直接变频接收机可实现多标准/多频带运行的设计

直接变频接收机可实现多标准/多频带运行的设计方案

现代直接变频技术可为现场可编程无线电设计提供极具吸引力的解决方案，并提供比传统接收器解决方案更高的性价比和潜在性能优势。另外，直接变频架构能够使用单一硬件解决方案在多频带运行方面提供更多的自由度。因此，直接变频架构无疑是更具成本效益的解决方案，能够实现高性能的多标准/多频带无线电设计。本文将讨论直接变频接收器信号链在3G和4G无线蜂窝应用环境中的性能和优点。

蜂窝网络运营商一直希望能够部署通用型无线基础架构，以便通过现场编程提供各种蜂窝业务。在蜂窝业务量密集地区部署的无线基础设施最终需要提供动态灵活性，以允许无线电硬件适应不断变化的信号状态。多标准/多频带无线电设计提供的设备指配可以经过裁剪定制满足上述部署需求，从而帮助运营商解决这一难题。

高性能直接变频信号链的组成

直接变频接收器可以直接将RF调制载波解调为基带频率，其中的信号被直接检出，同时恢复承载的信息。直接变频架构最早是在1932年开发的，用于替代超外差式接收机。由于取消了中频（IF）级电路，元件数量有显著减少，因此直接变频架构是一种极具吸引力的解决方案。

由于省去了中频级电路，并将信号有效地直接变频成零中频频率，设计师就可以忽略与超外差式架构有关的镜像问题。然而，直接变频也带来了新的设计挑战，包括本振泄漏、直流偏移和性能失真等，这些都使得实际的实现过程更加困难。不过随着集成式RF电路技术的最新发展，传统直接变频（零中频）架构已能应用于宽带高性能接收机的实现。

图1：宽带直接变频接收机。

宽带直接变频接收机框图如图1所示。一些较关键的元件规格在信号链中作了高亮显示。接收机信号路径从天线端口开始，并连接到双工器。双工器经常用于频域双工（FDD）系统，如W-CDMA和某些版本的WiMax。双工滤波器网络确保发射机不会产生过多许可频带之外的无用能量，同时有助于抑制无用的带外信号，避免过度驱动接收机输入。

通常情况下，多个低噪声放大器（LNA）级后面会连接额外的选频滤波电路，以及为了优化感兴趣频率范围内的性能而设计的补充/匹配网络。用于演示用途的这些LNA电路具有非常好的宽带性能，并能通过外部调谐网络提供更好的窄带性能。在接收机需要满足非常宽范围的频带的应用中，有必要使用一组开关矩阵，以便对不同的天线网络和已经针对特定频带作过优化的LNA电路级进行配置。

在低噪声前端之后，所需载频将通过IQ解调器下变频为基带频率。本地振荡器（LO）被应用于载频与有用信号相同的I和Q混频器。这将在基带I/Q输出端口产生和频与差频，而输出端口处的低通滤波器将极大地抑制和频，只允许差频信号通过。对于零中频架构，差频代表的是有用信号的基带包络。利用可变增益放大器（VGA）调整滤波后的基带I/Q信号幅度通常具有很大的优势。VGA可以将I/Q信号电平调整到适合模数转换的最佳电平。一般来说，会在模数转换器（ADC）之前应用额外的滤波电路，以确保高频噪声和电位泄漏或干扰音不会向后混叠进有用信号的分析带宽。

图2：图1所示接收机的双音互调性能。

接收机动态范围

接收机使用的高性能RF集成电路具有宽频覆盖范围和很高的瞬时动态范围。瞬时动态范围对任何需要工作在多载频环境中的接收机来说都是关键指标，在这种环境下有用信号可能存在功率电平非常大的相邻干扰信号。双音SFDR可以为系统设计师提供对非线性行为的更准确预测。常见的做法是，使用单音和双音干扰信号测试接收机在大信号强干扰条件下的恢复能力。通过研究在双音激励下接收机的非线性行为可以计算各种截取点，这些截取点有助于对接收机的失真性能和总体动态范围能力进行量化和建模。

图2描绘了当两组与有用信号频率非常接近的CW（连续波）干扰音出现时接收机的I+jQ输出频谱。在这种测试情况下，输入信号电平在30dBm左右。这是一种非常恶劣的强干扰情景，比3G和4G蜂窝系统中要求的任何标准特定强干扰测试条件都要严重得多。在采样接近或处于基带频率的信号时，来自二阶、三阶、四阶甚至五阶和七阶非线性的谐波失真可能会限制大信号输入条件下的性能。特别要指出的是，I/Q解调器的非线性行为必须足够适当，以确保从有用和无用信号产生的互调项不会破坏所需的有用信号。

不能只关注三阶截取点（IP3）--虽然这是一个常用失真指标，是大多数窄带中频采样接收机设计中的一个焦点--因偶数阶和奇数阶非线性引起的失真项也很重要。这种非线性经常用IP2、IP4和IP5等指标来衡量。一般来说，为了确保鲁棒性操作