【導讀】無(wu)線(xian)服(fu)務(wu)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)的(de)需(xu)求(qiu)不(bu)僅(jin)對(dui)我(wo)們(men)有(you)限(xian)的(de)頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)構(gou)成(cheng)挑(tiao)戰(zhan)

，還(hai)讓(rang)無(wu)線(xian)電(dian)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)難(nan)以(yi)選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)無(wu)線(xian)電(dian)架(jia)構(gou)。合(he)適(shi)的(de)無(wu)線(xian)電(dian)架(jia)構(gou)不(bu)僅(jin)能(neng)提(ti)供(gong)可(ke)靠(kao)的(de)性(xing)能(neng)，而(er)且(qie)能(neng)簡(jian)化(hua)無(wu)線(xian)電(dian)周(zhou)圍(wei)的(de)電(dian)路(lu)

，從(cong)而(er)較(jiao)大(da)幅(fu)度(du)地(di)縮(suo)減(jian)成(cheng)本(ben)
、功gong耗hao和he尺chi寸cun。在zai無wu線xian電dian部bu署shu不bu斷duan增zeng加jia的de時shi代dai
，滿man足zu需xu求qiu的de無wu線xian電dian應ying能neng容rong忍ren當dang前qian和he未wei來lai的de無wu線xian共gong存cun，否fou則ze這zhe些xie無wu線xian共gong存cun可ke能neng會hui造zao成cheng一yi連lian串chuan幹gan擾rao。本ben文wen將jiang研yan究jiu兩liang種zhong常chang見jian無wu線xian電dian架jia構gou
，並bing且qie比bi較jiao每mei種zhong架jia構gou在zai解jie決jue日ri益yi增zeng多duo的de無wu線xian電dian站zhan點dian共gong存cun問wen題ti這zhe一yi獨du特te挑tiao戰zhan方fang麵mian的de優you劣lie。

日益增長的挑戰——新的無線鄰居

無線革命開始於大約30年前，當時隻有少數幾個頻段，並且大部分限製在900 MHz以下，通常每個國家和地區有一個頻段。隨著無線服務需求的增長，新頻段不斷增加，現在全球單獨為5G NR就分配了49個頻段，這還不包括毫米波分配。大多數較新的頻譜都在2.1 GHz以上
，頻段覆蓋500 MHz (n78)
、775 MHz (n46)、900 MHz (n77)和多達1200 MHz (n96)。

suizhezhexiexinpinduanshangxian，yidatiaozhanshiruhezaichuantongpinduanzhongyouzusaideqingkuangxiaquebaojieshoujijuyouzugoudexingneng。zhezhuyaolaizibushuweizhidegongzhanyaoqiu，zaimeiguoshiyongpinduan2
、4和7，在其他地區使用頻段1和3。這對於服務於n48 (CBRS)以及n77或n78的任何部分中的應用的寬帶無線電尤其關鍵。

未來無線需求將繼續增長，共存和幹擾的挑戰始終存在。

無線電設計與射頻保護和選擇性

接(jie)收(shou)機(ji)設(she)計(ji)的(de)主(zhu)要(yao)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一(yi)是(shi)保(bao)護(hu)其(qi)不(bu)受(shou)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)影(ying)響(xiang)。從(cong)一(yi)開(kai)始(shi)

，無(wu)線(xian)電(dian)工(gong)程(cheng)師(shi)就(jiu)尋(xun)求(qiu)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)點(dian)
，最(zui)初(chu)是(shi)使(shi)用(yong)簡(jian)單(dan)粗(cu)暴(bao)的(de)濾(lv)波(bo)，後(hou)來(lai)使(shi)用(yong)各(ge)種(zhong)帶(dai)分(fen)布(bu)式(shi)濾(lv)波(bo)的(de)外(wai)差(cha)技(ji)術(shu)。經(jing)過(guo)多(duo)年(nian)發(fa)展(zhan)，業(ye)界(jie)開(kai)發(fa)出(chu)三(san)種(zhong)主(zhu)要(yao)架(jia)構(gou)來(lai)應(ying)對(dui)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)：直接變頻（零中頻）、超外差(IF)和(he)直(zhi)接(jie)射(she)頻(pin)采(cai)樣(yang)。雖(sui)然(ran)中(zhong)頻(pin)采(cai)樣(yang)很(hen)流(liu)行(xing)，但(dan)它(ta)不(bu)是(shi)本(ben)文(wen)的(de)重(zhong)點(dian)。本(ben)文(wen)將(jiang)著(zhe)重(zhong)比(bi)較(jiao)射(she)頻(pin)采(cai)樣(yang)和(he)零(ling)中(zhong)頻(pin)
，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)是(shi)目(mu)前(qian)無(wu)線(xian)領(ling)域(yu)中(zhong)非(fei)常(chang)先(xian)進(jin)的(de)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi)。每(mei)種(zhong)技(ji)術(shu)都(dou)會(hui)引(yin)入(ru)不(bu)同(tong)的(de)工(gong)程(cheng)權(quan)衡(heng)，對(dui)周(zhou)圍(wei)電(dian)路(lu)及(ji)其(qi)要(yao)求(qiu)的(de)影(ying)響(xiang)也(ye)不(bu)同(tong)
，這(zhe)包(bao)括(kuo)頻(pin)率(lv)轉(zhuan)換(huan)的(de)方(fang)法(fa)、射頻和基帶增益的數量、射頻鏡像的處理方式以及濾波的實現方式和位置。這些權衡的詳細信息如表2所示。

增益分布和功耗

射頻采樣和零中頻在增益分配上有關鍵區別。如圖2所示，射頻采樣將所有增益都放在射頻域中，因為在處理信號時
，無線電中的所有頻率都保持不變。為了進行比較
，圖1顯示了一個零中頻架構。對於此架構
，部分增益位於射頻頻率，但平衡是在頻率轉換後的基帶。

圖1. 典型零中頻信號鏈

圖2. 典型射頻采樣信號鏈

兩種架構都需要權衡取舍。從增益角度看
，由於需要更高的壓擺率，較高頻率下的增益比較低頻率下需要更多DC，尤其是當信號鏈中的信號逐漸變大時。這意味著與零中頻相比
，射頻采樣架構在線性射頻部分（很大一部分增益位於DC）會消耗更多的功率。在較低頻率下，壓擺率較低，因此待機電流可以相應地減少。

射頻采樣麵臨的挑戰是需要在高頻和相對較高電壓(~1 V)下驅動大部分是容性的輸入（采樣電容）。相比之下，零中頻輸入是表現良好的50 Ω（或100 Ω）電阻，其進入基帶放大器的求和節點；放(fang)大(da)器(qi)提(ti)供(gong)增(zeng)益(yi)
，消(xiao)除(chu)采(cai)樣(yang)節(jie)點(dian)並(bing)將(jiang)其(qi)與(yu)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)
，減(jian)少(shao)所(suo)提(ti)供(gong)增(zeng)益(yi)要(yao)求(qiu)的(de)射(she)頻(pin)驅(qu)動(dong)。這(zhe)對(dui)線(xian)性(xing)射(she)頻(pin)部(bu)分(fen)的(de)功(gong)耗(hao)具(ju)有(you)深(shen)遠(yuan)的(de)影(ying)響(xiang)，因(yin)為(wei)它(ta)通(tong)過(guo)消(xiao)除(chu)第(di)三(san)射(she)頻(pin)增(zeng)益(yi)級(ji)而(er)將(jiang)總(zong)射(she)頻(pin)功(gong)耗(hao)降(jiang)低(di)25%到50%
，有利於零中頻架構，而且基帶所需的待機電流低於射頻放大。

除chu了le線xian性xing功gong耗hao之zhi外wai，還hai有you與yu數shu字zi化hua相xiang關guan的de功gong耗hao。使shi用yong零ling中zhong頻pin轉zhuan換huan器qi時shi，隻zhi需xu對dui所suo需xu帶dai寬kuan進jin行xing數shu字zi化hua。使shi用yong射she頻pin采cai樣yang時shi
，不bu僅jin寬kuan射she頻pin帶dai寬kuan需xu要yao數shu字zi化hua，而er且qie采cai樣yang速su率lv遠yuan遠yuan超chao過guo奈nai奎kui斯si特te要yao求qiu。與yu帶dai寬kuan和he采cai樣yang速su率lv相xiang關guan的de功gong耗hao都dou很hen高gao。確que切qie的de功gong耗hao取qu決jue於yu工gong藝yi，但dan采cai用yong相xiang同tong的de工gong藝yi實shi現xian時shi
，對dui於yu典dian型xing的de單dan頻pin段duan應ying用yong，射she頻pin轉zhuan換huan器qi的de功gong耗hao比bi基ji帶dai轉zhuan換huan器qi高gao出chu大da約yue125%。即使射頻轉換器可以對兩個頻段進行數字化，功耗仍然要高出40%。

表1. 不同架構中的增益分布

鏡像和雜散信號

這些方案還有次要權衡因素。例如，零中頻會引入LO泄漏和I/Qbupipeijingxiangxiang，ershepincaiyanghuiyinweizhuanhuanqijiagouneidebupipeieryinrujiaozhizasan，yijizhuanhuanqizhongdeshepinxiebohecaiyangxiangguandedoudongxiang。haoxiaoxishi，wulunjiagouruhe，daduoshujingxianghezasanxinhaodoukeyitongguogezhongbeijingsuanfadedaojiejue。

這兩種架構具有截然不同的頻率規劃，這會影響處理混疊的方式以及必須應用多少射頻（外部）濾lv波bo。除chu了le架jia構gou雜za散san信xin號hao之zhi外wai，所suo有you無wu線xian電dian都dou會hui產chan生sheng射she頻pin諧xie波bo並bing受shou到dao混hun疊die影ying響xiang。如ru果guo所suo需xu信xin號hao自zi然ran地di位wei於yu第di一yi奈nai奎kui斯si特te區qu之zhi外wai，則ze射she頻pin采cai樣yang無wu線xian電dian可ke利li用yong混hun疊die對dui所suo需xu信xin號hao進jin行xing下xia變bian頻pin。然ran而er
，問wen題ti一yi般ban出chu在zai幹gan擾rao信xin號hao的de響xiang應ying上shang

，因yin為wei混hun疊die之zhi後hou，它ta可ke能neng會hui意yi外wai落luo在zai所suo需xu信xin號hao之zhi上shang。這zhe些xie信xin號hao必bi須xu通tong過guo細xi致zhi的de頻pin率lv規gui劃hua、高抑製度的射頻濾波或足夠高的采樣速率（此時無混疊）來消除。每種措施都有利弊
，需要慎重權衡。

零中頻架構將信號轉換為基帶（接近DC）。雖然肯定會產生射頻諧波，但其在所有情況下都遠離基帶，並被典型零中頻輸入結構（下文會提到）的低通響應充分濾波。類似地，所使用基帶采樣器的相對較高采樣速率和同樣的輸入結構也會環境混疊。

零中頻濾波器要求

零(ling)中(zhong)頻(pin)架(jia)構(gou)的(de)一(yi)個(ge)很(hen)容(rong)易(yi)被(bei)忽(hu)視(shi)的(de)特(te)性(xing)是(shi)，基(ji)帶(dai)輸(shu)入(ru)放(fang)大(da)器(qi)通(tong)常(chang)構(gou)造(zao)為(wei)一(yi)個(ge)有(you)源(yuan)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)，其(qi)作(zuo)為(wei)集(ji)成(cheng)模(mo)擬(ni)濾(lv)波(bo)器(qi)運(yun)行(xing)
，這(zhe)大(da)大(da)減(jian)輕(qing)了(le)模(mo)擬(ni)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)負(fu)擔(dan)。結(jie)合(he)片(pian)內(nei)抽(chou)取(qu)濾(lv)波(bo)，它(ta)還(hai)能(neng)用(yong)作(zuo)可(ke)編(bian)程(cheng)通(tong)道(dao)濾(lv)波(bo)器(qi)
，消(xiao)除(chu)比(bi)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)相(xiang)關(guan)信(xin)號(hao)更(geng)近(jin)的(de)信(xin)號(hao)。此(ci)外(wai)
，零(ling)中(zhong)頻(pin)接(jie)收(shou)機(ji)內(nei)的(de)采(cai)樣(yang)器(qi)件(jian)通(tong)常(chang)包(bao)括(kuo)反(fan)饋(kui)，可(ke)提(ti)供(gong)額(e)外(wai)的(de)帶(dai)外(wai)抑(yi)製(zhi)。實(shi)際(ji)上(shang)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)無(wu)線(xian)電(dian)的(de)帶(dai)外(wai)區(qu)域(yu)比(bi)帶(dai)內(nei)區(qu)域(yu)具(ju)有(you)更(geng)大(da)的(de)滿(man)量(liang)程(cheng)範(fan)圍(wei)。正(zheng)如(ru)AN-1354文章中所述以及圖3中的簡化圖所示，零中頻無線電本質上對帶外信號具有良好的容忍度。圖3中的縱軸表示相對於帶內的會導致靈敏度下降3 dB的輸入功率水平，它表明帶內信號本身對帶外信號具有容忍度，這是其他架構所沒有的。

圖3. 片內零中頻濾波影響的示例

由於這種內置濾波，主要問題變成對射頻前端（即LNA）的保護。對於FDD和某些TDD
，典型配置是在第一級和第二級LNA之間使用一個SAW濾波器。有些TDD應用將SAW濾波器放在第二級之後，但第二級在大輸入條件下是可旁路的，如圖1所示。通常
，SAW濾波器會提供大約25 dB的帶外抑製
，這裏假設如此。除了SAW濾波器外，LNA的天線側還需要一個與發射機共用的腔體濾波器。

典型的LNA可能具有–12 dBm的輸入1 dB壓縮點。如果帶外或共存要求為16 dBm，則必須將這些幹擾信號濾波到比LNA的輸入1 dB壓縮點低約10 dB（或更多）的程度。抑製最低值為38 dB (+16 – –12 + 10)。加上SAW濾波器，零中頻的輸入端呈現的總帶外抑製為63 dB。假設射頻增益不滾降

，並且算上到內核無線電輸入的總濾波抑製
，最大帶外信號水平將為–20 dBm。這遠低於典型的滿量程
，而且還會被前麵說明過的片內濾波進一步衰減。與圖3相比，該輸入電平不會導致雜散信號或靈敏度下降。

射頻采樣濾波器要求

使(shi)用(yong)需(xu)要(yao)直(zhi)接(jie)關(guan)注(zhu)濾(lv)波(bo)的(de)射(she)頻(pin)轉(zhuan)換(huan)器(qi)架(jia)構(gou)時(shi)
，有(you)兩(liang)個(ge)問(wen)題(ti)需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)。首(shou)先(xian)
，無(wu)論(lun)輸(shu)入(ru)電(dian)平(ping)如(ru)何(he)，任(ren)何(he)信(xin)號(hao)都(dou)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)不(bu)需(xu)要(yao)的(de)雜(za)散(san)信(xin)號(hao)，雜(za)散(san)信(xin)號(hao)可(ke)能(neng)占(zhan)用(yong)與(yu)目(mu)標(biao)信(xin)號(hao)相(xiang)同(tong)的(de)頻(pin)率(lv)。與(yu)交(jiao)織(zhi)相(xiang)關(guan)的(de)雜(za)散(san)通(tong)過(guo)算(suan)法(fa)處(chu)理(li)，但(dan)架(jia)構(gou)雜(za)散(san)是(shi)另(ling)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)，因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)雜(za)散(san)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)預(yu)測(ce)。對(dui)於(yu)許(xu)多(duo)較(jiao)舊(jiu)的(de)射(she)頻(pin)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，這(zhe)是(shi)對(dui)無(wu)線(xian)電(dian)性(xing)能(neng)的(de)持(chi)續(xu)挑(tiao)戰(zhan)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，許(xu)多(duo)新(xin)型(xing)轉(zhuan)換(huan)器(qi)包(bao)含(han)某(mou)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)背(bei)景(jing)擾(rao)動(dong)，可(ke)以(yi)緩(huan)解(jie)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)並(bing)呈(cheng)現(xian)相(xiang)對(dui)幹(gan)淨(jing)的(de)SFDR掃描，如圖4所示。

圖4. 帶擾動的轉換器示例

表2. 架構之間的工程權衡

在該SFDR與輸入電平的關係曲線中，值得注意的是，由於轉換器中的壓擺率限製，前15 dB顯示出惡化，這通常會產生很強的第二和第三諧波，必須予以消減。一旦射頻輸入低於此電平
，諧波和架構雜散通常就不再是問題（請檢查轉換器性能以驗證）。對於1 dBm的滿量程
，可以預期
，當進入轉換器的帶外信號被抑製到-14 dBm以下時，雜散信號將顯著減少。對於50 dB的轉換增益
，如表2所示，這相當於天線的-64 dBm。如果輸入可能為16 dBm，則對於無混疊情況，射頻濾波需要為80 dB或更多。假設SAW濾波器提供25 dB
，那麼腔體濾波器需要提供55 dB才能充分保護射頻ADC，避免因帶外信號而產生非線性，並且保護第一級LNA的輸入，防止其被帶外信號驅動成非線性狀態。此例代表一個表現良好的轉換器，但應仔細檢查所選擇的轉換器的SFDR與輸入電平的關係，以確定是否需要更多濾波。

基於當前商用芯片的射頻轉換器架構還有一個值得擔憂的問題，那就是混疊保護。當前射頻轉換器基於工作速率在3 GSP到6 GSP之間的內核。在這些較低速率下，若不使用高抑製度的濾波來減輕混疊的影響，就不可能避免混疊項。隻有采樣速率達到兩位數的GHz
，此問題才會減輕。

為了考慮混疊對濾波器要求的影響
，一種簡化辦法是考慮對單個源元件的保護
，避免混疊16 dBm的共站要求。目標是將幹擾信號抑製到一定程度，使其混疊到所需的RB也不會影響性能；應對其充分濾波，防止發生任何負麵影響。在大約0 dB SNR時
，基於G-FR1-A1-4信號的廣域參考通道的信號電平將為每RB -118.6dBm。因此，必須通過濾波將滋擾信號降低10 dB至15 dB，或約-130 dBm，以防止影響性能。這樣，總抑製需求約為150 dB

，其中腔體濾波器需要提供大約125 dB，SAW濾波器提供其餘的濾波。

濾波器總結

圖5xianshileshepincaiyanghelingzhongpindeqiangtilvboqiyaoqiu。youyushepincaiyangjiagoujuyoulianggedulideyaoqiu
，yincixianzhizuiyandeyaoqiuzhanjuzhudaodiwei，keshixiandelvboqizhixumanzuzuiyangehuo125 dB的抑製以覆蓋整個頻段。雖然這種濾波很容易獲得
，但不利的一麵是濾波器尺寸很大。相比之下，零中頻架構僅需要40 dB的抑製，使用一個4腔體濾波器就能實現這種性能
，因此重量和尺寸顯著減小。

圖5. 腔體濾波器要求

結論

總之，零中頻和射頻采樣架構都能提供出色的能力。然而

，如果目標是優化成本、zhonglianghechicun，namelingzhongpinjiagouzaiduogefangmianshengchu。conggonghaojiaodukan
，jichengledabufenmonizengyidelingzhongpinjiagoujuyoulingrenxinfudejiedianxiaoguo。tongyang，dangkaolvlvbodeyingxiangshi，lingzhongpinyeyouxianzhujiangdilvboyaoqiudeqianli。suiranlvboqidechengbenchayikenenghenxiao
，dangenjusuoxuqiangtideshuliang
，zhexielvboqidechicunhezhongliangjianshaoyinghuichaoguo50%。

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