一種零中頻接收機(jī)的直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)

梁曉峰 葉暉

摘? 要：文章對(duì)零中頻接收機(jī)的直流偏置的產(chǎn)生進(jìn)行了介紹，然后提出一種靜態(tài)校準(zhǔn)與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)相結(jié)合的兩級(jí)直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)，既能消除因設(shè)計(jì)或工藝偏差造成的固有的直流偏置，也能消除由于實(shí)時(shí)環(huán)境因素造成的直流偏置分量。在保證校準(zhǔn)具有較高的精度的同時(shí)也具備較高的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)能力。

關(guān)鍵詞：零中頻接收機(jī);直流偏置;靜態(tài)校準(zhǔn);動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TN851? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）10-0038-04

Abstract：In this article the causes of DC offset in ZIF receiver is introduced，then a two-step DC offset calibration technique combining static calibration with dynamic calibration is presented. This technique can not only eliminate inherent DC offset caused by mismatch of design or manufacture technology，but also eliminate DC offset caused by real time environment. It can offer either high accuracy or real time cancellation.

Keywords：zero IF receiver;DC offset;static calibration;dynamic calibration

0? 引? 言

傳統(tǒng)的射頻接收機(jī)解調(diào)方式是射頻信號(hào)（RF）進(jìn)入天線，通過下變頻技術(shù)轉(zhuǎn)換為中頻（IF）信號(hào)，再將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為同相（I）和正交（Q）兩路相互正交的基帶信號(hào)。在中頻部分需要加入中頻濾波器，使電路變得相對(duì)復(fù)雜、集成度相對(duì)較低、功耗和成本也比較高。

近年來，隨著通信系統(tǒng)對(duì)成本、功耗、面積等的要求越來越高，零中頻接收機(jī)的使用變得越來越廣泛。零中頻接收機(jī)技術(shù)是相對(duì)于傳統(tǒng)的兩次甚至多次變頻的中頻接收機(jī)技術(shù)而言的。零中頻接收機(jī)只采用了一次變頻，射頻信號(hào)經(jīng)天線、低噪聲放大器、混頻器，直接將射頻信號(hào)下變頻為基帶信號(hào)，然后經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為相互正交的數(shù)字I/Q信號(hào)，之后再進(jìn)行信道濾波、解調(diào)解碼等。零中頻接收機(jī)具有體積小、成本低以及易于集成和擴(kuò)展等特點(diǎn)，已成為在射頻接收機(jī)中極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種，在無線通信領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[1]。

盡管具有上述多種優(yōu)點(diǎn)，零中頻接收機(jī)還是存在I/Q不平衡、直流偏置等主要缺陷[2]。其中直流偏置會(huì)疊加在有用信號(hào)上通過整個(gè)接收通道，影響有用信號(hào)在低頻處的能量，導(dǎo)致信噪比惡化，還有可能造成混頻器后的放大器以及模數(shù)變換器ADC飽和，從而不能有效地放大有用信號(hào)，導(dǎo)致射頻接收機(jī)的解調(diào)精度下降以及誤碼率的提高[3]，甚至無法正確接收信號(hào)。因此，直流偏置的消除是零中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

本文將從三個(gè)部分來介紹直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)。第一部分提出零中頻接收機(jī)現(xiàn)存的直流偏置的幾個(gè)主要來源。第二部分主要介紹本文提出的零中頻接收機(jī)的直流偏置校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案。第三部分則分別介紹兩級(jí)直流偏置校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1? 直流偏置的產(chǎn)生和對(duì)策

直流偏置的產(chǎn)生主要有以下四個(gè)方面：

（1）由于設(shè)計(jì)、制造工藝等造成混頻器輸出端不對(duì)稱導(dǎo)致的共模直流偏置，這種直流偏置存在于每個(gè)芯片中[4];

（2）由于本振端口、混頻器端口和低噪聲放大器端口的隔離度不夠高，導(dǎo)致本振信號(hào)泄漏到接收機(jī)的輸入端，造成自混頻，從而產(chǎn)生了直流分量，該直流分量是零中頻接收機(jī)存在直流偏置的主要原因;

（3）由于溫度、從天線端引入的環(huán)境噪聲等各種環(huán)境因素造成的直流偏置;

（4）接收/發(fā)射工作模式在快速切換期間造成的直流偏置跳變。

從直流偏置的性質(zhì)來說，可以分為兩類，一是基本不隨時(shí)間變化的，與接收機(jī)模擬前端的增益以及本振頻率的相關(guān)性較大，如上文（1）（2）點(diǎn)所述，稱為靜態(tài)直流偏置;二是可隨時(shí)間變化的，如上文（3）（4）點(diǎn)所述，稱為動(dòng)態(tài)直流偏置。

傳統(tǒng)的技術(shù)對(duì)于直流偏置的消除主要在模擬電路的部分實(shí)現(xiàn)，主要方法有二[5]：一是通過交流耦合（AC Coupling）的方式來消除直流偏置，比如模擬高通濾波器，但這對(duì)模擬電路的精度有很高的要求，而且會(huì)增加較多的芯片面積;二是利用接收中的等待時(shí)間（idle time）來測(cè)量直流偏置，并儲(chǔ)存在電容中，正常接收時(shí)再減去直流偏置量。然而采用模擬電路的實(shí)現(xiàn)方式，校準(zhǔn)的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，雖然對(duì)于校準(zhǔn)靜態(tài)直流偏置可能影響不大，但對(duì)于動(dòng)態(tài)直流偏置校準(zhǔn)還是會(huì)有較大影響。

而現(xiàn)有的數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)中，為了簡(jiǎn)化直流偏置檢測(cè)和校準(zhǔn)電路，均在數(shù)字基帶或者數(shù)字濾波電路中對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣處理，從而獲得直流偏置，并在數(shù)字通道中減去;但在實(shí)際芯片中，經(jīng)混頻器輸出的直流是和有用信號(hào)疊加在一起輸入到跨阻放大器TIA，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的，當(dāng)直流偏置存在，且值比較大時(shí)，將直接限制跨阻放大器TIA和模數(shù)放大器ADC輸入的有效信號(hào)幅度的上下限，即跨阻放大器TIA或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC會(huì)因輸入信號(hào)過大而飽和，產(chǎn)生非線性失真[6]，從而限制了整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，這將直接影響到接收機(jī)的兩個(gè)重要指標(biāo)：靈敏度和最大輸入電平，從而惡化整個(gè)接收機(jī)的性能;為了應(yīng)對(duì)比較大的直流偏置，必須在設(shè)計(jì)時(shí)增加放大器和ADC的動(dòng)態(tài)范圍[7]，這又將大大增加跨阻放大器TIA和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的設(shè)計(jì)難度以及動(dòng)態(tài)功耗，給整個(gè)設(shè)計(jì)工作帶來不必要的麻煩。

為了解決上述零中頻接收機(jī)存在的直流偏置問題，本文提出了一種用于零中頻接收機(jī)的，既不會(huì)降低放大器和ADC動(dòng)態(tài)范圍，又具有較高實(shí)時(shí)性的直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)。

2? 設(shè)計(jì)方案

本文提出的直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)將分別針對(duì)靜態(tài)直流偏置和動(dòng)態(tài)直流偏置，采用了兩級(jí)校準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)電路采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在天線端沒有輸入信號(hào)的條件下，獲取芯片接收通道中的固有直流偏置，把獲得的直流偏置值通過DAC反饋回放大器的輸入端，可以消除混頻器輸出端所帶的直流偏置。第二級(jí)直流偏置校準(zhǔn)電路在第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)電路校準(zhǔn)后的基礎(chǔ)上，在每次芯片進(jìn)入接收模式后，且有用信號(hào)到達(dá)前，對(duì)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字接收信號(hào)進(jìn)行短時(shí)、迅速的直流偏置校準(zhǔn)，把結(jié)果直接作用于數(shù)字接收信號(hào)，以消除由于實(shí)時(shí)環(huán)境因素造成的直流偏置分量。

通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩級(jí)直流偏置校準(zhǔn)，則可達(dá)到校準(zhǔn)芯片接收通道動(dòng)態(tài)和靜態(tài)直流偏置的目的，提高零中頻接收機(jī)的接收性能。下面將詳細(xì)描述兩級(jí)直流偏置校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法，如圖1所示。

2.1? 第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)

第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)，即靜態(tài)直流偏置校準(zhǔn)，用于消除芯片接收通道中因設(shè)計(jì)或工藝偏差造成的固有的直流偏置。靜態(tài)直流校準(zhǔn)部分的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，核心部分由跨阻放大器TIA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、直流偏置測(cè)量模塊、靜態(tài)校準(zhǔn)開關(guān)、RAM、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和一個(gè)CIC濾波器組成。

在芯片上電時(shí)，設(shè)置射頻天線開關(guān)為發(fā)射狀態(tài)，由于天線開關(guān)的隔離作用，射頻芯片接收端處于輸入為零或十分接近零的狀態(tài)，此時(shí)靜態(tài)校準(zhǔn)開關(guān)閉合，校準(zhǔn)電路形成閉環(huán)負(fù)反饋回路，然后即可在初始化程序中啟動(dòng)第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)，即啟動(dòng)靜態(tài)直流校準(zhǔn)。

靜態(tài)直流校準(zhǔn)啟動(dòng)后，數(shù)字電路部分中的直流偏置測(cè)量模塊對(duì)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的采樣，每個(gè)測(cè)量結(jié)果均進(jìn)行512次采樣，然后進(jìn)行累加和平均，完成后得到一個(gè)測(cè)量結(jié)果DC_MEAS。

為了提高直流校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)式（1）的結(jié)果DC_MEAS再進(jìn)行累加求平均的運(yùn)算。

式（2）中k為重復(fù)測(cè)量的次數(shù)，α為再一次求平均的除數(shù)，正常來說，k的取值應(yīng)等于α，重復(fù)次數(shù)等于求累加平均的次數(shù)，則等效于進(jìn)行了k次累加，就對(duì)累加結(jié)果除k求平均，但為了保證測(cè)量過程的靈活性與可控性，避免對(duì)直流偏置的運(yùn)算有所偏差，因此將芯片中k設(shè)計(jì)為一個(gè)可編程數(shù)值。

為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，降低電路的復(fù)雜性，α默認(rèn)以2的n次冪取值，α選擇這種取值形式的主要原因在于電路實(shí)現(xiàn)中只需對(duì)被除數(shù)進(jìn)行向右移位運(yùn)算即可，不需要進(jìn)行復(fù)雜的除法運(yùn)算。芯片中默認(rèn)k和α間的取值關(guān)系參考如下。

當(dāng)求得第k次的運(yùn)算結(jié)果后，所得的DC_OFF（k）即為靜態(tài)校準(zhǔn)的最終結(jié)果，該結(jié)果將保存于芯片內(nèi)部的RAM中，同時(shí)靜態(tài)校準(zhǔn)開關(guān)將斷開，至此靜態(tài)直流校準(zhǔn)結(jié)束。

正常工作模式下，進(jìn)入接收狀態(tài)后，芯片將根據(jù)當(dāng)前設(shè)置的模擬增益檔位和本振頻率分段在對(duì)應(yīng)的RAM地址中取出靜態(tài)校準(zhǔn)所得的直流偏置值，并將此直流偏置值經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)反饋到跨阻放大器TIA的輸入端。在TIA和ADC之前就消除掉由于芯片主要電路參數(shù)變化（模擬增益變化、本振頻率變化）而產(chǎn)生的直流偏置分量以及芯片個(gè)體因生產(chǎn)工藝偏差所固有的直流偏置分量，同時(shí)補(bǔ)償了TIA和ADC自身對(duì)直流偏置的影響，有效地防止了TIA和ADC因?yàn)檩^大直流偏置而飽和產(chǎn)生的非線性失真。

此外，考慮到針對(duì)不同的本振頻率以及模擬增益，接收通道中固有的直流偏置會(huì)有所不同。因此設(shè)計(jì)中將芯片的本振頻率分段，校準(zhǔn)過程會(huì)在不同的本振頻率分段中進(jìn)行，再根據(jù)不同檔位的低噪聲放大器LNA增益各進(jìn)行一次直流偏置運(yùn)算，求得對(duì)應(yīng)的直流偏置值。假設(shè)芯片的本振頻率需要覆蓋100MHz的范圍，則在設(shè)計(jì)時(shí)將本振頻率劃分為5個(gè)頻率分段（每20MHz一個(gè)分段），并將LNA模擬增益分為高低兩檔，依次進(jìn)行上述第一級(jí)靜態(tài)直流偏置校準(zhǔn)，則總共進(jìn)行了10次直流偏移校準(zhǔn)，將得到與頻率分段和增益檔位對(duì)應(yīng)的20個(gè)直流偏置校準(zhǔn)結(jié)果，存儲(chǔ)方式如表1所示。

如表1舉例的本振頻率范圍和模擬增益檔位所示，一共進(jìn)行了10次靜態(tài)直流校準(zhǔn)，因此完成整個(gè)校準(zhǔn)過程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，考慮到靜態(tài)直流偏置固有地存在于接收機(jī)通道中，基本不隨時(shí)間變化，因此第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)安排在對(duì)時(shí)間較不敏感的芯片上電初始化時(shí)進(jìn)行，在整個(gè)芯片上電工作過程中只運(yùn)行一次。

2.2? 第二級(jí)直流偏置校準(zhǔn)

第二級(jí)直流偏置校準(zhǔn)，即動(dòng)態(tài)直流偏置校準(zhǔn)，是在第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的校準(zhǔn)。如圖3所示，在進(jìn)行第二級(jí)直流偏置校準(zhǔn)時(shí)，第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)的結(jié)果將從對(duì)應(yīng)的RAM地址中讀出，并作用于反饋路徑的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC上，反饋給跨阻放大器TIA的輸入端，消除靜態(tài)直流偏置。經(jīng)第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)后，殘留的直流分量相對(duì)于校準(zhǔn)前已經(jīng)大大減小，但考慮到芯片面積與功耗等因素，導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC的位數(shù)不能太高，其實(shí)現(xiàn)精度也會(huì)對(duì)第一級(jí)直流偏置校準(zhǔn)的結(jié)果產(chǎn)生影響，因此會(huì)有少量殘余的靜態(tài)直流分量未能消除。該殘余直流將通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)入到數(shù)字前端中，并將在第二級(jí)直流偏置校準(zhǔn)過程中與動(dòng)態(tài)直流偏置一并得以消除。

由于環(huán)境因素是不斷變化的，因此動(dòng)態(tài)直流偏置也是隨時(shí)間變化的，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。第二級(jí)動(dòng)態(tài)直流偏置校準(zhǔn)必須在接收機(jī)正常工作時(shí)實(shí)施才能有效消除當(dāng)時(shí)的動(dòng)態(tài)直流偏置。然而校準(zhǔn)過程中，接收通道中的有用信號(hào)會(huì)給校準(zhǔn)引入較大的測(cè)量誤差。因此動(dòng)態(tài)直流偏置校準(zhǔn)需要在接收機(jī)通道剛進(jìn)入接收狀態(tài)而有效數(shù)據(jù)還未到達(dá)時(shí)進(jìn)行，此時(shí)做動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)最能體現(xiàn)當(dāng)前電路中如溫度、從天線端引入的環(huán)境噪聲干擾等因素對(duì)直流偏置的影響。

進(jìn)入接收模式后，芯片內(nèi)部的模擬電路需要一定的穩(wěn)定時(shí)間才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，之后接收到的有用信號(hào)也需一定的通道延時(shí)才能進(jìn)入直流偏置測(cè)量模塊，期間有用信號(hào)需經(jīng)過低噪聲放大器LNA、混頻器MIXER、跨阻放大器TIA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC以及積分梳狀濾波器CIC。因此動(dòng)態(tài)直流校準(zhǔn)的耗時(shí)不能超過穩(wěn)定時(shí)間與通道延遲之和。動(dòng)態(tài)直流校準(zhǔn)采用的算法與靜態(tài)直流校準(zhǔn)類似，但采用更少的累計(jì)次數(shù)，以求在更短的時(shí)間內(nèi)完成校準(zhǔn)。例如對(duì)DC_MEAS的計(jì)算，靜態(tài)直流校準(zhǔn)采用了512次采樣進(jìn)行累加求平均，而動(dòng)態(tài)直流校準(zhǔn)則只用8次采樣進(jìn)行累加求平均，校準(zhǔn)時(shí)間將大大縮短。動(dòng)態(tài)直流校準(zhǔn)的結(jié)果將直接在數(shù)字信號(hào)處理模塊內(nèi)從I/Q通道的有效數(shù)字信號(hào)中減去，校準(zhǔn)的結(jié)果不需要保存在芯片中，而是在每次進(jìn)入接收模式時(shí)都進(jìn)行一次校準(zhǔn)，以達(dá)到實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的目的。

對(duì)于DC_OFF的計(jì)算還是采用式（3）的形式，對(duì)第二級(jí)直流偏置校準(zhǔn)的結(jié)果DC_MEAS做累加求平均運(yùn)算，以獲得更高的校準(zhǔn)精度。

如上述可見，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和靜態(tài)校準(zhǔn)在數(shù)字信號(hào)處理中的直流偏置測(cè)量算法上是相同的，只是根據(jù)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)短的需求不同，所采取的累加長(zhǎng)度有所不同。兩級(jí)直流校準(zhǔn)并不會(huì)在同一時(shí)間啟動(dòng)，因此可以共用直流偏置測(cè)量模塊，以達(dá)到節(jié)省芯片資源的目的，只要在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通過寄存器來配置校準(zhǔn)長(zhǎng)度即可。

2.3? 仿真結(jié)果

圖4、圖5分別為兩級(jí)直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)使用前后的仿真結(jié)果，當(dāng)輸入信號(hào)幅值設(shè)置為0.7（假設(shè)信號(hào)滿擺幅時(shí)幅值為1），I/Q兩路信號(hào)直流偏移分別取0.002和-0.004時(shí)，直流偏置校準(zhǔn)前接收信號(hào)的頻譜如圖4，從頻譜中可見輸入信號(hào)中帶有較大的直流分量。經(jīng)本文提出的兩級(jí)直流偏置校準(zhǔn)后的信號(hào)頻譜如圖5所示，可見接收信號(hào)中的直流偏置已經(jīng)被很好地消除了，可見本文提出的校準(zhǔn)技術(shù)是確實(shí)可行且有效的。

3? 結(jié)? 論

針對(duì)零中頻接收機(jī)存在的直流偏置問題，本文提出了一種動(dòng)態(tài)和靜態(tài)結(jié)合的直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)，既能消除因設(shè)計(jì)或工藝偏差造成的固有的直流偏置，也能消除由于實(shí)時(shí)環(huán)境因素造成的直流偏置分量。在保證了校準(zhǔn)具有較高的精度的同時(shí)也具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李智群，王志功.零中頻射頻接收機(jī)技術(shù) [J].電子產(chǎn)品世界，2004（13）：69-72.

[2] 王自強(qiáng)，張春，王志華.無線接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J].微電子學(xué)，2004（4）：455-459.

[3] Abidi AA. Direct-conversion radio transceivers for digital communications [J]. Solid-State Circuits，IEEE Journal of，1995，3（12）：1399-1410.

[4] Yoshida H，Tsurumi H，SUZUKI Y. DC offset canceller in a direct conversion receiver for QPSK signal reception [C]//Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，1998. The Ninth IEEE International Symposium on. S.l.：s.n.，1998：1314-1318.

[5] 范俊，李永明.解決零中頻架構(gòu)直流漂移的自校正方案 [J].微電子學(xué)，2005（2）：114-117.

[6] Elahi I，Muhammad K. IIP2 calibration by injecting dc offset at the mixer in a wireless receiver [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs，2007，54（12）：1135-1139.

[7] Horlin F，Bourdoux A. Digital Compensation for Analog Front-Ends：A New Approach to Wireless Transceiver Design [M]. S.l.：s.n.，2008.

作者簡(jiǎn)介：梁曉峰（1982-），男，漢族，廣東廣州人，數(shù)字IC設(shè)計(jì)工程師，電子技術(shù)工程師，碩士研究生，研究方向：射頻、數(shù)字集成電路;葉暉（1976-），男，漢族，湖南湘陰人，數(shù)字IC設(shè)計(jì)工程師，電子技術(shù)工程師，博士研究生，研究方向：射頻、數(shù)字集成電路。