射频接收芯片结构选择的几个要点

文章出处：http://www.singbon.com 作者：绍兴光大芯业微电子有限公司 湛伟   人气： 发表时间：2011年09月22日

如果简单的把射频芯片设计分成系统设计、路模块设计、版图设计三个阶段，那么，我们知道，越早出现不良设计对后面的设计工作造成的难度越大，为得到相同效果所花费的代价也就越大，由此系统级设计就显得尤为重要。射频接收器结构的确定可以说是系统设计的一个基本任务。 

　　一般而言，在现代的射频系统中，天线接收到的信号频率很高而且具有极小的信道带宽。如果考虑直接滤出所需信道，则滤波器的Q值将非常大，而且高频电路在增益、精度和稳定性等方面的问题，在目前的技术条件下，对信号直接在高频段解调是不现实的。使用混频器将高频信号降频，在一个中频频率进行信道滤波、放大和解调可以解决高频信号处理所遇到的上述困难，但是又引入了另一个严重的问题，即镜像频率干扰：当两个信号的频率与本振(LO)信号频率差在频率轴上对称地位于本振信号的两边，或者说它们的绝对值相等但是符号相反，那么经过混频后这两个信号都将被搬移到同一个中频频率。如果其中一个是有用信号，另一个是噪声信号，那么噪声信号所在的频率就称为镜像频率，这种经过混频后的干扰现象通常被称为镜频干扰。为了抑制镜频干扰，普遍采用的方法是利用滤波器滤除镜像频率成份。但是由于该滤波器工作在高频频段，其滤波效果取决于镜频频率与信号频率之间的距离，或者说取决于中频频率的高低。如果中频频率高，信号频率与镜像频率相距较远，那么镜像频率成份就受到较大的抑制;反之，如果中频频率较低，信号频率与镜像频率相隔不远，滤波的效果就较差。但另一方面，由于信道选择在中频频段进行，基于同样的理由，较高的中频频率对信道选择滤波器的要求也较高。所以，镜像频率抑制与信道选择形成了一对矛盾，而中频频率的选择成为平衡这对矛盾的关键。在一些要求较高的应用中，常常使用两次或三次变频来取得更好的折衷。 

　　依靠考虑周到的中频频率选择和高品质的射频(镜像抑制)和中频(信道选择)滤波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范围，长久以来成为经典的传统选择。如前所述，超外差接收机在抑制镜像频率干扰、敏度和选择性上有较大优势，而且多级转换无直流漂移和信号泄漏，但是也有成本高、对IR滤波器有较高要求、需要低噪声放大器(LNA)和混频器(Mixer)与50W的良好匹配等缺点，而且镜像频率抑制滤波器和信道选择滤波器通常不适于单片集成。 

　　后来的零中频(Zero IF)结构，如图1所示，不需要抑制滤波器，交互调制降低，较适合单片集成。但也有直流失调、信号泄漏的缺点，而且需要高频、相噪的频率合成器，给电路设计也带来一定难度。与零中频相似，低中频(Low IF)结构也适于集成，其结构如图2所示(两图均以2.4GHz频段的IEEE802.15.4协议为例)。但需要注意的是带内镜像频率信号的抑制。通常需要70dB的镜像抑制比，但往往片上集成只能达到40dB或更少。 

图1  零中频接收机结构 

图2  低中频接收机结构

  　　其他接收结构还有宽带-双中频接收机、采样接收机、数字中频接收机等。宽带-双中频接收机结构具有易集成、成本低、功耗低等优点，其缺点是闪烁噪声影响和二阶互调失真明显，且有射频中频串扰的问题。子采样接收机和数字中频接收机对模数转换器(ADC)有较高要求，如需要ADC有足够高的动态范围，带通Σ-Δ ADC( Band pass Σ-Δ ADC)等，而带通Σ-Δ ADC有较大的设计难度。 

　　如前所述的原因，现在的射频芯片采用零中频和低中频方案的设计较为普遍，也是射频接收端通常需要仔细评估的两种方案。零中频采用IQ解调的方法提取相位，正交成分等信息，由ADC将其数字化后处理。低中频则采用典型的限频鉴频器从调制载波中提取信号。 

　　低中频结构避免了自动增益控制(Automatic gain control, AGC)电路且对信道信号的好坏有较快的响应速度，由此降低了接收机及相关电路的复杂度。鉴频器等电路易于设计，不要求载波同步及大电流，占用芯片面积也较小。不过相对于采用相干解调的零中频结构，低中频结构的灵敏度会有3dB的损失。而且通常低中频结构需要一个信道滤波器获得有效载波频率，降低噪声，邻道干扰等的影响。如果射频系统所使用的协议所限定的信号频率宽度，邻道选择要求较宽松，则对滤波器的要求就比较低。低中频结构还需要镜像抑制混频器降低镜像干扰问题。 

　　对于低码元(chip)率的协议，如2M Chips/s，要求调频宽度约为2 MHz。如果中频过低，信道滤波器相对带宽过高，那么滤波器也很难实现，而且也难以将中频信号滤出，则将难度转嫁给了基带的数字滤波器。相反，中频滤波器频率过高就要求放大器的带宽足够大。 

　　相比于低中频，零中频结构不需要本振在接收和放射模式间改变频率，也就降低了频率合成器设计的难度。零中频结构也不需要镜像抑制混频器，因为零中频结构不会产生镜像频率。相比于相等带宽的中频带通滤波器的设计，零中频结构只需要更简单的低通滤波器以确定I路与Q路输出信噪比。零中频结构可以在滤波器匹配和同步检波技术上获得最佳解调效果。 

　　不过零中频相比于低中频技术也有自身的缺点。比如需要AGC，混频器后的直流偏移(DC offset)消除电路，并且由于信号分I、Q两路，故须两个模数转换器(ADC)及一个共用的ADC来对信号进行模数转换。IQ两路与基带芯片或集成的基带电路之间需要一个IQ模拟接口，IQ结构存在一个重要设计难点就是IQ平衡问题。IQ两路间的幅值和相位失衡将产生IQ图像叠加在有用信号上，这会降低EVM性能。所以，零中频结构有时还需要额外的电路来隔离基带芯片以实现同步解调。表1给出在一种IEEE802.15.4的射频接收器在0.18mm工艺下的两种设计方案的面积对比。 

　　通过上面的叙述，简要比较了几种常见接收结构的优缺点。选择最适合协议的结构还包括对功耗、总体匹配、镜像消除、闪烁噪声与品质噪声等方面的考虑。在低功耗考虑方面可以有直接变频、通S-D ADC( Low pass S-D ADC)、交带通S-D ADC( Quadrature band pass S-D ADC)等考虑。对于不同的协议，他们的闪烁噪声、码率等情况都有所不同，需要仿真后得出结论。 

　　总之，接收器结构设计非常重要，不能简单的认为哪种结构“好”哪种结构“不好”，而是需要认真的分析协议要求，根据相关参数仿真，而且最终的定案会牵涉到多方面的折衷考虑。 

　　参考文献： 
　　1. BG1APM，零中频无线接收机：理想、现实与演化，广播爱好者论坛，2003 
　　2. 朱江、黎福海，GSM手机射频系统分析与研究，电子工程世界论坛，2006 
　　3. John Notor, Anthony Caviglia, Gary Levy，CMOS RFIC ARCHITECTURES FOR IEEE 802.15.4 NETWORKS，IEEE Communications Magazine, 2004 
　　4. Nicola Scolari ，Christian Enz，Digital Receiver Architectures for the IEEE 802.15.4 Standard，IEEE Communications Magazine, 2004