零中频技术浅析

2012年1月（上）

零中频技术浅析

郭日峰黄振

（中国电子科技集团第20研究所，陕西西安710068）

[摘要]本文简要介绍了零中频技术的发展过程，并分析了零中频技术与超外差技术各自的优缺点。重点介绍了零中频技术在工程实践中的应用与实现，给出了零中频技术架构典型问题分析。

[关键词]零中频；超外差；直流偏移；本振泄露；偶次失真

1零中频接收机应用

零中频结构接收机接收通道包括片外单转双巴伦，差分低噪声放大器，IQ两路双平衡混频器，自动增益控制放大器，低通滤波器和驱动放大器；该接收机需要外部提供小功率的两倍LO频率的本征输入信号，经过本征驱动放大器及除2正交相移器后，提供正交的LO信号给接收通道的IQ两路混频器。采用两倍LO频率的本征输入信号可以避免通过键合金线耦合的途径泄漏LO频率信号到射频输入端，并减少接收机受直流偏移的影响。

接收机前端采用低差损的片外单转双巴伦，将输入的单端信号转为差分信号，提供给后面的全差分电路。巴伦后面采用一个差分低噪声放大器，用于抑制系统总体的噪声系数；差分结构可以抑制由于电路非线性产生的偶次失真项，提高电路的反向隔离能力。之后的混频器采用全差分双平衡结构，有效地保证各端口间的隔离度，包括控制LO泄漏到射频端的功率；为了进一步抑制由于电路非线性产生的偶次失真项，可以在射频单元每级之间加入隔直电容，滤除低频率的偶次失真项；混频器采用折叠式结构（用隔直电容将跨导部分和变频部分隔开）能够进一步抑制偶次失真项，并提高电路增益，前提是需要跟噪声系数的指标做折中考虑；为了减少闪烁噪声，设计时混频器应该尽量采用低闪烁噪声的双极性晶体管。射频部分的差分低噪声放大器采用可变增益的结构，在大输入信号时能自动降低增益，提高输入线性度。

经过混频器变频后，有用信号频谱被搬移到基带，进行进一步的滤波和放大处理。系统的模拟基带处理部分包括自动增益控制放大器，低通滤波器和输出端驱动放大器。为了满足大的动态范围，系统需要一个较高的增益变化范围，在射频部分可以调节差分低噪声放大器。为了保证良好的信道选择能力，低通滤波器需要采用6阶切比雪夫低通滤波器，可以分成3级来实现。具体电路实现的时候，可以采用一级自动增益控制放大器加上一级低通放大器交替级联的方式，使系统增益平均分布，提高稳定性。考虑到芯片面积及接收信息完整性和响应时间的要求，基带部分不能简单地采用隔直电容来消除接收机的直流偏移，可采用一个从滤波器输出端到混频器输出端的直流偏移消除反馈回路来去除直流偏移。滤波器输出端需要加上一个驱动放大器，用于驱动后面的模数转换电路。

2零中频接收机架构典型问题分析

零中频接收机的架构虽然具有高集成度以及低功耗的优势，但零中频架构本身并不是完美无缺的，也具有一些问题。

2.1本振泄漏

LO信号到接收机接收端的泄漏，通过天线的辐射，将对相同无线标准的其他接收机频带产生干扰。无线标准的设计以及联邦通信协会（FCC）的规定都对带内LO辐射量进行了限制，典型值为-50~-80dBm之间。可以利用差分结构的低噪声放大器和混频器来抑制本振信号通过板子和衬底到天线的泄漏。

2.2偶次失真

仅对奇次互调的影响较为敏感典型的射频接收机。零中频结构时，给接收机带来问题同样是偶次互调失真。经过两个高频干扰含有偶次失真的LNA将产生一个低频干扰信号。理想的是若混频器，本振信号与此信号混频后，被搬移到高频后，对接收机没有影响。而实际的混频器，RF端与IF端的隔离有限，干扰信号将由混频器的RF端直通进入IF端，对基带信号造成干扰。

偶次失真的解决方法是在低噪放和混频器中使用全差分结构以抵消偶次失真。

2.3直流偏移

零中频方案特有的一种干扰是直流偏移，自混频（Self-Mixing）引起的。分别从低噪放的输出端、滤波器的输出端及天线端反射回来，形成泄漏的本振信号，或泄漏的信号由天线接收下来，进入混频器的射频口。本振口进入的本振信号和它相混频，差拍频率为零，直流即为此，同样的强干扰信号进入了低噪放的也会由于混频器的各端口隔离性能不好而漏入本振口，射频口来的强反过来和干扰相混频，差频为直流。

这些直流信号将叠加在基带信号上，并对基带信号构成干扰，被称为直流偏移。直流偏移往往比射频前端的噪声还要大，使信噪比变差，同时大的直流偏差可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。

2.4IQ增益失配及相位失配与误码率的对应关系

零中频接收机对镜像信号的抑制是在基带处理电路中完成的，则基带处理电路能完全抑制镜像信号，如果I，Q两个支路完全匹配。由于I，Q两个支路存在幅度和相位不匹配，但在具体实现中，使得输入到基带处理电路的I，Q两路信号存在幅度和相位偏差，这时基带处理电路并不能完全抑制镜像信号，有用信号仍然会受到镜像信号的干扰，降低了接收机的性能，导致接收机的误码率上升。

2.5闪烁噪声

器件的闪烁噪声主要集中在低频段。随着频率的降低而其大小增加，场效应晶体管的噪声与双极性晶体管相比要大得多。闪烁噪声对搬移到零中频的基带信号产生干扰，降低信噪比。通常零中频接收机的大部分增益放在基带级，射频前端部分的低噪放与混频器的典型增益大约为30dB。因此有用信号经下变频后的幅度仅为几十微伏，噪声的影响一样很严重。因此，在零中频结构中的混频器不仅设计成有一定的增益，而且设计时应尽量减小混频器的噪声。

通过几种技术的组合可以来减小闪烁噪声的影响。因为混频器后的各级电路工作在相对低频，所以他们可以使用很大尺寸的器件来最大程度的减小闪烁噪声的幅度。此外，如果使用无DC编码，那么下变频后的信号以及噪声都可以进行高通滤波。

3结语

零中频技术被提出到现今已八十多年了，前期因其自身设计思想的优势驱使着人们为实现它而不懈的努力，然而限于当时技术水平与制作工艺的限制，零中频技术的技术难题阻止了人们的步伐；近十几年，随着技术进步和制作工艺的突破，技术难题一一被攻破，零中频技术被大量应用在诸多通信系统当中。随着科学与技术的进步发展，在未来零中频技术通信领域的应用将更加普遍，从而真正展示出了其优势和魅力。

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