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直接变频接收机设计可实现多标准/多频带运行

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作者:Rakesh Soni,Eric Newman


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。

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。

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感兴趣的有用信号。

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,检查在最坏输入条件下到达接收机分析带宽内的所有杂散信号非常重要。在这种严格的强干扰条件下,由于高阶非线性引起的互调分量可能落进频带内,进而降低接收机的敏感性。较关键的非线性项被标示在图2中。请注意奇数阶项是如何落在基本输入音附近的,这有助于解释附近干扰信号如何会产生落在有用信号频带内的互调分量。干扰音的差频(f2-f1)是接收机的有限二阶非线性造成的,在使用直接变频架构时同样可能落在有用信号频带内。

ADIsimRF™是ADI公司的一款免费在线信号链计算器,可以用来建模在各种测试条件下的接收机的动态噪声和失真特性。ADIsimRF可以将非线性截取性能建模和测试到第七阶非线性项,并与预测的级联截取值进行比较。通过检查个别元件的非线性行为和总体级联结果,接收机电路可以得到更好的优化,从而实现最高等级的瞬时动态范围性能。当W-CDMA规范(ETSI EN 302 217-2-2 V1.2.3 (2007-09))中描述的单音和双音干扰电平出现时,使用这种方法可以实现噪声指数(NF)小于2dB、去灵敏度小于1dB的高灵敏度接收机。

本振泄漏和直流偏移去灵敏度

向后发射到RF输入端口的任何本振泄漏信号都可能向后反射进接收机,并与本振进行自混频。自混频将形成本振波形的平方,进而产生通常很高频率、将被基带滤波器大幅衰减的二次谐波。自混频还将产生一个落在直接变频接收机频带内的直流偏移量。请注意图2中的直流项。

在所有基带采样系统中,经常要求使用直流偏移校准和修正方法。残留直流偏移等效于信号分析带宽内的干扰信号。有几种技术可以用来减轻问题,包括直流跟踪和抵消、基带下的交流耦合或简单地选择具有包括高偶数阶失真性能在内的良好直流特性的元件。

正交非理想性与镜像抑制

I/Q幅度和相位失配将降低信噪比(SNR)水平。在理想的I/Q解调器中,基带I/Q信号分享I与Q矢量之间完整的90度相位关系,也即所谓的理想正交。在这种状态下,数字域中的符号辨别能力很容易通过瞬时I/Q矢量轨迹判定。当系统中出现I/Q失配时,I/Q符号矢量将受幅度和相位误差的影响,最终降低恢复出来的感兴趣信号的信噪比。静态I/Q损伤可以通过数字技术治愈。研究有效的直接变频接收机镜像抑制性能与来自载频的信号电平和偏移之间的关系很重要。理解接收机的单音I/Q损伤有助于简化应用调制信号时所测性能的解释过程。

调制误差比(MER)性能

调制误差比(MER)是用来衡量数字无线电发送机或接收机调制精度的一个指标。在完全线性和无噪声的系统中,接收机接收信号的所有I/Q符号轨迹都能映射到真正理想的信号空间星座图位置,但具体实现中的各种非理想性(如幅度不平衡、本底噪声和相位不平衡)会使实际测出的符号矢量偏离理想位置。直接变频接收机可为各种调制方案提供理想的MER性能水平。图3和图4分别显示了10MHz宽OFDMA、WiMAX和WCDMA信号时MER性能与输入功率之间的关系曲线。

一般来说,一个接收机在接收到的输入信号功率范围内有三处独特的MER限制。在大信号电平段,由于接收机中的非线性而落入频带内的失真分量将导致MER急剧下降。在中等信号电平段,接收机工作于线性方式,信号远高于任何噪声电平,此时MER达到最佳值,并受解调器正交精度、滤波器网络与可变增益放大器(VGA)以及测试设备精度的支配。随着信号电平的走低,噪声的影响越来越显著,相对于信号电平的MER性能将随信号电平的下降呈dB-for-dB下降。在更低信号电平,噪声将成为主要限制因素,以分贝为单位的MER将直接与SNR呈正比关系。


图3:10MHz OFDMA WiMAX信号下的MER与RF输入功率关系曲线。

仔细观察图4可以看出接收机在各种情形下的恢复性能。5MHz 低中频可以被认为是最好的情形,因为它不受与零中频有关的任何直流偏移和闪烁噪声的影响。在较低功率电平,接收机的噪声性能是相对不变的。即使存在单音或双音强干扰(W-CDMA基站要求的常见测试情形),噪声指数偏离值也只会在1dB以内。


图4:在零中频、低中频和强干扰情况下WCDMA信号的MER与RF输入功率关系曲线。

镜像抑制比是有用输入频率产生的中频(IF)信号电平与镜像频率产生的中频信号电平之比。镜像抑制比用分贝表示。适当的镜像抑制很关键,因为镜像功率可能远高于有用信号功率,从而影响下变频过程。图5给出了W-CDMA的镜像抑制与多个中频频率的关系。接收机可以提供出色的未校准镜像抑制性能。通过额外的数字校正措施,完全可以达到75dB以上的镜像抑制效果,从而允许直接变频接收机同时捕获功率电平完全不同的多个相邻信号(这是多载频接收机设计的一个关键特性)。


图5:各种WCDMA中频的镜像抑制与RF频率关系。

结束语

最新的直接变频接收机能够提供很高的瞬时动态范围和很宽的RF频率覆盖范围。使用先进的RF集成电路,现在完全可以构建出高性能的蜂窝基站接收机。这些接收机使用固定的硬件解决方案,并能通过现场编程满足多种蜂窝标准要求。为了确保鲁棒性的接收机解决方案,系统设计师需要特别注意更高阶的非线性。通过研究单音和双音行为,设计师可以更好地理解直接变频的挑战和内在原理,规避传统直接变频系统中常见的缺点。

作者简介

akesh Soni是ADI公司RF与网络元件小组的RF应用工程师。他以前曾是Teradyne公司的RF/无线应用工程师。Rakesh拥有佐治亚理工学院电子工程专业的学士和硕士学位。
Rakesh.soni@analog.com

Eric Newman是ADI公司RF与网络元件小组的应用系统工程师。在加入ADI公司从事无线系统设计工作之前,他曾是Innovative Imaging Systems公司的硬件设计师。他拥有马萨诸塞大学洛厄尔分校的电机工程硕士学位,专注于无线通信方面的研究。
Eric.newman@analog.com

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