零中频收发机的发展现状

1、零中频趋势小型化大势所趋，零中频崭露头角二十世纪七、八十年代，微电子和通信技术出现了革命性的发展，集成电路和个人数字 通信系统开始改变人们的生活方式。1974年Motorola推出了第一个现代意义上的寻呼机 (Pager)，此后寻呼系统的发展一度风靡全球。寻呼机、手机这类个人通信装置由于随身携 带，所以必须做到体积小、重量轻，并且非常省电。为了达到这些目的，设计者们绞尽了脑 汁。大家的共识是尽量利用集成电路技术，将电路元件做在芯片内部，也就是提高电路的集 成度。但是对于超外差接收机来说，至少有两个元件是到目前为止无法集成到芯片上去的，这 就是它的镜频抑制滤波器和信道选择滤波器。不仅如此，为了提

2、高选择性，信道选择还可能 用到一些较为昂贵的器件如声表面波(SAW)滤波器。这时，又有人想到了零中频接收机。我 们已经知道，零中频接收机(1)不存在镜频问题；(2)只要用低通滤波器来选择信道，而低通 滤波器的集成技术已经很成熟，即使集成有困难，也可以用廉价的电容和电感来实现。凭这 两点，可以只用极少的片外元件而达到极高的集成度。1980年，第一个实用的零中频寻呼机终于诞生，这也是第一个小型化的个人数字通信 接收机。其工作原理如图2所示。接收到的高频信号经过一对正交混频器(Quadrature Mixer) 变频后产生两个正交的零中频信号I和Q，这两个信号随后被低通滤波和限幅放大。由于使 用简单

3、的二进制FSK调制，最后的解调过程甚至可以用一个D触发器来完成。在大量改进 的基础上，Philips在其UAA2080系列寻呼机中成功地应用了零中频结构。32引脚的芯片 中包含了低噪声放大器、正交混频器、信道选择滤波器、限幅放大器、FSK解调器以及本 振及带隙参考源等电路模块，接收机灵敏度等指标与超外差式相比并不逊色，而片外元件总 数不到40个，其中绝大多数是电容电阻。要知道，即便是数字电路芯片也需要一定数量的 外围元件。理想与现实之间，要直接不太容易不知不觉，寻呼业的热潮开始消退，但零中频结构却魅力凸显，面对个人移动通信的汹 涌浪潮，人们开始尝试将它用到手机中，但是这次奇迹并没有再现。大量的

4、研究和实践为我 们揭示了症结所在。直流漂移(DC Offset)零中频结构最根本的问题在于信号一开始就被搬移到直流频段，这虽然是设计者所希望 的，因为可以节省很多价格不菲的元件，但不幸的是这一频段很不干净”，因此信号还没来 得及获得足够的增益就被很强的低频干扰和噪声“污染”了。一个最广为人知的问题是本振信 号的泄漏所引起的直流漂移。由于在电路中总是存在一些寄生的元件，信号与信号之间不可 能做到完全隔离，总有一部分信号会发生泄漏。在一个实际的无线接收机中，本振信号可以 漏到混频器的射频信号输入端，进而通过隔离度有限的低噪声放大器到达接收天线。在这条 通路上，一部分泄漏的信号会被反射回来而与接收的

5、有用信号混杂在一起，并重新回到混频 器的输入端，再经过频谱搬移出现在直流频段。这种泄漏后的本振信号与本振信号自身相混 频的现象被称为“自混频”。我们看到，由于零中频接收机的输入信号频率与本振信号频率相同，在混频器的中频输出端除了所需要的零中频信号之外，还混杂了一个不需要的直流分量 或直流漂移。为了使混频电路具有一定的增益，本振信号的幅度或功率通常都会选得比较大， 即使经过了泄漏和反射路径上的大幅衰减，最后所造成的直流漂移仍然可以轻易地淹没有用 信号。自混频所引起的漂移并不是恒定不变的，接收机周围环境的变化会导致被反射回来的泄 漏信号的大小发生起伏，表现为直流漂移的时变性。引起直流漂移的原因还有

6、电路元件的不 匹配性及其偶次非线性。低频噪声直流频段另一个令人头痛的问题是低频噪声。最常见的低频噪声为闪烁噪声(flicker noise)，也常被称为1/f噪声，因其功率谱密度近似正比于频率的倒数而得名。闪烁噪声存 在于所有的有源器件和一些电阻中，主要是由半导体的一些缺陷引起的。对策和无奈直流漂移和低频噪声是零中频接收机的致命伤，但是在寻呼机中却没有造成大的伤害， 原因在于传统寻呼系统使用了简单的二进制FSK调制方式。从频谱上看，仅有少量的信号 能量存在于中心频率附近，如图3(a)所示，经过混频之后，可以牺牲这部分能量而使用电 容隔直流的办法将大部分的直流漂移和低频噪声滤除，这也就是零中频寻

7、呼机所采取的对策， 事实证明它非常有效。然而在象GSM这样的系统中，情况就完全不同了，为了提高频谱的 利用效率，GSM采用了 GMSK调制。如图3(b)所示，GMSK信号中心频率附近能量十分 集中，使用简单隔直流的方式将对信号造成严重破坏。看起来，直接变频到零中频的设想并不是一条畅通无阻的捷径。知其不可而为之，识实务者为俊杰面对存在的困难，仍然有人知难而上，力求攻克以直流漂移为主的种种难题；也有人穷 则思变，力图绕过重重障碍，另辟蹊径以达到零中频所要达到的目的，在这两个方面都取得 了一定的成果。直流漂移的消除根据直流漂移的成因，可以大致把它分成两类。第一类主要是由上文提到的本振信号的 自混频所

8、引起，它是时变的动态漂移；第二类则是由于电路元件的误差和失配所引起的直流 工作点的漂移，相对来说，它是一种静态的漂移，可以通过一些微调措施来解决。(实事上， 元件的不匹配将导致偶次失真，同样会产生随输入信号幅度而变化的直流成份。但是由于信 号本身相当微弱，与自混频效应相比，这种直流漂移量相对较弱。)谐波混频针对自混频现象产生的根源，人们提出使用二次谐波混频作为解决方案。谐波混频与普通混 频的区别在于，它所产生的中频频率是输入信号频率与本振频率某次谐波之差，如果用fRF， fLO和fIF分别表示射频信号、本振和中频频率，那么在二次谐波混频中它们的关系是fIF=|2xfLOfRF |这样，本振信号

9、的泄漏和反射在混频器中频输出端所产生的自混频信号频率仍然是fLO,而 不是直流。图4给出了一个二次谐波混频的电路原理图，根据文献报道，它可以将自混频 引起的直流漂移抑制到噪声水平。但这里的问题是，由于使用谐波分量，电路的增益和噪声 性能均有所下降，因而限制了其应用。数字信号处理为了更加精确有效地消除直流漂移，在一些设计中采用了基带数字信号处理的办法，通过专 门的算法对漂移量进行实时的测量和动态的补偿。例如在一个时分多址(TDMA)系统中，接 收机在工作间隙测量并存储直流漂移量作为参考，工作时再从信号中减去这个参考量。这种 方法可以有效地去除各种直流漂移以及部分的低频噪声，但由于需要一个无输入信

10、号时的参 考漂移量，它在非分时系统中的应用较为困难。系统设计能提供的帮助对比寻呼和移动通信这两个系统，我们看到如果在系统设计时能够考虑在信号的中心频率附 近预留一些带宽以方便消除直流漂移，将大大简化零中频接收机的设计。当然，这个要求对 频谱资源极其宝贵的移动通信系统有些过分，但在无线局域网的标准(IEEE 802.11a)中却成 为了现实。接收机结构的改进与创新无镜频干扰、无需高Q值中频滤波器，这是零中频接收机之所以具有吸引力的根本原 因。我们完全不必拘泥于结构细节而去寻求实现这些特点的更有效的途径。于是，我们看到 了所谓的低中频(Low IF)和类零中频的接收机结构。低中频接收机为了降低对中

11、频滤波器的要求同时又尽量避免直流漂移和低频噪声的影响，可以考虑将中频 选择在较低但非零的频率上，这就是所谓的低中频接收机。如前文所述，降低中频频率的直 接后果是加大了镜像频率的抑制难度。利用高Q值的射频滤波器滤除镜频的做法显然有违 设计者的初衷，同时也是不太实际的。因此低中频接收机普遍采用了正交的镜频抑制混频器 和多相滤波器，这两者都是利用信号和镜像干扰经过混频之后存在的相位差异来区分信号和 干扰的。镜频的抑制度对两条正交通路的幅度和相位匹配情况非常敏感，这在一定程度上影 响了接收机的性能；多相滤波器常用RC网络实现，对镜频抑制有显著帮助，但对信号有衰 减，幸而在这之前信号已经被初步放大，RC

12、网络造成的影响并不严重。二次变频宽中频(Dual-Conversion with Wideband First IF)接 收机这种接收机在第一次变频时将整个信号频段搬移到一个较高的中频，第二次变频输出是零中 频，而信道选择就在第二中频通过低通滤波实现。为抑制镜频，两次变频都使用了所谓的复 混频(Complex Mixing)技术，这与低中频接收机的镜频抑制原理是基本相同的，也就是在混 频过程中保留了信号的相位信息，最终获得镜像干扰的同相和反相信号，相加后使之相互抵 消，而有用信号则相互增强。二次变频滑变高中频(Dual-Conversion with Sliding High First IF

13、)接 收机据笔者所知，这种结构(见图5)是在1998年的国际固态电路会议(ISSCC)上提出来的，很凑 巧，当时它也是应用在寻呼机中。与低中频和宽中频接收机不同，这里的第一中频频率较高，而且是变化的。具体来说，它的第一本振频率设在射频信号频率的4/5处，因而第一中频 频率等于射频信号频率的1/5,即fIFi = 0.2fRF；第二中频为零，即第二次变频为直接变频。 换句话说，第二本振频率（也就是第一中频频率）等于第一本振频率的1/4。基于这种关系， 第二本振可以将第一本振四分频后得到，四分频的结果是自然地获得了第二本振所需要的正 交信号，从而省却了额外的正交信号发生电路。下面我们来看一下镜频抑制、中频滤波和直 流漂移等方面的情况。0.2fRF的第一中频使射频信号与镜像干扰之间的距离达到了 0.4fRF，在一些情况下镜频抑 制甚至仅靠射频电路自身的调谐特性即可，而不必增加任何滤波电路。与零中频接收机一样， 第二次的直接变频使得中频信道选择变得十分简单，只需要低通滤波器就能完成。与零中频 不同的是，信号在第一中频可以获得较大的增益，由第二次混频所引起的直流漂移和低频噪