與以往相比，下一代無線系統(tǒng)的基站接收器必須以更低的成本實現(xiàn)更高的性能。而直接轉(zhuǎn)換接收器正是解決這對矛盾的理想方案。雖然這個方案在過去也曾被用于不同的設(shè)計中，但其性能受到包括解調(diào)器在內(nèi)的現(xiàn)有硬件的限制。幸運的是，隨著商用集成電路（IC）正交解調(diào)器性能的改善，使直接轉(zhuǎn)換接收器設(shè)計成為傳統(tǒng)超外差接收器架構(gòu)之外的另一可行的選擇方案。 

　　想要更好地理解直接轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢，只要通過與超外差系統(tǒng)的接收器方案進(jìn)行比較就一目了然了（圖1）。超外差系統(tǒng)接收器方案因其高選擇性和靈敏性而被普遍采用。在超外差接收器中，接收到的RF信號先經(jīng)RF預(yù)選濾波器濾除頻段外的信號，然后通過低噪聲放大器（LNA）放大。位于LNA輸出端的第二個RF預(yù)選濾波器提供額外的過濾以削弱鏡頻中的干擾信號。通過將降頻轉(zhuǎn)換混頻器與本機振蕩器（LO）相聯(lián)，處理過的信號被轉(zhuǎn)換成較低的中頻（IF）。IF必須足夠高才能使鏡像頻道降至濾波器的停止頻段內(nèi)。出于對鏡頻抑制的考慮，IF應(yīng)為載波頻率的10% 附近。RF預(yù)選濾波器能去除頻段外能量，拒絕鏡像頻段信號。超外差接收器在IF和基帶級執(zhí)行頻道過濾功能，對這些元器件提出非常高的動態(tài)范圍要求。

 
 圖1：簡化的超外差接收器模塊圖

　　針對基站的超外差接收器，固定增益LNA常被用于接收信號的初放大。包括噪聲在內(nèi)的整個通帶頻率轉(zhuǎn)換成固定IF。雖然仍需要一個高LO功率（大于+10dBm）來驅(qū)動這一混頻器，但為了降頻轉(zhuǎn)換，無源（二極管）混頻器還是常用以滿足高線性和低噪聲動態(tài)范圍要求的混頻器。由于無源混頻器的典型特點是LO至IF的隔離性差，這使得接收器IF部分的LO過濾變得復(fù)雜化。在混頻器的IF輸出端，有用信號頻道處于IF頻道選擇濾波器的中心位置，此濾波器用于去除無用的相鄰頻道或相隔頻道。 

　　緊隨IF頻道選擇濾波器之后，可用頻道經(jīng)可變增益放大器放大后，解調(diào)到基帶中進(jìn)行信號處理。高品質(zhì)因數(shù)（Q）的IF頻道選擇濾波器讓可用信號順利通過，將包括振幅較大的備用頻道信號在內(nèi)的無用信號排除在外。然而，這樣的選擇濾波器非常昂貴，不合理地提高了超外差接收器的成本。此外，高Q濾波器的插入損耗通常很高，需要LNA和混頻器級的額外增益以抵銷濾波器損耗和降低VGA噪聲指數(shù)。

　　由于在基站接收器中LNA增益固定，混頻器必須達(dá)到很高的線性度才能滿足系統(tǒng)嚴(yán)格的動態(tài)范圍要求。此外，IF頻道選擇濾波器擁有能調(diào)整到所需頻道帶寬的頻率響應(yīng)功能。IF頻道選擇濾波器的不靈活性限制了接收硬件，使后者只能適應(yīng)單一的RF標(biāo)準(zhǔn)。由于無線通信標(biāo)準(zhǔn)的多樣性，新型接收系統(tǒng)必須在用于支持某一種標(biāo)準(zhǔn)的有限成本預(yù)算下，實現(xiàn)無縫有效地支持不同標(biāo)準(zhǔn)。

　　直接轉(zhuǎn)換接收器架構(gòu)能實現(xiàn)超外差設(shè)計的目標(biāo)，但結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不需要像后者那么復(fù)雜（見圖2）。在這一系統(tǒng)中，接收的信號經(jīng)過RF預(yù)選濾波器后，由固定增益LNA放大。隨后，RF信號直接降頻轉(zhuǎn)換成同相（I）和正交（Q）基帶信號而無需加入IF級。由于沒有鏡頻，二次RF預(yù)選過濾的要求無需像次那么嚴(yán)格。實際上，價格便宜的RF帶通濾波器能阻止頻段外的強信號使I/Q解調(diào)器超負(fù)載。[如果沒有這個濾波器，強頻段外信號將導(dǎo)致帶內(nèi)二階和三階交調(diào)份量，結(jié)果產(chǎn)生符號相互干擾（ISI）]。當(dāng) RF 信號解調(diào)到基帶后，單個頻道選擇通過采用基帶頻道選擇濾波器實現(xiàn)?；鶐V波器比超外差接收器的IF頻道選擇濾波器更加緊湊和廉價。此外，基帶頻道選擇濾波器能根據(jù)不同的帶寬進(jìn)行設(shè)計，適用于多模式和多標(biāo)準(zhǔn)操作。

 
 圖2：簡化型直接轉(zhuǎn)換接收器模塊圖

　　雖然基帶頻道選擇濾波器擁有極大的靈活性，但復(fù)合基帶信號卻包含了所有通常在到達(dá)I/Q解調(diào)器前被過濾的相鄰頻道塊信號（見圖1）。因此，直接轉(zhuǎn)換接收器的I/Q解調(diào)器必須提供寬至80dB的動態(tài)范圍。 

　　幸運的是，凌特公司LT5515和LT5516 I/Q解調(diào)器是現(xiàn)有為數(shù)不多并能提供這類性能的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。這兩款I(lǐng)C均集成了RF信號分離器、正交LO信號分配器和兩個高線性度下變頻混頻器的功能。這些芯片能直接將RF信號降頻轉(zhuǎn)換到基帶，解調(diào)同相（I）和正交（Q）信號成份。它們匹配的I和Q頻道以確保增益和相位匹配，以致很大程度上減少了校準(zhǔn)的需求。LT5515的工作范圍是1.5到2.5GHz，LT5516則能處理0.8到1.5GHz范圍內(nèi)的RF輸入信號。這些芯片還在每條I和Q頻道上集成單極點260MHz帶寬的低通濾波器 (見表格1) 。

 
 表格1：兩正交解調(diào)器性能一覽表

　　LT5515和LT5516解調(diào)器是需要良好線性度和寬動態(tài)范圍接收器的理想解決方案，適用于無線基站（GSM、CDMA、WCDMA等）、無線基礎(chǔ)設(shè)施和儀器應(yīng)用領(lǐng)域。像正交解調(diào)器等直接轉(zhuǎn)換接收器IC無需額外的IF級，緩減對高頻濾波器的需求，特別是免去了IF頻道選擇濾波器。通過 +20dBm輸入三階截取 （IIP3） 和 +50dBm 輸入二階截取（IIP2），正交解調(diào)器能滿足基站接收器嚴(yán)格的動態(tài)范圍要求。 

　　直接轉(zhuǎn)換接收構(gòu)架的一個令人關(guān)注的問題是寄生LO泄漏。這個問題產(chǎn)生于I/Q解調(diào)器從天線或其它途徑耦合少量的LO能量。LO泄漏與LO本身混合在一起生成了DC偏移。根據(jù)LO泄漏路徑，載波饋通經(jīng)過可能在有用的基帶信號上疊加較大和可能隨時間變化的DC誤差。在基站結(jié)構(gòu)中，由于接收系統(tǒng)是典型平穩(wěn)的，LO自混合產(chǎn)生的DC偏移可能更多的是靜態(tài)而不是隨時間變化。鑒于LT5515和LT5516采用的是有源而非無源的混頻器，所以它們僅需 –5dBm LO功率級，而不是典型無源混頻器所需的 +10dBm。由于LO和RF端口間的良好隔離性，LO泄漏降至，而LT5515僅 -46dBm，LT5516僅 –65dBm。終，只有幾毫伏的靜態(tài)DC偏移從LO自混合產(chǎn)生。

　　直接轉(zhuǎn)換方式的另一個問題是由設(shè)備失配產(chǎn)生的DC偏移。失配導(dǎo)致的DC偏差產(chǎn)生于正交解調(diào)器和/或VGA。正交解調(diào)器輸出的DC偏移本身并不會引起接收器故障和性能下降。然而，由于VGA電壓空間限制，當(dāng)VGA在高增益模式下運行，增益高達(dá)60dB時，幾毫伏的DC偏移就足以減少信號擺幅或使VGA飽和，從而降低接收器有效的動態(tài)范圍。為處理大阻隔信號，LNA增益通常限制在20dB 范圍，以致在信號微弱情況下到達(dá)混頻器的有用信號級可能為幾百毫伏左右。因此，相對于VGA輸入的累計DC偏移必須控制在上述級別以下。為進(jìn)一步基帶信號處理時正確操作VGA，則需要DC偏移消除或AC輸入耦合。

　　雖然接收器和發(fā)射器在不同頻率下工作，但大多基礎(chǔ)設(shè)施的基站在全雙工模式下運行。在這種接收系統(tǒng)中，不必對DC電壓的定位時間給予過多的關(guān)注。在許多現(xiàn)代的無線接收系統(tǒng)中，基帶信號幾乎不包含低頻信息。這使LT5515和LT5516解調(diào)器的I和Q頻道輸出能AC耦合到基帶濾波器或通過隔直電容器至VGA，從而有效去除DC偏移。LT5515或LT5516每一I頻道和Q頻道輸出都通過一個60Ω電阻內(nèi)部連接在供電電壓上。因此，高通濾波器 –3dB滾降頻率由隔直電容器和輸出電阻負(fù)載Rload的RC常量確定，其中Rload特別大 (遠(yuǎn)大于60Ω)。

　　當(dāng)LT5515或LT5516需要DC耦合至基帶電路時，數(shù)字偏移去除方法可運用到基帶VGA輸入上。每VGA設(shè)置可以通過基帶處理器上評估并去除DC偏移。雖然DC偏移并不會影響接收器的RF性能，但為了VGA的正常運行，必須將之去除。DC周圍的頻譜損耗能低到幾赫茲。對于半雙工系統(tǒng)，運用適當(dāng)?shù)姆椒蓪C偏移分離開，具體是將基帶內(nèi)的載波恢復(fù)、符號定時恢復(fù)、自動增益控制和數(shù)據(jù)檢測結(jié)合在一起。在接收系統(tǒng)中，典型地是幀結(jié)構(gòu)的前同步信號有已知的DC信息，允許DC偏移的自適應(yīng)逐幀消除。LO在 –5dBm下運行時，LT5516和LT5515的輸出DC偏移分別只有1mV和4mV。如此低的偏移電壓使接收器可通過低成本的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)偏移去除。 

　　直接轉(zhuǎn)換接收器需關(guān)注的另一問題是偶階失真產(chǎn)物。在傳統(tǒng)超外差接收器中，二階失真通常在頻帶外，很容易被過濾。然而在直接轉(zhuǎn)換接收器中，偶階失真 (特別是二階產(chǎn)物) 會引起帶內(nèi)干涉。例如，當(dāng)兩個頻率范圍接近頻道帶寬強干擾器處于正交解調(diào)器的輸入端時，解調(diào)器的二階非線性將產(chǎn)生低頻交調(diào)份量。變形產(chǎn)物將落入基帶頻譜，并且無法在之后的基帶信號處理中過濾出去。因此，卓越的IIP2是直接轉(zhuǎn)換接收器提供一流性能的前提。解調(diào)器和LO信號路徑混頻器中存在的失配現(xiàn)象將導(dǎo)致帶內(nèi)二階交調(diào)份量。輸入RF信號（經(jīng)RF放大器二階變形）的二階諧波也會與LO信號的二次諧波混合，產(chǎn)生與前面相同的效果。因此，LT5515和LT5516 (分別是 +51和 +52dBm) 的高IIP2在防范基帶信號免受偶階交調(diào)干涉方面起到十分重要的作用。通過在I和Q輸出端正確過濾無用的高頻混合產(chǎn)物，性能還可被進(jìn)一步提升，從而有效防止無用混頻產(chǎn)物耦合回解調(diào)器，以免生成帶內(nèi)二階交調(diào)。一個簡便的方法是用并聯(lián)電容器端接每一輸出。依靠工作頻率和特殊的印制電路板 (PCB) 布局，電容器值可被優(yōu)化。

　　高性能直接轉(zhuǎn)換接收器系統(tǒng)設(shè)計是現(xiàn)代基站接收器發(fā)展前沿的設(shè)計。雖然直接轉(zhuǎn)換接收器解決方案在過去的幾十年一直處于研究階段，但就在近，現(xiàn)有的高性能元器件使直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)在很寬的無線應(yīng)用范圍內(nèi)得以實現(xiàn)。