直接降頻接收機

相較於超外差接收機架構，由於其製作上的所需的部份單元須靠外接元件以符合規格 要求，使得系統無法進一步整合至單晶片內，因此，近年來接收機逐漸朝向直接降頻之 架構為目標。直接降頻接收機(direct conversion receiver)又稱為零中頻(zero IF) 接收機或 homodyne 接收機，因為其中頻頻率為零，理論上不受到鏡像頻率的干擾，因 而免除了外接式的鏡像消除濾波器，因此在成本、功率消耗及系統整合單晶片的可能性 具備了相當的優勢。其基本架構如圖 2.4 所示。

90

ADC RF filter LNA

LO

ADC I

Q

Discrete component

圖 2.4 直接降頻接收機架構

射頻訊號經由天線接收至 LNA 接收後，若使用相位或頻率調變系統，因其訊號分布於 不同的頻帶上，因此接收路徑需分為 in-phase/quadrature-phase 兩路徑後，再分別與 兩相差 90 度的 LO 訊號做降頻動作至基頻帶，因為此一架構將射頻訊號直接降至基頻帶 上，所以不需要使用通道選擇濾波器，而是串接一級低通濾波器，濾除基頻帶外的雜訊，

而後經過類比/數位轉換器，將其資訊轉為數位信號。

雖然直接降頻接收機具有著不需鏡像頻率濾波器等優點，然而，實際在設計時，直接 降頻接收機卻需面對許多可能產生的問題，譬如，直流偏移(DC Offset)、相位不匹配 (I/Q mismatch)、低頻閃爍雜訊(Flicker noise)、偶次諧波失真(even-order distortion) 以及本地振盪洩漏(LO leakage)等問題，以下將就此做簡單說明:

(a)直流偏移:

直流偏移簡單來說是由於本地振盪訊號和射頻訊號相同，且因為混頻器的 LO 端 RF 端 的隔離度不夠高所致，而較強的 LO 訊號透過基板及電晶體間的接面電容耦合至 RF 端，

甚至偶合至天線端輻射出去再接收後由低雜訊放大器放大後和原始相同頻率的本地振 盪器所混頻，因而產生直流訊號，如圖 2.5(a)。另一種情況則是，若天線接收進一強干 擾訊號後，則此強干擾訊號由於 RF 端至 LO 端隔離度不夠高，使得此強干擾訊號耦合至 LO 端，再與相同頻率的干擾訊號混頻，而得到一直流訊號，如圖 2.6(b)。因此，當發 生直流混頻時，直接降頻混頻器的輸出端除了所需的基頻訊號外，仍包含了直流偏移的 成分，若此直流偏移夠大，則將驅使下一級的類比/數位轉換器飽和而影響資料準確性。

一般解決則是利用大電容將混頻器的輸出訊號的低頻訊號阻隔，以去除直流偏移成 分，然其缺點則是在利用大電容進行耦合時，卻犧牲了基頻訊號的低頻成分，而使訊號 產生失真，因此對於某些調變則不適用。

LNA LPF ADC

LO

LNA LPF ADC

LO

(a)

(b)

圖 2.5 直接降頻接收機的直流偏移原因 (b) 相位不匹配

一般使用相位或頻率調變的接收機，其降頻路徑使用兩互為正交的混頻方 式，為符合此一架構要求，因此需將射頻及本地振盪訊號分成同相訊號(in-phase)與正 交相訊號(quadrature-phase)，此兩相互正交的訊號其產生方式為在其中一端的的傳輸 路徑上串接一個 90 度的相移器，但若是串接在射頻訊號的路徑上，則需涉及到功率、

雜訊以及增益間的相互考量，因此一般將此 90 度的相移器串接在本地振盪訊號的路徑 上，如圖 2.6 所示。因此，若此產生的同相與正交相的本地振盪訊號間存在有振幅的不 匹配或是相位上的偏移時，則將造成降頻訊號星狀圖(Constellation)的飄移而提高了 傳輸位元錯誤率，如圖 2.7 所示。

90

VLO

VRF

LPF

LPF phase and

gain error

phase and gain error phase and gain error

phase and gain error

I

Q

圖 2.6 直接降頻接收機 增益/相位不匹配

I Q

Ideal

I Q

Ideal

(a) (b)

圖 2.7 訊號星狀圖 (a)振幅(b)相位 不匹配效應 (c)偶次諧波失真

若在欲接收的射頻頻帶附近存在有兩相近的強干擾訊號時，則經由非線性電路如 LNA 放大時，其二階交互調變項會出現在基頻頻帶附近，如圖 2.8 所示。又因為混頻器其有 限的隔離度下，使得此二階交互調變項會由射頻端耦合至輸出端，間接的對輸出的基頻 訊號造成影響，因此，此一現象稱之為偶次失真。一般量測偶次諧波失真，我們可以經 由輸入二階截斷點(Input Second-Order Intercept Point,IIP2)來判斷，其原理與 IIP3 類似，均為利用兩相近頻帶的訊號輸入至待測電路中，並掃動不同的輸入功率下，觀察 其二階交互調變項對輸出訊號功率的影響，因此解決方法為提昇整體電路的線性度以及 增強混頻器的隔離度。

LNA

0

0

LO interferers

Desired channel Feedthrough

圖 2.8 偶次諧波失真 (d)閃爍雜訊(flicker noise)]

閃爍雜訊因為其雜訊功率頻譜密度和 1/f 成正比，且和元件尺寸成反比，因此若是頻

率越低，則對欲接收訊號的影響就越大，又因為直接降頻接收機其架構為將訊號降至基 頻，因此閃爍雜訊所帶來的影響將不可忽略。若欲降低其對系統的影響時，可朝增加 LNA 及混頻器的增亦或是將後級電路的元件尺寸加大著手，詳細關於閃爍雜訊的部份將於第 三章後半部混頻器雜訊模型有完整介紹。