对无线系统基站接收器来说,直接转换接收器架构能够以较低成本提供更高性能,但由于解调器等硬件方面的限制,所以尽管该方法过去已有采用性能却得不到充分发挥。本文介绍一种新型集成正交解调器设计方案,它可以进一步简化基站接收器设计,同时降低整体成本。
过去在无线通信基站里,通常采用超外差式接收器,超外差方法因选择性强灵敏度高而得到广泛使用。为了更好理解直接转换的优点,我们首先对这种超外差接收器进行分析。
超外差接收器原理如图1所示,收到的RF信号被第一级RF预选滤波器滤掉带外信号,然后由低噪声放大器(LNA)进行放大；LNA输出再由第二级RF预选滤波器进一步过滤,对镜像频率处的无用信号进行衰减；之后生成的信号被下变频混频器和本振(LO)转换为频率较低的中频(IF)信号。IF电平必须足够高,以使镜像频率落在滤波器抑止频带内,镜像抑制通常要求IF为载波频率的10%左右,然后用RF带通滤波器除去带外能量并抑制镜像频带信号。因为超外差接收器在IF和基带进行信道过滤,因此这些部分的元件需要有较高的动态范围。
对于基站里的超外差接收器而言,通常用一个固定增益LNA对收到的信号进行初步放大,整个传输频带包括噪声都被转换到一个固定的IF上。频率下变换时,一般用无源(二极管)混频器来满足高线性和低噪声动态范围要求,需要较高本振功率(大于10dBm)驱动此类混频器。无源混频器的本振至IF隔离性能通常较差,使得接收器IF部分本振过滤变得较为复杂。在混频器IF输出中,希望的信道始终位于IF带通滤波器的中央,该滤波器可以除去无用的相邻或交流频带。
经过IF带通滤波器之后,有用信号被一个可变增益放大器(VGA)放大,然后解调到基带以便进行下一步信号处理,之后信号通过一个高品质因数(Q)带通滤波器,该滤波器还要对包括大振幅交流信号在内的无用信号进行抑制。然而不幸的是,这种带通滤波器价格非常昂贵,使超外差式接收器增加很多成本,而且高Q值滤波器通常伴有高插入损耗,需要在LNA和混频器中提供额外的增益以补偿VGA中的过滤损失和低噪声影响。
由于LNA增益在基站接收器中是固定的,具体来说混频器必须具有极高的线性度才能满足系统严格的动态范围要求,而且IF带通滤波器的频率响应需精确调整到所要求的信道带宽,这种固定特性就限制了接收器线路只能适用于一个RF标准。但无线通信标准不断会有新的出现,接收系统必须无缝经济地支持各种不同的标准,且对任何标准在成本上都必须能接受。
直接转换器架构
直接转换接收器架构可实现超外差方案的目的,但更为简单(图2)。在该系统中,收到的信号经过第一级RF带通滤波器处理后由一个固定增益LNA放大,之后RF信号直接下变换到同相(I)和正交(Q)基频信号而不经过额外的IF级。这样对第二级RF带通滤波器的要求没有第一个的高,因为已没有了镜像频率。在实际设计中,价格便宜的RF带通滤波器可阻止强带外信号在I/Q解调器上造成过载,如果不使用这个滤波器,强带外信号可产生带内二阶和三阶互调积,导致符号间干扰(ISI)。RF信号解调到基带以后,用基带带通滤波器进行信道选择。与超外差接收器的IF带通滤波器相比,基带滤波器体积更小,成本更低,而且基带带通滤波器可设计为可变带宽,便于以后多模式或多标准操作。
尽管基带带通滤波器具有很强灵活性,但合成的基带信号含有所有相邻信道闭塞信号,该信号通常在到达I/Q解调器之前被过滤,因此直接转换接收器的I/Q解调器必须提供宽度达80dB的动态范围。
目前已有半导体厂商推出的新型集成解调器可以提供这样的性能,特别适合要求线性度高和动态范围宽的接收器,如无线基站(GSM、CDMA、WCDMA等)和无线基础设备以及仪表等应用。正交解调直接转换接收器IC不需要额外的IF级,降低了对高频滤波器的要求,尤其是无需使用IF带通滤波器。通过输入信号20dBm三阶截取(IIP3)和50dBm二阶截取(IIP2),正交解调器可以满足基站接收器严格的动态范围要求。
直接转换接收器需要注意的一个问题是伪LO泄漏,当少量LO能量耦合到I/Q解调器输入时,无论是通过天线还是通过其它途径,都会出现这种问题,LO泄漏可与LO本身信号混合起来产生直流偏移。根据LO泄漏路径不同,载波通道可在希望的基频信号上添加较大且随时间变化的直流偏差,然而在基站基础设施中,由于接收器系统通常固定,所以LO自身混合造成的直流偏移通常是静态的,不会随时间而改变。
直接转换方法需要注意的另一个问题是器件不匹配造成的直流偏移,可能来自于正交解调器或VGA。正交解调器输出的直流偏移本身不会导致接收器工作失常或性能下降,但由于VGA电压空间有限,几毫伏的直流偏移就可能足以使工作于高达60dB高增益模式的VGA大大降低信号幅度或者使VGA饱和,而降低接收器有效动态范围。为了处理大闭塞信号,LNA增益通常限制在20dB,这样信号较弱时到达混频器的希望信号可能只有几百毫伏,因此与VGA输入相比累积直流偏移必须控制为小于该电平,需要进行直流偏移取消或交流输入耦合以便基带信号作进一步处理时VGA能正确工作。
接收器和发送器在不同频率下工作,但大多数基础基站还是工作于全双工模式。在这种接收器系统中,直流电压稳定时间不是一个重要考虑因素,很多现代无线接收器系统里基带信号几乎不含低频信息。这样集成解调器的I和Q信道输出可通过一个闭塞电容器以交流耦合方式传到基带滤波器或VGA,能有效消除直流偏移。
需要将集成解调器直流耦合到基频电路时,可对基频VGA输入采用数字偏移消除方法,通过各VGA底部的基带处理器评估和消除直流偏移。尽管直流偏移不影响接收器的RF性能,但也必须消除以便VGA正确操作,围绕直流的频谱损失可低至几赫兹。对于半双工系统,可用一种具有载波恢复、符号时序恢复、自动增益控制和基带数据检测的自适应方法分离直流偏移。一般情况下,接收器系统帧结构中的前同步信号有一个已知的直流内容,可自适应逐帧消除直流偏移。
直接转换接收器架构需要注意的另一个因素是偶阶失真分量。在传统超外差接收器中,二阶失真通常位于带外,很容易过滤掉,但在直接转换接收器中,偶阶失真尤其是二阶分量将导致带内干扰。例如正交解调器输入带有频率接近信道带宽的两个强干扰时,解调器的二阶非线性将产生一个低频互调分量,此失真分量位于基带频谱内,不能在后面的基带信号处理中过滤掉。因此,优秀的IIP2是直接转换接收器具有良好性能的先决条件。解调器的混频器与LO信号路径不匹配可能产生带内二阶互调分量,输入RF信号的二阶谐波(来自RF放大器的二阶失真)也可能与LO信号的二阶谐波混合在一起产生类似的效果。因此集成解调器具有较高IIP2对防止偶阶互调干扰基带信号相当重要,通过在I和Q输出端正确过滤无用高频混合分量可进一步增强此性能,这将有效防止无用混合分量耦合到解调器,产生带内二阶互调。一种便利的方法是用并联电容作为各个输出端的终结器,电容值可根据工作频率和具体的印刷电路板(PCB)布局进行优化。
作者:邹闵中
高级设计工程师
Vladimir Dvorkin
RF应用工程经理
James Wong
产品推广经理
高频事业部
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