射频接收芯片结构选择的几个要点

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如果简单的把射频芯片设计分成系统设计、路模块设计、版图设计三个阶段，那么，我们知道，越早出现不良设计对后面的设计工作造成的难度越大，为得到相同效果所花费的代价也就越大，由此系统级设计就显得尤为重要。射频接收器结构的确定可以说是系统设计的一个基本任务。
           
          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，对信号直接在高频段解调是不现实的。使用混频器将高频信号降频，在一个中频频率进行信道滤波、放大 和解调可以解决高频信号处理所遇到的上述困难，但是又引入了另一个严重的问题，即镜像频率干扰：当两个信号的频率与本振(LO)信号频率差在频率轴上对称 地位于本振信号的两边，或者说它们的绝对值相等但是符号相反，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。如果其中一个是有用信号，另一个是噪 声信号，那么噪声信号所在的频率就称为镜像频率，这种经过混频后的干扰现象通常被称为镜频干扰。
           
          为了抑制镜频干扰，普遍采用的方法是利用滤波器滤除镜像频率成份。但是由于该滤波器工作在高频频段，其滤波效果取决于镜频频率与信号频率之间的距离，或者说取决于中频频率的高低。如果中频频率高，信号频率与镜像 频率相距较远，那么镜像频率成份就受到较大的抑制;反之，如果中频频率较低，信号频率与镜像频率相隔不远，滤波的效果就较差。但另一方面，由于信道选择在 中频频段进行，基于同样的理由，较高的中频频率对信道选择滤波器的要求也较高。所以，镜像频率抑制与信道选择形成了一对矛盾，而中频频率的选择成为平衡这 对矛盾的关键。在一些要求较高的应用中，常常使用两次或三次变频来取得更好的折衷。
           
          依靠考虑周到的中频频率选择和高品质的射频(镜像抑制) 和中频(信道选择)滤波器，一个精心设计的超外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范围，长久以来成为经典的传统选择。如前所述，超外差接收机在 抑制镜像频率干扰、敏度和选择性上有较大优势，而且多级转换无直流漂移和信号泄漏，但是也有成本高、对IR滤波器有较高要求、需要低噪声放大器(LNA) 和混频器(Mixer)与50W的良好匹配等缺点，而且镜像频率抑制滤波器和信道选择滤波器通常不适于单片集成。
           
          后来的零中频(Zero IF)结构，如图1所示，不需要抑制滤波器，交互调制降低，较适合单片集成。但也有直流失调、信号泄漏的缺点，而且需要高频、相噪的频率合成器，给电路设 计也带来一定难度。与零中频相似，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)。但需要注意的是带内镜像频率信号的抑制。通常 需要70dB的镜像抑制比，但往往片上集成只能达到40dB或更少。
           

       

        图1 零中频接收机结构;低中频接收机结构

        其他接收结构还有宽带-双中频接收机、采样接收机、数字中频接收机等。宽带-双中频接收机结构具有易集成、成本低、功耗低等优点，其缺点是闪烁噪声影响和二 阶互调失真明显，且有射频中频串扰的问题。子采样接收机和数字中频接收机对模数转换器(ADC)有较高要求，如需要ADC有足够高的动态范围，带通Σ-Δ ADC( Band pass Σ-Δ ADC)等，而带通Σ-Δ ADC有较大的设计难度。
           
          如前所述的原因，现在的射频芯片采用零中频和低中频方案的设计较为普遍，也是射频接收端通常需要仔细评估的两种方案。零中频采用IQ解调的方法提取相位，正交成分等信息，由ADC将其数字化后处理。低中频则采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，由此降低了接收机及相关电路的复杂度。鉴频器等电路易于设计，不要求载波同步及大电流，占用芯片面积也 较小。不过相对于采用相干解调的零中频结构，低中频结构的灵敏度会有3dB的损失。而且通常低中频结构需要一个信道滤波器获得有效载波频率，降低噪声，邻 道干扰等的影响。如果射频系统所使用的协议所限定的信号频率宽度，邻道选择要求较宽松，则对滤波器的要求就比较低。低中频结构还需要镜像抑制混频器降低镜 像干扰问题。
           
          对于低码元(chip)率的协议，如2M Chips/s，要求调频宽度约为2 MHz。如果中频过低，信道滤波器相对带宽过高，那么滤波器也很难实现，而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放大器的带宽足够大。
           
          相比于低中频，零中频结构不需要本振在接收和放射模式间改变频率，也就降低了频率合成器设计的难度。零中频结构也不需要镜像抑制混频器，因为零中频结构不会 产生镜像频率。相比于相等带宽的中频带通滤波器的设计，零中频结构只需要更简单的低通滤波器以确定I路与Q路输出信噪比。零中频结构可以在滤波器匹配和同 步检波技术上获得最佳解调效果。
           
          不过零中频相比于低中频技术也有自身的缺点。比如需要AGC，混频器后的直流偏移(DC offset)消除电路，并且由于信号分I、Q两路，故须两个模数转换器(ADC)及一个共用的ADC来对信号进行模数转换。IQ两路与基带芯片或集成的 基带电路之间需要一个IQ模拟接口，IQ结构存在一个重要设计难点就是IQ平衡问题。IQ两路间的幅值和相位失衡将产生IQ图像叠加在有用信号上，这会降 低EVM性能。所以，零中频结构有时还需要额外的电路来隔离基带芯片以实现同步解调。表1给出在一种IEEE802.15.4的射频接收器在0.18mm 工艺下的两种设计方案的面积对比。

       

          通过上面的叙述，简要比较了几种常见接收结构的优缺点。选择最适合协议的结构还包括对功耗、总体匹配、镜 像消除、闪烁噪声与品质噪声等方面的考虑。在低功耗考虑方面可以有直接变频、通S-D ADC( Low pass S-D ADC)、交带通S-D ADC( Quadrature band pass S-D ADC)等考虑。对于不同的协议，他们的闪烁噪声、码率等情况都有所不同，需要仿真后得出结论。
           
          总之，接收器结构设计非常重要，不能简单的认为哪种结构“好”哪种结构“不好”，而是需要认真的分析协议要求，根据相关参数仿真，而且最终的定案会牵涉到多方面的折衷考虑。