基于零中頻技術(shù)的GSM接收機(jī)的研究和開發(fā)

杜玉華,王光成

(常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

基于零中頻技術(shù)的GSM接收機(jī)的研究和開發(fā)

杜玉華,王光成

(常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

針對傳統(tǒng)的GSM接收機(jī)一般采用二次變頻超外差方案或一次變頻的低中頻方案，提出了一種基于零中頻的實(shí)現(xiàn)方案，它采用一片AD公司的高性能下變頻芯片ADRF6801，配以簡單的前級放大和濾波電路，電路簡潔，可以實(shí)現(xiàn)較好的性能指標(biāo)，滿足產(chǎn)品小型化、低功耗的要求。實(shí)際測試表明，采用該方案實(shí)現(xiàn)的接收機(jī)噪聲系數(shù)低，靈敏度高，可應(yīng)用于GSM接收的各種場合。

GSM接收機(jī)；零中頻；射頻

0 引 言

隨著通信技術(shù)和微電子技術(shù)的大力發(fā)展，市場對設(shè)備小型化、低功耗的需求也越來越高。傳統(tǒng)的GSM接收機(jī)射頻通常采用二次變頻超外差方式或一次變頻的低中頻實(shí)現(xiàn)方案。盡管這些方案可以實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度和動態(tài)范圍，但是其電路設(shè)計復(fù)雜度較高，成本相對較昂貴，難于實(shí)現(xiàn)集成，在面對當(dāng)前設(shè)備小型化、低功耗和低成本的壓力下顯得力不從心。而直接零中頻的方案，盡管存在直流偏移和I/Q不平衡問題，但很多技術(shù)專家已經(jīng)在這方面做了很多的探索和實(shí)踐，提出了對這些問題的解決方案[1-3]，使這些問題得到了較好的解決，滿足了實(shí)際使用的要求，使零中頻方案的應(yīng)用得到了更大的發(fā)展。

1 零中頻方案

1.1 零中頻方案原理

由于超外差接收機(jī)難于集成的問題，限制了它在高集成無線收發(fā)信機(jī)中的應(yīng)用，如果中頻的中心頻率為零，就不存在鏡像干擾的問題，不需要片外的中頻濾波器，便于集成，于是便設(shè)計出了零中頻的方案。零中頻接收機(jī)具有體積小、成本低、多波段、多模式兼容等特點(diǎn)，已成為射頻接收機(jī)中極具競爭力的一種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。當(dāng)前部分成熟的移動終端設(shè)備的前端設(shè)計方案采用了這種結(jié)構(gòu)[4-6]。與傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)相比，零中頻接收系統(tǒng)不需要中頻環(huán)節(jié)，不存在鏡像頻率干擾，放大和濾波都在基帶實(shí)現(xiàn)，鏡像抑制濾波器及中頻濾波器均可省略，一方面取消了外部元件，有利于系統(tǒng)的單片集成，降低成本；另一方面系統(tǒng)所需的電路模塊及外部節(jié)點(diǎn)數(shù)減少，降低了接收機(jī)所需的功耗并減少射頻信號受外部干擾的機(jī)會，射頻信號受外部干擾的機(jī)會也顯著降低[7]。

不過零中頻結(jié)構(gòu)存在著直流偏移和本振泄漏等問題，因此有效地解決這些問題是保證零中頻結(jié)構(gòu)正確實(shí)現(xiàn)的前提。

1.2 實(shí)現(xiàn)方案

基于零中頻的GSM接收機(jī)射頻原理框圖如圖2所示。

1.2.1 電路設(shè)計原理

(1)射頻前端

射頻前端電路原理如圖3所示。

圖2 接收機(jī)射頻原理框圖

圖3 射頻前端電路原理圖

信號進(jìn)到接收機(jī)射頻前端后，首先進(jìn)行帶通濾波，選出所需的頻帶信號。本設(shè)計采用的濾波器為聲表面波濾波器，具有帶外抑制好、頻率響應(yīng)平坦等特點(diǎn)，通帶頻率為925～960 MHz。

低噪聲放大器(LNA)是接收機(jī)射頻前端的主要部分，要求它的噪聲越小越好。同時，為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)的影響，還要求其有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真，它的增益又不宜過大。因此，對低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)需要進(jìn)行合理的選定才能對接收機(jī)性能的提高提供幫助。本設(shè)計采用的LNA是Hittite公司的低噪聲放大器HMC376和HMC373，專用于GSM和CDMA接收機(jī)，其工作頻率為700 MHz 到1 GHz，噪聲系數(shù)為0.7 dB，增益為15 dB。將兩種放大器進(jìn)行級聯(lián)可以獲得較好的噪聲系數(shù)和增益。它的外圍電路非常簡單，需要注意的是，為了使放大器獲得更好的放大性能，對其供電電路需要進(jìn)行一定的濾波處理，隔離掉電源噪聲對放大器性能的影響。

(2)下變頻

下變頻及其外圍電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 下變頻電路原理圖

下變頻采用的是AD公司的ADRF6801，它集AD公司領(lǐng)先的小數(shù)N分頻PLL(鎖相環(huán))頻率合成器和低相位噪聲 VCO(壓控振蕩器)與高動態(tài)范圍解調(diào)器于一體。工作頻率范圍為750 MHz至1150 MHz，噪聲系數(shù)為14.3 dB，輸入IP3(三階交調(diào)截點(diǎn))為25 dBm，P1dB(輸入壓縮點(diǎn))為12.5 dBm，差分I和Q輸出路徑具有出色的正交精度，相位精度為0.3°，幅度精度為0.05dB，可以處理基帶信號或最高120 MHz的復(fù)數(shù)中頻信號。ADRF6801 支持通過SPI/I2C串行接口進(jìn)行 PLL編程，用戶可以選擇外部 LO(本振)源或內(nèi)部產(chǎn)生的 LO 信號。

下變頻器ADRF6801的外圍控制電路比較簡單，參考時鐘RFCLK的頻率為13 MHz，本振信號由內(nèi)部VCO產(chǎn)生。下變頻器設(shè)計的關(guān)鍵是內(nèi)部寄存器的控制，在軟件設(shè)計的章節(jié)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(3)基帶濾波和放大

基帶濾波和放大電路如圖5所示。

基帶濾波電路采用了簡單的低通濾波電路實(shí)現(xiàn)，GSM基帶信號的頻率較低。本設(shè)計中低通濾波的截止頻率為100 kHz，基帶放大采用了AD公司的高速差分放大器AD8132，用于驅(qū)動后級的A/D電路，增益控制通過調(diào)整跨接電阻來實(shí)現(xiàn)。在VOCM引腳上施加電壓便可調(diào)整差分輸出的共模電平，從而使驅(qū)動單電源ADC的輸入信號可輕松實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，滿足A/D的使用要求。

(4)射頻控制

射頻控制由單片機(jī)C8051F020完成，主要功能包括兩部分：利用單片機(jī)內(nèi)置的UART串口，射頻可以接受應(yīng)用層的指令進(jìn)行接收頻率的調(diào)整和控制；通過單片機(jī)的SPI口對下變頻芯片ADRF6801的寄存器配置，同時，單片機(jī)還完成對下變頻芯片的片選控制。

圖5 基帶濾波和放大電路原理圖

1.2.2 軟件設(shè)計

本方案的軟件設(shè)計主要是單片機(jī)與應(yīng)用程序的串口通信和ADRF6801的寄存器控制。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

ADRF6801內(nèi)部包括6個寄存器，每個寄存器均為24位，最低的3位用于識別不同的寄存器，頻率的控制通過改變寄存器0、寄存器1和寄存器2的值來實(shí)現(xiàn)。

頻率控制的計算方法如下：

(1)

其中，fOUT為輸出頻率；fVCO表示環(huán)路鎖定時VCO的頻率；fPFD表示相位頻率檢波器輸入端的頻率，在本設(shè)計中為26MHz；INT表示寄存器0編程設(shè)置的整數(shù)分頻比；FRAC表示寄存器2編程設(shè)置的小數(shù)分頻比；MOD表示寄存器1編程設(shè)置的模數(shù)分頻比。

假定需要對頻率為941MHz的信號進(jìn)行接收，其參數(shù)設(shè)置和配置步驟如下：

(1)設(shè)置寄存器6，用于配置VCO控制和使能參數(shù)，在本設(shè)計中，使用了內(nèi)部的VCO產(chǎn)生本振信號，需配置內(nèi)部VCO使能，24位的寄存器設(shè)置值為0x1E、0x62和0x06。

(2) 設(shè)置寄存器5，用于配置本振通路和解調(diào)器控制參數(shù)，在本設(shè)計中，本振信號由內(nèi)部VCO產(chǎn)生，解調(diào)器工作在非低功耗模式，提高混頻器的性能，器件的LO管腳作為輸出引腳使用，24位的寄存器設(shè)置值為0x00、0x00和0xC5。

(3) 設(shè)置寄存器4，用于配置電荷泵,PFD和參考控制參數(shù)，在本設(shè)計中，輸入?yún)⒖疾捎谩?方式，多路輸出引腳配置為鎖定檢測輸出，24位的寄存器設(shè)置值為0x02、0x67和0xEC。

(4) 設(shè)置寄存器3，用于配置Σ-Δ型調(diào)制器擾動控制參數(shù)，在本設(shè)計中，24位的寄存器設(shè)置值保留默認(rèn)值為0x70、0x00和0x0B。

(5) 設(shè)置寄存器2(小數(shù)分頻控制)，小數(shù)分頻比設(shè)置為5，24位寄存器設(shè)置值為0x00、0x00和0x2A。

(6) 設(shè)置寄存器1(模數(shù)分頻控制)，模數(shù)分頻比設(shè)置為13，24位寄存器設(shè)置值為0x00、0x00和0x69。

(7) 設(shè)置寄存器0(整數(shù)分頻控制)，整數(shù)分頻比設(shè)置為72，24位寄存器設(shè)置值為0x00、0x02和0x40。

1.2.3 直流偏移處理

直接下變頻接收機(jī)中頻為零，混頻器RF信號和本振信號輸入端之間串通引起自混頻，這樣就會產(chǎn)生較大直流信號，該直流信號疊加在基帶信號上，導(dǎo)致誤碼率增大，并有可能造成后續(xù)放大器處于飽和狀態(tài)，影響接收機(jī)正常工作。交流耦合被認(rèn)為是最有效的簡單去除直流偏移的方法。將下變頻后的基帶信號通過電容耦合隔直流后送入基帶放大器，濾除直流部分的信號，以此消除由自混頻引起的直流偏移的干擾。本設(shè)計中通過交流耦合傳輸信號，這樣就可以很好濾除直流信號。

2 結(jié) 語

基于零中頻技術(shù)的GSM接收方案已在某項(xiàng)目中得到應(yīng)用，經(jīng)過實(shí)際測試，射頻部分的噪聲系數(shù)為6dB，接收靈敏度指標(biāo)優(yōu)于-105dBm，是一款不錯的GSM信號接收方案，可用于GSM信號接收的各種應(yīng)用場合。

[1]徐禮哲．消除零中頻接收機(jī)直流偏移的分析和研究[J]．電子技術(shù)，2010,(9)：45-46．

[2]方俊,趙秋明,莫瑋．零中頻接收機(jī)DC偏移和IM2消除的探討[J]．桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2004,24(3):50-53．

[3]胡雪惠,白獻(xiàn)林,雷梁．零中頻接收機(jī)中的直流偏移抑制技術(shù)[J]．空間電子技術(shù), 2008,(3):48-50．

[4]陳志恒,宋琦明．零中頻無線接收機(jī)：理想、現(xiàn)實(shí)與演化[J]．電子產(chǎn)品世界, 2002,(11A): 56-59．

[5]王靜光,王金菊,黃煜梅,等．一種優(yōu)化的射頻接收前端電路[J]．微電子學(xué),2006,36(2): 209-212．

[6]李智群,王志功．零中頻射頻接收機(jī)技術(shù)[J]．電子產(chǎn)品世界,2004,(07A): 69-72．

[7]韋仕海,李航．三頻GSM移動電話零中頻接收機(jī)技術(shù)設(shè)計[J]．移動通信,2001,(9): 28-30．

Research anf Development of GSM Receiver Based on ZIF

DU Yu-hua, WANG Guang-cheng

(School of Electronic Information & Electric Engineering, Changzhou Institute of Technology ,Changzhou 213002,China)

Traditional GSM receiver is twice conversions superheterodyne structure or single conversion superheterodyne structure, which is complicated, expensive, and difficult to be integrated. A scheme for GSM receiver based on ZIF(Zero IF )is proposed，which is composed of a downconverter made by ADI company, front amplifiers and filters, can achieve high performance, meets the demands of lower power consumption, miniaturization. Actual test shows that GSM receiver adopted ZIF scheme has the characteristics of lower Noise figure and high Sensitivity. This ZIF scheme can be applied to all kinds of GSM receiver.

GSM receiver;ZIF;RF

2014-09-28

杜玉華(1977-)，女，遼寧新民人，講師，碩士，E-mail：duyh@czu.cn。

TN4

A?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.04.010

1671-234X(2014)04-0045-05