射频系统中的滤波器
射频系统中的滤波器
1 概述
射频通信系统中，滤波器是一个非常重要的组成部分。作者在十年前曾经对这些做过简单的总结。今天再写这篇文章，发现每次写文档都对自己有很大的帮助，我们从较为复杂的射频基站系统着手，来看一看这些滤波器用来抑制什么？需要多少的抑制度？2 滤波器介绍
表格 2-1 不同滤波器的对比
3 射频系统中滤波器
图表 31 射频系统框图
1. DAC输出到IQ的LC滤波器：DAC镜像抑制滤波器。
2. IQ输出的介质滤波器或声表滤波器：本振泄露和镜像抑制滤波器。
3. PA输出的腔体滤波器（FDD：双工器，TDD：滤波器）：前向杂散抑制滤波器。
1. ADC前的LC滤波器：ADC的抗混叠滤波器。
2. Mixer前的介质滤波器或声表滤波器：Mixer的镜频抑制滤波器。
3. LNA前的腔体滤波器（FDD：双工器，TDD：滤波器）：接收带外抑制滤波器。
在下面文章中我们会具体分析每一级滤波器的作用及抑制要求。4 功能和抑制分析
4.1 DAC镜像抑制滤波器
学过采样定理，我们都知道，数字域的信号是以Fs为带宽无限翻折，为了降低不必要信号的幅度，在进入DAC变化前一般会使用SINC滤波器来降低高频信号的幅度。下面看看SINC滤波器的响应：
图表 4-1 SINC滤波器响应图
经过SINC滤波器后第二及第三奈奎斯特区域的镜像信号会有较大的衰减。但依然需要做额外的抑制。
图表 4-2 DAC输出频谱图
根据SINC函数的响应，我们可以算出滤波器的抑制主要受中频频率及DAC采样频率的大小影响。1. 相同DAC采样频率下，IF频率越低，抑制度要求越低。
2. 相同的IF频率下。DAC的采样频率越高，抑制要求也越低。
4.2 本振泄露和镜像抑制滤波器
图表 4-3 上变频混频器方案频谱图
如图，对于混频器而言，由于本振泄露和镜像信号都非常大，必须加一个滤波器来滤出系统不需要的信号。
图表 4-4 上变频IQ调制器方案频谱图
但对于IQ调制器而言，虽然本振泄露和镜像信号功率较小，同样需要抑制。目前多数系统都采用校准的方案来搞定这两个信号，不止是出于成本的原因。如果在此处加一滤波器。前向的射频链路的带宽将受限于滤波器的带宽。在越来越多的系统中。选择DAC+IQ的方案，同时采用校准来消除LO泄露和镜像信号来实现更宽的射频带宽。这个滤波器也已经随之消逝在历史的长河里。4.3 前向杂散抑制滤波器
在基站系统中。腔体滤波器的带宽主要取决于运营商的频谱宽度。而滤波器的抑制主要取决于协议对杂散的要求。腔体滤波器的抑制指标主要取决于功放输出的杂散辐射水平，同时也要考虑到前级滤波器残余信号是否会超出频谱模板要求。
图表 4-5 WCDMA发送杂散辐射上限模板
4.4 ADC的抗混叠滤波器
1. 如果不考虑接收机的阻塞信号或者其他干扰信号。抗混叠滤波器只要对相邻的几个奈奎斯特区域的噪声有足够的抑制（25dB左右），其对信噪比的恶化已经很小（约0.04dB以下）。2. 对于基站系统我们需要考虑接受机的阻塞性能。当阻塞信号落入混叠带时，这时候就会要求系统中所有滤波器的必须把阻塞信号抑制到小于链路底噪20dB以下。基站系统中一般天线口的腔体滤波器也会对混叠带的阻塞信号有较强的抑制。因而对抗混叠滤波器的抑制并不是十分高。3. 对于宽带的仪表系统，如频谱仪。其系统动态高，干扰信号大，其抑制只能由抗混叠滤波器完成，此时一般需要做到至少150dB以上的抑制要求。
图表 4-6 抗混叠滤波器抑制分析图
综上，抗混叠滤波器的指标分析是建立在系统需求的基础上。一个权衡的结果。对于大多数情况而言，我们所说的抗混叠滤波器实质上指的是滤除相邻带的噪声即可。4.5 Mixer的镜频抑制滤波器
这个滤波器和抗混叠滤波器是有那么一点点相似。也是为了滤除噪声。只是会有那么一丝差异如图示，混频时RF信号及信号带内的噪声跟本振混频至IF，但LO+IF处的噪声也会混频至IF频段。那么直接会造成信噪比恶化3dB。即灵敏度恶化3dB，这是系统不能容忍的。所以，镜频抑制滤波器是必须的。
图表 4-7 Mixer镜频影响分析
那么镜频抑制滤波器主要的抑制对象，即是Mixer镜频上的噪声信号，按照功率的贡献，当抑制噪声至20dB以下，就可以保证其对信噪比的恶化小于0.04dB。一般而言，镜频滤波器对镜频的抑制要求只有20dB即可。如下图所示。
图表 4-8 Mixer镜频抑制示意图
系统加上滤波器后，最直观的影响即无法实现超宽带了。请看下面示意图。当射频带宽越大，抑制点和通带越近。滤波器越难实现。当RFBW=2*IFBW时抑制带和通带就会连在一快，导致滤波器无法实现。
图表 4-9 Mixer镜频抑制分析
那么宽带接收机又是怎么实现的呢？其实很简单，至少有2个方法可以搞定：
1. 低频用低本振，高频用高本振：这样实现带宽可以增大一倍，也不是完全意义上的超宽频。不太理解的话可以直接画个图看看。这种方法的好处是增大了带宽并未增加额外的成本。2. 提高IF的频率：例如频谱仪等宽带系统。都会选择一个极高的中频（5122.5MHz）这样。对于低频信号，其镜频的位置都在10GHz以上了。此方案虽然实现了超宽带，但是需要额外一级混频再把频率变下来。4.6 接收带外抑制滤波器
由于此滤波器带宽较窄，抑制能力强，所以它不仅有自己的任务，还要协助别人完成任务。滤波器的主要作用：1. 抑制带外辐射，防止接收机中产生的干扰信号对外产生辐射。
2. 如果是FDD系统，还需要对发射机信号抑制的任务。
3. 协助滤除落在镜频，混叠带的阻塞信号。
这些抑制要求，需要根据实际接收机的设计需求来协同分配及权衡。这里就不在累述。5 说说滤波器
系统的设计其实更多的在于怎么做好权衡取舍。就像滤波器一样。很多时候是很多部分共同达成了一个合格的系统指标。曾经有人问我混频器的LO和RF泄露很大，是不是不可以用。我告诉他，无非是价格的问题，加个滤波器就是了。对于系统设计而言，没有不好的器件。只有不好的设计。6 写在最后
每一次写完一篇，都会发现不完美。但是又不知道怎么让它更完美。每一句话都经过字字斟酌。每一张图都需要反复修改，但依然在不舍中结束。写文档是对自己知识的总结，同样也想有更多的读者一起讨论。有什么疑问或者错误都欢迎大家指正及留言探讨，共同进步。
