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说说那些收发机的架构

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信号有模拟信号和数字信号,在现代收发机中,模拟信号和数字信号的分界面,对于接收机而言,是ADC,对于发射机而言,是DAC。

RF接收机,主要是对射频信号进行滤波放大,然后下变频到基带进行运算;RF发射机,主要是对基带信号进行处理,然后上变频到射频进行滤波放大,发射出去。

收发机架构,有超外差,零中频,低中频还有直采。

不同的架构,各有优劣,实际使用的时候,可以根据应用场景和性能要求,进行折中选择。

(1) 

先来说说超外差架构,这个是在各种集成收发芯片成熟之前,在板级用的最多的架构,没有之一。

超外差架构的指标,主要由射频链路来决定,不需要复杂的算法进行校准。

采用超外差架构时,输入信号和本振信号经过混频后,会产生一个非零且频率相对较高的中频。

在超外差架构中,变频操作可能不止一次,所以经过能看到一次变频,二次变频等字眼,具体选几次,主要就看指标之间的博弈。

超外差接收机中,各个指标之间都会有联动。

比如说,中频的高低,会影响对镜像抑制滤波器抑制度的要求,如下图所示,当中频选的高的时候,镜像干扰离有用信号较远,滤波器的抑制度就比较容易满足,如B点所示。

然后中频的高低,又会与中频滤波器的抑制度相关。比如同样是要求偏移5MHz处要有20dB的抑制度,那对于IF=25MHz和IF=250MHz,显然25MHz的中频滤波器更容易实现,或者实现成本较低。

在超外差收发架构中,可以使用高选择性的带通滤波器,是这个架构的一大优点。

不过,虽然超外差接收机的指标能够做的比较好,但是它所用器件较多,还需要性能优异的带通滤波器,所以不适合用于芯片级的收发设计。

(2) 

再说说零中频架构。零中频架构,顾名思义,其中频为0。

因为IF=0,所以射频端没有镜像抑制滤波器,中频端也不需要带通滤波器,因此架构大大简化,如下图所示,很适合用于芯片级设计。

但是零中频架构也有许多缺点,比如在接收机中,DC offset会严重影响接收机的性能,CMOS中的flicker noise也会影响窄信道带宽的接收机;在发射机中,LO leakage也是个问题。

还有理论上不存在,但实际存在的镜像问题。

正交混频器,可以产生一个只有正频率的复信号,频谱搬移如下图演示。

从上图中可以看出,在理想情况下,IQ两路完全正交匹配,此时零中频接收机不存在镜像问题。

但是,实际上,总是有不理想性存在,比如I和Q两个支路,可能存在幅度和相位不匹配,两个本振信号之间也不是理想正交,此时正交混频器在正负频率中都有信号,只不过另一个会低一点,所以零中频也会受到镜像信号的干扰,如下图所示。

这个镜像问题在单载波通信中,可能还不算太严重,但是在多载波通信中,则需要好好考虑[2]。

(3)

然后还有低中频架构。

低中频的架构和零中频很像,RF前端也没有镜像抑制滤波器,也不需要进行频率规划,但是中频不是DC,而是一个很低的频率。

与零中频架构相比,低中频架构的优点在于:

  •  闪烁噪声要更低,因为低中频虽然频率不高,但是毕竟不在直流,所以闪烁噪声相对要低。这个对于CMOS工艺的集成电路很有吸引力

  • 没有直流偏移的问题,因为有用信号距离直流,隔着一个中频。


与零中频架构相比,缺点是,它的镜像抑制问题会更加严重。在单载波零中频接收机中,镜像干扰是有用信号本身,所以对镜像抑制的要求没有那么高;但是在低中频架构中,镜像干扰是外界环境中的干扰,所以理论上可以很大。

那怎么办?低中频架构还能用么?

当然可以,具体看指标要求。比如说,对于GSM系统,镜像频率正好处于邻信道,而GSM邻信道干扰(@fc+200KHz)只要求是9dBc,这个镜像抑制指标还是比较容易满足的。

(4)

直采架构,在框图上看,最简单了。

但是因为ADC和DAC都要处理射频信号,所以功耗也会上去,同时也对ADC和DAC本身的性能要求提高。

如果想使用直采架构,主要就看ADC和DAC了。如果算下来,发现功耗,指标,价格,供货都能接受,那估计是板级架构的首选了。

参考文献:

[1] Lydi Smaini, RF Analog Impairments Modelling for Communication Systems Simulation

[2] 

AD9361 or AD9371,我该选谁呢?- 讨论 - 中文资源库 - EngineerZone

https://ez.analog.com/cn/other/f/forum/104043/ad9361-or-ad9371

[3] Razavi, RF MICROELECTRONICS

[4] Qizheng Gu,RF System Design of Transceivers for Wireless Communications

 
 

来源:加油射频工程师
System电路系统仿真ADS芯片通信UM理论
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首次发布时间:2024-11-26
最近编辑:6小时前
加油射频工程师
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