寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的零中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

張報(bào)明，劉永紅，楊睛龍，童 進(jìn)

(新郵通信設(shè)備有限公司 廣州 510663)

1 引言

隨著無(wú)線通信向高速、寬帶方向發(fā)展和市場(chǎng)的快速變化，無(wú)線接收機(jī)的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出向體積小、效率高、帶寬高和載波靈活配置等方面發(fā)展的趨勢(shì)。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，無(wú)線接收機(jī)主要存在3種設(shè)計(jì)方案：超外差、直接變頻和零中頻。

·超外差結(jié)構(gòu)：射頻信號(hào)先變頻到中頻，再由中頻下變頻到基帶。

·直接變頻結(jié)構(gòu)：不需要鎖相模塊來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整晶振偏差，直接使用一個(gè)自由本振將信號(hào)變頻到零頻附近。

·零中頻結(jié)構(gòu)：直接由射頻下變頻到基帶。

相比而言，零中頻接收機(jī)具有成本低、體積小、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前得到業(yè)界的廣泛采用。本文主要研究了零中頻接收機(jī)方案的系統(tǒng)架構(gòu)、直流偏差及I/Q不平衡補(bǔ)償算法，在分析仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，給出了一種適用于3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)的零中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。

2 零中頻接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，(a)和(b)分別為超外差接收機(jī)及零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖1 接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

在超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻濾波器、低噪聲放大器和鏡像抑制濾波器后，進(jìn)行下變頻產(chǎn)生中頻信號(hào)。然后，帶通濾波器將中頻鄰道信號(hào)去除，再經(jīng)ADC采樣由FPGA或DSP數(shù)字下變頻得到基帶信號(hào)。鏡像抑制濾波器和中頻信道選擇濾波器只能在片外實(shí)現(xiàn)，很難將其與其他射頻電路集成在一塊芯片上，因此，增大了接收機(jī)的成本和尺寸[1]。

與超外差接收機(jī)方案相比，零中頻方案的架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它直接將信號(hào)從射頻搬移到零頻，不需要RF鏡像抑制濾波器。另外，由于信號(hào)在低頻，因此選用較低廉的ADC就可以得到較好的SNR等性能指標(biāo)。

零中頻接收機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)。由于一些干擾集中在低頻(如直流偏差、閃爍噪聲、偶次諧波失真、本振泄漏等)，而零中頻信號(hào)也在低頻，不能像超外差接收機(jī)一樣將所有低頻分量濾波，因此，零中頻接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)相對(duì)較差。另外，零中頻接收機(jī)對(duì)I/Q平衡要求也更為嚴(yán) 格[2，3]。

綜上所述，零中頻方案需要解決I/Q不平衡[4]、直流偏差(DC Offset)[5]、偶次諧波、閃爍噪聲等關(guān)鍵問(wèn)題，才能保證接收機(jī)的性能。下文論述了零中頻接收機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)。

3 零中頻接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 I/Q不平衡補(bǔ)償

在零中頻接收機(jī)中，若混頻器對(duì)I/Q兩路的增益不同，會(huì)引起幅度不平衡；若兩個(gè)本振信號(hào)的相位差不是嚴(yán)格的90°，則導(dǎo)致相位不平衡。兩者都會(huì)引起基帶I/Q信號(hào)的變化，即產(chǎn)生I/Q不平衡問(wèn)題。

對(duì)于LTE系統(tǒng)，I/Q不平衡會(huì)導(dǎo)致載波間干擾(inter-carrier interference，ICI)，影響接收靈敏度等指標(biāo)，因此在基帶端應(yīng)進(jìn)行I/Q信號(hào)補(bǔ)償[6]。

假設(shè) i(t)、q(t)為原始信號(hào)，i′(t)、q′(t)為 I/Q 不平衡后的信號(hào)：

其中，Φ為相位不平衡的角度，ai為幅度不平衡的程度。

I/Q不平衡校正量為：

為了驗(yàn)證算法的性能，通過(guò)MATLAB對(duì)上述算法進(jìn)行了仿真。對(duì)一組標(biāo)準(zhǔn)的10 MHz LTE信號(hào)，引入相位不平衡-0.25°、幅度不平衡0.5 dB進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算收斂后的結(jié)果如圖2所示，圖2(a)、(b)分別為相位、幅度不平衡的仿真結(jié)果。從圖2中可以看出，經(jīng)過(guò)迭代處理后，信號(hào)輸出值分別收斂在-0.27°及0.51 dB，與假設(shè)引入的畸變值接近，獲得了良好的補(bǔ)償效果。

圖2 I/Q不平衡仿真

3.2 直流偏差消除

直流偏差是零中頻方案特有的一種干擾。由于本振頻率與接收信號(hào)中心頻率相同，若本振口與射頻口之間的隔離性能不好，本振和接收信號(hào)很容易造成混頻泄漏。根據(jù)混入方式的不同，可分為本振泄漏自混頻和干擾自混頻兩種方式：前者為泄漏的本振信號(hào)輸出至低噪聲放大器和混頻器輸入端，混頻產(chǎn)生直流分量；后者為接收信號(hào)泄漏到本振處與原自身信號(hào)混頻，也可產(chǎn)生靜態(tài)直流偏移。常見(jiàn)的直流偏差消除方法有交流耦合、諧波混頻、自適應(yīng)校正電路、數(shù)字消除等[7]。

本文給出的是基于數(shù)字消除的方法，原理如下：通過(guò)直流分量累積器，累積計(jì)算I/Q兩路的直流分量；得到直流分量后，在I/Q兩路分別減去對(duì)應(yīng)的直流分量，即可消除直流偏差。直流分量累積器可以通過(guò)均值濾波器實(shí)現(xiàn)，I/Q兩路直流分量累積器的輸出值mI、mQ為：

MATLAB的仿真結(jié)果如圖3所示，圖3(a)中引入了直流分量，圖3(b)為經(jīng)過(guò)直流偏差補(bǔ)償后的輸出結(jié)果。結(jié)果表明，該方法能較好地去除直流偏差。

在LTE系統(tǒng)中，基站側(cè)的下行通道為了使手機(jī)接收不受本振泄漏等因素引起的直流偏差干擾，下行通道的直流分量都置為0，這有利于提高手機(jī)接收信號(hào)的信噪比。而在上行通道，手機(jī)發(fā)送信號(hào)存在7.5 kHz的偏移，保證了基站接收機(jī)也可以不受直流偏差的影響。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)充分考慮了如何避免直流偏差的影響，從而大大減輕了LTE接收機(jī)在該方面的壓力。

4 LTE零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖4給出了一種LTE零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)。信號(hào)由天線接收經(jīng)射頻濾波和LNA放大后，通過(guò)RF帶通濾波器輸入混頻器，混頻器輸出I/Q兩路差分零中頻信號(hào)。隨后，VGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，并經(jīng)通道濾波后由ADC采樣輸入至數(shù)字處理模塊。數(shù)字處理模塊包括ADC接口、VGA控制、補(bǔ)償模塊(直流偏差及I/Q不平衡補(bǔ)償)和數(shù)字下變頻(DDC)等部分。

4.1 模擬信號(hào)處理部分

零中頻接收機(jī)的模擬信號(hào)處理部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：射頻信號(hào)放大、射頻信號(hào)濾波、射頻信號(hào)解調(diào)、增益調(diào)整、通道濾波及信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

（1）射頻信號(hào)放大

射頻信號(hào)放大的第一級(jí)為低噪聲放大器LNA，由于其處于射頻鏈路的前級(jí)，所以應(yīng)盡可能選用噪聲系數(shù)較低的器件，并且具有高線性特性。這里低噪放的噪聲系數(shù)為2.5 dB，OIP3為 39 dBm。

圖3 直流偏差補(bǔ)償仿真

圖4 LTE零中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（2）射頻信號(hào)濾波

射頻濾波器的作用為濾除發(fā)射機(jī)泄漏的信號(hào)。由于收發(fā)通道的隔離度問(wèn)題，發(fā)射機(jī)的信號(hào)會(huì)通過(guò)各種途徑耦合到接收鏈路，如雙工器、功放等。如果射頻濾波器無(wú)法濾除發(fā)射機(jī)泄漏的信號(hào)，那么在阻塞等干擾測(cè)試中，發(fā)射機(jī)泄漏的信號(hào)會(huì)和這些干擾信號(hào)互調(diào)產(chǎn)生接收帶內(nèi)互調(diào)產(chǎn)物，濾波器無(wú)法將其濾除。在本方案中，收發(fā)通道的隔離度要超過(guò)60 dB。

（3）射頻信號(hào)解調(diào)

射頻信號(hào)解調(diào)器將射頻信號(hào)下變頻到零中頻。本振信號(hào)相噪、射頻輸入端口與本振端口之間的隔離度、I/Q不平衡等指標(biāo)都會(huì)影響接收機(jī)性能。其中，幅度不平衡在0.05 dB以下，相位不平衡在0.2°以下。

（4）VGA

VGA為可變?cè)鲆娣糯笃?，其主要作用為：調(diào)整鏈路增益，使鏈路的增益達(dá)到設(shè)定值；補(bǔ)償鏈路其他器件的離散性，使整個(gè)鏈路級(jí)聯(lián)增益恒定；避免信號(hào)輸入過(guò)高導(dǎo)致后續(xù)鏈路飽和；提供足夠的增益以提高ADC的動(dòng)態(tài)范圍。

VGA的增益控制范圍為1～30 dB，步進(jìn)為1 dB，其配置值由FPGA控制。

（5）通道濾波器

通道濾波器的作用主要有以下幾點(diǎn)：濾除直流分量，-3 dB頻點(diǎn)在1 kHz左右；濾除由解調(diào)器、放大器產(chǎn)生的非線性互調(diào)產(chǎn)物和邊帶噪聲，其對(duì)混疊區(qū)域的衰減在55 dB以上。

（6）雙通道 ADC

雙通道ADC將I/Q基帶模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給FPGA。ADC的關(guān)鍵指標(biāo)為SFDR和SNR，它們直接影響到接收機(jī)抗阻塞能力和靈敏度指標(biāo)，方案中選取的ADC的SNR為70 dB以上，SFDR為80 dBc以上。ADC的型號(hào)為MAX12527，輸入時(shí)鐘為122.88 MHz，采樣速率為61.44 MHz。

4.2 數(shù)字信號(hào)處理部分

數(shù)字處理部分主要包括ADC接口模塊、VGA控制模塊、補(bǔ)償模塊、數(shù)字下變頻模塊等。該部分由Xilinx公司的XC5VLX220T實(shí)現(xiàn)，芯片總功耗為4.4 W。

（1）ADC 接口模塊

ADC接口模塊將ADC的差分輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FPGA內(nèi)約定的I/Q數(shù)據(jù)格式。

（2）VGA 控制模塊

VGA控制模塊通過(guò)調(diào)整VGA增益值來(lái)控制接收鏈路的增益，保證接收通道的功率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，防止由于功率過(guò)大或者過(guò)小導(dǎo)致ADC的采樣失真。

FPGA計(jì)算輸入信號(hào)能量，與閾值比較后，根據(jù)結(jié)果設(shè)定VGA控制值。當(dāng)然，VGA控制是比較粗略的，F(xiàn)PGA內(nèi)部還需要更精細(xì)的增益控制以完成定標(biāo)等需求。

（3）補(bǔ)償模塊

補(bǔ)償模塊完成直流偏差的計(jì)算和補(bǔ)償、I/Q幅度和相位誤差補(bǔ)償。補(bǔ)償算法如§3所述。

（4）數(shù)字下變頻模塊

數(shù)字下變頻(DDC)模塊完成通道濾波和速率匹配。由于 LTE 系統(tǒng)有 5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz等帶寬，因此DDC模塊需要適配多種帶寬需求，其中主要應(yīng)用了半帶濾波器以節(jié)省FPGA資源，其濾波器系數(shù)通過(guò)軟件配置。

5 結(jié)束語(yǔ)

零中頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于集成，符合軟件無(wú)線電(SDR)[8]通用平臺(tái)的要求。本文著重介紹了直流偏差和I/Q不平衡的補(bǔ)償算法，并提出了一種可行的LTE零中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，該補(bǔ)償方法能夠很好地解決采用零中頻接收機(jī)方案所引入的有關(guān)問(wèn)題，并可明顯改善接收機(jī)的性能。下一步的工作將是研究補(bǔ)償非線性失真、閃爍噪聲等其他低頻干擾，進(jìn)一步提高零中頻接收機(jī)的性能，以實(shí)現(xiàn)可大規(guī)模商用的集成芯片。

1 李智群，王志功.零中頻射頻接收機(jī)技術(shù).電子產(chǎn)品世界，2004(7)

2 Won N，Meng T H.Direct-Conversion RF Receiver Design.IEEE Transactions on Communications，2001，49(3)

3 Behzad R.Design considerations for direct-conversion receivers.IEEE Transactions on Circiuts and Systems，1997， 44(6)

4 Mailand M，Richter R.I/Q-imbalance and its compensation for non-ideal analog receivers comprising frequency-selective components，http://www.adv-radio-sci.net/4/189/2006/

5 唐琴，吳建輝.零中頻直流偏移消除技術(shù)比較與分析.微電子學(xué)，2008，38(12)

6 唐世剛，龔克，潘長(zhǎng)勇等.數(shù)字接收機(jī)I/Q支路不平衡的時(shí)域補(bǔ)償.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，47(1)

7 胡雪惠，白獻(xiàn)林，雷梁.零中頻接收機(jī)中的直流偏移抑制技術(shù).空間電子技術(shù)，2008(3)

8 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2005