數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中接收器架構(gòu)的注意事項(xiàng)

第一部分介紹了信道容量的概念及其對(duì)帶寬和信噪比的依賴性;第二部分簡要總結(jié)了不同類型的調(diào)制方案;第三部分討論了共享通信信道的方法，包括與信號(hào)強(qiáng)度可變性相關(guān)的一些問題。本部分考慮了數(shù)字通信接收機(jī)設(shè)計(jì)中用于處理動(dòng)態(tài)范圍管理和頻率轉(zhuǎn)換問題的一些架構(gòu)權(quán)衡。

系統(tǒng)約束：在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收器電路的功能是恢復(fù)發(fā)送的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理以引入解調(diào)器，然后解調(diào)器恢復(fù)構(gòu)成發(fā)送的消息的數(shù)字比特。如最后一部分所示，當(dāng)信號(hào)通過傳輸介質(zhì)時(shí)，信號(hào)恢復(fù)的障礙顯現(xiàn)出來。這些“損傷”可包括信號(hào)衰減，反射，失真和“干擾源”（共享傳輸介質(zhì)的其他信號(hào)）的引入。傳輸損傷的性質(zhì)是介質(zhì)（無線，同軸電纜或雙絞線），使用的通信方案（TDMA，F(xiàn)DMA，CDMA等）以及發(fā)送器/接收器對(duì)的特定情況的強(qiáng)大功能。 （距離，地理，天氣等）。無論如何，重要的接收機(jī)設(shè)計(jì)考慮因素在所有接收機(jī)中都存在一定程度，只是程度不同。在本討論中，將使用兩個(gè)示例來說明各種接收器設(shè)計(jì)問題。圖1顯示了兩個(gè)非常不同的系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)輸出和接收機(jī)輸入的信號(hào)頻譜的相關(guān)部分：GSM蜂窩電話應(yīng)用（圖1a和1b）和ADSL雙絞線調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用（圖1c和1d）。

GSM使用FDMA（頻分多址）和TDMA（時(shí)分多址）的組合進(jìn)行復(fù)用和用于調(diào)制的正交相移鍵控的變化。在1b中，幅度顯著降低 - 距發(fā)射器的距離的結(jié)果。此外，還存在幾個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào) - 來自附近頻段中其他蜂窩發(fā)射機(jī)的信號(hào)，這些信號(hào)在物理上比所需的發(fā)射機(jī)更接近接收機(jī)。

本例中的ADSL調(diào)制解調(diào)器（圖1c）使用FDMA分離上行和下行信號(hào)，并在多個(gè)獨(dú)立的頻率倉中發(fā)送其信號(hào)，每個(gè)頻率倉都有自己的QAM（正交幅度調(diào)制）星座（離散多音）或DMT調(diào)制）。 ADSL信號(hào)被雙絞線衰減;衰減是頻率的強(qiáng)大功能。另外，存在“干擾源”。這在專用線系統(tǒng)中看起來可能是異常的，但實(shí)際上干擾源是調(diào)制解調(diào)器泄漏回接收器的雙工（在相反方向上行進(jìn)）信號(hào)。這通常被稱為近端回波，對(duì)于長線，它可能比接收信號(hào)強(qiáng)得多（圖1d）。

這兩個(gè)例子說明了接收機(jī)處理電路的關(guān)鍵功能：

靈敏度表示接收器捕獲弱信號(hào)并將其放大到允許解調(diào)器恢復(fù)發(fā)送比特的能力。這涉及增益功能。如本系列第3部分所述，信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)有很大差異，因此通常需要一定程度的可變或可編程增益。在接收器中實(shí)現(xiàn)增益的方式通常需要在噪聲，失真和成本之間進(jìn)行權(quán)衡。低噪聲設(shè)計(jì)要求盡可能早地在信號(hào)鏈中實(shí)現(xiàn)增益;這是電路設(shè)計(jì)的基本原理。當(dāng)計(jì)算系統(tǒng)中各種噪聲源的噪聲貢獻(xiàn)時(shí)，每個(gè)分量的等效噪聲被稱為系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)，通常是輸入?yún)⒖驾斎耄≧TI）噪聲。任何給定分量的RTI噪聲貢獻(xiàn)是分量的噪聲除以輸入和分量之間的總信號(hào)增益。因此，信號(hào)路徑中增益越早，產(chǎn)生大量噪聲的階段越少。

不幸的是，立即獲取大量收益存在障礙。首先是失真。如果信號(hào)存在大干擾信號(hào)（圖1b，1d），則增益不能超過大信號(hào)開始產(chǎn)生失真的點(diǎn)。失真的開始由各種元件規(guī)范描述，包括THD（總諧波失真），IP3（三階交調(diào)截點(diǎn)：信號(hào)強(qiáng)度的虛擬測量，其中增益的三階失真能量的功率階段與基本信號(hào)能量一樣強(qiáng)，IM3（衡量三階互調(diào)產(chǎn)物中的功率）等。對(duì)于A / D轉(zhuǎn)換器或數(shù)字處理，滿量程的“削波”會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。因此，在實(shí)現(xiàn)所有期望的增益之前，通常必須衰減這些強(qiáng)信號(hào)（下面討論）。

成本是影響信號(hào)鏈中增益發(fā)生的另一個(gè)限制因素。作為一般經(jīng)驗(yàn)法則，高頻信號(hào)處理比低頻或基帶信號(hào)處理更昂貴（以美元和功率計(jì)）。因此，包括頻率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)為試圖在IF或基帶頻率上實(shí)現(xiàn)盡可能多的所需增益（見下文）。因此，為了優(yōu)化信號(hào)路徑中增益的位置，必須同時(shí)權(quán)衡噪聲，失真，功耗和成本的限制。

用于評(píng)估增益級(jí)的規(guī)范包括可用增益（線性）比率或dB）以及元件噪聲的一些描述，無論是RTI噪聲頻譜密度（單位為nV /√Hz）還是噪聲系數(shù)（基本上，輸出的噪聲比率除以通過輸入端的噪聲，對(duì)于給定的阻抗水平）。

選擇性表示接收機(jī)在存在不需要的干擾信號(hào)時(shí)提取或選擇所需信號(hào)的能力，其中許多干擾信號(hào)可能比所需信號(hào)強(qiáng)。對(duì)于FDMA信號(hào)，通過利用可以阻擋不需要的信號(hào)并傳遞所需信號(hào)的鑒別濾波器進(jìn)行濾波來實(shí)現(xiàn)選擇性。與增益一樣，濾波通常在較低頻率下更容易。這具有直觀感;例如，以1 MHz中心頻率實(shí)現(xiàn)的200 kHz帶通濾波器要求比以1 GHz為中心的相同200 kHz濾波器低得多的Q值。但是在某些高頻范圍內(nèi)，使用陶瓷或表面聲波（SAW）濾波器等專用濾波器技術(shù)，濾波有時(shí)會(huì)更容易。

如上所述，在信號(hào)路徑的早期需要濾波。減弱強(qiáng)干擾。這種濾波器需要結(jié)合所需的頻率響應(yīng)和低噪聲。濾波器的品質(zhì)因數(shù)包括帶寬，阻帶抑制，通帶平坦度和過渡帶的窄度（通帶和阻帶之間的區(qū)域）。濾波器響應(yīng)形狀將主要由通信信道的信道間隔和信號(hào)強(qiáng)度變化決定。大多數(shù)FDMA蜂窩標(biāo)準(zhǔn)尋求通過避免在相同或相鄰的單元中使用相鄰頻率信道來緩解濾波器要求，以允許更寬的過渡帶和更低Q（更便宜）的濾波器。

部分選擇性問題是調(diào)整 - 改變所需頻道的能力，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中，感興趣的信號(hào)可以是多個(gè)可用頻帶中的任何一個(gè)。調(diào)諧可以通過改變?yōu)V波器帶通頻率來實(shí)現(xiàn)，但更常見的是作為混音操作的一部分實(shí)現(xiàn)（見下文）。

頻率規(guī)劃（混合）：根據(jù)無線電傳輸特性和帶寬的可用性來選擇無線電頻率，以用于給定服務(wù)，例如FM無線電或蜂窩電話。如前所述，高射頻下的信號(hào)處理往往既昂貴又困難。此外，這種增加的麻煩似乎是不必要的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，實(shí)際信號(hào)帶寬最多只有幾百kHz。因此，大多數(shù)無線電接收器使用頻率轉(zhuǎn)換將信號(hào)載波降低到更低，更易管理的頻率，以用于大多數(shù)信號(hào)處理。最常見的頻率轉(zhuǎn)換方法是混頻器（圖2）。

混頻意味著使用非線性運(yùn)算，通常將輸入信號(hào)和參考振蕩器信號(hào)相乘，以在和頻和差頻上產(chǎn)生光譜圖像。例如：如果我們將900 MHz的RF信號(hào)與890 MHz的振蕩器“混合”，則混頻器的輸出將具有1790 MHz（頻率之和）和10 MHz（它們的差值）的能量。 10-MHz信號(hào)成為10-MHz 中頻（IF）的感興趣信號(hào)，而和頻率很容易被濾除。如果振蕩器頻率增加到891 MHz，它會(huì)將901 MHz的RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為IF;因此，通過使用固定頻率帶通濾波器改變振蕩器頻率并將輸出調(diào)諧到IF，可以實(shí)現(xiàn)通道選擇或調(diào)諧。

然而，當(dāng)將900 MHz RF與890-MHz本地振蕩器（LO），RF信號(hào)上存在的任何880-MHz干擾也將被轉(zhuǎn)換為10 MHz的差頻。顯然，在“圖像”頻率為880MHz的任何RF信號(hào)必須在進(jìn)入混頻器之前被抑制到遠(yuǎn)低于所需信號(hào)的電平。這表明需要一個(gè)通過900 MHz并停止880 MHz的濾波器，其轉(zhuǎn)換頻帶為中頻的兩倍。這說明了IF選擇的一個(gè)權(quán)衡因素：較低的IF更容易處理，但RF鏡像抑制濾波器設(shè)計(jì)變得更加困難?；祛l器的品質(zhì)因數(shù)包括增益，噪聲和失真規(guī)范，如用于增益級(jí)的規(guī)格，以及對(duì)振蕩器信號(hào)輸入的要求。

處理圖像拒絕問題的其他機(jī)制超出了這種短暫處理的范圍。值得一提的是，由于其廣泛使用，因此正交下變頻。輸入信號(hào)的同相和正交表示被分開混合并以一種方式組合，以對(duì)感興趣的信號(hào)產(chǎn)生相長干涉，并對(duì)不需要的圖像頻率產(chǎn)生相消干涉。正交混頻需要兩個(gè)（或更多）信號(hào)處理通道在幅度和頻率響應(yīng)方面匹配良好，因?yàn)椴黄ヅ鋾?huì)使不需要的圖像信號(hào)泄漏到輸出中。

均衡：與簡單衰減相比，現(xiàn)實(shí)世界的傳輸信道通常對(duì)信號(hào)產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響。其他信道偽像包括頻率相關(guān)的幅度和相位失真，多徑信號(hào)干擾（在移動(dòng)/蜂窩應(yīng)用中普遍存在），以及來自接收機(jī)處理電路的頻帶限制/符號(hào)間干擾。許多接收器系統(tǒng)具有“均衡”電路，其提供信號(hào)處理，試圖反轉(zhuǎn)信道損傷以使信號(hào)更像理想的發(fā)送信號(hào)。它們可以像PAM系統(tǒng)中的高頻升壓濾波器一樣簡單，也可以像DMT ADSL系統(tǒng)中使用的自適應(yīng)時(shí)域和頻域均衡器一樣復(fù)雜。隨著容量限制將系統(tǒng)架構(gòu)推向更復(fù)雜的調(diào)制方案，模擬和數(shù)字域中的均衡技術(shù)越來越復(fù)雜。

分集：在移動(dòng)應(yīng)用中，干擾來自移動(dòng)發(fā)射機(jī)的模式可以改變基站接收機(jī)處的信號(hào)強(qiáng)度，使信號(hào)在某些條件下難以或不可能恢復(fù)。為了幫助減少這種情況發(fā)生的可能性，許多基站用兩個(gè)或多個(gè)接收天線實(shí)現(xiàn)，這些接收天線由一小部分RF波長隔開，使得一個(gè)天線處的相消干擾應(yīng)該代表另一個(gè)天線上的相長干擾。這種多樣性以復(fù)制電路為代價(jià)改善了接收。分集信道不需要緊密匹配（正交信道需要匹配），但系統(tǒng)必須具有信號(hào)處理電路以確定選擇哪個(gè)分集路徑。 相控陣接收器將分集概念發(fā)揮到極致，將來自接收器陣列的信號(hào)與適當(dāng)?shù)南辔谎舆t相結(jié)合，故意在多個(gè)信號(hào)路徑之間產(chǎn)生相長干涉，從而提高接收器的靈敏度。 / p>

傳統(tǒng)接收器設(shè)計(jì)圖3a說明了GSM接收器路徑的可能架構(gòu)，圖3b說明了ADSL調(diào)制解調(diào)器的架構(gòu)。如前所述，接收電路的任務(wù)是提供信號(hào)調(diào)節(jié)以準(zhǔn)備輸入信號(hào)以引入解調(diào)器。該信號(hào)調(diào)節(jié)的各個(gè)方面可以通過數(shù)字或模擬處理來完成。這兩個(gè)例子說明了相當(dāng)傳統(tǒng)的方法，其中大部分信號(hào)處理在模擬域中完成，以降低A / D轉(zhuǎn)換器的性能要求。在兩個(gè)示例中，解調(diào)本身以數(shù)字方式完成。這并不總是必要的;許多更簡單的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)可以用模擬模塊解調(diào)。然而，數(shù)字解調(diào)架構(gòu)正變得越來越普遍，并且對(duì)于復(fù)雜的調(diào)制方案（如ADSL）來說都是必需的。

圖3a中所示的GSM接收器信號(hào)路徑說明了交替增益和濾波器級(jí)的使用。提供所需的選擇性和靈敏度。通過改變第一本地振蕩器LO1的頻率來完成通道選擇或調(diào)諧。在IF頻率處應(yīng)用可變?cè)鲆婧透酁V波。這是一種窄帶IF系統(tǒng)，設(shè)計(jì)為在IF處理中僅存在單個(gè)載波。 IF信號(hào)向下混合到基帶，在那里它再次被濾波并饋送到sigma-delta A / D轉(zhuǎn)換器。在數(shù)字域中應(yīng)用更多濾波，并對(duì)GMSK信號(hào)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)以恢復(fù)發(fā)送的比特流。

ADSL接收器具有不同的要求。不需要頻率轉(zhuǎn)換，因?yàn)樾盘?hào)使用相對(duì)較低的頻率（直流至1.1 MHz）。第一個(gè)塊是“混合”，這是一種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于從強(qiáng)發(fā)射信號(hào)中提取弱接收信號(hào)（成為干擾信號(hào) - 見圖1d）。在增益階段之后，濾波器嘗試衰減回聲（其頻率波段與所需信號(hào)不同。）在濾波器之后，使用可變?cè)鲆婕?jí)將信號(hào)提升到盡可能大的水平之前。應(yīng)用于A / D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化。在該系統(tǒng)中，在解調(diào)信號(hào)之前在時(shí)域和頻域中進(jìn)行均衡。此示例顯示了以數(shù)字方式進(jìn)行均衡（在A / D轉(zhuǎn)換器之后），更容易實(shí)現(xiàn)所需的自適應(yīng)濾波器。

新的扭曲接收器“走向數(shù)字化”：VLSI技術(shù)的進(jìn)步正在使更復(fù)雜的接收器架構(gòu)變得切實(shí)可行;它們可以實(shí)現(xiàn)更高的流量密度和更大的靈活性 - 甚至是能夠處理多種調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)的接收器。這種發(fā)展的一個(gè)重要趨勢是在數(shù)字領(lǐng)域中進(jìn)行越來越多的信號(hào)處理。這意味著A / D在信號(hào)鏈中“向前移動(dòng)”，更靠近天線。由于在A / D之前完成了較少的增益，濾波和頻率轉(zhuǎn)換，因此對(duì)分辨率，采樣頻率，帶寬和失真的要求顯著提高。

調(diào)制解調(diào)器中這種復(fù)雜性的一個(gè)例子是使用回聲消除。圖1d的頻譜顯示了支配接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的強(qiáng)干擾。在調(diào)制解調(diào)器的情況下，這種干擾不是隨機(jī)信號(hào)，而是調(diào)制解調(diào)器向上游發(fā)送的雙工信號(hào)。由于該信號(hào)是已知的，因此可以使用信號(hào)處理來合成接收線上的預(yù)期回波，并從接收信號(hào)中減去它，從而消除其干擾。不幸的是，回聲強(qiáng)烈依賴于線路阻抗，線路阻抗因用戶而異 - 甚至隨天氣而變化。為了合理地消除回聲，必須實(shí)現(xiàn)某種自適應(yīng)循環(huán)。這種自適應(yīng)性在數(shù)字域中更容易實(shí)現(xiàn)，但它需要具有足夠動(dòng)態(tài)范圍的ADC來同時(shí)數(shù)字化弱接收信號(hào)和回聲;在ADSL的情況下，這表明具有1.1MHz帶寬的16位A / D轉(zhuǎn)換器。 （例如，AD9260）。作為對(duì)具有足夠精確的回聲消除器的更高性能水平的重要獎(jiǎng)勵(lì)，上游和下游數(shù)據(jù)可以同時(shí)占用相同的頻率，大大增加了調(diào)制解調(diào)器的容量，特別是在長線路上。

在GSM，有各種先進(jìn)接收器的方法。隨著ADC在信號(hào)鏈中向前移動(dòng)，它不必捕獲直流周圍的基帶信號(hào)，而是必須將IF信號(hào)數(shù)字化，通常在70 MHz至250 MHz的范圍內(nèi)。由于感興趣的帶寬僅為幾百kHz，因此在500 MHz下運(yùn)行ADC是不必要的（也是不合需要的）;相反，使用欠采樣。如果ADC的時(shí)鐘頻率為20 MHz且感興趣的信號(hào)為75 MHz，則信號(hào)將混疊至5 MHz（= 4 x 20 - 75）MHz;實(shí)際上，ADC的欠采樣操作就像一個(gè)混頻器。與混頻器一樣，存在圖像問題，因此需要在ADC之前濾除65 MHz（= 3 x 20 + 5 MHz）和85 MHz（= 4 x 20 + 5 MHz）的信號(hào)內(nèi)容。 （冬季可用的AD6600雙通道增益范圍ADC在這里很有用）。

蜂窩接收器的更大進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)寬帶接收器。在圖3b所示的例子中，通過改變LO頻率并在IF信號(hào)處理中使用非常選擇的濾波器來選擇感興趣的單載波。寬帶無線電（即將推出）旨在將所有載波數(shù)字化，從而允許以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和信號(hào)提取功能。這對(duì)ADC的性能提出了嚴(yán)格的要求。如果要將15 MHz寬的蜂窩頻段數(shù)字化，則需要30-40 MSPS的ADC采樣率。此外，為了處理近/遠(yuǎn)問題，轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍必須足夠大以同時(shí)數(shù)字化強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，而不會(huì)削弱強(qiáng)信號(hào)或丟失轉(zhuǎn)換器量化噪聲中的弱信號(hào)。寬帶無線電的轉(zhuǎn)換器要求隨蜂窩標(biāo)準(zhǔn)而變化 - 從12位，美國AMPS標(biāo)準(zhǔn)（AD9042）的40 MSPS到18位，GSM的70 MHz。這種實(shí)現(xiàn)的巨大優(yōu)勢使得權(quán)衡取舍成為可能;一個(gè)接收器可用于同時(shí)捕獲多個(gè)傳輸，并且由于完成了選擇濾波，因此數(shù)字可編程濾波器和解調(diào)器可用于支持多標(biāo)準(zhǔn)接收器。在無線電行業(yè)的術(shù)語中，這是向“軟件無線電”的轉(zhuǎn)變，其中大多數(shù)無線電處理都是數(shù)字化的。