零中频架构痛点:直流偏移问题亟待解决

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零中频架构,这一概念虽然早在1924年就被提出,但由于其实现的复杂性,直到20世纪90年代,随着半导体技术和集成电路的飞速发展,才得到了广泛的应用。这种架构看上去简单,但要真正基于分立器件实现,却并不容易。零中频架构面临的一个关键挑战就是直流偏移,或称为DC-offset。那么,直流偏移究竟是如何产生的呢?
零中频架构
 
混频器在工作时,其RF和LO端口之间需要有一定的隔离度,由于种种原因,如基板或空间的耦合效应,本振信号可能会泄露到前级。这些泄露的信号,由于级间失配,可能会反射回混频器的输入端,与本振信号混频,从而产生直流偏移。发射泄露也是一个重要的原因,特别是在全双工系统中,发射机的功率放大器(PA)输出的信号,可能通过多种路径泄露到混频器,例如,信号可能通过双工器、低噪声放大器(LNA)等射频通路泄露至混频器的RF端,或者通过基板、PCB或供电系统等途径泄露到混频器的LO端。这些泄露的信号在混频器内混频,就会产生直流偏移。
 
强干扰信号也是一个不可忽视的因素,当强干扰信号传输到混频器的RF端时,由于RF和LO端口之间的隔离度有限,干扰信号可能会泄露到LO端口。这样,两端口上的干扰信号之间就会发生混频,从而产生直流偏移。同时,强干扰信号在RF通路中传播时,由于电路的二阶非线性效应,也可能产生直流偏移。
 
直流偏移是一个潜在的“隐形杀手”,它可能悄无声息地破坏接收机的性能。想象一下,一个精心设计的接收机,其链路增益大多集中在基带模块,以期捕获微弱的有用信号。然而,如果混频器输出端存在微小的直流偏移,即便只是200~250uV,经过基带模块高达70~80dB的增益放大后,这个微小的偏移可能会变得异常显著,足以让基带放大器,特别是最后一级放大器进入饱和状态。这意味着那些我们期待接收的微弱信号,很可能被这个“放大”的直流偏移所淹没,导致无法正常接收。
 
为了消除这种危害,我们可以采取多种策略。其中,使用交流耦合或高通滤波器是一种常见且有效的方法。它们就像是一道屏障,将直流偏移阻挡在基带模块之外。不过,高通滤波器的设计需要非常精细,其角频率需要控制在符号率或码率的0.1%或更小,以避免对信号质量造成负面影响。另外,我们还可以采用抵消法来消除直流偏移。对于时不变的直流偏移,我们可以在接收机的不同增益模式下进行校准,并将校准结果存储在查找表中。
 
在工作模式下,我们可以根据存储的校准值来补偿直流偏移。而对于时变的直流偏移,如果调制方式具有零平均值(如QPSK),我们就可以通过平均数字化信号来测量直流偏移,并通过DAC从基带电路中的信号中减去这个偏移值。

 

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