零中频接收机的直流偏移(DC offset)可能来自于以下几个方面:
① 本振信号自混频
由于各种原因,比如混频器LO到RF端有限的隔离,基板或者空间的耦合,本振会泄露到前级,而这些泄露,由于级间失配,又会反射到混频器的输入端,与本振混频,从而产生直流偏移。
② 强干扰信号自混频
强干扰信号传输到混频器的RF端,由于RF-LO的有限隔离度,泄露到LO端口,所以混频器两端口之间的干扰信号之间的自混频,也会产生直流偏移。
③ 强干扰信号进入RF通路中,电路的二阶非线性,也会产生直流偏移
零中频接收机的有用信号位于直流以及直流附近,由于各种原因产生的直流偏移(DC offset),可能比有用信号强很多,会淹没有用信号,而且还会使得后面的电路出现饱和。
举个例子,假设:
①接收机前端RF+基带的总增益为100dB,其中RF级(LNA+混频器)的增益为30dB,基带增益为70dB;
②本振功率为0dBm,LO到LNA输入端的泄露为60dB;
③接收机灵敏度为-107dBm;
则,泄露的本振信号到混频器输出端的功率为0-60+30=-30dBm(7.07mVrms);有用信号到混频器输出端的功率为-107+30=-77dBm(31.6uVrms),两者相差47dB。
同时,7.07mVrms的直流偏移,也会被基带放大70dB,如果基带放大器是理想的话,那直流偏移会被放大到20Vrms左右,所以在实际电路中,DC offset会使得后面的基带放大器饱和产生失真,从而影响接收机的性能。
最简单的方案,是采用交流耦合的方式,比如加一个高通滤波器。
但是,为了不恶化信号,高通滤波器的截止频率必须低于符号率的0.1%,这需要非常大的电容,而且对于差分输出的正交混频器,可能需要4个高通网络,所以片上集成几乎不可能。而且,这种方式,也对调制方式有要求,只适合那些在DC处包含很少能量的调制方式。同时电路时间常数长,当直流偏移突然变化时,不能快速响应,所以这种方法,应用的很少。
现代芯片很多都是采用校准来解决这个问题。
比如TI的TRF371X系列,就是采用了自动校准算法,通过一个8bit DAC,来分别调制I路和Q路的DC offset。该算法,可以在全温范围内把直流偏置校准到低于+/-5mV以内。
[1] https://wirelesspi.com/direct-conversion-zero-if-receiver/
[2] 零中频接收机设计
[3] 池保勇 余志平 石秉学,CMOS 射频集成电路分析与设计
[4] DC Offset Auto-Calibration of TRF371x