是啥,让窄信道带宽接收机偏向采用低中频而不是零中频架构呢?

原创 加油射频工程师 2024-04-18 09:48
(1)  零中频接收机的闪烁噪声

零中频接收机除了IQ mismatch带来的镜像,本振泄露等带来的直流偏移,射频链路二阶非线性带来的抗干扰等问题之外,还有一个零中频接收机固有的缺陷,那就是闪烁噪声。

闪烁噪声,也被称为1/f 噪声,因为其大小与频率成反比。

闪烁噪声,频率越低,幅度越大,而零中频的有用信号位于零中频附近,所以有时候闪烁噪声就会对有用信号的SNR产生影响。但是这也分情况,不是在任何时候都会有影响,要不然ZIF架构的芯片也不会应用的这么广泛了。

对于零中频接收机,为了综合考虑非线性指标,RF端的增益可能设置在30dB左右,而这个增益,抑制不了后面基带电路产生的低频闪烁噪声,特别在窄信道带宽的情况下。

所谓窄信道带宽,是指信道带宽比较低,或者符号率比较低,比如说GSM系统,信道带宽为200KHz左右。

(2) 衡量闪烁噪声的影响

为了表征指定器件的闪烁噪声和热噪声的关系,可以把这两噪声的谱密度,画在同一副图上,如下所示。闪烁噪声和热噪声的交点,称为拐角频率fc。 fBW是信道带宽的一半,比如说GSM系统,信道带宽为200KHz左右,那fBW=100KHz。另外,fBW/1000这个频率点,是因为大多数仿真表明[1],当频率

假设Pn1为fBW/1000~fBW频率范围内的噪声总功率,Pn2是fBW/1000~fBW频率范围内只考虑热噪声的噪声总功率,可以用Pn1与Pn2的比值,来衡量闪烁噪声对系统性能的影响。

Pn1/Pn2的推导如下:

(3) 为什么窄信道带宽的信号更容易受影响?

有了上面这个公式以后,就可以分别计算宽信道带宽和窄信道带宽下的噪声比值。

假设基带处闪烁噪声的拐角频率fc=200KHz,当信道带宽为20MHz时,Pn1/Pn2=1.04.

同样的接收机,假设信道带宽为200KHz,Pn1/Pn2=16.4,这边,在文献[1]中,从上下文来看,积分下限感觉应该是270Hz,但是书中2次相关内容处,写的都是27Hz,所以也是有所疑问。不过,不影响大局。

所以,对于同样的接收机,闪烁噪声对窄信道带宽的影响要远大于对宽信道带宽的影响。

因此,对于窄信道带宽的通信系统,有时会去采用低中频架构的接收机.

(4)  低中频架构的接收机是怎么来解决这个问题的呢?

假设GSM接收机的中频为100KHz,而不是零中频。因为低中频的频率相距DC比较远,所以可以用截止频率比较高的高通滤波,假设高通滤波器可以滤除20KHz以下的信号,此时Pn1/Pn2=2.3。

可以看到,因为低中频架构的使用,对于窄信道带宽而言,闪烁噪声的影响大幅度下降。

(5)低中频架构带来的新问题

一种低中频架构如下图所示,和零中频架构,从表面上看,类似。

不过,因为中频不再是零中频,即使采用正交混频器,但由于IQ失配,还是会有类似超外差架构的镜像干扰。在零中频架构中,镜像干扰是有用信号本身,所以对镜像抑制的要求没有那么高;但是在低中频架构中,镜像干扰是外界环境中的干扰,所以理论上可以很大。

那怎么办?低中频架构还能用么?

当然可以,具体看指标要求。比如说,对于GSM系统,镜像频率正好处于邻信道,而GSM邻信道干扰(@fc+200KHz)只要求是9dBc,这个镜像抑制指标还是比较容易满足的。

参考文献:

[1] Razavi, RF MICROELECTRONICS

[2] Qizheng Gu,RF System Design of Transceivers for Wireless Communications


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