第二章 接收機系統架構與規格訂定
2.2 接收機系統架構
2.2.1 超外差式接收器(Super-Heterodyne Receiver)
西元1918年，超外插接收機( Super-heterodyne receiver ) 架構由一科學 家Armstrong提出之後，此一接收機架構對於系統設計者而言，著實影響深 遠，時至今日此一架構仍有多種改良及應用，無論是在工業界抑或是學術 界，適用於多種通訊協定之接收機的設計、實現；具有良好的選擇性以及 靈敏度為其主要優點，其基本架構如圖2.1 所示，其工作原理如下：由天 線(Antenna )接收到的射頻信號經過射頻前置濾波器( RF BPF )濾除射頻頻 帶fRF週遭的雜訊，再串接至低雜訊放大器( LNA )放大所要之信號並抑止雜 訊的干擾，然後再採用鏡像消除濾波器( Image Reject Filter )把鏡像訊號濾 除，接著射頻訊號經由混頻器與本地振盪器所產生之本地振盪信號交互調 變，與混頻器輸出端即可得到降頻後之中頻信號( Intermediate Frequency，
IF)，之後經頻道選擇濾波器(Channel Select Filter)選出需要的頻道訊號，然 後再透過中頻放大器( IF Amplifier )放大信號輸出。中頻帶範圍的選擇攸關 超外差接收器整體表現的良窳，中頻頻率必須高到足以使本地振盪器另一 端的鏡像頻率能被鏡像頻率濾波器濾掉，否則鏡像頻率將經由混波器與本 地振盪器移頻到中頻，產生個虛假的信號重疊在想要的頻道，造成信號的 惡化。
CHAPTER 2 The Architecture and Decide the Specifications
超外差式接收器在中頻帶的濾波器能夠有效達到頻道選擇性與靈敏 度的要求，且這種架構可直接把鏡像頻道排除於射頻帶通濾波器之外，只 要設計的當便會有清晰的頻帶選擇性與對微小信號的高靈敏度。
圖2.1 超外差式接收器之基本架構圖
訊號在射頻頻帶傳輸時，若欲濾除頻帶外雜訊需利用具高品質因素 (Quality Factor，Q)的濾波器，但是高 Q 值的濾波器在實現上有其困難度，
且濾波電路通常會造成訊號功率的損耗。在超外差接收機架構之中，由於 對接收訊號多次降頻，因此相對低也減輕了對於通道選擇濾波器Q 值的要 求，而鏡像消除濾波電路通常在上利用被動元件實現，並以Off-Chip 的方 式與電路銜接，但往往造成電路面積過於龐大的缺點，因此應用在系統單 晶片有其在實現上的瓶頸存在；其次，由於外加鏡像消除濾波器，因此LNA 的輸出端需再設計50Ω的阻抗匹配(Impedance Matching)電路，間接影響 LNA 的增益，NF，穩定度及消耗的功率在設計時的取捨；再者，因為濾 波電路皆在設計時就納入考量，因此其通帶頻寬及中心頻率皆為常數，無 法再加以變更，若是接收機欲使用於多種通訊協定下操作，則需針對每種 協定設計不同的訊號處理路徑以及相對映之濾波器，在成本及能量的考 量，皆損耗甚鉅；以下我們將此超外差接收機架構之優、缺點逐一列出，
並作一簡單之比較。
☺優點：
1. High frequency selectivity and sensitivity.
2. Good adjacent channel, noise, blocking signal filtering.
CHAPTER 2 The Architecture and Decide the Specifications
☻缺點：
1. Higher IF frequency常使IF filter fractional bandwidth變的非常小，亦即需 要昂貴的high Q SAW(Surface Acoustic Wave) or Crystal filter才能作到。
而且此種filter的pass band performance對前後級的mismatch非常敏感。
2. 在Low Noise Amplifier(LNA)前後通常要加Image rejection filter，為了不 讓image signal同時降頻至IF band。IF frequency越低，則filter的image rejection rate要更高，會造成成本增加。
3. IF filter體積大，也使得它無法和主動電路積體化。
4. 由於IF filter的頻寬及中心頻率通常已被固定，以至於系統無法接收其他 模式的信號，只能完成單一種無線標準的操作。
在此低雜訊放大器目的在放大接收訊號，減少接收機後級電路自生的 雜訊對訊號雜訊比的影響。故設計LNA時增益越大，後級電路的雜訊對訊 號的影響越小，但相對的後級電路因輸入訊號變大，線性度的要求較為嚴 格，故必須合理的分配LNA、混波器與中頻放大器的增益與損耗。
2.2.2 雙降頻式超外差接收器(Double Down-Conversion Super- Heterodyne Receiver)
雙降頻式超外差接收器的基本架構如圖2.2所示，是歷史悠久且一直 被廣泛應用的架構；其接收訊號運作的方式是將射頻(RF)訊號降至較低的 中頻(IF)訊號，再降至基頻；傳送方式為基頻上升至中頻，再升頻至射頻。
其架構優點為具有優良的動態範圍和選擇性，在給定的性能要求下開發週 期較短、風險較小。缺點是元件數較多、高Q值的濾波器對系統性能有一 定的影響且價格昂貴，如須整合系統至晶片內由於體積過大，所以必須置 於晶片之外。
圖2.2 雙降頻式超外差接收器之基本架構圖
CHAPTER 2 The Architecture and Decide the Specifications