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射频接纳芯片结构的“隐秘”

一般而言,在现代的射频系统中,天线接收到的信号频率很高而且具有极小的信道带宽。如果考虑直接滤出所需信道,则滤波器的Q值将非常大,而且高频电路在增益、精度和稳定性等方面的问题,在目前的技术条件下,对信号

  一般来说,在现代的射频体系中,天线接纳到的信号频率很高并且具有极小的信道带宽。假如考虑直接滤出所需信道,则滤波器的Q值将非常大,并且高频电路在 增益、精度和稳定性等方面的问题,在现在的技能条件下,对信号直接在高频段解调是不现实的。运用混频器将高频信号降频,在一个中频频率进行信道滤波、扩大 和解调能够处理高频信号处理所遇到的上述困难,可是又引入了另一个严峻的问题,即镜像频率搅扰:当两个信号的频率与本振(LO)信号频率差在频率轴上对称 地坐落本振信号的两头,或许说它们的绝对值持平可是符号相反,那么经过混频后这两个信号都将被搬移到同一个中频频率。假如其间一个是有用信号,另一个是噪 声信号,那么噪声信号地点的频率就称为镜像频率,这种经过混频后的搅扰现象一般被称为镜频搅扰。

  为了按捺镜频搅扰,遍及选用的办法是运用滤波器滤除镜像频率成份。可是因为该滤波器作业在高频频段,其滤波作用取决于镜频频率与信号频率之间的间隔,或许 说取决于中频频率的凹凸。假如中频频率高,信号频率与镜像 频率相距较远,那么镜像频率成份就遭到较大的按捺;反之,假如中频频率较低,信号频率与镜像频率相隔不远,滤波的作用就较差。但另一方面,因为信道挑选在 中频频段进行,依据相同的理由,较高的中频频率对信道挑选滤波器的要求也较高。所以,镜像频率按捺与信道挑选形成了一对对立,而中频频率的挑选成为平衡这 对对立的要害。在一些要求较高的运用中,常常运用两次或三次变频来取得更好的折衷。

  依托考虑周到的中频频率挑选和高质量的射频(镜像按捺) 和中频(信道挑选)滤波器,一个精心规划的超外差接纳机能够到达很高的灵敏度、挑选性和动态规模,长久以来成为经典的传统挑选。如前所述,超外差接纳机在 按捺镜像频率搅扰、敏度和挑选性上有较大优势,并且多级转化无直流漂移和信号走漏,可是也有本钱高、对IR滤波器有较高要求、需求低噪声扩大器(LNA) 和混频器(Mixer)与50W的杰出匹配等缺陷,并且镜像频率按捺滤波器和信道挑选滤波器一般不适于单片集成。

  后来的零中频(Zero IF)结构,如图1所示,不需求按捺滤波器,交互调制下降,较合适单片集成。但也有直流失调、信号走漏的缺陷,并且需求高频、相噪的频率合成器,给电路设 计也带来必定难度。与零中频类似,低中频(Low IF)结构也适于集成,其结构如图2所示(两图均以2.4GHz频段的IEEE802.15.4协议为例)。但需求留意的是带内镜像频率信号的按捺。一般 需求70dB的镜像按捺比,但往往片上集成只能到达40dB或更少。

  

  图1 零中频接纳机结构;低中频接纳机结构  其他接纳结构还有宽带-双中频接纳机、采样接纳机、数字中频接纳机等。宽带-双中频接纳机结构具有易集成、本钱低、功耗低一级长处,其缺陷是闪耀噪声影响和 二 阶互调失真显着,且有射频中频串扰的问题。子采样接纳机和数字中频接纳机对模数转化器(ADC)有较高要求,如需求ADC有足够高的动态规模,带通Σ-Δ ADC( Band pass Σ-Δ ADC)等,而带通Σ-Δ ADC有较大的规划难度。

  如前所述的原因,现在的射频芯片选用零中频和低中频计划的规划较为遍及,也是射频接纳端一般需求细心评价的两种计划。零中频选用IQ解调的办法提取相位,正交成分等信息,由ADC将其数字化后处理。低中频则选用典型的限频鉴频器从调制载波中提取信号。

  低中频结构避免了自动增益控制(Automatic gain control, AGC)电路且对信道信号的好坏有较快的响应速度,由此下降了接纳机及相关电路的复杂度。鉴频器等电路易于规划,不要求载波同步及大电流,占用芯片面积也 较小。不过相关于选用相干解调的零中频结构,低中频结构的灵敏度会有3dB的丢失。并且一般低中频结构需求一个信道滤波器取得有用载波频率,下降噪声,邻 道搅扰等的影响。假如射频体系所运用的协议所限制的信号频率宽度,邻道挑选要求较宽松,则对滤波器的要求就比较低。低中频结构还需求镜像按捺混频器下降镜 像搅扰问题。

  关于低码元(chip)率的协议,如2M Chips/s,要求调频宽度约为2 MHz。假如中频过低,信道滤波器相对带宽过高,那么滤波器也很难完成,并且也难以将中频信号滤出,则将难度转嫁给了基带的数字滤波器。相反,中频滤波器频率过高就要求扩大器的带宽足够大。

  比较于低中频,零中频结构不需求本振在接纳和放射形式间改动频率,也就下降了频率合成器规划的难度。零中频结构也不需求镜像按捺混频器,因为零中频结构不 会 发生镜像频率。比较于持平带宽的中频带通滤波器的规划,零中频结构只需求更简略的低通滤波器以确认I路与Q路输出信噪比。零中频结构能够在滤波器匹配和同 步检波技能上取得最佳解调作用。

  不过零中频比较于低中频技能也有本身的缺陷。比方需求AGC,混频器后的直流偏移(DC offset)消除电路,并且因为信号分I、Q两路,故须两个模数转化器(ADC)及一个共用的ADC来对信号进行模数转化。IQ两路与基带芯片或集成的 基带电路之间需求一个IQ模仿接口,IQ结构存在一个重要规划难点便是IQ平衡问题。IQ两路间的幅值和相位失衡将发生IQ图画叠加在有用信号上,这会降 低EVM功能。所以,零中频结构有时还需求额定的电路来阻隔基带芯片以完成同步解调。表1给出在一种IEEE802.15.4的射频接纳器在0.18mm 工艺下的两种规划计划的面积比照。

  

  经过上面的叙说,扼要比较了几种常见接纳结构的优缺陷。挑选最合适协议的结构还包含对功耗、整体匹配、镜 像消除、闪耀噪声与质量噪声等方面的考虑。在低功耗考虑方面能够有直接变频、通S-D ADC( Low pass S-D ADC)、交带通S-D ADC( Quadrature band pass S-D ADC)等考虑。关于不同的协议,他们的闪耀噪声、码率等状况都有所不同,需求仿真后得出结论。

  总归,接纳器结构规划非常重要,不能简略的以为哪种结构“好”哪种结构“欠好”,而是需求仔细的剖析协议要求,依据相关参数仿真,并且终究的定案会牵涉到多方面的折衷考虑。

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