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(chǎn)品研發(fā)，項(xiàng)目管理及市場技術(shù)。

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)及信息技術(shù)的發(fā)展，移動通信得到了越來越廣泛的應(yīng)用。移動通信射頻架構(gòu)和數(shù)字收發(fā)器作為設(shè)備關(guān)鍵部件，其性能指標(biāo)的優(yōu)劣對移動通信設(shè)備的使用推廣至關(guān)重要。文章綜述了移動通信典型射頻架構(gòu)和數(shù)字收發(fā)器方案設(shè)計(jì)，分析了超外差接收機(jī)、直接下變頻接收機(jī)及鏡像抑制接收機(jī)、DDC原理及抽取、改進(jìn)型直接下變頻接收機(jī)、數(shù)字單載波、多載波發(fā)射機(jī)等設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及對系統(tǒng)應(yīng)用指標(biāo)的影響，為移動通信設(shè)備方案遴選提供了基礎(chǔ)支撐。

關(guān)鍵詞：移動通信；收發(fā)信機(jī)；射頻架構(gòu)

中圖分類號：TN924 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)，無線收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)與制造在幾十年里已經(jīng)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(shè)計(jì)可以在更高的頻率進(jìn)行數(shù)字化，從而達(dá)到減少射頻器件、增強(qiáng)收發(fā)信機(jī)通道性能的效果［1］。典型數(shù)字無線接收機(jī)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(shù)字部分實(shí)現(xiàn)。

1 接收機(jī)方案設(shè)計(jì)與分析

1.1 超外差和直接下變頻接收機(jī)設(shè)計(jì)與分析

大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)使用傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)架構(gòu)，該架構(gòu)需要使用高Q值RF濾波器、中頻電路、本地振蕩器等，在費(fèi)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(jī)與傳統(tǒng)超外差接收機(jī)相比，在體積、功耗、費(fèi)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(diào)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(bǔ)相關(guān)硬件缺陷；像器件公差、器件老化、DSP與RF之間的協(xié)同等相關(guān)研制生產(chǎn)問題，催生生產(chǎn)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(jī)是使用最廣泛的接收機(jī)架構(gòu)。接收機(jī)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(shè)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(jīng)前置濾波后進(jìn)行LNA信號放大，經(jīng)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(shù)字信號送入DDC進(jìn)行數(shù)字下變頻；DDC實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號到基帶處理的轉(zhuǎn)換；數(shù)字處理部分進(jìn)行抽取、濾波來適應(yīng)解調(diào)、譯碼所需的采樣率［3］。

超外差接收機(jī)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(gè)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(jī)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(shè)備上的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jī)在不使用電池供電設(shè)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(yīng)用于多波形多速率。

超外差接收機(jī)的局限促使設(shè)計(jì)者使用零中頻接收機(jī)架構(gòu)，零中頻接收機(jī)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(gè)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(shè)計(jì)［5］。

零中頻接收機(jī)沒有前置射頻和中頻預(yù)選，信道預(yù)選和大部分的AGC控制在基帶部分實(shí)現(xiàn)，從而降低了接收機(jī)射頻復(fù)雜度。基帶預(yù)選使用可調(diào)開關(guān)濾波器所要求的速率來改變信道帶寬。直接下變頻接收機(jī)相對超外差接收機(jī)有一定優(yōu)勢，也有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。（1）下變頻信號實(shí)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(zhuǎn)了數(shù)字調(diào)制星座圖造成誤判，限制了該架構(gòu)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(dǎo)致了較大的直流偏置。（3）閃爍噪聲和射頻、基帶的半導(dǎo)體設(shè)備相關(guān)，從DC到幾百kHz呈指數(shù)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?qū)崿F(xiàn)跟隨消除。

1.2 鏡像抑制接收機(jī)方案設(shè)計(jì)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(yīng)用。該接收機(jī)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(jī)架構(gòu)。第一種是WEAVER結(jié)構(gòu)的接收機(jī)。假設(shè)兩個(gè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的接收機(jī)。該接收機(jī)在理論上與WEAVER結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)的接收機(jī)也會有正交失衡和直流偏置的問題，不過已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)接收機(jī)中。

1.3 DDC原理與抽取方案設(shè)計(jì)與分析

數(shù)字下變頻DDC是現(xiàn)代接收機(jī)中必不可少的一部分，它將過采樣中頻轉(zhuǎn)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(shù)字乘法器形成基帶信號，假設(shè)NCO與接收載頻無頻率失配，這樣同相和反相之路都是真實(shí)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(jīng)抽取后，每個(gè)符號的采樣率變低。DSP算法無須耗費(fèi)過多努力進(jìn)行解調(diào)計(jì)算，而信號信息內(nèi)容仍被保持。

1.4 改進(jìn)型直接下變頻接收機(jī)設(shè)計(jì)與分析

規(guī)避超外差接收機(jī)相關(guān)問題的另一種方法是使用近零中頻接收機(jī)架構(gòu)，也叫作低中頻接收機(jī)。這種架構(gòu)將RF信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c真正的基帶信號稍微有點(diǎn)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在使用低Q值器件時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)低中頻濾波。

超外差接收機(jī)的另一種派生是雙下變頻寬帶IF接收機(jī)（如圖2所示），第一混頻使用固定的本振將所有通道信號轉(zhuǎn)為中頻，第二級復(fù)數(shù)模擬本振將信號轉(zhuǎn)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(tǒng)影響評估與分析

接收機(jī)正交失配對系統(tǒng)指標(biāo)產(chǎn)品影響。正交失衡對接收機(jī)誤碼率的影響如圖3所示。

2 發(fā)射機(jī)方案設(shè)計(jì)與分析

2.1 數(shù)字發(fā)射機(jī)方案設(shè)計(jì)與分析

數(shù)字上變頻的架構(gòu)與數(shù)字下變頻的架構(gòu)相反，基帶采樣信號使用正交NCO結(jié)合復(fù)數(shù)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(shí)際應(yīng)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(jìn)行信號成形。比如，將64 kbps的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行上變頻，數(shù)據(jù)分離成奇偶數(shù)據(jù)流輸入到I路和Q路，速率分別為32 kbps，經(jīng)支路上的基帶濾波器對發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行成形濾波。該濾波器使用平方根升余弦濾波，滾降系數(shù)用于控制信號帶寬［6］。若濾波采用頻率為10倍的數(shù)據(jù)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(nèi)插因子為M=12，結(jié)果IF頻率就為3.84 MHz。有商業(yè)應(yīng)用的數(shù)字上變頻芯片可選，TI公司的GC4116是一個(gè)上變頻芯片，可以實(shí)現(xiàn)與NCO相乘之前的三級內(nèi)插，第一級是2個(gè)FIR實(shí)現(xiàn)的63階可編程系數(shù)內(nèi)插，第二級是2個(gè)CIC內(nèi)插，第三級是可編程的8-1448內(nèi)插比的CIC內(nèi)插，總共可以實(shí)現(xiàn)32-5792的內(nèi)插；芯片可達(dá)100 MSPS。AD公司的AD6623芯片同樣是在采樣信號與NCO相乘之前實(shí)現(xiàn)三級內(nèi)插，第一級是通過平方根升余弦濾波器實(shí)現(xiàn)的可編程FIR（M=2），第二級是五階CIC，內(nèi)插因子1-32，第三階是內(nèi)插因子為1-4096的2階CIC濾波器。

針對數(shù)字上變頻，有3類發(fā)射機(jī)架構(gòu)。對于IF調(diào)制上變頻發(fā)射機(jī)拓?fù)?，基帶信號?shù)字上變頻到IF后，正交調(diào)制信號經(jīng)過中頻濾波器抑制中頻諧波，然后經(jīng)模擬上變頻到RF頻段載波、經(jīng)放大后饋入天線發(fā)射。這種架構(gòu)提交較大，實(shí)現(xiàn)成本較高，而且中頻和上變頻濾波器較大，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)難以集成在單片上。但是由于正交調(diào)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(zhǔn)確的調(diào)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(jī)架構(gòu)：基帶信號不經(jīng)過中頻直接調(diào)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(diào)制間的有限隔離須進(jìn)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(nèi)部進(jìn)行二分頻獲取LO。該架構(gòu)的另一個(gè)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(qū)動級。該架構(gòu)沒有使用IF濾波器，這種發(fā)射機(jī)拓?fù)湟子诩傻叫』?，不過最終的鏡像抑制濾波器仍是一個(gè)分立器件。為了規(guī)避這兩個(gè)架構(gòu)PA輸出端需要大諧波濾波器的制約，演進(jìn)了Offset-PLL發(fā)射機(jī)架構(gòu)，在該架構(gòu)中，Offset-PLL也被用于接收機(jī)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(gòu)中所需的高Q值諧波濾波器，而且Offset-PLL用于接收機(jī)LO降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本。超外差發(fā)射機(jī)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是免受混頻器高噪聲系數(shù)的影響，不過輸出端需要較大的諧波濾波器；Offset-PLL架構(gòu)會受到諸如本振和混頻器相互間的雜散干擾，用于相位調(diào)制信號，但不能用于QAM信號。

在IF調(diào)制上變頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)和直接上變頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)中，正交混頻器存在正交失配且與頻率有關(guān)，與Offset-PLL發(fā)射機(jī)架構(gòu)不相關(guān)。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(luò)信號，發(fā)射機(jī)正交失配將造成較為嚴(yán)重的峰均比。連續(xù)包絡(luò)的CPM信號通過失配的正交調(diào)整器后的峰均比惡化。Offset-PLL發(fā)射機(jī)拓?fù)渚哂幸种浦C波的能力，可以準(zhǔn)確調(diào)整連續(xù)包絡(luò)信號。通過理論計(jì)算及仿真分析，IF調(diào)制上變頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)和直接上變頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)在正交混頻器輸入的基帶端口及LPF設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)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(jī)方案設(shè)計(jì)與分析

傳統(tǒng)的多載波發(fā)射機(jī)，載波在PA之后合路，這種架構(gòu)存在幾個(gè)缺點(diǎn)：每個(gè)載波支路須獨(dú)立調(diào)節(jié)；較大的功率損耗補(bǔ)償PA合路插損；N個(gè)載波需要N個(gè)DAC、調(diào)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(jìn)型多路載波發(fā)射機(jī)，正交調(diào)制的分立載波在數(shù)字域進(jìn)行載波合路，使用一個(gè)DAC和一個(gè)PA，在成本、體積和功耗方面較傳統(tǒng)方案有顯著優(yōu)勢。

3 結(jié)語

移動通信射頻架構(gòu)和數(shù)字收發(fā)器作為設(shè)備關(guān)鍵部件，其性能指標(biāo)的優(yōu)劣對移動通信設(shè)備的使用推廣至關(guān)重要。文章綜述了移動通信典型射頻架構(gòu)和數(shù)字收發(fā)器方案設(shè)計(jì)，分析了各設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及對系統(tǒng)應(yīng)用指標(biāo)的影響，為移動通信設(shè)備方案遴選提供了基礎(chǔ)支撐。

參考文獻(xiàn)

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

［2］周建萍.IEEE802.11b/a/g調(diào)制信號解調(diào)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.重慶：重慶郵電大學(xué)，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(shù)無線電發(fā)展現(xiàn)狀淺析［J］.移動通信，2016（20）：70-76.

［5］郭俊杰.外軍士兵通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)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(shù)電臺發(fā)展現(xiàn)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