如果簡單的把射頻芯片設(shè)計分成系統(tǒng)設(shè)計、路模塊設(shè)計、版圖設(shè)計三個階段，那么，我們知道，越早出現(xiàn)不良設(shè)計對后面的設(shè)計工作造成的難度越大，為得到相同效果所花費(fèi)的代價也就越大，由此系統(tǒng)級設(shè)計就顯得尤為重要。射頻接收器結(jié)構(gòu)的確定可以說是系統(tǒng)設(shè)計的一個基本任務(wù)。

　　一般而言，在現(xiàn)代的射頻系統(tǒng)中，天線接收到的信號頻率很高而且具有極小的信道帶寬。如果考慮直接濾出所需信道，則濾波器的Q值將非常大，而且高頻電路在增益、精度和穩(wěn)定性等方面的問題，在目前的技術(shù)條件下，對信號直接在高頻段解調(diào)是不現(xiàn)實(shí)的。使用混頻器將高頻信號降頻，在一個中頻頻率進(jìn)行信道濾波、放大和解調(diào)可以解決高頻信號處理所遇到的上述困難，但是又引入了另一個嚴(yán)重的問題，即鏡像頻率干擾：當(dāng)兩個信號的頻率與本振(LO)信號頻率差在頻率軸上對稱地位于本振信號的兩邊，或者說它們的絕對值相等但是符號相反，那么經(jīng)過混頻后這兩個信號都將被搬移到同一個中頻頻率。如果其中一個是有用信號，另一個是噪聲信號，那么噪聲信號所在的頻率就稱為鏡像頻率，這種經(jīng)過混頻后的干擾現(xiàn)象通常被稱為鏡頻干擾。為了抑制鏡頻干擾，普遍采用的方法是利用濾波器濾除鏡像頻率成份。但是由于該濾波器工作在高頻頻段，其濾波效果取決于鏡頻頻率與信號頻率之間的距離，或者說取決于中頻頻率的高低。如果中頻頻率高，信號頻率與鏡像頻率相距較遠(yuǎn)，那么鏡像頻率成份就受到較大的抑制;反之，如果中頻頻率較低，信號頻率與鏡像頻率相隔不遠(yuǎn)，濾波的效果就較差。但另一方面，由于信道選擇在中頻頻段進(jìn)行，基于同樣的理由，較高的中頻頻率對信道選擇濾波器的要求也較高。所以，鏡像頻率抑制與信道選擇形成了一對矛盾，而中頻頻率的選擇成為平衡這對矛盾的關(guān)鍵。在一些要求較高的應(yīng)用中，常常使用兩次或三次變頻來取得更好的折衷。

　　依靠考慮周到的中頻頻率選擇和高品質(zhì)的射頻(鏡像抑制)和中頻(信道選擇)濾波器，一個精心設(shè)計的超外差接收機(jī)可以達(dá)到很高的靈敏度、選擇性和動態(tài)范圍，長久以來成為經(jīng)典的傳統(tǒng)選擇。如前所述，超外差接收機(jī)在抑制鏡像頻率干擾、敏度和選擇性上有較大優(yōu)勢，而且多級轉(zhuǎn)換無直流漂移和信號泄漏，但是也有成本高、對IR濾波器有較高要求、需要低噪聲放大器(LNA)和混頻器(Mixer)與50W的良好匹配等缺點(diǎn)，而且鏡像頻率抑制濾波器和信道選擇濾波器通常不適于單片集成。

　　后來的零中頻(Zero IF)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，不需要抑制濾波器，交互調(diào)制降低，較適合單片集成。但也有直流失調(diào)、信號泄漏的缺點(diǎn)，而且需要高頻、相噪的頻率合成器，給電路設(shè)計也帶來一定難度。與零中頻相似，低中頻(Low IF)結(jié)構(gòu)也適于集成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示(兩圖均以2.4GHz頻段的IEEE802.15.4協(xié)議為例)。但需要注意的是帶內(nèi)鏡像頻率信號的抑制。通常需要70dB的鏡像抑制比，但往往片上集成只能達(dá)到40dB或更少。

圖1  零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2  低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)

　　其他接收結(jié)構(gòu)還有寬帶-雙中頻接收機(jī)、采樣接收機(jī)、數(shù)字中頻接收機(jī)等。寬帶-雙中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)具有易集成、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是閃爍噪聲影響和二階互調(diào)失真明顯，且有射頻中頻串?dāng)_的問題。子采樣接收機(jī)和數(shù)字中頻接收機(jī)對模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)有較高要求，如需要ADC有足夠高的動態(tài)范圍，帶通Σ-Δ ADC( Band pass Σ-Δ ADC)等，而帶通Σ-Δ ADC有較大的設(shè)計難度。

　　如前所述的原因，現(xiàn)在的射頻芯片采用零中頻和低中頻方案的設(shè)計較為普遍，也是射頻接收端通常需要仔細(xì)評估的兩種方案。零中頻采用IQ解調(diào)的方法提取相位，正交成分等信息，由ADC將其數(shù)字化后處理。低中頻則采用典型的限頻鑒頻器從調(diào)制載波中提取信號。

　　低中頻結(jié)構(gòu)避免了自動增益控制(Automatic gain control, AGC)電路且對信道信號的好壞有較快的響應(yīng)速度，由此降低了接收機(jī)及相關(guān)電路的復(fù)雜度。鑒頻器等電路易于設(shè)計，不要求載波同步及大電流，占用芯片面積也較小。不過相對于采用相干解調(diào)的零中頻結(jié)構(gòu)，低中頻結(jié)構(gòu)的靈敏度會有3dB的損失。而且通常低中頻結(jié)構(gòu)需要一個信道濾波器獲得有效載波頻率，降低噪聲，鄰道干擾等的影響。如果射頻系統(tǒng)所使用的協(xié)議所限定的信號頻率寬度，鄰道選擇要求較寬松，則對濾波器的要求就比較低。低中頻結(jié)構(gòu)還需要鏡像抑制混頻器降低鏡像干擾問題。

　　對于低碼元(chip)率的協(xié)議，如2M Chips/s，要求調(diào)頻寬度約為2 MHz。如果中頻過低，信道濾波器相對帶寬過高，那么濾波器也很難實(shí)現(xiàn)，而且也難以將中頻信號濾出，則將難度轉(zhuǎn)嫁給了基帶的數(shù)字濾波器。相反，中頻濾波器頻率過高就要求放大器的帶寬足夠大。

　　相比于低中頻，零中頻結(jié)構(gòu)不需要本振在接收和放射模式間改變頻率，也就降低了頻率合成器設(shè)計的難度。零中頻結(jié)構(gòu)也不需要鏡像抑制混頻器，因?yàn)榱阒蓄l結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生鏡像頻率。相比于相等帶寬的中頻帶通濾波器的設(shè)計，零中頻結(jié)構(gòu)只需要更簡單的低通濾波器以確定I路與Q路輸出信噪比。零中頻結(jié)構(gòu)可以在濾波器匹配和同步檢波技術(shù)上獲得最佳解調(diào)效果。

　　不過零中頻相比于低中頻技術(shù)也有自身的缺點(diǎn)。比如需要AGC，混頻器后的直流偏移(DC offset)消除電路，并且由于信號分I、Q兩路，故須兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及一個共用的ADC來對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。IQ兩路與基帶芯片或集成的基帶電路之間需要一個IQ模擬接口，IQ結(jié)構(gòu)存在一個重要設(shè)計難點(diǎn)就是IQ平衡問題。IQ兩路間的幅值和相位失衡將產(chǎn)生IQ圖像疊加在有用信號上，這會降低EVM性能。所以，零中頻結(jié)構(gòu)有時還需要額外的電路來隔離基帶芯片以實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)。表1給出在一種IEEE802.15.4的射頻接收器在0.18mm工藝下的兩種設(shè)計方案的面積對比。

　　通過上面的敘述，簡要比較了幾種常見接收結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇最適合協(xié)議的結(jié)構(gòu)還包括對功耗、總體匹配、鏡像消除、閃爍噪聲與品質(zhì)噪聲等方面的考慮。在低功耗考慮方面可以有直接變頻、通S-D ADC( Low pass S-D ADC)、交帶通S-D ADC( Quadrature band pass S-D ADC)等考慮。對于不同的協(xié)議，他們的閃爍噪聲、碼率等情況都有所不同，需要仿真后得出結(jié)論。

　　總之，接收器結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要，不能簡單的認(rèn)為哪種結(jié)構(gòu)“好”哪種結(jié)構(gòu)“不好”，而是需要認(rèn)真的分析協(xié)議要求，根據(jù)相關(guān)參數(shù)仿真，而且最終的定案會牽涉到多方面的折衷考慮。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. BG1APM，零中頻無線接收機(jī)：理想、現(xiàn)實(shí)與演化，廣播愛好者論壇，2003

　　2. 朱江、黎福海，GSM手機(jī)射頻系統(tǒng)分析與研究，電子工程世界論壇，2006

　　3. John Notor, Anthony Caviglia, Gary Levy，CMOS RFIC ARCHITECTURES FOR IEEE 802.15.4 NETWORKS，IEEE Communications Magazine, 2004

　　4. Nicola Scolari ，Christian Enz，Digital Receiver Architectures for the IEEE 802.15.4 Standard，IEEE Communications Magazine, 2004