基于零中頻接收機的技術挑戰及解決方案

0 概述

零中頻接收機在幾十年前被提出來，工程中經歷多次的應用實踐，但是多以失敗告終，近年來，隨著通信系統要求成本更低，功耗更低，面積更小，集成度更高，帶寬更大，零中方案能夠很好的解決如上問題而被再次提起。

本文將詳細介紹零中頻接收機的問題以及設計解決方案，結合TI的零中頻方案TRF3711測試結果證明，零中頻方案在寬帶系統的基站中是可以實現的。

1 超外差接收機

為了更好理解零中頻接收的優勢，本節將簡單總結超外差接收機的一些設計困難和缺點。

圖一是簡單超外差接收機的架構，RF信號經過LNA(低噪聲放大器)進入混頻器，和本振信號混頻產生中頻信號輸出，鏡像抑制濾波器濾出混頻的鏡像信號，中頻濾波器濾除帶外干擾信號，起到信道選擇的作用，圖中標示了頻譜的搬移過程及每一部分的功能。

在超外差接收機種最重要的問題是怎樣在鏡像抑制濾波器和信號選擇濾波器的設計上得到平衡，如圖一所示，對濾波器而言，當其品質因子和插損確定，中頻越高，其對鏡像信號的抑制就越好，而對干擾信號的抑制就比較差，相反，如果中頻越低，其對鏡像信號的抑制就變差，而對干擾信號的抑制就非常理想，由于這個原因，超外差接收機對鏡像濾波器和信道濾波器的選擇傳輸函數有非常高的要求，通常會選用聲表濾波器(SAW)，或者是采用高階LC濾波器，這些都不利于系統的集成化，同時成本也非常高。

在超外差接收機中，由于鏡像抑制濾波器是外置的，LNA必須驅動50R負載，這樣還會導致面積和放大器噪聲，增益，線性度，功耗的平衡性問題。

鏡像濾波器和選擇濾波器的平衡設計也可采用鏡像抑制架構，如圖二所示的Hartley(1)和 Weaver(2)拓撲架構，在A點和B點的輸出是相同極性的有用信號和極性相反的鏡像信號，這樣通過后面的加法器，鏡像信號就可以被抵消掉，從而達到簡化鏡像濾波器的設計，但是這種架構由于相位和幅度不平衡，其鏡像信號沒有辦法完全抑制，如證明(6)，鏡像抑制比IIR.

E指相對的電壓幅度差，指相位差，如果 E和θ足夠小，式(1)可以簡化為(2)。

這里θ是弧度，如果E=5%,θ=5度，IIR約為26dB,如果要達到60dB的IIR,需要θ低于0.1度，這是非常難以實現的，通常這種架構可以做到30-40dB的鏡像抑制(7)，所以，即使采用這種架構，鏡像抑制濾波器和信道選擇仍然需要仔細設計。

圖二： Hartley和Weaver鏡像抑制架構

2、零中頻接收機

2.1 零中頻接收機架構及優勢

零中頻接收機架構如圖三，是指RF信號(radio frequency)直接轉化到零頻信號，LPF(低通濾波器)用于近端干擾信號的抑制， 在零中頻架構中，在典型的相位/幅度調制中，正交的I和Q兩路信號是必須的，由于兩個邊帶信號包含了不同有用信息，必須在相位上區分。

相較超外差架構，零中頻架構優勢：1:沒有鏡像抑制要求;2:LNA不需要驅動50R負載;3:采用相同ADC情況下，帶寬是超外差架構的兩倍;4:聲表濾波器和復雜的LC濾波器可以采用簡單的低通濾波器替換，從而利于集成芯片設計，如圖四，TRF3711就是采用零中頻架構，集成了I/Q解調器，低頻的可調增益放大器以及可調信道選擇濾波器，實現了高集成方案。

既然零中頻接收架構如此簡單，為什么到目前為止，還沒有廣泛應用呢?那是因為零中頻接收機極易被各種噪聲污染，從而影響系統性能，下面將討論零中頻接收架構的挑戰。