射频系统架构

Posted 2020-12-23 lafiizh

参考

《零中频射频接收机技术》 李智群，王志功 东南大学射频与光电集成电路研究所

超外差架构

超外差接收机的结构如下图所示，

RF BPF的主要作用是滤除带外干扰，避免LNA异常饱和（LNA的工作带宽一般比较大）。IR Filter是指镜像干扰抑制滤波器，主要是用来滤除镜像干扰的。超外差接收机的带宽一般是由IF BPF来确定的。该滤波器也被称为信道选择滤波器，此滤波器在确定接收机的选择性和灵敏度方便有着非常重要的作用。

通过适当的选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度（通带选择性好理解，那高灵敏度如何理解？）。由于有多个变频级，直流偏差和本振泄露问题不会影响接收机性能。但镜像干扰抑制滤波器和信道选择滤波器均为高Q值带通滤波器（关于滤波器的Q值），他们只能在片外实现，从而增大了接收机的成本和尺寸。

超外差接收机的优势主要在于多次变频结构，多次变频结构使得整体架构可以安插很多中频滤波器，提高了单一信号的选择性。即提高了抗干扰能力。

其次，超外差结构采用多级增益的设计，不容易引起自激。

在介绍超外差结构的时候，百度百科中有下面的词条。

在超外差收发机中，大部分所需信号增益是由中频模块所提供的。在固定的中频频点上，相对更为容易取得足够高而且稳定的增益。在中频取得较高增益所需要的功耗比在射频取得同样增益所需要的功耗要低得多。这是由于信道滤波在放大前有效地抑制了非期望信号和干扰，也因此中频放大器并不需要有很大的动态范围。而且，中频放大器和电路的阻抗更高。因为信道滤波之前所取得的足够高增益，使得它可以取得最佳的灵敏度而不使后级放大器饱和，所以信道高选择性也有助于接收机实现更高的灵敏度。可以通过使用有源低通滤波器在模拟基带中进一步滤除非期望信号或干扰。

镜像干扰严重？

主要是在中频处容易产生存在镜像干扰，也就是在中频的左右两端都可能存在信息，如果左右两端频差刚好一样，那么左右两端的信号与中频接收机本振进行混频将会刚好得到两个重叠起来的基带信号。干扰本来预想传输的信号的无用信号就被称为镜像干扰。

直流偏差和本振泄露问题不严重？

比如RF阶段（主要影响因素，这一阶段有用信号最小，泄露本振的影响最大）存在本振泄露，借助于射频带通滤波器就可以很好地将其滤除。所以本振泄露的影响不是特别大。

中频如何选择

超外差接收机的优势主要在于多次变频结构，多次变频结构使得整体架构可以安插很多中频滤波器，提高了单一信号的选择性。即提高了抗干扰能力。

零中频接收机

零中频接收机不需要片外高Q值的带通滤波器，因而可以实现单片集成。如下所示

由于本振信号频率与射频信号频率相同，因此混频后直接产生基带信号，而信道选择和增益调整在基带上进行，由芯片上的低通滤波器和可变增益放大器完成。零中频接收机最大的优势在于不需要经过中频变频，因而不存在镜像干扰频率。零中频接收机主要存在着如下的问题：

• 本振泄露

  零中频结构的本振频率与信号频率一样，如果混频器的本振端口与射频端口之间的隔离性能不好，本振信号就很容易从混频器的射频口输出，再经过低噪声放大器泄露到天线。（一部分是发射端的本振信号泄露，还有一部分LO口语混频器射频输入口之间的耦合在射频前端的反射引入的本振泄露。参见下图）

• 偶次失真

  典型的射频接收机仅对奇次互调影响比较敏感，偶次互调失真同样会给接收机带来问题。在低噪放和混频器中采用全差分的结构可以抵消偶次失真（换句话说，在我们的系统当中低噪放的偶次失真并没有解决）。

• 直流偏差

  天线接收或反射射频本振信号，经混频器混频之后将会形成直流信号。直流信号叠加到基带信号上回影响接收信号的信噪比。也容易使接收信号饱和。

• 交流耦合

  为了减少基带直流信号对接收机的影响，一般会采用大电容耦合的方法来消除直流偏差，而尽量不削减直流附件交流信号的能量。

• 谐波混频器

  接收端本振信号频率选为射频信号频率的一半，混频器使用本振信号的而次谐波与输入射频信号进行混频。由本振泄露（射频信号的中心位置，指的是上面所说本振泄露当中的一种发射端引起的本振泄露）引起的自混频将产生一个与本振信号同频率的交流信号，但不产生直流分量，从而有效抑制了直流偏差。

• 闪烁噪声

  有源器件内的闪烁噪声又称为噪声，其大小随着频率的降低而增加，主要集中在低频段。与双极性晶体管相比，场效应管的噪声要大得多。

• I/Q失配

  采用零中频方案进行数字通信时，如果同相和正交两支路不一致，例如两个混频器的增益不同，两个本振信号的相位差不是严格的90度，会引起基带I/Q信号的变化，即产生I/Q失配问题。