数字中频接收机设计分析
数字中频接收机设计分析
随着软件无线电技术的不断发展，数字中频接收机无论在基站侧，手机侧都有很广阔的应用，甚至于在WIFI，NBIOT的终端SOC芯片上也已经比较常见。本文从设计思路到器件选型及指标分析分解对接收机的设计做一个较全面的总结。
1 设计内容
1．系统对反向链路的指标要求分析。
2．实现方案分析及核心器件选型
3．关键指标的影响及实现分析。
2 设计分析
2.1 系统对接收链路的指标要求分析
对于接收机而言，空口的射频指标主要有三种，详见下表：表格 1 接收机系统指标来源
1． 协议要求：没种通信标准都会制定详细的测试标准，协议标准是最基本的要求。2． 实际场景：仅仅满足协议的要求是不够的，在设计时，需考虑实际系统运行时存在的干扰以及抑制干扰方法，对接收机指标进行合理的分配。3． 竞争性指标：某些指标，协议要求较低，但基于竞争考虑，在可实现基础上也需要对一些重要指标提出更严的标准。2.2 数字中频接收机的基本架构
SDR数字中频接收机的关键是通过高速ADC的带通采样，可以把中频信号直接采入数字域进行信号处理优点有：
1． 链路简单，可省了很多模拟器件。
2． 支持多载波。
图表 1 数字中频接收机的基本架构
2.3 核心器件选型
接收链路的核心器件包括：高速ADC，LNA，Mixer，RF Amplifier，Filter（多个）。数字中频接收机链路中的最核心器件就是高速ADC，其他器件的选取原则与传统模拟接收机基本一致。2.3.1 高速ADC
由于成本和可实现性的因素，ADC的选取由各方面指标综合权衡。基本原则是：在摸拟链路中可实现，且成本较低的情况下，尽可能地降低对高速ADC的要求。且当ADC选定后，系统指标也是基于ADC的性能来分配，同时需要分析可实现性。1. BIT位和SNR要求：主要来源：动态要求；SNR要求。需要根据灵敏度和接收机动态来分析：
（1）为保证灵敏度要求，一般ADC的对系统噪声的贡献<0.2dB，即要求接收机射频链路的噪声要比ADC的噪声能量大10dB以上。
（2）要保证给调制信号峰均比留足回退量。
注：ADC器件手册给的噪声能量是指整个采样带宽的能量，而接收机信号带宽BW，因此在计算时还需加上处理增益10Log(Fs/BW)，Fs为ADC的采样速率。
2. SFDR要求：与第一个类似，当这些杂散落在载波带内，会恶化灵敏度，为减小这些信号的影响，则要求接收机最小信号到达ADC之前，功率要比此功率高出一定值。
3. 谐波分量：和双音相同。可以通过合适的中频选择，避免低阶谐波落入接收带内，但是随着系统的带宽的不断增大，很难做到规避所有的谐波。
4. 工作速率Fs：根据带通采样定理，取决于接收机最大处理带宽BW。
2.3.2 LNA、混频器，放大器等射频器件
射频器件基本与传统接收机的选取方法一致，主要是从系统分解出来的P1dB、IP3、G等几个指标，并根据链路方案来确定。
2.3.1 滤波器
滤波器的选取与设计与传统接收机基本相同，主要从信号带宽、1/2中频、杂散滤波等因素来选取和设计。不同的就是高速ADC前的抗混叠滤波器的设计。
2.4 关键指标的影响及实现分析
2.4.1 灵敏度
接收机灵敏度，即接收机能接收最小可正确解调信号的能力，实质上是反映了接收链路对信噪比的恶化。接收灵敏度主要考虑在无干扰时，接收链路的产生的带内噪声最优。能产生噪声的系统部件有：双工器或者滤波器，LNA，RX链路（混频滤波放大部分），ADC。
1． 双工器或者滤波器的插入损耗直接贡献系统噪声。3． RX链路、ADC对系统噪声的贡献由噪声级联方式计算 1． 折合噪声系数方式计算：将ADC看成0dB Gain的射频器件，通过其满量程功率将SNR转换成NF，通过噪声级联方式计算。2． 按噪声能量方式计算：分配ADC的噪声对系统总噪声贡献，即可得到ADC输入口的最小噪声功率，可以得出接收链路增益。ADC噪声对系统总噪声的贡献越小，即要求接收链路增益越高，但由于ADC的动态有限，射频链路增益越高，在大信号、双音互调、单音阻塞时的会造成ADC饱和，所以接收链路增益需设置在一定的范围内。2.4.2 动态
这个指标反映接收机能正确接收到最大有用信号的能力。相关联的接收链路指标有：各级器件的线性度及回退，最大增益，AGC功能。1． 各级器件的线性度及回退：要求最大输入信号时，接收链路保证足够回退（主要是考虑信号峰均比）。在大单音信号时，接收链路也要保证足够回退量。2． 接收机的最大增益：上文提到灵敏度指标希望接收链路增益越高越好，而单音阻塞则希望接收链路增益越低越好。3． 为了同时满足灵敏度和动态的需求，一般系统会采用AGC功能。2.4.3 阻塞
单音阻塞指标指的是在载波带外，有一个强干扰（单音）时，对接收机性能的影响，以恶化灵敏度为代价，不同通信标准要求也不一样。这个指标反映接收机的抗干扰能力。单音阻塞对我们的影响主要有几个：
1． 倒易混频：由于本振信号的相位噪声会与信号最近的强单音混频并落入信号带内，从而恶化信噪比。会对LO的相位噪声提出性能要求。倒易混频示意如图示：
图表 2 倒易混频图示
2． Blocking对AD采样和数字域处理的影响：a) 单音信号如果落在有用信号的混叠带：那就需要对ADC的抗混叠滤波器提出较严格的抑制要求。如图示：
图表 3 Blocking落入ADC混叠带图示
b) 如果未落入ADC混叠带，且较近：模拟滤波器无任何抑制，在数字域做速率抽取时，扔会进入混叠带，那就对数字域的FIR滤波器提出较严格的抑制要求。 
图表 4 Blocking落入数字域FIR滤波器混叠带图示3． Blocking与TX泄漏能量的互调或交调分量（FDD系统）a) 单音与TX Leakage的互调分量有可能会落入接收信号带内而恶化信噪比。
图表 5 Blocking和TX Leakage互调分量图示
b) 单音与TX Leakage的交调分量有可能会落入接收信号带内而恶化信噪比。
图表 6 Blocking和TX Leakage交调分量图示
2.4.4 双音
双音指标指的是在载波带外，有两个强单音干扰时，对接收机性能的影响，这个指标同样反映接收机的抗干扰能力。
双音信号比单音要低很多，双音互调对噪声的影响机制与单音大体相同：
1. 倒易混频：原理同Blocking，抑制要求低于Blocking
2. 双音对AD采样和数字域处理的影响：原理同Blocking，抑制要求低于Blocking
3. 双与TX泄漏能量的交调：其机制和单音与TX泄漏能量的交调要求一样，但因其要求比单音要求低。
4. 双音产生互调分量：双音其互调分量有可能落入信号带内，从而恶化信噪比，当其靠近载波较近，在宽带接收通路中，模拟滤波器无抑制作用，其互调分量的大小只取决于模拟链路的IP3值。图示如下：
2.4.5 邻道选择性
邻道选择性指标指的是在邻道有较强信号时，对接收机性能的影响，以灵敏度恶化3dB为准。这个指标是评估接收机的抗干扰能力。其机制与单音去敏、双音互调一样，但要求更低，能满足单音去敏、双音互调，肯定能满足邻道抑制要求。在做链路分析时，可以不考虑此指标要求。2.4.6 传导杂散
反向的传导杂散也需考虑，对中频和本振方案，通路隔离都有相应的要求。设计时，尽可能将接收系统产生的所有强杂散滤波器的带外，由滤波器滤除即可。3 设计总结
2. 阻塞对链路的线性度，ADC的抗混叠抑制能力（包括多级滤波器），数字FIR滤波器的抑制能力提出要求。3. 双音交调：主要对接收机链路的IP3的性能的要求。4. 其他诸如AGC等功能都是根据链路的实际需求而设计。后续，我会用实际的案例（RRU和仪表两个不同的角度）设计来进一步向大家讲述接收机的设计。希望大家多多关注。4 参考文献：
CDMA RLB反向链路关键点 ——黄沛瑜
RA02E反向链路指标分析 ——王精
