两个要素进行考虑。
因为大多数ZIF无线电台放大器工作在基带，它需要匹配的平衡自动增益控制(AGC) 放大器。另外一个问题是无线电发射机本振产生的泄漏正好位于频带的中心，会干扰附近接收机的正常工作。
零中频
用ZIF技术时，被调制的信号是以直流为中心的低频信号，它必须与实际电路引入的各种外来干扰直流低频率信号竞争。被处理的信号不能有任何显著的直流分量，因为我们没有办法确定这个直流分量的哪一部分属于被处理的信号。符合这个准则的有许多波形，例如直接序列扩频(DSSS)，它使用双边带压缩的载波相移键控调制。另外一种波形是不用中心载波的正交频分复用(OFDM)。
该信号强度的变化范围在75dB左右。它可以比混频器的固有直流偏置引入的直流弱30到40dB。然而，最大的问题是这个直流不是固定的，而是随着外部条件的变化而变化，如时间、电源电压、温度等，最糟糕的是它还会随着信号电平调正增益的变化而变化。这就是说，为了确保这个直流电平不会对信号产生干扰，必需进行动态直流补偿。必需进行补偿的一个外部因素是信号在附近表面反射后再次进入了天线。由于反射相位角和强度的不同，由此而产生的直流可以有很大范围的变化。
如果附近表面是运动着的，还会产生多普勒分量和一个快速变化的衰落分量。另外还会有一个影响来自于附近表面对天线本身产生的电压驻波比(VSWR)。如果由于近场的加载引起了电压驻波比的变化，信号就会被反射回混频级，产生直流。因为这个直流是随时间而变化的，所以交流耦合或直流反馈回路的频率响应曲线的拐角必需比这个由反射引起的直流变化快。这个频率通常在100kHz左右。必需考虑把这个交流耦合的响应时间包括在采集时间中，特别当采用802.11a 协议时更应该如此，因为它只允许16ms的前导信号。
直流补偿
有几种办法可以来对付直流和增益平衡问题：
● 避免使用ZIF,可考虑使用超外差技术，这样把直流排除到频带外，信号可以只用一个放大器放大；
● 各个级之间全都采用交流耦合；
● 使用带交流耦合反馈的直流耦合(其性能类似交流耦合)。
若要把ZIF概念付诸实践，还有许多必要的权衡工作要做。零中频接收机通过天线基本上把整个频谱都接收下来，然后通过单边带下变频，把想要的高频率信号变换为基带信号或者常常是零中频信号。接下去，用低通滤波器(LPF)去除所有没用信号只留下感兴趣的信号，然后再放大并检出信号。
合成器的工作频率与包含接收信息的高频是一致的，通过单边带下变频后的信号频率是以直流为中心的低频率信号。通常，想要接收的低频率信号必定与直流信号一样进行处理，因此它必需克服混频器中产生的相对较大的直流偏移，才能正确检出。此外基带信号很复杂，有实部和虚部两部分。这两部分信号的幅度变化范围可以从几个毫伏到几个伏。放大时必需要有很高的线性度以维持信号的相对幅度和相位不变。所以自动增益控制电路必需能在两个匹配得非常好的自动增益控制放大器中处理很大的增益变化。
ZIF耦合的选择
有两种ZIP的耦合方式可供选择：交流耦合或直流耦合。如果射频信号是直接序列扩频或正交频分复用类型的, 则基带信号可以采用交流耦合的方式，也可以用交流放大器来放大基带信号，如图1所示。
这个办法解决了ZIF接收机的一个问题。但是用这种办法有一个难点，即需要使用大量的分立电容器，而且需要在每一级上安装开关设法使信号进入或绕过芯片。
由于电路中需要用到许多电容器，目前集成这样的电路还存在不可克服的技术难点，因此这个方法是不可行的。如果把前置放大器、混频器、低通滤波器和自动增益控制放大器都集成在一个芯片上，而且把信号看成平衡差分信号来处理，则每个交流耦合级需要八条引脚和四个电容器。用这种解决办法至少需要两个交流耦合级。
直流耦合接收机：可以通过用电容器的办法来达到去除直流(DC nulling)的目的, 也可以用直流反馈技术来实现同样的功能，如图2所示。在这两种情况下，都需要高通频率特性的滤波器。采用直流反馈技术的好处在于不需要设法使信号绕过芯片，也不需要用任何电容器。
典型的频谱中包含有许多种幅度差别很大的信号。这样就有必要为接收机设计一个动态范围很大输入级。想接收的信号可能位于这个频谱的低端，也说不定位于高端。所有的信号处理过程一定以信号环境的整个频谱范围来考虑的，直到把带宽逐步缩小到只出现感兴趣的信号。接下去，需要处理只有这个感兴趣信号的动态范围。
如果该信号可以用交流耦合并被实行硬限制(hard-limited)，则它就很容易处理。然而对一个信号的实部和虚部分别进行硬限制，会损坏该信号的相位和幅度特性。因为基带信号需要进行线性放大，为此必需用具有跟踪增益控制的一组匹配放大器(包括独立的实部和虚部放大器)来实现。