2004年7月a版摘要零中频zeroif或直接变换direct-conversion.pdfVIP

零中频射频接收机技术 作者：东南大学射频与光电集成电路研究所 李智群 王志功 2004 年7 月A 版 摘 要：零中频(Zero IF)或直接变换(Direct-Conversion)接收机具有体积小、成本低和 易于单片集成的特点，正成为射频接收机中极具竞争力的一种结构。本文在介绍超外 差(Super Heterodyne)结构与零中频结构性能和特点的基础上，重点分析零中频结构存 在的本振泄漏(LO Leakage)、偶次失真(Even-Order Distortion)、直流偏差(DC Offset)、 闪烁噪声(Flicker Noise)等问题，并给出零中频接收机的设计方法和相关技术。 关键词： 零中频；超外差；本振泄漏；自混频 引言 近年来随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统产品越来越普及，成为当今人类 信息社会发展的重要组成部分。射频接收机位于无线通信系统的最前端，其结构和性 能直接影响着整个通信系统。优化设计结构和选择合适的制造工艺，以提高系统的性 能价格比，是射频工程师追求的方向。由于零中频接收机具有体积小、成本低和易于 单片集成的特点，已成为射频接收机中极具竞争力的一种结构，在无线通信领域中受 到广泛的关注。本文在介绍超外差结构和零中频结构性能和特点的基础上，分析零中 频结构可能存在的问题，并给出零中频接收机的设计方法和相关技术。 超外差接收机 超外差(Super Heterodyne)体系结构自 1917 年由Armstrong 发明以来，已被广泛采用。 图 1 为超外差接收机结构框图。在此结构中，由天线接收的射频信号先经过射频带通 滤波器(RF BPF)、低噪声放大器(LNA)和镜像干扰抑制滤波器(IR Filter)后，进行第一 次下变频，产生固定频率的中频(IF)信号。然后，中频信号经过中频带通滤波器(IF BP F)将邻近的频道信号去除，再进行第二次下变频得到所需的基带信号。低噪声放大器(L NA)前的射频带通滤波器衰减了带外信号和镜像干扰。第一次下变频之前的镜像干扰抑 制滤波器用来抑制镜像干扰，将其衰减到可接受的水平。使用可调的本地振荡器(LO1) ， 全部频谱被下变频到一个固定的中频。下变频后的中频带通滤波器用来选择信道，称 为信道选择滤波器。此滤波器在确定接收机的选择性和灵敏度方面起着非常重要的作 用。第二下变频是正交的，以产生同相(I)和正交(Q)两路基带信号。 超外差体系结构被认为是最可靠的接收机拓扑结构，因为通过适当地选择中频和滤波 器可以获得极佳的选择性和灵敏度。由于有多个变频级，直流偏差和本振泄漏问题不 会影响接收机的性能。但镜像干扰抑制滤波器和信道选择滤波器均为高Q 值带通滤波 器，它们只能在片外实现，从而增大了接收机的成本和尺寸。目前，要利用集成电路 制造工艺将这两个滤波器与其它射频电路一起集成在一块芯片上存在很大的困难。因 此，超外差接收机的单片集成因受到工艺技术方面的限制而难以实现。 零中频接收机 由于零中频接收机不需要片外高Q 值带通滤波器，可以实现单片集成，而受到广泛的 重视。图 2 为零中频接收机结构框图。其结构较超外差接收机简单许多。接收到的射 频信号经滤波器和低噪声放大器放大后，与互为正交的两路本振信号混频，分别产生 同相和正交两路基带信号。由于本振信号频率与射频信号频率相同，因此混频后直接 产生基带信号，而信道选择和增益调整在基带上进行，由芯片上的低通滤波器和可变 增益放大器完成。 零中频接收机最吸引人之处在于下变频过程中不需经过中频，且镜像频率即是射频信 号本身，不存在镜像频率干扰，原超外差结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器均可 省略。这样一方面取消了外部元件，有利于系统的单片集成，降低成本。另一方面系 统所需的电路模块及外部节点数减少，降低了接收机所需的功耗并减少射频信号受外 部干扰的机会。 不过零中频结构存在着直流偏差、本振泄漏和闪烁噪声等问题。因此有效地解决这些 问题是保证零中频结构正确实现的前提。 本振泄漏(LO Leakage) 零中频结构的本振频率与信号频率相同，如果混频器的本振口与射频口之间的隔离性 能不好，本振信号就很容易从混频器的射频口输出，再通过低噪声放大器泄漏到天线， 辐射到空间，形成对邻道的干扰，图