移動通信射頻架構和數字收發(fā)器的設計與分析

作者簡介：郭俊杰（1987— ），男，山西呂梁人，工程師，碩士；研究方向：通信產品研發(fā)，項目管理及市場技術。

摘要：隨著社會經濟及信息技術的發(fā)展，移動通信得到了越來越廣泛的應用。移動通信射頻架構和數字收發(fā)器作為設備關鍵部件，其性能指標的優(yōu)劣對移動通信設備的使用推廣至關重要。文章綜述了移動通信典型射頻架構和數字收發(fā)器方案設計，分析了超外差接收機、直接下變頻接收機及鏡像抑制接收機、DDC原理及抽取、改進型直接下變頻接收機、數字單載波、多載波發(fā)射機等設計方案的優(yōu)缺點及對系統應用指標的影響，為移動通信設備方案遴選提供了基礎支撐。

關鍵詞：移動通信；收發(fā)信機；射頻架構

中圖分類號：TN924 文獻標志碼：A

0 引言

隨著射頻集成電路的快速發(fā)展和高速DSP處理器的不斷演進，無線收發(fā)信機的設計與制造在幾十年里已經有了飛躍式發(fā)展。伴隨高速DSP處理器、高速DA及AD器件的不斷發(fā)展，射頻設計可以在更高的頻率進行數字化，從而達到減少射頻器件、增強收發(fā)信機通道性能的效果［1］。典型數字無線接收機如圖1所示。射頻部分包含接收通道前端，中頻和基帶處理部分由數字部分實現。

1 接收機方案設計與分析

1.1 超外差和直接下變頻接收機設計與分析

大多數戰(zhàn)術接收機使用傳統的超外差接收機架構，該架構需要使用高Q值RF濾波器、中頻電路、本地振蕩器等，在費用、功耗、體積等方面無明顯優(yōu)勢且不易集成封裝。直接下變頻接收機與傳統超外差接收機相比，在體積、功耗、費效比方面更具優(yōu)勢，不過需要解決直流偏置、IQ失衡、噪聲閃爍、二階互調等問題，且有高動態(tài)AD、高線性前端等需求；在硬件處理上，有很多方法使這些問題最小化，使用DSP可以有更好的方法評估和彌補相關硬件缺陷；像器件公差、器件老化、DSP與RF之間的協同等相關研制生產問題，催生生產與測試的全自動化性。因此，需要一種類似軟件無線電的可編程終端［2］。

超外差接收機是使用最廣泛的接收機架構。接收機前端的鏡像抑制濾波器和第一中頻濾波器這種高Q值的器件，對于設備小體積一體化會有一定的挑戰(zhàn)。從天線口接收到的射頻信號經前置濾波后進行LNA信號放大，經中頻濾波器后下變頻到第一中頻，然后再下變頻到便于采樣、便于高動態(tài)AD處理的低中頻，AD的采樣率典型值為10 MHz～50 MHz，數字信號送入DDC進行數字下變頻；DDC實現數字信號到基帶處理的轉換；數字處理部分進行抽取、濾波來適應解調、譯碼所需的采樣率［3］。

超外差接收機的主要特性是信號的高選擇性和高鏡像抑制，這種優(yōu)異性能來自高Q值濾波器和雙變頻方案，帶來兩個方面的制約：（1）難以集成到單片基板上；（2）使用兩變頻方式的接收機增益集中在RF階段，消耗了較多的直流功耗，阻礙了該方案在使用電池的便攜式設備上的應用；（3）第二中頻是固定且匹配信道帶寬的，阻礙了可變速率應用的使用，對于大速率就需要較大的帶寬，這樣對于大帶寬的低速率應用而言，降低了接收靈敏度且易受干擾，易阻塞［4］。

綜上所述，超外差接收機在不使用電池供電設備中比較普及，主要制約為：體積、功耗、集成度、帶寬固定、難以升級應用于多波形多速率。

超外差接收機的局限促使設計者使用零中頻接收機架構，零中頻接收機使用直接下變頻方式無需鏡像濾波器和中頻部分，可以集成到一個小板上且消耗較少的直流功耗。直接下變頻方案的本地振動器頻率與接收到信號的載波頻率相同，大部分信號增益分配在基帶而不是RF端，減少了功耗簡化了電路設計［5］。

零中頻接收機沒有前置射頻和中頻預選，信道預選和大部分的AGC控制在基帶部分實現，從而降低了接收機射頻復雜度?；鶐ьA選使用可調開關濾波器所要求的速率來改變信道帶寬。直接下變頻接收機相對超外差接收機有一定優(yōu)勢，也有一些設計挑戰(zhàn)。（1）下變頻信號實虛部分離式信號處理的正交失衡引入了鏡像干擾，正交失衡扭曲旋轉了數字調制星座圖造成誤判，限制了該架構的使用。（2）與接收信號載波頻率相同的本地振蕩頻率，由于在LO與RF端口間的有限隔離、空間輻射，LO自混頻導致了較大的直流偏置。（3）閃爍噪聲和射頻、基帶的半導體設備相關，從DC到幾百kHz呈指數增長式分散，而基帶信息也需要從該段低中頻頻段獲取。不過，正交失衡、直流偏置和閃爍噪聲問題，基于DSP算法能夠實現跟隨消除。

1.2 鏡像抑制接收機方案設計與分析

鏡像抑制混頻器作為超外差和直接下變頻的折中，已被廣泛應用。該接收機使用正交相位消除鏡像，只需保留較少的中頻部分、無需笨重龐大的鏡像濾波器。有兩種類型的鏡像抑制接收機架構。第一種是WEAVER結構的接收機。假設兩個下變頻正交通道相位正交，幅度相等，通過變換與正交相加，在相加端產生了反相的鏡像，同相的有用信號，相加以后，鏡像抵消、有用信號加倍。第二種是Hartley結構的接收機。該接收機在理論上與WEAVER結構相似，只不過通過90°相移鏡像而不是頻率變換，由于90°相移使用電阻、電容實現，精確的正交匹配僅在窄帶可以保持，限制了接收頻率范圍。這兩種結構的接收機也會有正交失衡和直流偏置的問題，不過已經廣泛應用于商業(yè)接收機中。

1.3 DDC原理與抽取方案設計與分析

數字下變頻DDC是現代接收機中必不可少的一部分，它將過采樣中頻轉化為基帶信號，然后將信號抽取變換為低采樣率。典型流程為：AD采樣信號通過數字乘法器形成基帶信號，假設NCO與接收載頻無頻率失配，這樣同相和反相之路都是真實的基帶信號；高采樣率（一般大于4倍帶寬）的正交輸入通道經抽取后，每個符號的采樣率變低。DSP算法無須耗費過多努力進行解調計算，而信號信息內容仍被保持。

1.4 改進型直接下變頻接收機設計與分析

規(guī)避超外差接收機相關問題的另一種方法是使用近零中頻接收機架構，也叫作低中頻接收機。這種架構將RF信號轉變?yōu)榕c真正的基帶信號稍微有點偏差的低中頻信號，以規(guī)避直流偏置與閃爍噪聲問題，而且保持了超外差接收機的優(yōu)點，在使用低Q值器件時能夠實現低中頻濾波。

超外差接收機的另一種派生是雙下變頻寬帶IF接收機（如圖2所示），第一混頻使用固定的本振將所有通道信號轉為中頻，第二級復數模擬本振將信號轉為基帶信號。第一級本振不在載波頻率上，沒有直流偏置和閃爍噪聲等問題，且可以使用低相位噪聲高Q值的SAW濾波器處理，第二級本振是低頻率的，其相位噪聲也容易被抑制。

1.5 正交失配和系統影響評估與分析

接收機正交失配對系統指標產品影響。正交失衡對接收機誤碼率的影響如圖3所示。

2 發(fā)射機方案設計與分析

2.1 數字發(fā)射機方案設計與分析

數字上變頻的架構與數字下變頻的架構相反，基帶采樣信號使用正交NCO結合復數乘法器從零頻（基帶）變到中頻或直接變到發(fā)射載波頻段。在實際應用中，發(fā)射通道的基帶信號被過采樣，然后按所要求帶寬進行信號成形。比如，將64 kbps的基帶數據進行上變頻，數據分離成奇偶數據流輸入到I路和Q路，速率分別為32 kbps，經支路上的基帶濾波器對發(fā)射數據進行成形濾波。該濾波器使用平方根升余弦濾波，滾降系數用于控制信號帶寬［6］。若濾波采用頻率為10倍的數據率，成形濾波器的采樣輸出為320 kbps；若中頻在5 MHz～20 MHz頻率范圍，內插因子為M=12，結果IF頻率就為3.84 MHz。有商業(yè)應用的數字上變頻芯片可選，TI公司的GC4116是一個上變頻芯片，可以實現與NCO相乘之前的三級內插，第一級是2個FIR實現的63階可編程系數內插，第二級是2個CIC內插，第三級是可編程的8-1448內插比的CIC內插，總共可以實現32-5792的內插；芯片可達100 MSPS。AD公司的AD6623芯片同樣是在采樣信號與NCO相乘之前實現三級內插，第一級是通過平方根升余弦濾波器實現的可編程FIR（M=2），第二級是五階CIC，內插因子1-32，第三階是內插因子為1-4096的2階CIC濾波器。

針對數字上變頻，有3類發(fā)射機架構。對于IF調制上變頻發(fā)射機拓撲，基帶信號數字上變頻到IF后，正交調制信號經過中頻濾波器抑制中頻諧波，然后經模擬上變頻到RF頻段載波、經放大后饋入天線發(fā)射。這種架構提交較大，實現成本較高，而且中頻和上變頻濾波器較大，導致發(fā)射機難以集成在單片上。但是由于正交調制是在低中頻，易于解決正交失衡問題，便于信號的濾波和幅度控制，以期獲得準確的調制星座圖；而且發(fā)射諧波濾波器有50～60 dB的諧波抑制，中頻上濾波器減輕了諧波濾波器的規(guī)格要求。為了降低成本、縮小體積，可移除IF部分，采用直接上變頻發(fā)射機架構：基帶信號不經過中頻直接調制到RF頻段載波，由于LO與RF載波頻率一致，在PA輸出端和調制間的有限隔離須進行載波抑制；為了避免“PA Pulling”問題，推薦做法是試用2×LO，在正交混頻器芯片內部進行二分頻獲取LO。該架構的另一個問題是PA輸出動態(tài)范圍被載波“Feed Through”限制，需要加入可控的PA驅動級。該架構沒有使用IF濾波器，這種發(fā)射機拓撲易于集成到小基片上，不過最終的鏡像抑制濾波器仍是一個分立器件。為了規(guī)避這兩個架構PA輸出端需要大諧波濾波器的制約，演進了Offset-PLL發(fā)射機架構，在該架構中，Offset-PLL也被用于接收機的主本振，優(yōu)勢是PLL扮演了低通濾波器濾波諧波頻率的角色，無須使用前兩種架構中所需的高Q值諧波濾波器，而且Offset-PLL用于接收機LO降低了設計復雜度和實現成本。超外差發(fā)射機架構的優(yōu)點是免受混頻器高噪聲系數的影響，不過輸出端需要較大的諧波濾波器；Offset-PLL架構會受到諸如本振和混頻器相互間的雜散干擾，用于相位調制信號，但不能用于QAM信號。

在IF調制上變頻發(fā)射機架構和直接上變頻發(fā)射機架構中，正交混頻器存在正交失配且與頻率有關，與Offset-PLL發(fā)射機架構不相關。例如，RF2484芯片有1°的正交失衡和2%幅度失配，如果其用于傳輸諸如CPFSK和CPM的連續(xù)包絡信號，發(fā)射機正交失配將造成較為嚴重的峰均比。連續(xù)包絡的CPM信號通過失配的正交調整器后的峰均比惡化。Offset-PLL發(fā)射機拓撲具有抑制諧波的能力，可以準確調整連續(xù)包絡信號。通過理論計算及仿真分析，IF調制上變頻發(fā)射機架構和直接上變頻發(fā)射機架構在正交混頻器輸入的基帶端口及LPF設計應重點關注，保證LO泄露和正交失衡最小化，這些將提高鏡像抑制。

2.2 多載波發(fā)射機方案設計與分析

傳統的多載波發(fā)射機，載波在PA之后合路，這種架構存在幾個缺點：每個載波支路須獨立調節(jié)；較大的功率損耗補償PA合路插損；N個載波需要N個DAC、調制器、BPF和PA；在成本、體積和功耗等方面都不是最優(yōu)選擇。

改進型多路載波發(fā)射機，正交調制的分立載波在數字域進行載波合路，使用一個DAC和一個PA，在成本、體積和功耗方面較傳統方案有顯著優(yōu)勢。

3 結語

移動通信射頻架構和數字收發(fā)器作為設備關鍵部件，其性能指標的優(yōu)劣對移動通信設備的使用推廣至關重要。文章綜述了移動通信典型射頻架構和數字收發(fā)器方案設計，分析了各設計方案的優(yōu)缺點及對系統應用指標的影響，為移動通信設備方案遴選提供了基礎支撐。

參考文獻

［1］樓才義，徐建良，楊小牛.軟件無線電原理與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

［2］周建萍.IEEE802.11b/a/g調制信號解調的設計與實現［D］.重慶：重慶郵電大學，2017.

［3］SEIICHI S，KAMILO F. Adaptive DC-offset compe-nsation algorithm for burst mode operated direct conver-sion receivers［C］.Denver：Vehicular Technology Society 42nd VTS Conference-Frontiers of Technology， 1992.

［4］郭俊杰.外軍寬頻多模戰(zhàn)術無線電發(fā)展現狀淺析［J］.移動通信，2016（20）：70-76.

［5］郭俊杰.外軍士兵通信系統發(fā)展現狀淺析［J］.移動通信，2016（23）：37-45.

［6］郭俊杰.外軍30-512M陸地戰(zhàn)術電臺發(fā)展現狀淺析［J］.中國新通信，2016（21）：149.

（編輯 王永超）

Abstract： With the development of social economy and information technology， mobile communication has been more and more widely used. As the key components of the equipment， the performance indicators of the mobile communication RF architecture and the digital transceiver are crucial to the use and promotion of the mobile communication equipment. This paper summarizes the mobile communication typical radio frequency architecture and digital transceiver scheme design， analyzes the super heterodyne receiver， direct lower side frequency receiver and mirror suppression receiver， DDC principle and extraction， improved direct down frequency conversion receiver， digital single carrier， multi-carrier transmitter and other advantages and disadvantages and the influence on the system application index， provides the basic support for the mobile communication equipment scheme selection.

Key words： mobile communication; transceiver; radio frequency architecture