射頻的關(guān)鍵-架構(gòu)設(shè)計

射頻系統(tǒng)設(shè)計第一步是什么？

是選擇架構(gòu)，在選擇器件之前確實(shí)是要選好架構(gòu)，到底是超外差還是零中頻還是直采？

在選擇架構(gòu)之前需要對架構(gòu)的優(yōu)勢和缺陷有較深的理解，各個架構(gòu)的優(yōu)勢和缺陷是什么呢？

超外差架構(gòu)

超外差結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由Armstrong在1917年提出的，自提出至今仍被廣泛使用，超外差結(jié)構(gòu)由于采用二次變頻形式，在中頻電路中使用中頻濾波器，可以使系統(tǒng)獲得更好的選擇性，超外差結(jié)構(gòu)收發(fā)信機(jī)框圖如圖所示。

?超外差結(jié)構(gòu)收發(fā)信機(jī)框圖

前文提到超外差結(jié)構(gòu)可以通過選擇中頻和濾波器獲得更好的選擇性。對于中頻選擇至關(guān)重要，中頻設(shè)計原則：

原則1：鏡像頻率需要足夠的過渡帶抑制，當(dāng)出現(xiàn)一個頻率與本振相減為中頻的干擾信號時，干擾信號經(jīng)過混頻器混頻輸出與中頻相同頻率的干擾信號，干擾信號會嚴(yán)重影響接收機(jī)的靈敏度。因此要降低鏡像頻率的干擾。

降低鏡像頻率干擾的方法是，通過預(yù)選濾波器將鏡像頻率干擾降到最低。由式（2.1）可知鏡像頻率產(chǎn)生的原因，式中fNF為鏡像頻率，fLO為本振頻率，fIF為中頻頻率。鏡像頻率與系統(tǒng)的關(guān)系如圖2-3所示。

???????????????????????? （2.1）

根據(jù)預(yù)選濾波器的帶外抑制，選擇合適的中頻。

?鏡像頻率與系統(tǒng)的關(guān)系

原則2：M*RF+/-N*LO的雜散必須盡量少的落進(jìn)中頻，保證M*N的雜散不影響接收機(jī)性能。如果落進(jìn)中頻，盡量高階，如按223~231MHz，設(shè)置M、N為10階，計算無雜散落入中頻帶內(nèi)，落入中頻帶內(nèi)的雜散為高階混頻雜散，高階混頻雜散通常處于噪底下。雜散計算可用APPCAD計算，APPCAD混頻雜散仿真如圖2-4所示。

APPCAD混頻雜散仿真

原則3：中頻的2 次，3次諧波需要能推出帶內(nèi)，以便LC 濾波器可以濾波。

零中頻接收機(jī)本振頻率(LO)和射頻信號頻率(RF)相等，鏡像頻率也就是信號頻率本身。不存在鏡像頻率干擾的問題，原超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)中的鏡像抑制濾波器及中頻濾波器都可以省略。這樣一方面取消外部元件，有利于系統(tǒng)的單芯片實(shí)現(xiàn)。

如圖所示，混頻器后面是一個模擬低通濾波器，該濾波器作為通道選擇濾波器和AD前端的抗混疊濾波器。如果接收機(jī)的通道選擇性完全由該濾波器實(shí)現(xiàn)，那么要求該濾波器的截止頻率為信號帶寬的一半，以有效抑制鄰道和更遠(yuǎn)端的信道干擾。

由于該濾波器工作在低頻，因此可以用有源模擬濾波器實(shí)現(xiàn)，注意上下兩個分支幅度響應(yīng)匹配。有源模擬濾波器相對于超外差接收中的無源中頻濾波器輸入動態(tài)范圍有限，并且阻帶衰減有限。

零中頻架構(gòu)的還有一個很容易被忽視的特點(diǎn)，基帶輸入放大器通常構(gòu)造為一個有源低通濾波器，其作為集成模擬濾波器運(yùn)行，這大大減輕了模擬濾波器的負(fù)擔(dān)。結(jié)合片內(nèi)抽取濾波，它還能用作可編程通道濾波器，消除比奈奎斯特相關(guān)信號更近的信號。此外，零中頻接收機(jī)內(nèi)的采樣器件通常包括反饋，可提供額外的帶外抑制。實(shí)際上，這意味著無線電的帶外區(qū)域比帶內(nèi)區(qū)域具有更大的滿量程范圍。正如圖3中的簡化圖所示，零中頻無線電本質(zhì)上對帶外信號具有良好的容忍度。圖3中的縱軸表示相對于帶內(nèi)的會導(dǎo)致靈敏度下降3 dB的輸入功率水平，它表明帶內(nèi)信號本身對帶外信號具有容忍度，這是其他架構(gòu)所沒有的。

零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)雖然減小鏡像信號抑制問題，但同時帶來了其他問題。這些問題主要是由于輸入信號的放大組要集中在基帶。這些問題包括：

接收機(jī)的偶次非線性失真

本振泄露和直流偏置

直流偏置

Flicker噪聲

射頻直采方案

直采方案如上圖所示，RF經(jīng)過濾波器、LNA、直接進(jìn)入ADC進(jìn)行采樣變換。

直接RF采樣的主要優(yōu)點(diǎn)是簡化了RF信號鏈，降低了每個通道的成本以及通道密度?；谥苯覴F采樣架構(gòu)的儀器由于使用的模擬組件較少，因此外形尺寸通常更小，功率效率更高。如果構(gòu)建的是高通道數(shù)系統(tǒng)，直接RF采樣可以減少系統(tǒng)的占地面積和成本。在構(gòu)建完全有源的相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)時，這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)檫@些雷達(dá)通過對來自多達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千個天線發(fā)射的信號進(jìn)行移相來形成波束。由于同一系統(tǒng)包含有多個RF信號發(fā)生器和分析儀，因此每個通道尺寸和成本便成為一個重要的考量因素。

除了尺寸、重量和功率（SWaP）減小之外，簡化的架構(gòu)還可消除RF儀器本身內(nèi)部可能的噪聲、映像和其他誤差來源，例如LO泄漏和正交減損。

其次，直接RF采樣架構(gòu)還可以簡化同步。例如，要實(shí)現(xiàn)RF系統(tǒng)的相位一致性，必須同步RF儀器的內(nèi)部時鐘和LO。在不需要LO的直接采樣中，只需關(guān)注器件的時鐘同步即可。同樣，對于需要多個相位相干RF接收器的相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用中，直接采樣架構(gòu)是簡化設(shè)計的有效選擇。

最后，直接RF采樣可實(shí)現(xiàn)高速跳頻。零中頻架構(gòu)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)在模擬電路，一般鎖相環(huán)電路鎖定時間在50us左右，加上數(shù)據(jù)加載一級業(yè)務(wù)處理，一般就只能實(shí)現(xiàn)在千跳級別。

RF采樣的頻率源實(shí)現(xiàn)是數(shù)字域的，沒有硬件的限制，它的跳頻可以實(shí)現(xiàn)萬跳級別。

總結(jié)

對比了這么多，在設(shè)計方案的時候知道該怎么選擇和設(shè)計了嗎？

其實(shí)很多人還是不知道 ，架構(gòu)的選擇設(shè)計在于結(jié)合需求和產(chǎn)品的使用場景、形態(tài)去擇優(yōu)。有的在需求中雖然沒有體現(xiàn)，但是使用場景的結(jié)合就必須要選擇超外差設(shè)計。