零中频接收机中直流偏移问题与技术解决方案

孔良

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

传统射频接收机的解调方法是射频信号（RF）进入天线后，通过下变频技术，先将射频信号转换为中频（IF）信号，然后把中频信号转换为同相（I）和正交（Q）两路相互正交的基带信号。在信号转换过程中，在中频部分需要加入中频滤波器。这种解调方式使得电路变得相对复杂、集成度降低、功耗和成本提高[1-5]。

1 零中频接收机中的直流偏移（DC-offset）问题

虽然零中频接机具有诸多优点，但也存在以下四方面的缺陷：闪烁噪声、直流偏移、I/Q 通道不平衡、偶次谐波失真，须制定相应的解决方案[6]。尤其在长距离传输过程中，区域和地理因素会引起信号波动，影响信号的后端处理，并受到诸如直流失配等干扰。造成载波在射频频段，载波恢复困难，只能用在非相关检测方案中，零中频接机对于I/Q 很敏感等问题。事实上，直流偏移是影响零中频接收机性能的关键因素[7-9]。因此，本文将根据零中频接收机直流偏移问题，来设计相应的解决方案。

2 技术解决方案

直流偏移产生的主要原因是本振频率与载波频率相同，易产生本振泄露，使直流信号混入有用的信号中，增大了系统的误码率。如何解决零中频接收机的直流偏移问题，传统的设计方案多采用交流耦合的方式，这种方式会产生两种缺陷，一是如果直流偏移变化，其响应会非常慢，二是导致信号失真。因此，本设计在传统设计方法的基础上，提出卡尔曼滤波器算法、差动法、算法校准、改变局部振动信号的频率、动态频谱资源共享系统设计等方法，来解决零中频接收机的直流偏移问题。

第一，采用新的数字直流偏移消除方法。使用先进的卡尔曼滤波器算法进行直流偏移估计。与其他数字方法相比，该方法不需要辅助信息，需要的统计点数较少，处理时长较短。

第二，差动法。由于其对共模噪声的高抗干扰性、对寄生耦合的良好抑制、动态范围的增大等优点，在射频集成电路设计中越来越受到重视。混频器是一个特殊的射频前端构件，通常被设计成微分电路。本文设计了一种微分混合机，特别是双平衡混频器上实现，零中频接收机如果(zero-intermediate 频率)或直接变频架构在标准的90nm 互补金属氧化物半导体(CMOS)过程操作5GHz 的频率，这是一个典型的频率的微波存取全球互操作性(WiMAX)接收机。阻抗匹配是充分优化混频器设计的必要条件。零中频双平衡混频器设计实现了11.46 dB 的转换增益和16.53 dB的噪声，与其他混频器设计相媲美。

第三，通过算法校准消除了直流偏移。在不可能进行电容耦合的情况下，可以通过向系统中注入合适的直流信号来消除直流不平衡，并且接收机可以通过计算输入信号来获得输入信号的平均值。将平均值发送到前面并减去，通常通过数字计算得出[10]。

第四，改变局部振动信号的频率。该方法通过其他频率的本机振荡器信号、倍频、分频和混频信号形成与所需信号相同频率的信号。LTC5586s 射频输入在500 MHz 到6 GHz 之间匹配，覆盖所有LTE 频段，以及正在兴起的3.6 GHz 和5 GHz 的4.5G 和5G 频段。一个额外的电容器扩展匹配从300 到500 兆赫。该解调器包括前端的RF 开关，该开关将两个输入中的一个引导到可编程衰减器，该衰减器由芯片上的串行总线控制[11-12]。

第五，动态频谱资源共享系统设计。零中频接收机基于全差分I/Q 解调结构，采用两个相同的可调滤波器阵列，以满足系统共存对相邻信道抑制的要求。根据抗干扰的需要，计算和推导了可调滤波器阵列中各滤波器的性能要求。使用两个可调滤波器阵列可大大提高零中频射频接收机的抗干扰能力。改进的可重构零中频射频接收机，具有抗干扰能力，可用于特高频动态频谱资源共享系统，基于可调滤波器阵列计算。实测结果表明，采用两组可调滤波器阵列，大大提高了改进的零中频射频接收机的抗干扰能力[13]。

3 结语

针对零中频接收机存在直流偏移问题，如在长距离传输过程中，区域和地理因素会引起信号波动，影响信号的后端处理，并受到诸如直流失配等干扰。因此，本设计在传统设计方法的基础上，提出卡尔曼滤波器算法、差动法、算法校准、改变局部振动信号的频率、动态频谱资源共享系统设计等方法，来解决零中频接收机的直流偏移问题。