射频半导体简化直接变频设计 满足多模式通信系统需求

直接变频架构促使着宽带无线电支持第三代(3G)和第四代(4G)无线网络中的多模式和多标准要求，随之要求能够处理全球400 MHz 至 4 GHz 范围内的信号，因而基础设施和移动设备开发商寻求系统器件达到新的性能水平。幸运的是，随着硅锗(SiGe)和 CMOS 半导体工艺的不断改进，集成度得以提高，同时功耗有所下降。利用直接变频架构，无线电设计人员还能够实现较宽的设计频率范围，并可在单个硬件平台上调整带宽。与无线基站的传统 IF 采样接收机方法相比，该架构具有许多优点，并结合平衡防阻塞的 RF 解调器和模数转换器(ADC)技术的优势，利用自适应性校正技术来处理残余信号损坏。  

3G 长期演进(LTE)无线通信标准支持 1.4 至 20 MHz 范围内的各种通道带宽。无论设备支持仅 LTE 载波，还是 3G (WCDMA)或 LTE (OFDM)混合载波，通常要求采用的最低带宽是 20 MHz。由于带宽范围很宽，因此可以接收多个相邻或非相邻载波。例如，20MHz 带宽内可容纳多达四个相邻 WCDMA 信号。

对于宽带接收机设计，所面临的挑战是如何在存在高干扰信号的情况下解调低电平、高数据速率信号。根据定义，多载波RF 接收机不具备模拟通道选择性，而无用阻塞信号未经衰减就会抵达 ADC，这就要求接收机构建模块（尤其是 ADC）具有高动态范围。例如，3G LTE 阻塞要求则需要比所需信号高60 dB 的窄带阻塞。因此，多载波接收机应当具有高输入 1dB压缩点、高分辨率 ADC 和某种形式的自动增益控制(AGC)，将阻塞信号电平维持在 ADC 的满量程(FS)电平以下。

而且必须在可接受的接收机灵敏度下，实现这种对阻塞信号的抗扰度。设计用于支持 3G LTE 标准的基站接收机必须具备优于 5 dB 的噪声系数(NF)。为了完全达到这种性能水平，下变频混频器或解调器一般前置一些低噪声放大器(LNA)级。根据以下 Friis 等式，前端增益可帮助改善整体 NF：

NF_total=NF_LNAs+(NF_demod-1)/G_LNAs+[NFADC-1/(G_LNAsG_demod)] (1)不过，由于天线处的强阻塞信号会导致接收机发生饱和，因此不能随意设置高前端增益。此外，在高电平阻塞的交调产物处于所需信号带宽范围内时，如果增益过高，则会导致线性度下降，并影响信号完整性。根据三阶交调截点(IP3)测量，合适的正交解调器必须能够在噪声系数和线性度之间达到很好的平衡。

正交解调器幅度和相位误差会导致带内镜像或无用边带能量。在多载波接收机中，强带内干扰信号可能会与接收机灵敏度水平的调制载波相邻。为了使接收机获得良好性能，在基带解调过程中维持适当的幅度和相位平衡至关重要。镜像抑制要求取决于最强和最弱带内信号之间的差值、解调所需的信噪比(E_b/N_o)和其他噪声贡献余量。3G LTE标准要求至少 60dB的总镜像抑制性能。此外，在指定解调器本振(LO)相位噪声时，还必须考虑到宽带接收机中相互混频这一重要现象。LO相位噪声会对附近的未滤波阻塞进行调制，向所需通道中增加P_{blocker_dBm} - LO_Noise _dBc/Hz噪声。

直接变频信号链（图 1）可以为 3G和 4G系统提供低成本的接收机解决方案。其架构没有其他接收机复杂，并且无需实中频采样架构中使用的多个表面声波(SAW)和分立滤波器。基带通道滤波器通常采用分立低通设计，可在数字化处理之前提供带外阻塞和宽带噪声抑制。与超外差或实中频采样架构所用的IF滤波器相比，该设计的插入损耗和成本要低得多。借助I/Q解调器，基带截止频率只需为复合调制信号（以 0 Hz为中心）总信号带宽的一半。

图 1.

例如，假定接收机天线处的多载波RF输入信号是以载波频率F₀为中心的非对称双边带信号。当LO = F₀时，正交解调器会将实RF信号转换为复数基带信号，以差与和频率LO+/- F₀或 0 Hz和 2F₀的形式产生实部和虚部。在进行模数转换之前，低通滤波器会消除和项、信号谐波和噪声。如果总信号带宽为Bx，那么滤波器的截止频率应设置为F_c> Bx/2。

直接变频方法的另一主要优势是ADC采样速率要求较低，因为I/Q信号带宽只是总复数信号带宽的一半。如果下变频信号以直流信号为中心，那么采样理论要求采样速率至少为 2(Bx/2)或Bx，该值是IF采样接收机解调同一带宽所需最低采样速率的一半。对于能够处理 20MHz的LTE接收机，这相当于各个I/Q通道具有 20 MHz以上的奈奎斯特采样速率（图 2）。

图 2.

尽管存在上述优势，直接变频无线电设计也并非轻而易举。I/Q通道上存在任何增益或相位不平衡，或者解调器电路的相移并非准确的 90 度，将会导致在无用边带频率上产生能量。当此类接收机对 0 Hz（零中频）周围所需的多载波信号进行下变频处理时，所需载