零中頻紅利

利用復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生單邊帶輸出具有相當(dāng)大的好處，可減少為消除鏡像所需要的RF濾波。然而，如果鏡像相消性能足夠好，使得鏡像可忽略不計(jì)，那么可以使用零中頻模式來(lái)進(jìn)一步發(fā)揮該架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。零中頻允許我們使用特別創(chuàng)建的基帶數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生RF輸出，從而在LO兩側(cè)出現(xiàn)相互獨(dú)立的信號(hào)。圖8顯示了這是如何實(shí)現(xiàn)的。我們有兩組相互獨(dú)立的I和Q數(shù)據(jù)，用符號(hào)數(shù)據(jù)編碼，接收機(jī)可以根據(jù)基準(zhǔn)載波的相位進(jìn)行解碼。

圖8.深入考察零中頻復(fù)數(shù)混頻器配置中的I/Q信號(hào)

初始觀測(cè)顯示：Q1比I1超前90°，二者的幅度一致。類似地，I2比Q2超前90°，其幅度同樣一致。將這些獨(dú)立信號(hào)合并，使得I1 + I2 = SumI1I2，Q1 + Q2 = SumQ1Q2。相加后的I和Q信號(hào)不再表現(xiàn)出相位和幅度相關(guān)性—其幅度在所有時(shí)候都不相等，二者之間的相位關(guān)系不斷變化。所得的混頻器輸出將I1/Q1數(shù)據(jù)置于載波的一側(cè)，將I2/Q2數(shù)據(jù)置于載波的另一側(cè)，如上所述及圖7所示。

通過(guò)將彼此相鄰的獨(dú)立數(shù)據(jù)塊置于LO的任一側(cè)，零中頻使復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)的優(yōu)勢(shì)得到加強(qiáng)。數(shù)據(jù)處理路徑帶寬絕不會(huì)超過(guò)數(shù)據(jù)帶寬。因此，理論上，在零中頻架構(gòu)中使用復(fù)數(shù)混頻器便提供了一種解決方案，其不需要RF濾波，同時(shí)還能優(yōu)化基帶功率效率，降低不可使用信號(hào)帶寬的單位成本。

到目前為止，本文的重點(diǎn)是復(fù)數(shù)混頻器用作零中頻發(fā)射機(jī)。同樣的原理反過(guò)來(lái)也成立，即復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)可以用作零中頻接收機(jī)。針對(duì)發(fā)射機(jī)說(shuō)明的優(yōu)勢(shì)同樣適用于接收機(jī)。使用單混頻器接收信號(hào)時(shí)，首先必須利用RF混頻器濾除鏡像頻率。在零中頻工作模式下，無(wú)需擔(dān)心鏡像頻率，高于LO的信號(hào)接收與低于LO的信號(hào)接收是相互獨(dú)立的。

復(fù)數(shù)接收機(jī)如下圖所示。輸入頻譜同時(shí)施加于I和Q混頻器。一個(gè)混頻器通過(guò)LO驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)混頻器通過(guò)LO + 90°驅(qū)動(dòng)。接收機(jī)的輸出為I和Q。對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，要想由經(jīng)驗(yàn)證明給定輸入對(duì)應(yīng)的輸出將會(huì)如何并不容易，但如果輸入信號(hào)音高于LO，如圖所示，那么I和Q輸出將處于(信號(hào)音 – LO)頻率，并且I和Q之間會(huì)有相移（I比Q超前）。類似地，如果輸入信號(hào)音低于LO，那么I和Q輸出同樣是在(LO – 信號(hào)音)頻率，但這時(shí)是Q比I超前。通過(guò)這種方式，復(fù)數(shù)接收機(jī)可以區(qū)分高于LO的能量和低于LO的能量。

復(fù)數(shù)接收機(jī)的輸出將是兩種I/Q信息之和：一種代表接收到的高于LO的頻譜，另一種代表接收到的低于LO的頻譜。這一概念已在前面針對(duì)復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)做過(guò)說(shuō)明，其中是將相加后的I信號(hào)和相加后的Q信號(hào)施加于復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)。對(duì)于復(fù)數(shù)接收機(jī)，接收相加后的I信息和相加后的Q信息的基帶處理器可利用復(fù)數(shù)FFT來(lái)輕松區(qū)分較高頻率和較低頻率。

圖9.零中頻復(fù)數(shù)混頻器接收機(jī)配置

收到相加后的I信號(hào)和相加后的Q信號(hào)時(shí)，有兩個(gè)已知量——相加后的I信號(hào)和相加后的Q信號(hào)——但有四個(gè)未知量，即I1、Q1、I2和Q2。由于未知量多于已知量，因此似乎無(wú)法解出I1、Q1、I2和Q2。然而，我們還知道I1 = Q1 + 90，I2 = Q2 – 90，有了這兩個(gè)已知關(guān)系后，便可利用收到的相加后的I信號(hào)和相加后的Q信號(hào)解出I1、Q1、I2和Q2。事實(shí)上，我們只需解出I1和I2，因?yàn)镼信號(hào)是I信號(hào)的副本，不過(guò)相位偏移±90而已。

限制

實(shí)踐中，復(fù)數(shù)混頻器試圖完全消除鏡像信號(hào)。這一限制對(duì)無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì)有兩個(gè)突出影響。

即使有性能限制，復(fù)中頻仍能帶來(lái)切實(shí)的好處。試考慮圖10所示的低中頻例子。由于性能限制，我們確實(shí)能看到鏡像。然而，同對(duì)單混頻器設(shè)計(jì)的預(yù)期相比（參見(jiàn)圖6），該鏡像已大為衰減。雖然復(fù)數(shù)混頻器仍需要濾波器，但對(duì)該濾波器的要求可以放松很多，其實(shí)現(xiàn)也較簡(jiǎn)單，成本較低。

圖10.復(fù)數(shù)混頻器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)注意衰減的鏡像。

濾波器復(fù)雜度與鏡像和所需信號(hào)之間的距離成反比。如果使用零中頻配置，該距離將變?yōu)?，鏡像位于所需信號(hào)頻段中。零中頻理論的實(shí)際應(yīng)用無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的帶內(nèi)鏡像導(dǎo)致性能降低到不可接受的水平（參見(jiàn)圖11）。

圖11.零中頻實(shí)現(xiàn)的限制

只有滿足I和Q數(shù)據(jù)路徑的相位和幅度要求，復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的原理才成立。信號(hào)路徑的不匹配會(huì)導(dǎo)致LO兩側(cè)的鏡像信號(hào)不能精確相消。此類問(wèn)題的例子參見(jiàn)圖10和圖11。在不使用零中頻的情況下，可以采用濾波來(lái)消除鏡像。然而，若使用零中頻架構(gòu)，不需要的鏡像會(huì)直接落在所需信號(hào)的頻譜范圍內(nèi)，如果鏡像功率足夠大，就會(huì)發(fā)生故障狀況。因此，只有設(shè)計(jì)能消除信號(hào)路徑上的相位和幅度不一致時(shí)，使用零中頻和復(fù)數(shù)混頻才能提供最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

高級(jí)算法支持

復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)的概念已存在很多年，但在動(dòng)態(tài)無(wú)線電環(huán)境中滿足相位和幅度要求的挑戰(zhàn)限制了其在零中頻模式下的使用。ADI公司綜合運(yùn)用智能硅片設(shè)計(jì)和高級(jí)算法，克服了這些挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)允許存在影響信號(hào)路徑的因素，但智能硅片設(shè)計(jì)將這些影響降至最低。剩下的誤差通過(guò)自優(yōu)化正交糾錯(cuò)(QEC)算法消除。圖12是概念圖。

圖12.高級(jí)QEC算法和智能硅片設(shè)計(jì)支持零中頻架構(gòu)

在AD9371等ADI收發(fā)器上，QEC算法位于片內(nèi)ARM^?處理器中。它持續(xù)掌握硅片信號(hào)路徑、經(jīng)調(diào)制的RF輸出、輸入信號(hào)和外部系統(tǒng)環(huán)境的信息，并利用此信息以受控的預(yù)測(cè)方式智能適應(yīng)信號(hào)路徑輪廓，而不是做出本能式被動(dòng)反應(yīng)。該算法性能出色，可將其視為以數(shù)字方式輔助模擬信號(hào)路徑發(fā)揮最佳性能。

ADI收發(fā)器內(nèi)部有多種高級(jí)算法駐留并發(fā)揮作用，動(dòng)態(tài)QEC校準(zhǔn)算法只是其中一個(gè)較突出的例子。其他與之共存的算法還有LO泄漏消除等，這些算法將零中頻架構(gòu)的性能提升到最優(yōu)水平。此類第一代收發(fā)器算法主要用于支持實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，而第二代算法（例如數(shù)字預(yù)失真或DPD）不僅能增強(qiáng)收發(fā)器的性能，還能提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。

所有系統(tǒng)都有一些不足之處會(huì)限制其性能。第一代算法主要聚焦于通過(guò)校準(zhǔn)消除片內(nèi)限制，而新一代算法則利用智能手段來(lái)消除收發(fā)器外部的系統(tǒng)性能和效率限制因素，例如PA失真和效率（DPD和CFR）、雙工器性能(TxNc)、無(wú)源交調(diào)問(wèn)題(PIM)等。

結(jié)語(yǔ)

復(fù)數(shù)混頻器已存在很多年，但其鏡像抑制性能不允許將其用于零中頻模式。智能硅片設(shè)計(jì)和高級(jí)算法的結(jié)合消除了原先阻止高性能系統(tǒng)采用零中頻架構(gòu)的性能障礙。性能限制消除之后，采用零中頻架構(gòu)對(duì)降低濾波、功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度、尺寸、熱量和重量都有好處（Brad Brannon之前的一篇文章對(duì)此做了詳盡討論¹）。

對(duì)于復(fù)數(shù)混頻器和零中頻，我們可以考慮將QEC和LOL算法用作支持功能。但是，隨著算法開(kāi)發(fā)范圍的擴(kuò)展，它給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了更高的性能水平，使他們能更靈活地設(shè)計(jì)無(wú)線電。他們既可選擇增強(qiáng)的性能，也可利用算法提供的助益來(lái)減少無(wú)線電設(shè)計(jì)的成本或器件尺寸。