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【摘要】 随着无线技术的快速发展，大多数无线电应用在满足性能的前提下，更加关注无线设备的成本、功耗及体积，尤其是消费无线电应用。零中频架构凭借其低成本、低功耗、体积小等优势在消费级无线接收设备中得到广泛应用。文章主要分析了零中频架构在无线电接收机设计中存在的一些问题以及相应的解决方法。
【关键词】 零中频架构 无线电 接收机 基带信号
Abstract：With the rapid development of wireless technology， most radio applications are paying more attention to the cost， power consumption and volume of wireless devices， especially consumer radio applications. Zero-IF architecture has been widely used in consumer-grade wireless receiving devices due to its advantages of low cost， low power consumption and small size. This paper mainly analyses some problems and the corresponding solutions in the design of radio receiver based on zero-IF architecture.
Keywords：Zero-IF architecture; Radio; Receiver; Baseband signal;
引言
随着无线技术需求不断增长、频谱资源日益拥挤，无线电接收机设计不仅要求高性能，同时还需要实现低成本、低功耗、小型化。在传统超外差接收机中，一般需要经过两级或者多级变频，同时受混频器、中频滤波器及中频放大器等器件限制，难以实现接收机小型化设计。近年来，通过工艺、设计和算法组合，零中频架构不仅具有低成本、低功耗、小尺寸等优势，同时在性能上也满足大多数无线电应用需求。ADI公司的AD9371集成芯片则是零中频架构的一个典型案例。本文将主要分析零中频架构在无线电接收机设计中带来的一些问题以及解决方法。
一、零中頻接收机
1.1工作原理
零中频接收机[5]工作原理是将天线端接收到的射频信号经过滤波器和低噪声放大器后，与互为正交的两路同频本振信号进行混频，分别产生同相和正交两路基带信号。信道选择和增益控制则分别通过芯片内部集成的有源低通滤波器和可变增益放大器完成。工作原理框图如图1所示。
1.2 链路仿真
信号链路仿真如图2所示，整个信号链路增益设为60dB， 接收机需要20dB左右的信号增益来克服混频器噪声（14dB～16dB）。由于零中频接收机无镜像干扰，因此射频前端带通滤波器只需要低Q值、低成本的固定调谐谐振器来抑制带外信号。信号链路其余40dB增益则通过基带放大器实现。
由整机信号链路增益仿真图可以看出，接收机输出三阶节点值为-6dBm，而实际测试结果可能会更差。若需要提高输出三阶节点值，可在数字部分采用精度更高的A/D集成电路，从而减小模拟部分最后一级的放大倍数。若采用14位A/D芯片，其动态理论值为66dB;而采用20位A/D芯片时其动态理论值可达102dB，此时模拟部分信号增益至少可降低30dB，整个接收机的输出三阶节点值将得到较大提高。
二、问题分析
2.1 本振泄漏
零中频接收机的本振频率与信号频率相同，若混频器本振端口与射频端口之间隔离性能较差，本振信号则直接耦合至射频信号路径中，并以相干方式下变频至输出，从而在I/Q信号路径中表现为增大的直流失调。基于零中频架构的集成式接收器一般采用模拟优化和数字跟踪校准技术，自动跟踪并校正信号链增益、相位和失调误差。
2.2 偶次失真
典型的射频接收机仅对奇次互调较为敏感。而在零中频架构中偶次互调失真同样会给接收机带来问题。如图3所示，两个高频干扰经过含有偶次失真的低噪声放大器LNA将产生一个低频干扰信号。由于混频器RF输入端与IF输出端的隔离有限，干扰信号将经过混频器RF端直通进入IF端，从而对基带信号造成干扰。
偶次失真的另一种表现形式是，射频信号的二次谐波与本振输出的二次谐波混频后，被下变频至基带上，与基带信号重叠造成干扰，其变换过程如图4所示。偶次失真的解决方法是在低噪放和混频器中使用全差分结构来抵消。
2.3 直流偏差
直流偏差[3]是零中频架构所特有的一种干扰，它是由本振信号或者外界干扰信号自混频引起的。本振泄漏信号从低噪放输出端、滤波器输出端及天线端反射进入混频器射频输入端，从而与原有本振信号自混频产生直流信号，如图5（a）所示。同样，从外界进入低噪放的强干扰信号也会由于混频器的各端口隔离性能较差而泄漏至本振端，反过来与射频输入端的同频干扰信号自混频产生直流信号，如图5（b）所示。这些无用的直流信号将叠加在基带信号上，并对其构成干扰，被称为直流偏差。直流偏差往往带来较大噪声，使接收机信噪比变差，此外较大的直流偏差还可能导致混频器后级的放大器饱和，从而导致信号增益失调。
因此如何消除直流偏差是零中频接收机设计时需要重点关注的问题，一般可通过以下几种方式来改善：
2.3.1 差分驱动输入 RF射频端与LO本振端均采用差分驱动电路，可最大限度减小RF端与LO端之间的相互影响，并使信号增益最大。
2.3.2 I/Q信号交流耦合输出
将下变频后的基带信号耦合输出到基带放大器可消除直流偏差带来的影响。但对于直流附近集中较大能量的基带信号，这种方法会导致误码率增大，因此抑制直流偏差的有效方法是将待发射的基带信号进行编码并采用合适的数字调制方式，从而减少基带信号在直流附近的能量。此时可采用I/Q信号交流耦合输出的方法来减少直流偏差，此方法广泛应用于宽带技术中。
2.3.3 谐波混频
初始时设置本振信号频率为射频信号频率的一半，再将本振信号的二次谐波经过带通滤波器筛选后与射频输入信号进行混频，这样由本振泄漏引起的自混频将产生一个与本振信号同频率的交流信号，但不产生直流分量，从而有效地抑制了直流偏差。谐波混频工作原理如图6所示。尽管谐波混频可以将自混频引起的直流偏差抑制到噪声水平，但由于使用本振信号的二次谐波分量进行混频，使得电路的增益和噪声性能均有所下降，从而限制了这种方法的应用。
2.3.4 基带信号处理
基带信号大多包含多种直流成分，因此很难确定这些直流分量是属于有用信号，还是属于由外部干扰引入的直流偏差。为了更加精确有效地抑制外部干扰，在基带信号处理时采用专门的算法对直流偏移量进行实时测量和动态补偿。
2.4 闪烁噪声
有源器件内的闪烁噪声又称为噪声，其大小随着频率的降低而增加，主要集中在低频段。因此零中频架构中混频器不仅需要有一定的信号增益，而且还应尽量减小混频器噪聲。
2.5 I/Q失配
采用零中频方案进行数字通信时，如果同相和正交两支路不一致，则会引起基带I/Q信号变化，即产生I/Q失配问题。目前大多数集成式收发芯片针对该问题已有较大改善，但在板级设计时仍需注意。
三、小结
上述总结了零中频架构在接收机设计时存在的一些问题及解决方法，但在高性能微型化宽带接收机中零中频架构应用仍然需要克服以下几点困难：
一、接收机射频前端宽带滤波器体积难以做得更小，且难以集成在芯片内部，因此必须部署在片外;二、由于零中频接收机的载波在射频频段，载波恢复困难，故只能用在非相干检测方案中;三、零中频接收机信道选择性由基带信号链中有源低通滤波器实现。而有源低通滤波器的局限性难以保证接收机同时满足动态范围大、低噪声系数和良好的线性度等性能指标。
尽管零中频接收机相对传统超外差接收机具有低成本、低功耗以及体积小等优势，但是在性能指标上仍有待提高，特别是宽带应用时如何保证接收机各项性能指标仍有待进一步研究。
参 考 文 献
[1]梁晓峰，叶晖.一种零中频接收机的直流偏置校准技术[J].现代信息科技，2019，40（10）：38-41
[2]李鑫.零中频接收机技术综述[J].河南科技，2014（22）：69-69
[3]唐琴，吴建辉.零中频直流偏移消除技术比较与分析[J].微电子学，2008，38（6）：811-815
[4] 魏苗苗，王竹刚，安军社.零中频接收机中的载波粗估计[J].电子设计工程，2016，24（17）：90-92
[5]李智群，王志功.零中频射频接收机技术[J].电子产品世界，2004，7（13）： 67～72
[6]王自强，张春，王志华.无线接收机结构设计[J].微电子学，2004，8（4）： 455～459
[7]方俊，赵春明，莫玮.零中频接收机DC偏移和IM2消除的探讨[J].桂林电子工业学院学报，2004，24（3）： 50～53
【关键词】 零中频架构 无线电 接收机 基带信号
Abstract：With the rapid development of wireless technology， most radio applications are paying more attention to the cost， power consumption and volume of wireless devices， especially consumer radio applications. Zero-IF architecture has been widely used in consumer-grade wireless receiving devices due to its advantages of low cost， low power consumption and small size. This paper mainly analyses some problems and the corresponding solutions in the design of radio receiver based on zero-IF architecture.
Keywords：Zero-IF architecture; Radio; Receiver; Baseband signal;
引言
随着无线技术需求不断增长、频谱资源日益拥挤，无线电接收机设计不仅要求高性能，同时还需要实现低成本、低功耗、小型化。在传统超外差接收机中，一般需要经过两级或者多级变频，同时受混频器、中频滤波器及中频放大器等器件限制，难以实现接收机小型化设计。近年来，通过工艺、设计和算法组合，零中频架构不仅具有低成本、低功耗、小尺寸等优势，同时在性能上也满足大多数无线电应用需求。ADI公司的AD9371集成芯片则是零中频架构的一个典型案例。本文将主要分析零中频架构在无线电接收机设计中带来的一些问题以及解决方法。
一、零中頻接收机
1.1工作原理
零中频接收机[5]工作原理是将天线端接收到的射频信号经过滤波器和低噪声放大器后，与互为正交的两路同频本振信号进行混频，分别产生同相和正交两路基带信号。信道选择和增益控制则分别通过芯片内部集成的有源低通滤波器和可变增益放大器完成。工作原理框图如图1所示。
1.2 链路仿真
信号链路仿真如图2所示，整个信号链路增益设为60dB， 接收机需要20dB左右的信号增益来克服混频器噪声（14dB～16dB）。由于零中频接收机无镜像干扰，因此射频前端带通滤波器只需要低Q值、低成本的固定调谐谐振器来抑制带外信号。信号链路其余40dB增益则通过基带放大器实现。
由整机信号链路增益仿真图可以看出，接收机输出三阶节点值为-6dBm，而实际测试结果可能会更差。若需要提高输出三阶节点值，可在数字部分采用精度更高的A/D集成电路，从而减小模拟部分最后一级的放大倍数。若采用14位A/D芯片，其动态理论值为66dB;而采用20位A/D芯片时其动态理论值可达102dB，此时模拟部分信号增益至少可降低30dB，整个接收机的输出三阶节点值将得到较大提高。
二、问题分析
2.1 本振泄漏
零中频接收机的本振频率与信号频率相同，若混频器本振端口与射频端口之间隔离性能较差，本振信号则直接耦合至射频信号路径中，并以相干方式下变频至输出，从而在I/Q信号路径中表现为增大的直流失调。基于零中频架构的集成式接收器一般采用模拟优化和数字跟踪校准技术，自动跟踪并校正信号链增益、相位和失调误差。
2.2 偶次失真
典型的射频接收机仅对奇次互调较为敏感。而在零中频架构中偶次互调失真同样会给接收机带来问题。如图3所示，两个高频干扰经过含有偶次失真的低噪声放大器LNA将产生一个低频干扰信号。由于混频器RF输入端与IF输出端的隔离有限，干扰信号将经过混频器RF端直通进入IF端，从而对基带信号造成干扰。
偶次失真的另一种表现形式是，射频信号的二次谐波与本振输出的二次谐波混频后，被下变频至基带上，与基带信号重叠造成干扰，其变换过程如图4所示。偶次失真的解决方法是在低噪放和混频器中使用全差分结构来抵消。
2.3 直流偏差
直流偏差[3]是零中频架构所特有的一种干扰，它是由本振信号或者外界干扰信号自混频引起的。本振泄漏信号从低噪放输出端、滤波器输出端及天线端反射进入混频器射频输入端，从而与原有本振信号自混频产生直流信号，如图5（a）所示。同样，从外界进入低噪放的强干扰信号也会由于混频器的各端口隔离性能较差而泄漏至本振端，反过来与射频输入端的同频干扰信号自混频产生直流信号，如图5（b）所示。这些无用的直流信号将叠加在基带信号上，并对其构成干扰，被称为直流偏差。直流偏差往往带来较大噪声，使接收机信噪比变差，此外较大的直流偏差还可能导致混频器后级的放大器饱和，从而导致信号增益失调。
因此如何消除直流偏差是零中频接收机设计时需要重点关注的问题，一般可通过以下几种方式来改善：
2.3.1 差分驱动输入 RF射频端与LO本振端均采用差分驱动电路，可最大限度减小RF端与LO端之间的相互影响，并使信号增益最大。
2.3.2 I/Q信号交流耦合输出
将下变频后的基带信号耦合输出到基带放大器可消除直流偏差带来的影响。但对于直流附近集中较大能量的基带信号，这种方法会导致误码率增大，因此抑制直流偏差的有效方法是将待发射的基带信号进行编码并采用合适的数字调制方式，从而减少基带信号在直流附近的能量。此时可采用I/Q信号交流耦合输出的方法来减少直流偏差，此方法广泛应用于宽带技术中。
2.3.3 谐波混频
初始时设置本振信号频率为射频信号频率的一半，再将本振信号的二次谐波经过带通滤波器筛选后与射频输入信号进行混频，这样由本振泄漏引起的自混频将产生一个与本振信号同频率的交流信号，但不产生直流分量，从而有效地抑制了直流偏差。谐波混频工作原理如图6所示。尽管谐波混频可以将自混频引起的直流偏差抑制到噪声水平，但由于使用本振信号的二次谐波分量进行混频，使得电路的增益和噪声性能均有所下降，从而限制了这种方法的应用。
2.3.4 基带信号处理
基带信号大多包含多种直流成分，因此很难确定这些直流分量是属于有用信号，还是属于由外部干扰引入的直流偏差。为了更加精确有效地抑制外部干扰，在基带信号处理时采用专门的算法对直流偏移量进行实时测量和动态补偿。
2.4 闪烁噪声
有源器件内的闪烁噪声又称为噪声，其大小随着频率的降低而增加，主要集中在低频段。因此零中频架构中混频器不仅需要有一定的信号增益，而且还应尽量减小混频器噪聲。
2.5 I/Q失配
采用零中频方案进行数字通信时，如果同相和正交两支路不一致，则会引起基带I/Q信号变化，即产生I/Q失配问题。目前大多数集成式收发芯片针对该问题已有较大改善，但在板级设计时仍需注意。
三、小结
上述总结了零中频架构在接收机设计时存在的一些问题及解决方法，但在高性能微型化宽带接收机中零中频架构应用仍然需要克服以下几点困难：
一、接收机射频前端宽带滤波器体积难以做得更小，且难以集成在芯片内部，因此必须部署在片外;二、由于零中频接收机的载波在射频频段，载波恢复困难，故只能用在非相干检测方案中;三、零中频接收机信道选择性由基带信号链中有源低通滤波器实现。而有源低通滤波器的局限性难以保证接收机同时满足动态范围大、低噪声系数和良好的线性度等性能指标。
尽管零中频接收机相对传统超外差接收机具有低成本、低功耗以及体积小等优势，但是在性能指标上仍有待提高，特别是宽带应用时如何保证接收机各项性能指标仍有待进一步研究。
参 考 文 献
[1]梁晓峰，叶晖.一种零中频接收机的直流偏置校准技术[J].现代信息科技，2019，40（10）：38-41
[2]李鑫.零中频接收机技术综述[J].河南科技，2014（22）：69-69
[3]唐琴，吴建辉.零中频直流偏移消除技术比较与分析[J].微电子学，2008，38（6）：811-815
[4] 魏苗苗，王竹刚，安军社.零中频接收机中的载波粗估计[J].电子设计工程，2016，24（17）：90-92
[5]李智群，王志功.零中频射频接收机技术[J].电子产品世界，2004，7（13）： 67～72
[6]王自强，张春，王志华.无线接收机结构设计[J].微电子学，2004，8（4）： 455～459
[7]方俊，赵春明，莫玮.零中频接收机DC偏移和IM2消除的探讨[J].桂林电子工业学院学报，2004，24（3）： 50～53