張哲

【摘要】? ? 本文運(yùn)用了CORDIC算法，說明了零中頻接收機(jī)的常見原理圖，結(jié)合零中頻式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)產(chǎn)生偶次失真、本真泄露、閃爍噪聲及直流偏差問題原因進(jìn)行分析。并提出了問題對(duì)應(yīng)的校正方法，說明CORDIC算法的原理基礎(chǔ)上，提出基于CORDIC算法的雙正交零中頻接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)流水型雙正交相移器，相較常見單正交零中頻接收機(jī)，發(fā)現(xiàn)本文提出的這種技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以減小受正交通道相位誤差，實(shí)現(xiàn)同等增益失配下較單正交零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)，有效改善6bB，表示本次研究提出基于CORDIC算法下雙正交零中頻接收機(jī)具有更強(qiáng)鏡像抑制技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】? ? CORDIC算法? ? 雙正交? ? 接收機(jī)

近年來優(yōu)化接收機(jī)的技術(shù)結(jié)構(gòu)，選用更合適的制造工藝，對(duì)于提升無(wú)線通信系統(tǒng)的性價(jià)比，已經(jīng)作為射頻工程師們所共同關(guān)注的熱門話題。因?yàn)榱阒蓄l接收機(jī)擁有小體積、低成本、易單片集成技術(shù)優(yōu)勢(shì)，作為射頻接收機(jī)內(nèi)較大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)，所以在無(wú)線通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是怎樣更高水平發(fā)揮零中頻接收機(jī)的技術(shù)性能，本文將提出基于CORDIC算法的雙正交零中頻接收機(jī)技術(shù)，促進(jìn)接收機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

一、CORDIC算法及零中頻接收機(jī)概述

1.1CORDIC算法

對(duì)于輸入正交I、Q兩路信號(hào)時(shí)，采用CORDIC算法轉(zhuǎn)變直角坐標(biāo)至極坐標(biāo)時(shí)，也就是求解信號(hào)相位轉(zhuǎn)變的計(jì)算過程。運(yùn)用CORDIC算法鑒相過程，將x、y值輸入后，在若干“微旋轉(zhuǎn)”步驟之后，旋轉(zhuǎn)可得+x軸，也就是yn=0，那么旋轉(zhuǎn)相加角度即所得相位，原理圖（見圖1）。假設(shè)P（x，y）點(diǎn)作為指標(biāo)坐標(biāo)系中的單位圓一點(diǎn)，OP向量和x軸之間形成正向夾角用θ表示，可得x=cosθ，y=sinθ[1]。

考慮到CORDIC算法在應(yīng)用中，為了解決計(jì)算復(fù)雜度和量化誤差，保證運(yùn)算進(jìn)度及信號(hào)處理速度，本文取I、Q兩信號(hào)的數(shù)據(jù)絕對(duì)值，實(shí)現(xiàn)CORDIC變換計(jì)算角度，這樣處理后就相當(dāng)于轉(zhuǎn)移所有角度至第一象限，之后以I、Q兩信號(hào)數(shù)據(jù)的符號(hào)位，即可判斷信號(hào)的所在象限據(jù)此進(jìn)一步變換。對(duì)于FPGA鑒相模塊中，I、Q良心好的輸入值均為8bit，運(yùn)用流水結(jié)構(gòu)輸出16bit相位，8bit模值，因?yàn)楦郊尤齻€(gè)觸發(fā)器整形，僅需11個(gè)時(shí)鐘周期即可獲得結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了CORDIC算法優(yōu)化[2]。

1.2零中頻接收機(jī)

因?yàn)榱阒蓄l接收機(jī)在中頻濾波器下，可以有效防止增加接收機(jī)收到接受拼點(diǎn)附近的雜散的干擾，實(shí)現(xiàn)單片集成較朝外差接收機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，運(yùn)用濾波器與低噪聲放大器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大處理后，混合正交兩路本振信號(hào)形成混頻，產(chǎn)生正交、同相兩路基帶信號(hào)。該接收機(jī)產(chǎn)生的本地振蕩頻率與射頻信號(hào)頻率相等，使得0中頻可以有效避免產(chǎn)生鏡像頻率干擾問題，并且本振頻率無(wú)論±0均為同值，所以降低了變頻器選擇性和A/D變換技術(shù)要求，無(wú)需中頻濾波器，有效降低了硬件設(shè)備的技術(shù)復(fù)雜度要求。還能夠形成RF信號(hào)機(jī)相差90°兩路相位的本振頻率形成混頻，產(chǎn)生兩路正交信號(hào)分別為同相L信號(hào)、正交Q信號(hào)。雖然零中頻接收機(jī)在目前應(yīng)用中作為最高集成度的接收機(jī)，小體積且成本低，但是實(shí)現(xiàn)大范圍、低噪聲及良好線性度等指標(biāo)要求，運(yùn)用原本濾波器實(shí)現(xiàn)難度較大，并且載波恢復(fù)難度較大，僅僅可以在非相干檢測(cè)方案中應(yīng)用。

二、雙正交零中頻接收機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1正交相移器

對(duì)于雙正交零中頻接收機(jī)技術(shù)結(jié)構(gòu)中，通過運(yùn)用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)“微旋轉(zhuǎn)”偏移，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)正交移相網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。LO作為單頻信號(hào)對(duì)此設(shè)計(jì)的常規(guī)正交相移器的電路，RF作為常規(guī)帶通信號(hào)，能夠在帶寬范圍內(nèi)保證減小相移誤差。

根據(jù)上面分析一般情況下，為了能夠滿足所需接收機(jī)急速的鏡像抑制比，應(yīng)當(dāng)控制LO相移誤差在3°以內(nèi)，但是在高頻運(yùn)行條件下想要高度控制誤差實(shí)現(xiàn)難度較大，所以需要更復(fù)雜的片外調(diào)整實(shí)現(xiàn)[3]。本文對(duì)此提出了新型零中頻結(jié)構(gòu)技術(shù)，研究了結(jié)構(gòu)匹配性對(duì)比雙正交零中頻接收器與單正交中頻接收器結(jié)構(gòu)的鏡像抑制效果。

2.2新型零中頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出了一種新型雙正交零中頻結(jié)構(gòu)，我們對(duì)這種結(jié)構(gòu)的匹配性做了研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的鏡像抑制性能受 LO 相移網(wǎng)絡(luò)的相位誤差影響較小，進(jìn)一步的分析表明，在同樣的增益失配下，雙正交零中頻結(jié)構(gòu)的鏡像抑制比比單正交零中頻結(jié)構(gòu)改善約 6dB。所以，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極大提高了零中頻接收結(jié)構(gòu)的性能。 （見圖2）作為新型的雙正交變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)，LNA之后RF信號(hào)經(jīng)-90°相移網(wǎng)絡(luò)，可得兩個(gè)正交信號(hào)，分別混合兩個(gè)正交LO信號(hào)之后，下變頻至基帶。

2.2.1單正交零中頻鏡像抑制

假設(shè)cosωRFt作為輸入信號(hào)，復(fù)信號(hào)表達(dá)，Δθ作為輸入信號(hào)和LO之間形成的相移誤差，在此LO信號(hào)的表示公式如下：

三、結(jié)果分析

3.1鏡像抑制比和相位誤差關(guān)系

通過根據(jù)上述分析公式計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雙正交鏡像抑制比存在較小的所受LO相移誤差影響，較單正交鏡像抑制比性能更優(yōu)。作為兩種不同正交零中頻接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相位誤差圖，根據(jù)圖示能夠發(fā)現(xiàn)對(duì)于同樣相移誤差范圍中，本次提出的雙正交零中頻接收機(jī)技術(shù)，能夠獲得更優(yōu)化的鏡像抑制性能。應(yīng)用于某種特定條件中，為了可以達(dá)到鏡像抑制比，較單正交要更大程度放寬雙正交零中頻接收機(jī)的相移誤差要求。

例如對(duì)于Δθ=1的單正交，計(jì)算IRR為41dB，那么為了實(shí)現(xiàn)雙正交的同等鏡像抑制比，就要放寬Δθ1、Δθ2為10°。對(duì)于雙正交Δθ1、Δθ2均為1°情況下，計(jì)算IRR為82dB，較單正交明顯提升接近一倍的鏡像抑制比，證實(shí)了本次提出雙正交零中頻接收機(jī)的實(shí)用性。

3.2鏡像抑制比及幅度失配誤差

根據(jù)上述分析公式在同等坐標(biāo)系內(nèi)，完成單正交和雙正交不同接收機(jī)結(jié)構(gòu)，獲得的鏡像抑制比和正交通道幅度關(guān)系，考慮對(duì)于0至0.3失配過程中的兩種結(jié)構(gòu)鏡像抑制比，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)定同等幅度失配條件下，較單正交能夠獲得改善6dB左右的雙正交零中頻接收機(jī)鏡像抑制性能。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上，為了滿足零中頻接收機(jī)在無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)性能所需，達(dá)到良好匹配性降低失配誤差，提高零中頻的正交通道匹配性。本次研究提出基于CORDIC算法的雙正交零中頻接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了流水型雙正交相移器，相較常見單正交零中頻接收機(jī)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)雙正交技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以減小受正交通道相位誤差，實(shí)現(xiàn)同等增益失配下較單正交零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)，有效改善6bB，表示本次研究提出基于CORDIC算法下雙正交零中頻接收機(jī)具有更強(qiáng)鏡像抑制技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]孔良. 零中頻接收機(jī)中直流偏移問題與技術(shù)解決方案[J]. 電子元器件與信息技術(shù)， 2020， 004（003）：23-24.

[2]梁曉峰，? 葉暉. 一種零中頻接收機(jī)的直流偏置校準(zhǔn)技術(shù)[J]. 現(xiàn)代信息科技， 2019， 003（010）：P.38-41.

[3]羅明聰， 張濤， 關(guān)漢興. 零中頻接收機(jī)直流偏移消除技術(shù)及FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 微電子學(xué)， 2019.