寬帶RF接收機(jī)架構(gòu)選項(xiàng)綜述

幾十年來(lái)，外差接收器一直是標(biāo)準(zhǔn)接收器選項(xiàng)。近年來(lái)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣速率的快速發(fā)展、嵌入式數(shù)字處理的加入以及匹配通道的集成，現(xiàn)在為接收器架構(gòu)師提供了幾年前還不實(shí)用的選擇。

本文比較了三種常見(jiàn)接收器架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)：外差接收器、直接采樣接收器和直接變頻接收器。本文還討論了對(duì)雜散系統(tǒng)噪聲和動(dòng)態(tài)范圍的其他考慮因素。其目的不是將一個(gè)選項(xiàng)提升到其他選項(xiàng)之上，而是描述選項(xiàng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員通過(guò)工程學(xué)科選擇最適合應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)。

架構(gòu)比較

表1比較了外差、直接采樣和直接變頻架構(gòu)。顯示了基本拓?fù)湟约懊糠N體系結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

	久經(jīng)考驗(yàn)的可信度 高性能 最佳雜散噪聲 高動(dòng)態(tài)范圍 電磁干擾抗擾度	交換 許多過(guò)濾器
直接取樣		無(wú)混合 在L波段，S波段實(shí)用	模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入帶寬 增益不隨頻率分布
直接轉(zhuǎn)換

外差方法經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證，可提供卓越的性能。實(shí)現(xiàn)是混頻到中頻 （IF）。IF選擇在足夠高的頻率下，以使工作頻段中的實(shí)用濾波器能夠提供良好的鏡像抑制和LO隔離。在有非常高動(dòng)態(tài)范圍ADC的情況下，通常還會(huì)增加一個(gè)額外的混頻級(jí)來(lái)降低頻率。此外，接收器增益分布在不同的頻率下，從而最大限度地降低了高增益接收器的振蕩風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃，外差接收器可以具有非常好的雜散能量和噪聲性能。不幸的是，這種架構(gòu)是最復(fù)雜的。相對(duì)于可用帶寬，它通常需要最大的功率和最大的物理占用空間。此外，在大分?jǐn)?shù)帶寬下，頻率規(guī)劃可能非常具有挑戰(zhàn)性。隨著現(xiàn)代對(duì)小尺寸、重量和低功耗（SWaP）的追求，以及對(duì)寬帶寬的需求，這些挑戰(zhàn)非常重要，并導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員盡可能考慮其他架構(gòu)選項(xiàng)。

直接抽樣方法長(zhǎng)期以來(lái)一直受到追捧。障礙在于以與直接RF采樣相稱的速度運(yùn)行轉(zhuǎn)換器并實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬。在這種架構(gòu)中，所有接收器增益都在工作頻段頻率，因此如果需要較大的接收器增益，則需要仔細(xì)布局。如今，轉(zhuǎn)換器可用于在L波段和S波段的高奈奎斯特波段直接采樣。進(jìn)展仍在繼續(xù)，C波段采樣將很快變得實(shí)用，X波段采樣也將隨之而來(lái)。

直接變頻架構(gòu)可最有效地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特模式下工作，性能最佳，低通濾波更容易。兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行采樣，從而增加用戶帶寬，而不會(huì)遇到交錯(cuò)的挑戰(zhàn)。多年來(lái)一直困擾直接變頻架構(gòu)的主要挑戰(zhàn)是保持I/Q平衡，以實(shí)現(xiàn)可接受的鏡像抑制、LO泄漏和直流偏移水平。近年來(lái)，整個(gè)直接變頻信號(hào)鏈的高級(jí)集成與數(shù)字校準(zhǔn)相結(jié)合，克服了這些挑戰(zhàn)，直接變頻架構(gòu)在許多系統(tǒng)中都是一種非常實(shí)用的方法。

頻率規(guī)劃透視

圖1顯示了三種架構(gòu)的框圖和頻率規(guī)劃示例。圖1a是一個(gè)外差接收器的示例，該接收器具有高邊LO，將工作頻帶混合到2德·ADC的奈奎斯特區(qū)。信號(hào)進(jìn)一步混疊為 1圣奈奎斯特區(qū)進(jìn)行處理。圖1b顯示了一個(gè)直接采樣接收器示例。工作帶采樣在 3RD奈奎斯特區(qū)和別名 1圣奈奎斯特，然后將NCO放置在頻段中心，以數(shù)字方式下變頻至基帶，然后進(jìn)行濾波和抽取，從而降低與通道帶寬相稱的數(shù)據(jù)速率。圖1c是一個(gè)直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)示例。通過(guò)將雙通道ADC與正交解調(diào)器配合，通道1對(duì)I（同相）信號(hào)進(jìn)行采樣，通道2對(duì)Q（正交）信號(hào)進(jìn)行采樣。

圖1.頻率計(jì)劃示例。

許多現(xiàn)代ADC支持這三種架構(gòu)。例如，AD9680是一款雙通道、1.25 GSPS ADC，具有可編程數(shù)字下變頻功能。這種類型的雙通道ADC支持2通道外差和直接采樣架構(gòu)，或者轉(zhuǎn)換器可以在直接變頻架構(gòu)中成對(duì)工作。

在分立式實(shí)現(xiàn)中，直接變頻架構(gòu)的鏡像抑制挑戰(zhàn)可能很難克服。通過(guò)進(jìn)一步集成與數(shù)字輔助處理相結(jié)合，I/Q通道可以很好地匹配，從而大大改善鏡像抑制。最近發(fā)布的AD9371的接收器部分是一款直接變頻接收器，如圖2所示，注意與圖1c的相似之處。

圖2.AD9371的接收器部分：?jiǎn)?a target="_blank">芯片直接變頻接收器。

雜散噪聲

任何具有頻率轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)都需要付出很多努力，以盡量減少帶內(nèi)折疊的不需要的頻率。這是頻率規(guī)劃的藝術(shù)，涉及可用組件和實(shí)用濾波器設(shè)計(jì)的平衡。簡(jiǎn)要討論了一些支線折疊問(wèn)題，并參考了設(shè)計(jì)人員的參考資料以進(jìn)行進(jìn)一步解釋。

圖3顯示了ADC輸入頻率和前兩次諧波相對(duì)于輸入頻率相對(duì)于奈奎斯特頻段頻率的函數(shù)的折疊。對(duì)于遠(yuǎn)小于奈奎斯特帶寬的通道帶寬，接收器設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是選擇將折疊諧波置于通道帶寬之外的工作點(diǎn)。

圖3.ADC 頻率折疊。

接收器下變頻混頻器具有額外的復(fù)雜性。任何混頻器都會(huì)在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生諧波。這些諧波全部混合在一起并產(chǎn)生額外的頻率。這種效果如圖 4 所示。

圖4.下變頻混頻器雜散。

圖 3 和圖 4 僅繪制了高達(dá) 3 階的雜散圖。實(shí)際上，這些是額外的高階雜散，很快就會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)無(wú)雜散的動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題。對(duì)于窄分?jǐn)?shù)帶寬，細(xì)致的頻率規(guī)劃可以克服混頻器雜散問(wèn)題。隨著帶寬的增加，混頻器雜散問(wèn)題成為主要障礙。隨著ADC采樣頻率的增加，直接采樣架構(gòu)有時(shí)具有較低的雜散性能更為實(shí)用。

接收器噪聲

接收器設(shè)計(jì)的大部分工作都放在最小化噪聲系數(shù)（NF）上。噪聲系數(shù)是信噪比下降的量度。

組件或子系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響是輸出噪聲功率高于熱噪聲水平，并通過(guò)噪聲系數(shù)增益增加。

級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為

在ADC之前選擇接收器增益并確定所需的ADC SNR是總接收器噪聲系數(shù)和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍的平衡。圖 5 提供了要考慮的參數(shù)的表示。為了便于說(shuō)明，接收器噪聲由ADC之前的抗混疊濾波器整形。ADC噪聲顯示為平坦白噪聲，目標(biāo)信號(hào)顯示為–1 dBFS時(shí)的連續(xù)波（CW）音。

圖5.接收器 + ADC 噪聲。

首先，需要dBm或dBFS的通用單位。將ADC噪聲從dBFS轉(zhuǎn)換為dBm取決于轉(zhuǎn)換器滿量程電平和轉(zhuǎn)換器噪聲密度。此外，噪聲功率與帶寬成正比，因此需要一個(gè)通用帶寬單元。一些設(shè)計(jì)人員將使用通道帶寬，這里我們歸一化為1 Hz帶寬，噪聲功率為/Hz。

總噪聲的計(jì)算公式為

這就引出了ADC靈敏度損耗的概念。ADC靈敏度損耗是衡量ADC引起的接收器噪聲下降的指標(biāo)。為了最大限度地降低這種劣化，接收器噪聲應(yīng)遠(yuǎn)高于ADC噪聲。這種限制以動(dòng)態(tài)范圍的形式出現(xiàn)，較大的接收器增益限制了在沒(méi)有ADC飽和的情況下接收的最大信號(hào)。

因此，接收器設(shè)計(jì)人員面臨著平衡動(dòng)態(tài)范圍與噪聲系數(shù)的持續(xù)挑戰(zhàn)。

結(jié)論

本文回顧了外差、直接采樣和直接變頻接收器架構(gòu)，重點(diǎn)介紹了每種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)。還介紹了接收器設(shè)計(jì)的最新趨勢(shì)和考慮因素。隨著全球?qū)Ω髱挼男枨?，再加上GSPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的進(jìn)步，預(yù)計(jì)許多不同的接收器設(shè)計(jì)將在未來(lái)激增。

審核編輯：郭婷