寬帶無線通信系統的零中頻接收機設計

張報明，劉永紅，楊睛龍，童 進

(新郵通信設備有限公司 廣州 510663)

1 引言

隨著無線通信向高速、寬帶方向發(fā)展和市場的快速變化，無線接收機的設計呈現出向體積小、效率高、帶寬高和載波靈活配置等方面發(fā)展的趨勢。在現有系統中，無線接收機主要存在3種設計方案：超外差、直接變頻和零中頻。

·超外差結構：射頻信號先變頻到中頻，再由中頻下變頻到基帶。

·直接變頻結構：不需要鎖相模塊來實時調整晶振偏差，直接使用一個自由本振將信號變頻到零頻附近。

·零中頻結構：直接由射頻下變頻到基帶。

相比而言，零中頻接收機具有成本低、體積小、易于集成等優(yōu)點，因此，目前得到業(yè)界的廣泛采用。本文主要研究了零中頻接收機方案的系統架構、直流偏差及I/Q不平衡補償算法，在分析仿真結果的基礎上，給出了一種適用于3GPP長期演進(LTE)系統的零中頻接收機設計方案。

2 零中頻接收機系統架構

如圖1所示，(a)和(b)分別為超外差接收機及零中頻接收機結構。

圖1 接收機系統架構

在超外差接收機結構中，射頻信號經過射頻濾波器、低噪聲放大器和鏡像抑制濾波器后，進行下變頻產生中頻信號。然后，帶通濾波器將中頻鄰道信號去除，再經ADC采樣由FPGA或DSP數字下變頻得到基帶信號。鏡像抑制濾波器和中頻信道選擇濾波器只能在片外實現，很難將其與其他射頻電路集成在一塊芯片上，因此，增大了接收機的成本和尺寸[1]。

與超外差接收機方案相比，零中頻方案的架構比較簡單，它直接將信號從射頻搬移到零頻，不需要RF鏡像抑制濾波器。另外，由于信號在低頻，因此選用較低廉的ADC就可以得到較好的SNR等性能指標。

零中頻接收機有很多優(yōu)點。由于一些干擾集中在低頻(如直流偏差、閃爍噪聲、偶次諧波失真、本振泄漏等)，而零中頻信號也在低頻，不能像超外差接收機一樣將所有低頻分量濾波，因此，零中頻接收機的靈敏度和動態(tài)范圍等指標相對較差。另外，零中頻接收機對I/Q平衡要求也更為嚴 格[2，3]。

綜上所述，零中頻方案需要解決I/Q不平衡[4]、直流偏差(DC Offset)[5]、偶次諧波、閃爍噪聲等關鍵問題，才能保證接收機的性能。下文論述了零中頻接收機中的關鍵技術。

3 零中頻接收機的關鍵技術

3.1 I/Q不平衡補償

在零中頻接收機中，若混頻器對I/Q兩路的增益不同，會引起幅度不平衡；若兩個本振信號的相位差不是嚴格的90°，則導致相位不平衡。兩者都會引起基帶I/Q信號的變化，即產生I/Q不平衡問題。

對于LTE系統，I/Q不平衡會導致載波間干擾(inter-carrier interference，ICI)，影響接收靈敏度等指標，因此在基帶端應進行I/Q信號補償[6]。

假設 i(t)、q(t)為原始信號，i′(t)、q′(t)為 I/Q 不平衡后的信號：

其中，Φ為相位不平衡的角度，ai為幅度不平衡的程度。

I/Q不平衡校正量為：

為了驗證算法的性能，通過MATLAB對上述算法進行了仿真。對一組標準的10 MHz LTE信號，引入相位不平衡-0.25°、幅度不平衡0.5 dB進行仿真，經過迭代計算收斂后的結果如圖2所示，圖2(a)、(b)分別為相位、幅度不平衡的仿真結果。從圖2中可以看出，經過迭代處理后，信號輸出值分別收斂在-0.27°及0.51 dB，與假設引入的畸變值接近，獲得了良好的補償效果。

圖2 I/Q不平衡仿真

3.2 直流偏差消除

直流偏差是零中頻方案特有的一種干擾。由于本振頻率與接收信號中心頻率相同，若本振口與射頻口之間的隔離性能不好，本振和接收信號很容易造成混頻泄漏。根據混入方式的不同，可分為本振泄漏自混頻和干擾自混頻兩種方式：前者為泄漏的本振信號輸出至低噪聲放大器和混頻器輸入端，混頻產生直流分量；后者為接收信號泄漏到本振處與原自身信號混頻，也可產生靜態(tài)直流偏移。常見的直流偏差消除方法有交流耦合、諧波混頻、自適應校正電路、數字消除等[7]。

本文給出的是基于數字消除的方法，原理如下：通過直流分量累積器，累積計算I/Q兩路的直流分量；得到直流分量后，在I/Q兩路分別減去對應的直流分量，即可消除直流偏差。直流分量累積器可以通過均值濾波器實現，I/Q兩路直流分量累積器的輸出值mI、mQ為：

MATLAB的仿真結果如圖3所示，圖3(a)中引入了直流分量，圖3(b)為經過直流偏差補償后的輸出結果。結果表明，該方法能較好地去除直流偏差。

在LTE系統中，基站側的下行通道為了使手機接收不受本振泄漏等因素引起的直流偏差干擾，下行通道的直流分量都置為0，這有利于提高手機接收信號的信噪比。而在上行通道，手機發(fā)送信號存在7.5 kHz的偏移，保證了基站接收機也可以不受直流偏差的影響。因此，在系統設計時，已經充分考慮了如何避免直流偏差的影響，從而大大減輕了LTE接收機在該方面的壓力。

4 LTE零中頻接收機的設計與實現

圖4給出了一種LTE零中頻接收機的設計。信號由天線接收經射頻濾波和LNA放大后，通過RF帶通濾波器輸入混頻器，混頻器輸出I/Q兩路差分零中頻信號。隨后，VGA對信號進行增益調整，并經通道濾波后由ADC采樣輸入至數字處理模塊。數字處理模塊包括ADC接口、VGA控制、補償模塊(直流偏差及I/Q不平衡補償)和數字下變頻(DDC)等部分。

4.1 模擬信號處理部分

零中頻接收機的模擬信號處理部分主要實現以下功能：射頻信號放大、射頻信號濾波、射頻信號解調、增益調整、通道濾波及信號模數轉換。

（1）射頻信號放大

射頻信號放大的第一級為低噪聲放大器LNA，由于其處于射頻鏈路的前級，所以應盡可能選用噪聲系數較低的器件，并且具有高線性特性。這里低噪放的噪聲系數為2.5 dB，OIP3為 39 dBm。

圖3 直流偏差補償仿真

圖4 LTE零中頻接收機設計與實現

（2）射頻信號濾波

射頻濾波器的作用為濾除發(fā)射機泄漏的信號。由于收發(fā)通道的隔離度問題，發(fā)射機的信號會通過各種途徑耦合到接收鏈路，如雙工器、功放等。如果射頻濾波器無法濾除發(fā)射機泄漏的信號，那么在阻塞等干擾測試中，發(fā)射機泄漏的信號會和這些干擾信號互調產生接收帶內互調產物，濾波器無法將其濾除。在本方案中，收發(fā)通道的隔離度要超過60 dB。

（3）射頻信號解調

射頻信號解調器將射頻信號下變頻到零中頻。本振信號相噪、射頻輸入端口與本振端口之間的隔離度、I/Q不平衡等指標都會影響接收機性能。其中，幅度不平衡在0.05 dB以下，相位不平衡在0.2°以下。

（4）VGA

VGA為可變增益放大器，其主要作用為：調整鏈路增益，使鏈路的增益達到設定值；補償鏈路其他器件的離散性，使整個鏈路級聯增益恒定；避免信號輸入過高導致后續(xù)鏈路飽和；提供足夠的增益以提高ADC的動態(tài)范圍。

VGA的增益控制范圍為1～30 dB，步進為1 dB，其配置值由FPGA控制。

（5）通道濾波器

通道濾波器的作用主要有以下幾點：濾除直流分量，-3 dB頻點在1 kHz左右；濾除由解調器、放大器產生的非線性互調產物和邊帶噪聲，其對混疊區(qū)域的衰減在55 dB以上。

（6）雙通道 ADC

雙通道ADC將I/Q基帶模擬信號轉換為數字信號輸出給FPGA。ADC的關鍵指標為SFDR和SNR，它們直接影響到接收機抗阻塞能力和靈敏度指標，方案中選取的ADC的SNR為70 dB以上，SFDR為80 dBc以上。ADC的型號為MAX12527，輸入時鐘為122.88 MHz，采樣速率為61.44 MHz。

4.2 數字信號處理部分

數字處理部分主要包括ADC接口模塊、VGA控制模塊、補償模塊、數字下變頻模塊等。該部分由Xilinx公司的XC5VLX220T實現，芯片總功耗為4.4 W。

（1）ADC 接口模塊

ADC接口模塊將ADC的差分輸出數據轉換為FPGA內約定的I/Q數據格式。

（2）VGA 控制模塊

VGA控制模塊通過調整VGA增益值來控制接收鏈路的增益，保證接收通道的功率穩(wěn)定在一定范圍內，防止由于功率過大或者過小導致ADC的采樣失真。

FPGA計算輸入信號能量，與閾值比較后，根據結果設定VGA控制值。當然，VGA控制是比較粗略的，FPGA內部還需要更精細的增益控制以完成定標等需求。

（3）補償模塊

補償模塊完成直流偏差的計算和補償、I/Q幅度和相位誤差補償。補償算法如§3所述。

（4）數字下變頻模塊

數字下變頻(DDC)模塊完成通道濾波和速率匹配。由于 LTE 系統有 5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz等帶寬，因此DDC模塊需要適配多種帶寬需求，其中主要應用了半帶濾波器以節(jié)省FPGA資源，其濾波器系數通過軟件配置。

5 結束語

零中頻結構接收機結構簡單、成本低、易于集成，符合軟件無線電(SDR)[8]通用平臺的要求。本文著重介紹了直流偏差和I/Q不平衡的補償算法，并提出了一種可行的LTE零中頻接收機設計方案。系統仿真結果表明，該補償方法能夠很好地解決采用零中頻接收機方案所引入的有關問題，并可明顯改善接收機的性能。下一步的工作將是研究補償非線性失真、閃爍噪聲等其他低頻干擾，進一步提高零中頻接收機的性能，以實現可大規(guī)模商用的集成芯片。

1 李智群，王志功.零中頻射頻接收機技術.電子產品世界，2004(7)

2 Won N，Meng T H.Direct-Conversion RF Receiver Design.IEEE Transactions on Communications，2001，49(3)

3 Behzad R.Design considerations for direct-conversion receivers.IEEE Transactions on Circiuts and Systems，1997， 44(6)

4 Mailand M，Richter R.I/Q-imbalance and its compensation for non-ideal analog receivers comprising frequency-selective components，http://www.adv-radio-sci.net/4/189/2006/

5 唐琴，吳建輝.零中頻直流偏移消除技術比較與分析.微電子學，2008，38(12)

6 唐世剛，龔克，潘長勇等.數字接收機I/Q支路不平衡的時域補償.清華大學學報(自然科學版)，2007，47(1)

7 胡雪惠，白獻林，雷梁.零中頻接收機中的直流偏移抑制技術.空間電子技術，2008(3)

8 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用.北京：電子工業(yè)出版社，2005