淺析幾類(lèi)射頻通信接收機(jī)的工作原理

1.超外差接收機(jī)SuperHeterodyne Receiver

典型的超外差式接收機(jī)的如圖，振蕩器產(chǎn)生一個(gè)始終比接收信號(hào)高一個(gè)中頻頻率的振蕩信號(hào)，在混頻器將振蕩信號(hào)與接收信號(hào)相減產(chǎn)生一個(gè)新的頻率即中頻，這就是“外差”。

射頻信號(hào)處理過(guò)程：射頻信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)接收后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器BPF1的頻帶選擇和低噪聲放大器LNA放大，通過(guò)混頻器Mixer將射頻信號(hào)先下變頻到中頻，在中頻段對(duì)信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行信道選擇（帶通濾波器BPF2）和放大（AMP）；再使用解調(diào)器Demod（IQ解調(diào)）將中頻信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)Baseband。

優(yōu)點(diǎn)：

在射頻鏈路進(jìn)行頻帶選擇，在中頻鏈路進(jìn)行信道選擇。提高濾波器Q值，易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

合理分配增益，避免單級(jí)過(guò)高的增益造成放大器自激。此外較低的中頻放大器更易設(shè)計(jì)。

方便AD采樣。

【1】由于采用“差頻”作用，外來(lái)信號(hào)必須和振蕩信號(hào)相差為預(yù)定的中頻才能進(jìn)入電路，而且選頻回路、中頻放大諧振回路又是一個(gè)良好的濾波器，其他干擾信號(hào)就被抑制了，從而提高了選擇性。

缺點(diǎn)：

組合頻率干擾較多，特別是鏡像干擾，位于射頻信號(hào)相對(duì)本振頻率的鏡像頻率處的干擾信號(hào)將會(huì)通過(guò)混頻器下變頻到中頻頻帶，且無(wú)法用信道選擇濾波器進(jìn)行濾除，惡化了接收信號(hào)質(zhì)量。

解決辦法：

采用鏡像抑制濾波器。

采用正交混頻器，正交混頻也叫復(fù)數(shù)混頻, 本振只有正或負(fù)頻率分量,混頻后只有(f_RF+f_LO)或(f_RF-f_LO).

采用高中頻技術(shù)，通過(guò)增高中頻頻率使得鏡像頻率遠(yuǎn)離射頻通帶。

2.零中頻接收機(jī)Homodyne Receiver

射頻信號(hào)處理過(guò)程：射頻信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)接收后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器BPF的頻帶選擇和低噪聲放大器LNA放大，通過(guò)解調(diào)器Demod（IQ解調(diào)）將射頻信號(hào)直接下面變頻到基帶，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行低通濾波LPF，然后放大（AMP）。

優(yōu)點(diǎn)：

不存在鏡像干擾。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元器件數(shù)量少，易于集成，低功耗。

缺點(diǎn)：

1.本振泄露，由于混頻器的本振頻率與射頻信號(hào)頻率相同，本振信號(hào)容易泄露到射頻鏈路中產(chǎn)生干擾，甚至通過(guò)接收天線(xiàn)反向輻射到空間中，形成對(duì)鄰近信道的干擾；

2.直流偏置，本振自混頻產(chǎn)生的直流分量進(jìn)入基帶，惡化信號(hào)的信噪比，甚至使基帶放大器飽和，影響動(dòng)態(tài)范圍。

3.?I/Q不平衡(I/Q imbalance)【3】，在射頻處做IQ混頻，IQ失配問(wèn)題更嚴(yán)重。鏈路增益分配過(guò)于集中還可能會(huì)增加放大器自激的可能性。

4.閃爍噪聲(1/f)【3】(沒(méi)有仔細(xì)了解)

5.偶次諧波(even harmonic)?【3】(沒(méi)有仔細(xì)了解)

3. 數(shù)字中頻接收機(jī)

數(shù)字中頻接收機(jī)是在超外差接收機(jī)的基礎(chǔ)上，將第二次下變頻和之后模擬基帶處理部分?jǐn)?shù)字化，即在中頻直接A／D采樣的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

射頻信號(hào)處理過(guò)程：射頻信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)接收后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器BPF1的頻帶選擇和低噪聲放大器LNA放大，通過(guò)混頻器Mixer將射頻信號(hào)先下變頻到中頻，在中頻段對(duì)信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行信道選擇（帶通濾波器BPF2）和放大（AMP）；然后將第一中頻信號(hào)送入ADC，對(duì)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻解調(diào)（Digital Demod）。

優(yōu)點(diǎn)：

對(duì)于超外差接收機(jī)，數(shù)字中頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)數(shù)字處理方法，可避免在模擬基帶處理中可能產(chǎn)生的I／Q兩路不平衡的問(wèn)題。

缺點(diǎn)：

對(duì)ADC性能要求較高，需要高性能ADC：

1．根據(jù)接收機(jī)的中頻頻率，要求ADC達(dá)到相應(yīng)的采樣率。
2．根據(jù)接收機(jī)的前級(jí)增益，要求ADC具有足夠的分辨率和噪聲性能。
3．根據(jù)接收機(jī)對(duì)鏡頻等雜散的抑制度，要求ADC具有足夠的線(xiàn)性度。
4．根據(jù)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，要求ADC具有充足的動(dòng)態(tài)范圍。
5．根據(jù)接收機(jī)的信道帶寬，要求ADC需要有大于該帶寬的帶寬。

名詞解釋?zhuān)?/p>

濾波器Q值：品質(zhì)因數(shù)

Q值是濾波器的品質(zhì)因數(shù)，定義為中心頻率除以濾波器帶寬。

濾波器品質(zhì)因數(shù)，用濾波器的中心頻率F(單位HZ)與-3dB帶寬B(單位HZ)的比值來(lái)表達(dá)，即Q=F/B,描述了濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分能力。品質(zhì)因數(shù)Q越大，表明濾波器的分辨能力越高，即越能選出單一的頻率。

相對(duì)帶寬：信號(hào)帶寬與中心頻率之比。

自激振蕩：自激震蕩是指不外加激勵(lì)信號(hào)而自行產(chǎn)生的恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩。如果在放大器的輸入端不加輸入信號(hào)，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號(hào)，這種現(xiàn)象就是自激振蕩。

本振泄露（LOL：Local Oscillator Leakage）【2】：本振指本地振蕩器LO。RF混頻器有兩個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，如圖1所示。理想混頻器將產(chǎn)生一個(gè)輸出，它是兩個(gè)輸入的乘積。就頻率而言，該輸出的頻率應(yīng)當(dāng)是FIN + FLO以及FIN – FLO，不含其它項(xiàng)。如果任一輸入不在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，則不會(huì)有輸出。

圖1. 理想混頻器

在圖1中，F(xiàn)IN被設(shè)置為基帶頻率為1 MHz的FBB，F(xiàn)LO被設(shè)置為本振頻率為500 MHz的FLO。如果是理想混頻器，它將產(chǎn)生一個(gè)輸出，其中包含兩個(gè)信號(hào)音，頻率分別為499 MHz和501 MHz。然而，如圖2所示，真實(shí)混頻器的輸出還將產(chǎn)生未混頻的FBB和FLO，。未混頻的FBB處產(chǎn)生的能量可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗h(yuǎn)離所需的輸出，并且將被混頻器輸出之后的RF組件濾除。未混頻的FLO就是泄露的本振信號(hào)，其產(chǎn)生的能量就是一個(gè)問(wèn)題，它非常接近或在所需的輸出信號(hào)內(nèi)，并且很難或無(wú)法通過(guò)濾波去除，因?yàn)闉V波也會(huì)濾除所需的信號(hào)?？沈?qū)動(dòng)混頻器的本振 (LO) 已經(jīng)泄漏到混頻器的輸出端口。LO還有其他途徑可以泄漏到系統(tǒng)輸出端，例如通過(guò)電源或跨越硅本身。無(wú)論本振如何泄漏，其泄漏都可被稱(chēng)為L(zhǎng)OL。

圖2. 真實(shí)混頻器

鏡像頻率：上面提到的本振頻率FLO與輸入信號(hào)頻率FIN通過(guò)混頻器產(chǎn)生兩個(gè)輸出FIN + FLO以及FIN – FLO，它們關(guān)于FLO對(duì)稱(chēng)，如果只需要FIN – FLO，那么FIN + FLO就是鏡像頻率。

直流偏置【3】：為了理解直流偏置的起源和影響，我們可以參照?qǐng)D四的接收通道進(jìn)行說(shuō)明。如圖四(a)所示，本振口，混頻器口，LNA之間的隔離度不好，LO(本振信號(hào))可以直接通過(guò)LNA和混頻器，我們叫做“本振泄露”, 這種現(xiàn)象是由于芯片內(nèi)部的電容及基底耦合的，耦合的Lo信號(hào)經(jīng)過(guò)LNA到達(dá)混頻器，和輸入的LO信號(hào)混頻，叫做“自混頻”,這樣會(huì)在 C 點(diǎn)產(chǎn)生直流成分;近似的情況如(b)，從 LNA出來(lái)的信號(hào)耦合到混頻器的本振輸入口，從而產(chǎn)生了直流分量。