8.2 單片射頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

8.2單片射頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.2.1接收機(jī)的技術(shù)要求接收機(jī)的功能是在強(qiáng)干擾和噪聲存在的情況下，能成功解調(diào)所需要的信號(hào)。接收功率是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離和周圍環(huán)境的函數(shù)。因此，接收機(jī)輸入端的射頻功率在各個(gè)地點(diǎn)都互不相同，可以從幾飛瓦（fW）到幾微瓦（W），這要求接收機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)范圍。除了考慮大的動(dòng)態(tài)范圍和噪聲之外，接收機(jī)還需要考慮把成本降到最低和把功耗降到最小。綜合考慮并權(quán)衡產(chǎn)品技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素之間的要求，成功的設(shè)計(jì)一個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)非常具有挑戰(zhàn)性。1．接收機(jī)的靈敏度接收機(jī)的靈敏度定義為：當(dāng)接收機(jī)輸出端為解調(diào)提供了充分的信噪比（Signal-to-Noise，SN）時(shí)，接收機(jī)可檢測(cè)到的最低可用信號(hào)功率。對(duì)于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，由最小誤碼率（BitErrorRate，BER）確定所需信號(hào)的滿意再生所需要的最小信噪比（Eb/No）。在信道有損失的情況下，利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)可以估算最小的Eb/No。接收機(jī)增加的最大噪聲可以用仿真Eb/No、最小靈敏度（Smin）和信道帶寬（B）計(jì)算出來。最小可允許接收機(jī)噪聲方程式可從噪聲系數(shù)定義推導(dǎo)出。噪聲系數(shù)定義如下：（8.2.1）式中，F(xiàn)為噪聲系數(shù)；(S/N)input和(S/N)output分別是接收機(jī)輸入端和輸出端的信噪比（Signal-to-NoiseRatio，SNR）。

對(duì)于成功的信號(hào)檢測(cè)，(S/N)output=Eb/No，Sinput=Smin（靈敏度單位為dBm），并且Ninput=kTB（可用的熱噪聲功率基值），若以分貝表示，上述方程式變?yōu)椋?.2.2）式中，k是玻耳茲曼常數(shù)；T是熱力學(xué)溫度；B是信道帶寬。靈敏度的另一個(gè)測(cè)量參數(shù)是最小可檢測(cè)信號(hào)（MDS）。在某些文獻(xiàn)中，MDS依據(jù)噪聲基值計(jì)算。噪聲基值Pnf關(guān)系式如下所示

（8.2.3）2．接收機(jī)的選擇性接收機(jī)的選擇性定義為：在鄰近頻率強(qiáng)干擾和信道阻塞的情況下，接收機(jī)滿意提取所需信號(hào)的能力。在多數(shù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中頻信道選擇濾波器的設(shè)計(jì)決定了接收機(jī)的選擇性。接收機(jī)應(yīng)該有足夠的線性性能去處理可接收的失真信號(hào)。如果接收機(jī)在頻率選擇和線性度上是不充分的，那么就會(huì)產(chǎn)生互調(diào)分量而降低所需信號(hào)的質(zhì)量。一般地，失真度確定了接收機(jī)可處理的輸入信號(hào)的最大功率。三階失真在很多接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中顯得特別重要，這是因?yàn)榛フ{(diào)分量處于所要的信號(hào)中。通常用三階輸入截點(diǎn)IIP3來表述，可以從雙音頻測(cè)試和規(guī)定的共信道抑制比（Co-ChannelRejectionRatio，CCRR）計(jì)算出三階失真來。在測(cè)量互調(diào)失真的過程中，所需信號(hào)的功率電平Psig（dBm）和不需要的各個(gè)信號(hào)Pud（dBm）（其中一個(gè)常常被調(diào)制）從技術(shù)規(guī)范中可查到。位于所需信道的不需要的互調(diào)分量Pim3由下式計(jì)算：（8.2.4）接收機(jī)的三階截點(diǎn)由下式給出：（8.2.5）對(duì)于壓縮和失真的另一個(gè)有用定義是1dB壓縮點(diǎn)P1dB。1dB壓縮點(diǎn)定義為：功率增益從理想點(diǎn)下降1dB的點(diǎn)。它大約等于（8.2.6）3．接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍定義了接收機(jī)在檢測(cè)噪聲基值上的弱信號(hào)和處理無失真的最大信號(hào)的能力。用接收機(jī)輸入端的最大信號(hào)和最小信號(hào)的比定義接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。同一個(gè)接收機(jī)有不同的動(dòng)態(tài)范圍是正常的。當(dāng)Smin設(shè)為較低的限制時(shí)，則較高的限制取決于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無寄生動(dòng)態(tài)范圍（SpuriousFreeDynamicRange，SFDR）和阻塞動(dòng)態(tài)范圍（BlockingDynamicRange，BDR）是特別重要的。SFDR是以最大輸入電平（三階互調(diào)分量低于噪聲基值）和最小可辨別信號(hào)Smin之間的比為基礎(chǔ)的。使用式（8.2.3）和式（8.2.5）求出的SFDR如下：（8.2.7）BDR定義為上限信號(hào)P1dB與下限信號(hào)Smin之差。BDR的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（8.2.8）計(jì)算前端接收鏈的最大增益時(shí)，需要考慮最大可能的帶內(nèi)阻塞Pb1。這意味著最大增益是放大級(jí)之前的濾波器的函數(shù)。如果解調(diào)器輸入端需要的信號(hào)是Preq，那么最大增益由下式給出：（8.2.9）最大可應(yīng)用信號(hào)Psig(max)

決定最小增益。計(jì)算最小增益的等式為（8.2.10）4．混頻器限制接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的另一個(gè)重要部分是混頻器。本機(jī)振蕩器（LocalOscillator，LO）相位噪聲把不需要的干擾傳輸?shù)剿枰男盘?hào)上，這將導(dǎo)致接收機(jī)輸出端SNR的下降。因此，振蕩器必須設(shè)計(jì)為低相位噪聲，這樣才能達(dá)到在最差的阻塞狀況下，仍能產(chǎn)生低于接收機(jī)噪聲基值的噪聲邊帶。振蕩器要求的相位噪聲如下：（8.2.11）接收機(jī)的設(shè)計(jì)要求以最小成本及功率來接收和處理信號(hào)。單片射頻接收機(jī)電路可以減少接收機(jī)系統(tǒng)的尺寸、成本和功率。近年來單片射頻接收機(jī)電路研究出各種各樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。8.2.2超外差接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)超外差接收機(jī)雙變頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.2.1所示，位于低噪聲放大器（LowNoiseAmplifier，LNA）前面的片外RF（射頻）濾波器用于衰減帶外信號(hào)和鏡像干擾。使用可調(diào)的本機(jī)振蕩器（LO），全部頻譜可被下變頻到一個(gè)固定的中頻（IntermediateFrequency，IF）。在下變頻電路模塊之前使用一個(gè)片外鏡像干擾抑制濾波器（IRFilter），可以使鏡像干擾被大大削弱。在下變頻之后使用片外中頻濾波器可以正常進(jìn)行信道選擇，也可以降低對(duì)后面各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)范圍要求。在確定接收機(jī)的選擇性和靈敏度方面，中頻的選擇是很重要的。第二下變頻通常是正交的，以使同相和正交（I和Q）信號(hào)的數(shù)字處理變得容易。超外差電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最可靠的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ㄟ^適當(dāng)?shù)剡x擇中頻和濾波器可以獲得極佳的選擇性和靈敏度。由于有多個(gè)變頻級(jí)，DC（直流）補(bǔ)償和泄漏問題不會(huì)降低接收機(jī)的性能。鏡像干擾抑制和信道選擇所需要的片外高Q帶通濾波器增大了成本和尺寸。由于在第一中頻分級(jí)實(shí)現(xiàn)信道選擇，所以要求本機(jī)振蕩器（LO）具有一個(gè)外部緩沖器，以得到較好的相位噪聲性能。圖8.2.1超外差接收機(jī)雙變頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.2.3零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為消除片外元件，促使零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.2.2所示。圖8.2.2零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這是一個(gè)用于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的直接變頻（零中頻，Zero-IFarchitecture）接收機(jī)，該系統(tǒng)包括鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）、接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）和片上濾波器。完成頻域內(nèi)相應(yīng)的下變頻處理過程。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，全部射頻頻譜下變頻到DC（直流）。高滾降低通濾波器（HighRoll-offLow-PassFilter，LPF）用來實(shí)現(xiàn)信道選擇。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除了鏡像干擾問題，因此無須使用外部高Q鏡像干擾抑制濾波器。正交下變頻產(chǎn)生I和Q信號(hào)以便進(jìn)一步的信號(hào)處理。零中頻結(jié)構(gòu)消除片外元件，使得該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更具集成性。因?yàn)殓R像干擾信號(hào)的功率電平等于或小于所需信號(hào)，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求較低的鏡像干擾抑制，并且鏡像干擾抑制濾波要在片內(nèi)完成。由于只有一個(gè)本振用于下變頻信號(hào)，所以減少了混頻處理?？傊?，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在節(jié)約成本、減小芯片面積和功耗方面是極佳的。然而，由于隨時(shí)間而改變的DC補(bǔ)償、本振泄漏和閃爍噪聲引起的問題會(huì)妨礙信號(hào)的檢測(cè)。通過使用適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)處理器（DSP）或自動(dòng)歸零功能，DC補(bǔ)償問題可以得到糾正。采用高線性混頻器可避免失真。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也易于導(dǎo)致二階互調(diào)失真分量（IM2）。類似于超外差電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求可變的高頻本振以實(shí)現(xiàn)信道選擇。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)成功地應(yīng)用于需要很少DC能量的調(diào)制方案中，例如過調(diào)制的頻移鍵控（FSK）尋呼系統(tǒng)。8.2.4低中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成的片上帶通濾波的概念引出了低中頻接收機(jī)（Low-IFreceivers）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中頻處于較低頻率（典型為幾百kHz），因此需要低Q信道選擇濾波器。圖8.2.3給出了2.4GHz藍(lán)牙接收機(jī)所采用的低中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以完成相應(yīng)的頻域下變頻處理。射頻頻譜首先被多相濾波器放大并濾波，在濾波器輸出端產(chǎn)生綜合信號(hào)。該濾波器對(duì)于正頻率為全通濾波器，對(duì)于負(fù)頻率為帶阻濾波器。該信號(hào)隨后下變頻到正交低中頻IF，典型的IF頻率是1/2個(gè)信道帶寬。該正交下變頻處理利用了綜合混頻器。綜合混頻器只混合正射頻頻率和一個(gè)負(fù)本振頻率，因此實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)的鏡像干擾抑制。圖8.2.3低中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適于射頻集成電路，因?yàn)樵诨祛l器之后使用低Q帶通濾波器就可以實(shí)現(xiàn)鏡像干擾抑制和信道選擇。不像零中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，低中頻對(duì)于寄生的DC補(bǔ)償、本振泄漏和IM2是不敏感的。低中頻也能靈活地以多種方式處理信號(hào)。由于在片上進(jìn)行I和Q發(fā)生器之間的匹配，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鏡像干擾抑制（40dB）功能是有限的。在信號(hào)路徑中采用非對(duì)稱多相濾波器以加強(qiáng)鏡像干擾抑制，這會(huì)產(chǎn)生插入損耗并引起噪聲。如果沒有適當(dāng)?shù)念A(yù)濾波，模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器上的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率要求會(huì)大大增加。此外，當(dāng)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于寬信道帶寬應(yīng)用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流消耗的增加。另外，還需要良好相位噪聲的可變頻率的高頻本振，增加了頻率合成器的設(shè)計(jì)難度。8.2.5寬帶雙中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

寬帶雙中頻接收機(jī)將零中頻和外差電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來以優(yōu)化功耗和性能，功能框圖如圖8.2.4所示。它可完成相應(yīng)的下變頻過程。該方法類似于超外差電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用多個(gè)中頻級(jí)，第一中頻處于高頻（幾百M(fèi)Hz）。使用固定的本機(jī)振蕩器LO1將全部射頻頻譜首先下變頻到一個(gè)高中頻。通常，LO1頻率在應(yīng)用頻段之外，所以在天線之后的片外射頻濾波器也作為鏡像干擾抑制濾波器使用。下變頻信號(hào)通過低通濾波器之后，采用一個(gè)可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的鏡像干擾抑制的綜合混頻器將所需信號(hào)下變頻到DC。使用可變的本機(jī)振蕩器LO2選擇所需信道。圖8.2.4寬帶雙中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)該方法有利于集成，可降低成本。而且，固定的LO1使低相位噪聲高頻合成器的設(shè)計(jì)容易，并可以降低功耗。因?yàn)榈谝恢蓄l固定為高頻，所以反饋分頻器要求較低的分頻比。因此，能改進(jìn)LO1的整體相位噪聲性能。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)盡管不存在本振泄漏問題，但仍然沒有解決DC補(bǔ)償和IM2失真問題。在中頻和射頻之間，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象，因此使用低通濾波器進(jìn)行信道選擇，而不使用電流消耗大的帶通濾波器，從而可得到55dB的鏡像干擾抑制。8.2.6亞采樣接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于帶通采樣原理的中頻亞采樣接收機(jī)系統(tǒng)如圖8.2.5所示。在中頻的亞采樣接收機(jī)系統(tǒng)中，采樣電路代替零中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的混頻器。射頻信號(hào)以基帶信號(hào)的奈奎斯特速率進(jìn)行采樣。下面的等式給出帶通采樣產(chǎn)生的頻譜鏡像：（8.2.12）式中，k是整數(shù)常數(shù)，i是頻譜鏡像點(diǎn)；在亞采樣零中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中i=0，samp和c分別是采樣頻率和載波頻率。圖8.2.5亞采樣接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很適于射頻集成電路，特別是在CMOS技術(shù)中，將一個(gè)復(fù)雜的下變頻處理簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的采樣操作。因?yàn)椴蓸铀桀l率低于載波頻率，使振蕩器設(shè)計(jì)變得很簡(jiǎn)單并且功耗也較低。該結(jié)構(gòu)需要關(guān)注的問題之一是噪聲混淆。由于噪聲功率提高了2k倍，這需要使用片外帶通噪聲濾波器，而采樣時(shí)鐘上的抖動(dòng)放大了k2倍，導(dǎo)致了所需信道的干擾。該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)未解決的問題是時(shí)鐘饋通和運(yùn)算放大器設(shè)置時(shí)間不足。這些因素不能使干擾充分衰減，因此要求A/D有一個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍。由于c和samp成比例，使得更高頻的低功率亞采樣電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難設(shè)計(jì)。8.2.7數(shù)字中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在數(shù)字中頻接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，混頻和濾波可以在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，超外差、低中頻和零中頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的中頻級(jí)可以數(shù)字化。數(shù)字中頻的使用避免了I和Q之間的不均衡，實(shí)現(xiàn)了完美的鏡像干擾抑制。然而，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要高性能的A/D，因此，提高了整個(gè)接收機(jī)的電流消耗。圖8.2.6中的低中頻數(shù)字接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使用帶通-轉(zhuǎn)換器以降低A/D的性能要求。-的帶通屬性同時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣和濾波功能。在高頻A/D的設(shè)計(jì)方面，數(shù)字中頻仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。圖8.2.6低中頻數(shù)字接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.2.8RAKE接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)RAKE接收技術(shù)是CD