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使用近零中频改善直接变换接收器

CMLA008 - 近零中频
2019-04-01
Nigel Wilson
关键词: RF 近零中频 CMX994

无论是用于传输语音还是数据,RF通信链路都是现代生活的基本组成部分。发射器将信息调制到射频,无线电接收器处理接收和解调过程。现代接收器通常将RF信号下变频到基带,在其中对其数字化和进一步处理。从无线电发展的历史上看,接收器使用了超外差(superheterodyne)方式,采用两级或更多级的下变频方式,每一级通常都使信号更接近基带频率,但代价是复杂度增大,包括可能需要非常昂贵且笨重的滤波器,也需要多个本地振荡器,它们可能引入难以滤除的乱真信号响应(spurious responses),这些是超外差技术的固有问题。

直接变换是通过将信号从RF频率直接变到基带,从而不再需要中间级的过程,将多级压缩成单级能够使设计更简单。直接变换接收器有时也称为零中频(IF)接收器,因为IF为0Hz。用于下变频RF信号的本地振荡器与RF信号的频率相同,这显著降低了整体设计的成本。然而,这种技术并非没有挑战,特别是可能易受从各种源产生的DC偏移影响。最大的问题是由于幅度变化的信道外阻塞信号而导致的DC变化,这些变化的DC分量很难被去除,因为它们不容易和有用信号区分开。这在采用TDMA的系统中非常普遍,可导致脉冲信号包络。在相邻的接收器中,这个脉冲包络会通过一个称为二阶互调(second-order intermodulation)的过程产生DC伪影。信号的脉冲速率在DC处非常明显,几乎与信号无法区分。在有用信号较弱时,来自附近发射器的无用信号可能会覆盖有用信号。由于现在使用的许多数字调制方案遵循这种短串脉冲模式,而不是更长的脉冲串或连续传输(例如在FDMA系统中),这个问题会变得更加普遍。

近零中频

从私人/陆地移动无线电到蜂窝系统,都正在变得越来越多由数字传输主导,接收器暴露于在相同频带中工作的脉冲信号。随着这种趋势的加强,与直接变换相关的直流偏移问题变得更加明显,但仍然需要权衡数字化带来的许多积极影响。借助于CML Microcircuits(CML)提供的解决方案,可以构建出非常受欢迎的设计,即在非常接近基带频率下应用直接变换,在信号带宽内使用非常低的中频(或“近零IF”)。

例如,对于一个典型的12.5kHz信道系统,IF可以在3~6kHz范围内。 IF越高,对上述问题的抵抗能力就越强。例如,在具有33Hz重复率的DMR之类TDMA系统中,DC处的信号将具有峰值在33Hz谐波处的频谱,虽然这些谐波的幅度在高阶处会衰减,但高次谐波仍然具有足够高的功率而出现问题,因此IF需要足够高才能免受这些谐波的影响。

采用近零中频变换所需的模数转换器带宽略有增加,如果I/Q输出没有平坦的响应,则需要使用数字滤波器来进行滚降补偿(roll-off compensation)。近零中频方法还有一些其他挑战,其中包括在一侧落入相邻信道内的镜像响应(image response),这可能导致相邻信道抑制(channel rejection),例如一侧为65 dB,另一侧仅为30 dB,反过来又可能导致接收器失去某些管控功能。针对该问题有各种各样的解决方案,其基本原理或者是使用某种形式的校准方案,增强镜像抑制,或者使用动态本地振荡器控制来避免有问题的信道(即优化抗干扰性能)。

处理需要功率

与直接变换和近零中频相关的问题是软件定义无线电(SDR)架构中所固有的,一种似乎合理的解决方案是针对问题采用更高数字处理能力,但数字处理可能需要大量功率,在一些应用中可能令人望而却步。CML开发的解决方案包括一系列直接变换IC,它们具有非常先进的功能,能够以最低功耗提供最佳结果。其中一款产品是CMX994/A/E,采用了一种名为PowerTrade的专有技术,可用于动态平衡功耗与所需性能。图1显示了基于CMX994系列的典型系统级设计。

CMLA008 Figure 1 - CMX994_block_diagram-1.jpg

图1:基于CMX994的系统级设计示例。

CXM994系列中的所有器件在输入端都有一个低噪声放大器,其信号输入到下变频器部分和基带滤波器(见图2)。 该滤波器级在信号放大之前能够去除通道外阻塞信号,然后进一步滤波。CMX994/A/E的差分I/Q输出之后馈入ADC,进而馈入滤波和解调阶段。这种方案是一种高性能直接变换/近零中频变换芯片组,而且针对低功耗运行进行了优化,同时降低了设计复杂性。

CMLA008 - Near Zero IF Figure 2.png

图2:CMX994系列器件功能框图。

完美的解决方案

由于这些系统的“后端”通常在数字域中运行,因此一种诱惑是继续应用处理周期以实现最高性能。实际上,处理周期需要付出相应功耗的代价,也应考虑开发的时间和成本。CML在直接变换和近零中频变换系统开发方面拥有丰富的经验,通过查看空中接口的特定方面,并评估如何应用这些技术来解决问题,因而,确定问题是首先要做的第一步。

这其中涉及利用那些干扰信号来测量结果以真正识别问题所在。当然,最终目标是完全免受干扰。在首次开始进行接收机设计时,近零中频正在成为一种非常有效的方法。

通过精心设计和很好地选择其他RF模块(例如本地振荡器),CMX994E能够获得与基于传统超外差技术的无线电系统相当的抗干扰性能,同时仍然可受益于直接变换或近零中频变换的许多优势,例如,可以避免超外差技术所固有的乱真信号响应和复杂性问题。

无线电系统的最终目标是实现一个能够具备所有高品质因数的解决方案,包括性能、成本、尺寸、灵活性和功率。使用来自CML等专业供应商的专用芯片组可以帮助实现该目标,因为这些解决方案能够解决直接变换设计流程存在的问题。