導入設計挑戰迎刃解　直接轉換接收器鋒芒畢露

2009-09-10

Rakesh Soni/Eric Newman

行動電話業者總是希望能夠部署具有多樣化功能，且可以進行現場編程的無線基礎架構。而部署在行動電話通訊量龐大區域的無線基礎架構，最需要的就是具備動態適應訊號狀態的彈性，以因應射頻環境的改變。

直接轉換功能是一種可靠的解決方案，而且比傳統的接收器解決方案更具有成本優勢與潛在的性能優點。例如，對採用單一硬體解決方案的多重頻段操作而言，直接轉換架構能夠以更高的自由度因應其需求，並帶來更高的成本效益，同時也能夠實現高性能多重標準/多重頻段無線電之設計。

直接轉換訊號鏈帶來新設計挑戰

直接轉換接收器會對射頻(RF)調變載波直接加以解調變為基頻頻率，其中的訊號會被加以直接偵測，同時所欲傳送的訊息也會被復原，毋須仰賴中頻級(IF Stage)電路，因此直接轉換架構(Homodyne)有時也被稱為零中頻(Zero IF)架構。

由於在直接轉換架構中進行訊號轉換時，不再仰賴中頻級電路，因此可顯著降低零件的使用數量，進而成為了極具吸引力的解決方案。此外，採用直接轉換架構也使得設計人員得以忽略超外差架構所造成的鏡像問題。

然而，使用直接轉換架構將帶來新的設計挑戰，包括本地振盪器(LO)洩露、直流偏移(DC Offset)、以及訊號失真等，都使得實際的產品開發更為困難。目前在整合式RF電路技術上的最新進展，使得傳統的直接轉換架構可以被應用在寬頻高性能接收器產品中。圖1所示為一款寬頻直接轉換接收器。部分更為重要的零件規格已經在訊號鏈中予以顯著標示出來。接收器訊號路徑從天線埠開始，連結至雙工器當中(Duplexer)。

圖1　採用直接轉換架構的寬頻高性能接收器系統方塊圖

雙工器通常是使用於頻域雙工(FDD)系統當中，例如寬頻分碼多重存取(WCDMA)以及某些版本的全球微波存取互通介面(WiMAX)。雙工濾波器網路能確保發射器不會產生過多許可頻段之外的能量，同時協助排拒任何來自非所需頻段的訊號，避免造成接收器的輸入端過度驅動(Overdrive)。

一般而言，數個低雜訊放大器(LNA)級後面會連接到額外的頻段選擇濾波功能，以及被設計來在所需頻率範圍內，將性能最佳化之填襯(Padding)/匹配網路。而做為示範目的之用的低雜訊放大器級則提供了非常良好的寬頻性能，並透過附加的外部調節網路提供更好的窄頻性能。

在接收器必須能夠符合極廣範圍之頻率頻段的應用領域當中，可能有須要採用一組切換矩陣(Switch Matrix)，以便對不同的天線網路和已經針對特定頻率頻段予以最佳化的LNA級進行設定。在低雜訊前端之後，所須的載波頻率會使用一組IQ解調變器將其降轉換至基頻。

一組本地振盪器會在相同的載波頻率下被套用至I與Q混頻器，提供所需的訊號。這將會在基頻I/Q輸出埠上產生出和頻(Sum Frequency)以及差頻(Difference Frequency)，而輸出埠上的低通濾波器會強烈的排拒和頻，只允許差頻通過。對於零中頻的架構而言，差頻所代表的就是所需訊號的基頻包絡(Envelope)。將經過濾波的基頻I/Q訊號以可變增益放大的方式改變其振幅，通常較為有利。

可變增益放大器(VGA)使I/Q訊號的位準可以調整到適合進行類比數位轉換的最佳化位準。通常在類比數位轉換器(ADC)之前，設計人員可以套用額外的濾波功能，以便確保高頻雜訊與潛在的洩漏或干擾音頻(Tone)不至落入訊號分析頻寬當中。

動態範圍為評價接收器性能之指標

接收器採用高性能的RF積體電路，能夠提供廣大的頻率涵蓋範圍以及高即時性的動態範圍。對於任何需要在多重載波環境下運作的接收器而言(所需訊號可能會與具有顯著較大功率位準的干擾訊號相鄰)，即時動態範圍乃是一項極為重要的規格。

雙音頻的無突波動態範圍(SFDR)可以為系統設計工程師提供對於非線性行為的更精確預測。在採用單音頻以及雙音頻干擾訊號的大型訊號阻斷條件下測試接收器的恢復能力，這是相當常見的方法。藉由研究接收器在雙音頻激發之下的非線性行為，就有可能計算出不同的截斷點(Intercept Point)，能夠協助將失真性能以及接收器動態範圍能力予以量化與模型化。

圖2所描繪的是當兩組與所需訊號頻率非常相近的大型連續波(CW)干擾音頻出現時，接收器的I+ jQ輸出頻譜。在這個測試情況中，輸入訊號是以-30dBm的輸入位準使用。此處所呈現的是一個惡劣情況下的阻斷架構，遠比在3G與4G行動電話系統中所需的標準特定阻斷測試條件還要嚴重。

圖2　接收器的雙音頻互調變性能

在對於很接近或正處於基頻頻率的訊號進行取樣時，來自於第二、第三、第四、甚至第五與第七階之非線性度的諧波失真，有可能會對於在大型訊號輸入條件下的性能產生限制。特別是I/Q解調變器的非線性行為必須要非常的適當，以確保產生自所需訊號以及非所需訊號的互調變項不會對所欲取得之訊號產生破壞。

除了將主要焦點放在第三階截斷點(IP3)這項在大多數窄頻取樣接收器設計中，被用來作為失真量度的一個焦點外，肇因於偶數階與奇數階非線性度的失真也應該特別注意。

這類型的非線性度常常會採用IP2、IP4以及IP5的量度來加以量化。通常，設計人員必須重新檢視在最壞輸入條件下，所有進入到接收器分析頻寬的寄生(Spurious)訊號，以確保系統的強固性與運作穩定性。

值得注意的是，在這麼嚴重的阻斷條件下，來自高階非線性度的互調變產出物，也將會落在頻段當中，並且使接收器失去敏感度。在圖2中已標示出幾個重要的非線性項。此外，設計人員也應注意偶數階項的落點與基礎輸入音頻有多接近，因為這將有助於解釋極為接近的干擾訊號，是如何造成落在所欲取得訊號頻段中的互調變產出物。在使用直接轉換架構時，由於接收器有限所造成的第二階非線性度干擾音頻(f2–f1)，其差頻可能也會落在所欲取得訊號的頻段當中。

由於訊號干擾的來源與成因五花八門，因此使用訊號鏈計算軟體來模擬各種不同測試條件，並建立失真特性的模型，對設計人員來說是相當重要的工作。藉由重新檢視個別零件的非線性行為以及總體的串接結果，接收器的組成就能夠針對最高位準的即時動態範圍性能進行調整，而獲得最佳化。

使用這種方法可以製作出具有低於2dB NF，以及WCDMA規格在ETSI EN 302 217-2-2 V1.2.3文件中所描述的單音頻與雙音頻干擾位準出現時，低於1dB去敏感度的高敏度接收器。

訊號干擾來源眾多　關鍵設計不容馬虎

除了動態範圍外，在直接轉換架構中，接收器的本地振盪器洩漏、正交不完全、鏡像拒斥等性能，亦為對抗干擾的關鍵所在。任何流回RF輸入埠的本地振盪器洩漏都可能會反射回接收器當中，並且與LO自行混合，產生出生成第二諧波之LO波形的平方，以及將會落在適合直接轉換接收器之頻段的直流偏移。前者通常出現在很高的頻率下，可藉由基頻濾波功能予以強烈的衰減。讀者可特別注意圖2當中的DC項。

也因為如此，設計人員須實作直流偏移的校正與修正方法。一組殘餘的直流偏移相當於訊號分析頻寬內的一組干擾訊號。有好幾種方法可以用來減緩這個問題，其中包括有直流追蹤與抵銷、基頻下的交流耦合(AC Coupling)、或僅只是選擇具有良好直流特性，包括具備高奇偶失真性能的零件。

I/Q振幅以及相位不匹配可能會導致訊噪比(SNR)性能的降低。在理想的I/Q解調變器當中，基頻I/Q訊號分享了介於I與Q向量之間的完整90度相位關係，並且被稱之為完全正交。在這樣的條件下，數位領域中的符號辨識能力可以藉由即時的I/Q向量軌跡而輕易的判定。

當I/Q不匹配使系統出問題時，I/Q符號向量將會發生振幅與相位誤差，使得所需訊號經過復原後的SNR降低。靜態I/Q劣化則可以利用數位技巧加以修正。

直接轉換架構具備高MER性能特性

除了各種干擾訊號外，調變誤差比值(MER)亦為影響接收器性能表現的重點。MER乃是一種用來將數位無線電發射器或是接收器之調變精確度予以量化的方法。在現實世界中，像是振幅大小的不平衡、雜訊層、以及相位不平衡等，都會導致實際的測得符號向量偏離理想位置。

直接轉換接收器對不同的調變架構展示了具有示範性的MER性能位準。圖3與圖4中所示為分別針對在10MHz頻寬的正交分頻多重存取(OFDMA)、WiMAX、以及WCDMA訊號的MER性能與輸入功率的相對關係。一般來說，接收器會展示出三組MER限制與接收到之輸入訊號功率間的不同關係。在強大的訊號位準下，由接收器內非線性度造成的落入頻段內的失真，將導致MER嚴重降級的結果。

圖3　針對10MHz OFDMA WiMAX訊號的MER與RF輸入功率關係圖

圖4　針對在零IF、低IF以及阻斷器情況下WCDMA訊號的MER與RF輸入功率關係圖

在中等的訊號位準下，接收器會以線性方式運作，而訊號則會位於任何的雜訊成分之上，此時MER將會達到一個由解調變器的正交精確度、濾波器網路與可變增益放大器(VGA)、以及測試設備的精密度所決定的最佳化位準。隨著訊號位準降低，使得雜訊成為主要成分之後，MER性能相對於訊號位準的關係會呈現與下降中的訊號位準以dB-for-dB的方式降級。在較低的訊號位準下，雜訊會成為具有決定性的限制，而以分貝計算的MER就會與SNR成比例。

將圖4放大檢視後可以發現，在不同的架構下，接收器的性能表現相當具有彈性。一般認為5MHz低IF的狀況最好，因為其不會受到任何直流偏移以及閃爍雜訊(Flicker Noise)成分的影響，然而，在零IF狀況時，接收器的性能表現就會受到上述兩項因素的影響。在較低功率位準下，接收器的雜訊性能是相當固定的。即便是WCDMA基地台常見的測試項目--單音頻或雙音頻阻斷器出現，雜訊圖形的偏向都只會在1dB之內。

鏡像拒斥比值就是由所須之輸入頻率所產生的中頻訊號位準，相對於由鏡像頻率所產生IF訊號位準的比值，其單位以分貝表示。適當的鏡像拒斥是相當重要的，因為鏡像的功率有可能比所欲取得訊號的功率還要高，而對轉換程序造成破壞。

圖5所示為針對WCDMA鏡像拒斥相對於多重中頻頻率的關係。接收器提供了極佳的未經校正鏡像拒斥性能。透過額外的數位校正，要達到超過75dB的鏡像拒斥是合理的，這使得直接轉換接收器能夠同步的擷取數個具有顯著功率位準差異的相鄰訊號。這對於多重載波接收器的設計來說，是一項關鍵性的特點。