下一代SDR收發(fā)器中的黑魔法：復(fù)數(shù)RF混頻器、零中頻架構(gòu)及高級算法 - 全文

簡介

復(fù)數(shù)混頻器、零中頻架構(gòu)和高級算法開發(fā)之間存在一種有趣的聯(lián) 系。本文旨在明確以上三者各自的基本概念，即工作原理以及它們 給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的價(jià)值，并闡述它們之間的相互依賴關(guān)系。

RF工程常被視為電子領(lǐng)域的黑魔法。它可能是數(shù)學(xué)和力學(xué)的某種 奇特組合，有時(shí)甚至僅僅是試錯(cuò)。它讓許多優(yōu)秀的工程師不得其解， 有些工程師僅了解結(jié)果而對細(xì)節(jié)毫無所知?，F(xiàn)有的許多文獻(xiàn)往往 不建立基本概念，而是直接跳躍到理論和數(shù)學(xué)解釋。

復(fù)數(shù)RF混頻器揭秘

圖1是采用上變頻器（發(fā)射機(jī)）配置的復(fù)數(shù)混頻器原理圖。兩條并 行路徑各有獨(dú)立混頻器，一個(gè)公共本振向這些路徑饋送信號，本振 與其中一個(gè)混頻器的相位相差90°。兩個(gè)獨(dú)立輸出隨后在求和放大 器中求和，產(chǎn)生所需的RF輸出。

圖1. 復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)基本架構(gòu)

該配置有一些簡單但非常有用的應(yīng)用。假設(shè)僅在I輸入上饋送一個(gè) 信號音，而不驅(qū)動(dòng)Q輸入，如圖2所示。假定I輸入上的信號音頻率 為x MHz，則I路徑中的混頻器產(chǎn)生LO頻率±x的輸出。由于沒有信號 施加于Q輸入，此路徑中的混頻器產(chǎn)生的頻譜為空，I混頻器的輸出 直接成為RF輸出。

圖2. I路徑分析

或者，假設(shè)僅向Q輸入施加一個(gè)頻率為x的信號音。Q混頻器進(jìn)而產(chǎn) 生信號音為LO頻率±x的輸出。由于沒有信號施加于I輸入，其混頻 器輸出靜音，Q混頻器的輸出直接成為RF輸出。

圖3. Q路徑分析

乍看起來，圖2和圖3的輸出似乎完全相同。但實(shí)際上，二者有一個(gè) 關(guān)鍵差異，那就是相位。假設(shè)將相同信號音同時(shí)施加于I和Q輸入， 并且輸入通道之間存在90°相移，如圖4所示。

圖4. 同時(shí)施加I和Q信號的路徑分析

仔細(xì)審視混頻器輸出，我們觀察到：LO頻率加輸入頻率的信號是 同相的，但LO頻率減輸入頻率的信號是異相的。這導(dǎo)致LO上側(cè)的信 號音相加，而下側(cè)的信號音相消。沒有任何濾波，我們便消除了其 中一個(gè)信號音（或邊帶），產(chǎn)生的輸出完全位于LO頻率的一側(cè)。

在圖4所示例子中，I信號比Q信號超前90°。如果變更配置使得Q信 號比I信號超前90°，那么可以預(yù)期會有類似的相加和相消，但在這 種情況下，所有信號將出現(xiàn)在LO的下側(cè)。

圖5. 信號音位置取決于I和Q的相位關(guān)系

上面的圖5顯示了一個(gè)復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)的實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果。左邊顯示的 是I比Q超前90°的測試案例，其導(dǎo)致輸出信號音位于LO的上側(cè)。圖5 右邊顯示了相反的關(guān)系，即Q比I超前90°，由此得到的輸出信號音位 于LO下側(cè)。

理論上應(yīng)當(dāng)可以讓全部能量僅落在LO的一側(cè)。然而，如圖5中的實(shí) 驗(yàn)室測量結(jié)果所示，在實(shí)踐中完全相消是不可能發(fā)生的，有一些 能量會留在LO的另一側(cè)，這就是所謂鏡像。還應(yīng)注意，LO頻率的 能量也是存在的，稱為LO泄漏或LOL。結(jié)果中還可以看到其他能 量—這些是所需信號的諧波，本文不予以討論。

為了完全消除鏡像，I和Q混頻器輸出的幅度必須完全一致，而在LO 鏡像側(cè)上彼此之間的相位恰好相差180°。如果不能滿足上述相位 和幅度要求，那么圖4所示的相加/相消過程就會不太理想，鏡像頻 率的能量仍會存在。

影響

采用常規(guī)單混頻器架構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生LO±產(chǎn)物。發(fā)射之前需要消除其中 一個(gè)邊帶，通常是通過增加帶通濾波器來消除。濾波器的滾降頻 率必須適當(dāng)，使其既能消除不需要的鏡像信號，又不會影響需要 的信號。

圖6.單混頻器鏡像濾波器要求

鏡像和所需信號之間的間隔會直接影響到對濾波器的要求。如果間隔較大，可以使用滾降較緩的簡單低成本濾波器。如果間隔較窄，設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)具有陡峭響應(yīng)的濾波器，通常采用多極點(diǎn)或SAW濾波器。因此可以說，鏡像和所需信號之間必須保持適當(dāng)?shù)拈g隔，以便可以濾除鏡像而不影響所需信號；該間隔與濾波器的復(fù)雜度和成本成反比。此外，如果LO頻率可變，濾波器必須可調(diào)諧，這會進(jìn)一步增加濾波器的復(fù)雜度。

鏡像和所需信號之間的間隔由施加于混頻器的信號決定。圖6中的例子顯示一個(gè)與DC相距10 MHz的10 MHz帶寬信號。相應(yīng)的混頻器輸出將鏡像置于與所需信號相距20 MHz的地方。這種配置中，為在輸出端實(shí)現(xiàn)10 MHz的所需信號頻譜，必須讓一條20 MHz基帶信號路徑連接到混頻器。10 MHz的基帶帶寬未使用，混頻器電路的數(shù)據(jù)接口速率高于必要水平。

回到圖5所示的復(fù)數(shù)混頻器，我們知道其架構(gòu)消除了鏡像而無需外部濾波。而且，在零中頻架構(gòu)中可以優(yōu)化效率，使得信號路徑處理帶寬等于所需信號帶寬。圖7所示的概念圖說明了其實(shí)現(xiàn)原理。如上所述，如果I比Q超前90°，則僅LO上側(cè)會有輸出。如果Q比I超前90°，則僅LO下側(cè)會有輸出。因此，如果產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立基帶信號，其中一個(gè)設(shè)計(jì)成僅產(chǎn)生上邊帶輸出，另一個(gè)設(shè)計(jì)成僅產(chǎn)生下邊帶另一個(gè)設(shè)計(jì)成僅產(chǎn)生下邊帶輸出，那么可以在基帶中將其相加并施加于復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)。結(jié)果將是具有不同信號的輸出出現(xiàn)在LO上側(cè)和下側(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，組合基帶信號以數(shù)字方式產(chǎn)生。圖7所示求和節(jié)點(diǎn)僅是為了說明此概念。

圖7.零中頻復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)

零中頻紅利

利用復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生單邊帶輸出具有相當(dāng)大的好處，可減少為消除鏡像所需要的RF濾波。然而，如果鏡像相消性能足夠好，使得鏡像可忽略不計(jì)，那么可以使用零中頻模式來進(jìn)一步發(fā)揮該架構(gòu)的優(yōu)勢。零中頻允許我們使用特別創(chuàng)建的基帶數(shù)據(jù)來產(chǎn)生RF輸出，從而在LO兩側(cè)出現(xiàn)相互獨(dú)立的信號。圖8顯示了這是如何實(shí)現(xiàn)的。我們有兩組相互獨(dú)立的I和Q數(shù)據(jù)，用符號數(shù)據(jù)編碼，接收機(jī)可以根據(jù)基準(zhǔn)載波的相位進(jìn)行解碼。

圖8.深入考察零中頻復(fù)數(shù)混頻器配置中的I/Q信號

初始觀測顯示：Q1比I1超前90°，二者的幅度一致。類似地，I2比Q2超前90°，其幅度同樣一致。將這些獨(dú)立信號合并，使得I1 + I2 = SumI1I2，Q1 + Q2 = SumQ1Q2。相加后的I和Q信號不再表現(xiàn)出相位和幅度相關(guān)性—其幅度在所有時(shí)候都不相等，二者之間的相位關(guān)系不斷變化。所得的混頻器輸出將I1/Q1數(shù)據(jù)置于載波的一側(cè)，將I2/Q2數(shù)據(jù)置于載波的另一側(cè)，如上所述及圖7所示。

通過將彼此相鄰的獨(dú)立數(shù)據(jù)塊置于LO的任一側(cè)，零中頻使復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)的優(yōu)勢得到加強(qiáng)。數(shù)據(jù)處理路徑帶寬絕不會超過數(shù)據(jù)帶寬。因此，理論上，在零中頻架構(gòu)中使用復(fù)數(shù)混頻器便提供了一種解決方案，其不需要RF濾波，同時(shí)還能優(yōu)化基帶功率效率，降低不可使用信號帶寬的單位成本。

到目前為止，本文的重點(diǎn)是復(fù)數(shù)混頻器用作零中頻發(fā)射機(jī)。同樣的原理反過來也成立，即復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)可以用作零中頻接收機(jī)。針對發(fā)射機(jī)說明的優(yōu)勢同樣適用于接收機(jī)。使用單混頻器接收信號時(shí)，首先必須利用RF混頻器濾除鏡像頻率。在零中頻工作模式下，無需擔(dān)心鏡像頻率，高于LO的信號接收與低于LO的信號接收是相互獨(dú)立的。

復(fù)數(shù)接收機(jī)如下圖所示。輸入頻譜同時(shí)施加于I和Q混頻器。一個(gè)混頻器通過LO驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)混頻器通過LO + 90°驅(qū)動(dòng)。接收機(jī)的輸出為I和Q。對于接收機(jī)來說，要想由經(jīng)驗(yàn)證明給定輸入對應(yīng)的輸出將會如何并不容易，但如果輸入信號音高于LO，如圖所示，那么I和Q輸出將處于(信號音 – LO)頻率，并且I和Q之間會有相移（I比Q超前）。類似地，如果輸入信號音低于LO，那么I和Q輸出同樣是在(LO – 信號音)頻率，但這時(shí)是Q比I超前。通過這種方式，復(fù)數(shù)接收機(jī)可以區(qū)分高于LO的能量和低于LO的能量。

復(fù)數(shù)接收機(jī)的輸出將是兩種I/Q信息之和：一種代表接收到的高于LO的頻譜，另一種代表接收到的低于LO的頻譜。這一概念已在前面針對復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)做過說明，其中是將相加后的I信號和相加后的Q信號施加于復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)。對于復(fù)數(shù)接收機(jī)，接收相加后的I信息和相加后的Q信息的基帶處理器可利用復(fù)數(shù)FFT來輕松區(qū)分較高頻率和較低頻率。

圖9.零中頻復(fù)數(shù)混頻器接收機(jī)配置

收到相加后的I信號和相加后的Q信號時(shí)，有兩個(gè)已知量——相加后的I信號和相加后的Q信號——但有四個(gè)未知量，即I1、Q1、I2和Q2。由于未知量多于已知量，因此似乎無法解出I1、Q1、I2和Q2。然而，我們還知道I1 = Q1 + 90，I2 = Q2 – 90，有了這兩個(gè)已知關(guān)系后，便可利用收到的相加后的I信號和相加后的Q信號解出I1、Q1、I2和Q2。事實(shí)上，我們只需解出I1和I2，因?yàn)镼信號是I信號的副本，不過相位偏移±90而已。

限制

實(shí)踐中，復(fù)數(shù)混頻器試圖完全消除鏡像信號。這一限制對無線電架構(gòu)設(shè)計(jì)有兩個(gè)突出影響。

即使有性能限制，復(fù)中頻仍能帶來切實(shí)的好處。試考慮圖10所示的低中頻例子。由于性能限制，我們確實(shí)能看到鏡像。然而，同對單混頻器設(shè)計(jì)的預(yù)期相比（參見圖6），該鏡像已大為衰減。雖然復(fù)數(shù)混頻器仍需要濾波器，但對該濾波器的要求可以放松很多，其實(shí)現(xiàn)也較簡單，成本較低。

圖10.復(fù)數(shù)混頻器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)注意衰減的鏡像。

濾波器復(fù)雜度與鏡像和所需信號之間的距離成反比。如果使用零中頻配置，該距離將變?yōu)?，鏡像位于所需信號頻段中。零中頻理論的實(shí)際應(yīng)用無法完全實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的帶內(nèi)鏡像導(dǎo)致性能降低到不可接受的水平（參見圖11）。

圖11.零中頻實(shí)現(xiàn)的限制

只有滿足I和Q數(shù)據(jù)路徑的相位和幅度要求，復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的原理才成立。信號路徑的不匹配會導(dǎo)致LO兩側(cè)的鏡像信號不能精確相消。此類問題的例子參見圖10和圖11。在不使用零中頻的情況下，可以采用濾波來消除鏡像。然而，若使用零中頻架構(gòu)，不需要的鏡像會直接落在所需信號的頻譜范圍內(nèi)，如果鏡像功率足夠大，就會發(fā)生故障狀況。因此，只有設(shè)計(jì)能消除信號路徑上的相位和幅度不一致時(shí)，使用零中頻和復(fù)數(shù)混頻才能提供最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

高級算法支持

復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)的概念已存在很多年，但在動(dòng)態(tài)無線電環(huán)境中滿足相位和幅度要求的挑戰(zhàn)限制了其在零中頻模式下的使用。ADI公司綜合運(yùn)用智能硅片設(shè)計(jì)和高級算法，克服了這些挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)允許存在影響信號路徑的因素，但智能硅片設(shè)計(jì)將這些影響降至最低。剩下的誤差通過自優(yōu)化正交糾錯(cuò)(QEC)算法消除。圖12是概念圖。

圖12.高級QEC算法和智能硅片設(shè)計(jì)支持零中頻架構(gòu)

在AD9371等ADI收發(fā)器上，QEC算法位于片內(nèi)ARM^?處理器中。它持續(xù)掌握硅片信號路徑、經(jīng)調(diào)制的RF輸出、輸入信號和外部系統(tǒng)環(huán)境的信息，并利用此信息以受控的預(yù)測方式智能適應(yīng)信號路徑輪廓，而不是做出本能式被動(dòng)反應(yīng)。該算法性能出色，可將其視為以數(shù)字方式輔助模擬信號路徑發(fā)揮最佳性能。

ADI收發(fā)器內(nèi)部有多種高級算法駐留并發(fā)揮作用，動(dòng)態(tài)QEC校準(zhǔn)算法只是其中一個(gè)較突出的例子。其他與之共存的算法還有LO泄漏消除等，這些算法將零中頻架構(gòu)的性能提升到最優(yōu)水平。此類第一代收發(fā)器算法主要用于支持實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，而第二代算法（例如數(shù)字預(yù)失真或DPD）不僅能增強(qiáng)收發(fā)器的性能，還能提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。

所有系統(tǒng)都有一些不足之處會限制其性能。第一代算法主要聚焦于通過校準(zhǔn)消除片內(nèi)限制，而新一代算法則利用智能手段來消除收發(fā)器外部的系統(tǒng)性能和效率限制因素，例如PA失真和效率（DPD和CFR）、雙工器性能(TxNc)、無源交調(diào)問題(PIM)等。

結(jié)語

復(fù)數(shù)混頻器已存在很多年，但其鏡像抑制性能不允許將其用于零中頻模式。智能硅片設(shè)計(jì)和高級算法的結(jié)合消除了原先阻止高性能系統(tǒng)采用零中頻架構(gòu)的性能障礙。性能限制消除之后，采用零中頻架構(gòu)對降低濾波、功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度、尺寸、熱量和重量都有好處（Brad Brannon之前的一篇文章對此做了詳盡討論¹）。

對于復(fù)數(shù)混頻器和零中頻，我們可以考慮將QEC和LOL算法用作支持功能。但是，隨著算法開發(fā)范圍的擴(kuò)展，它給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了更高的性能水平，使他們能更靈活地設(shè)計(jì)無線電。他們既可選擇增強(qiáng)的性能，也可利用算法提供的助益來減少無線電設(shè)計(jì)的成本或器件尺寸。