零中频收发机的发展现状

零中频趋势

小型化大势所趋，零中频崭露头角

二十世纪七、八十年代，微电子和通信技术出现了革命性的发展，集成电路和个人数字

通信系统开始改变人们的生活方式。1974年Motorola推出了第一个现代意义上的寻呼机(Pager)，此后寻呼系统的发展一度风靡全球。寻呼机、手机这类个人通信装置由于随身携带，所以必须做到体积小、重量轻，并且非常省电。为了达到这些目的，设计者们绞尽了脑汁。大家的共识是尽量利用集成电路技术，将电路元件做在芯片内部，也就是提高电路的集

成度。

但是对于超外差接收机来说，至少有两个元件是到目前为止无法集成到芯片上去的，这就是它的镜频抑制滤波器和信道选择滤波器。不仅如此，为了提高选择性，信道选择还可能

用到一些较为昂贵的器件如声表面波(SAW)滤波器。这时，又有人想到了零中频接收机。我们已经知道，零中频接收机⑴不存在镜频问题；⑵只要用低通滤波器来选择信道，而低通

滤波器的集成技术已经很成熟，即使集成有困难，也可以用廉价的电容和电感来实现。凭这两点，可以只用极少的片外元件而达到极高的集成度。

1980年，第一个实用的零中频寻呼机终于诞生，这也是第一个小型化的个人数字通信接收机。其工作原理如图2所示。接收到的高频信号经过一对正交混频器(Quadrature Mixer)

变频后产生两个正交的零中频信号I和Q，这两个信号随后被低通滤波和限幅放大。由于使用简单的二进制FSK调制，最后的解调过程甚至可以用一个D触发器来完成。在大量改进

的基础上，Philips在其UAA2080系列寻呼机中成功地应用了零中频结构。32引脚的芯片

中包含了低噪声放大器、正交混频器、信道选择滤波器、限幅放大器、FSK解调器以及本

振及带隙参考源等电路模块，接收机灵敏度等指标与超外差式相比并不逊色，而片外元件总

数不到40个，其中绝大多数是电容电阻。要知道，即便是数字电路芯片也需要一定数量的外围元件。

理想与现实之间，要直接不太容易

不知不觉，寻呼业的热潮开始消退，但零中频结构却魅力凸显，面对个人移动通信的汹

涌浪潮，人们开始尝试将它用到手机中，但是这次奇迹并没有再现。大量的研究和实践为我

们揭示了症结所在。

直流漂移(DC Offset)

零中频结构最根本的问题在于信号一开始就被搬移到直流频段，这虽然是设计者所希望

的，因为可以节省很多价格不菲的元件，但不幸的是这一频段很不干净”因此信号还没来

得及获得足够的增益就被很强的低频干扰和噪声污染”了。一个最广为人知的问题是本振信

号的泄漏所引起的直流漂移。由于在电路中总是存在一些寄生的元件，信号与信号之间不可

能做到完全隔离，总有一部分信号会发生泄漏。在一个实际的无线接收机中，本振信号可以

漏到混频器的射频信号输入端，进而通过隔离度有限的低噪声放大器到达接收天线。在这条通路上，一部分泄漏的信号会被反射回来而与接收的有用信号混杂在一起，并重新回到混频

器的输入端，再经过频谱搬移出现在直流频段。这种泄漏后的本振信号与本振信号自身相混

频的现象被称为自混频”我们看到，由于零中频接收机的输入信号频率与本振信号频率相

同，在混频器的中频输出端除了所需要的零中频信号之外，还混杂了一个不需要的直流分量

或直流漂移。为了使混频电路具有一定的增益，本振信号的幅度或功率通常都会选得比较大，即使经过了泄漏和反射路径上的大幅衰减，最后所造成的直流漂移仍然可以轻易地淹没有用

信号。

自混频所引起的漂移并不是恒定不变的，接收机周围环境的变化会导致被反射回来的泄

漏信号的大小发生起伏，表现为直流漂移的时变性。引起直流漂移的原因还有电路兀件的不

匹配性及其偶次非线性。

低频噪声

直流频段另一个令人头痛的问题是低频噪声。最常见的低频噪声为闪烁噪声(flicker noise)，也常被称为1/f噪声，因其功率谱密度近似正比于频率的倒数而得名。闪烁噪声存在于所有的有源器件和一些电阻中，主要是由半导体的一些缺陷引起的。

对策和无奈

直流漂移和低频噪声是零中频接收机的致命伤，但是在寻呼机中却没有造成大的伤害，原因在于传统寻呼系统使用了简单的二进制FSK调制方式。从频谱上看，仅有少量的信号

能量存在于中心频率附近，如图3(a)所示，经过混频之后，可以牺牲这部分能量而使用电

容隔直流的办法将大部分的直流漂移和低频噪声滤除，这也就是零中频寻呼机所采取的对策，

事实证明它非常有效。然而在象GSM这样的系统中，情况就完全不同了，为了提高频谱的

利用效率，GSM采用了GMSK调制。如图3(b)所示，GMSK信号中心频率附近能量十分集中，使用简单隔直流的方式将对信号造成严重破坏。看起来，直接变频到零中频的设想并不是一条畅通无阻的捷径。

知其不可而为之，识实务者为俊杰

面对存在的困难，仍然有人知难而上，力求攻克以直流漂移为主的种种难题；也有人穷则思变，力图绕过重重障碍，另辟蹊径以达到零中频所要达到的目的，在这两个方面都取得

了疋的成果。

直流漂移的消除

根据直流漂移的成因，可以大致把它分成两类。第一类主要是由上文提到的本振信号的自混频所引起，它是时变的动态漂移；第二类则是由于电路元件的误差和失配所引起的直流工作点的漂移，相对来说，它是一种静态的漂移，可以通过一些微调措施来解决。(实事上，元件的不匹配将导致偶次失真，同样会产生随输入信号幅度而变化的直流成份。但是由于信号本身相当微弱，与自混频效应相比，这种直流漂移量相对较弱。)

•谐波混频

针对自混频现象产生的根源，人们提出使用二次谐波混频作为解决方案。谐波混频与普通混

频的区别在于，它所产生的中频频率是输入信号频率与本振频率某次谐波之差，如果用fRF，fLO和fIF分别表示射频信号、本振和中频频率，那么在二次谐波混频中它们的关系是