射頻系統中的濾波器
1?概述
射頻通信系統中，濾波器是一個非常重要的組成部分。作者在十年前曾經對這些做過簡單的總結。今天再寫這篇文章，發現每次寫文檔都對自己有很大的幫助，我們從較為復雜的射頻基站系統著手，來看一看這些濾波器用來抑制什么？需要多少的抑制度？2?濾波器介紹
表格 2-1?不同濾波器的對比
3?射頻系統中濾波器
圖表 31?射頻系統框圖
1. DAC輸出到IQ的LC濾波器：DAC鏡像抑制濾波器。
2. IQ輸出的介質濾波器或聲表濾波器：本振泄露和鏡像抑制濾波器。
3. PA輸出的腔體濾波器（FDD：雙工器，TDD：濾波器）：前向雜散抑制濾波器。
1. ADC前的LC濾波器：ADC的抗混疊濾波器。
2. Mixer前的介質濾波器或聲表濾波器：Mixer的鏡頻抑制濾波器。
3. LNA前的腔體濾波器（FDD：雙工器，TDD：濾波器）：接收帶外抑制濾波器。
在下面文章中我們會具體分析每一級濾波器的作用及抑制要求。4?功能和抑制分析
4.1?DAC鏡像抑制濾波器
學過采樣定理，我們都知道，數字域的信號是以Fs為帶寬無限翻折，為了降低不必要信號的幅度，在進入DAC變化前一般會使用SINC濾波器來降低高頻信號的幅度。下面看看SINC濾波器的響應：
圖表 4-1?SINC濾波器響應圖
經過SINC濾波器后第二及第三奈奎斯特區域的鏡像信號會有較大的衰減。但依然需要做額外的抑制。
圖表 4-2?DAC輸出頻譜圖
根據SINC函數的響應，我們可以算出濾波器的抑制主要受中頻頻率及DAC采樣頻率的大小影響。1.?相同DAC采樣頻率下，IF頻率越低，抑制度要求越低。
2.?相同的IF頻率下。DAC的采樣頻率越高，抑制要求也越低。
4.2?本振泄露和鏡像抑制濾波器
圖表 4-3?上變頻混頻器方案頻譜圖
如圖，對于混頻器而言，由于本振泄露和鏡像信號都非常大，必須加一個濾波器來濾出系統不需要的信號。
圖表 4-4?上變頻IQ調制器方案頻譜圖
但對于IQ調制器而言，雖然本振泄露和鏡像信號功率較小，同樣需要抑制。目前多數系統都采用校準的方案來搞定這兩個信號，不止是出于成本的原因。如果在此處加一濾波器。前向的射頻鏈路的帶寬將受限于濾波器的帶寬。在越來越多的系統中。選擇DAC+IQ的方案，同時采用校準來消除LO泄露和鏡像信號來實現更寬的射頻帶寬。這個濾波器也已經隨之消逝在歷史的長河里。4.3?前向雜散抑制濾波器
在基站系統中。腔體濾波器的帶寬主要取決于運營商的頻譜寬度。而濾波器的抑制主要取決于協議對雜散的要求。腔體濾波器的抑制指標主要取決于功放輸出的雜散輻射水平，同時也要考慮到前級濾波器殘余信號是否會超出頻譜模板要求。
圖表 4-5?WCDMA發送雜散輻射上限模板
4.4?ADC的抗混疊濾波器
1. 如果不考慮接收機的阻塞信號或者其他干擾信號。抗混疊濾波器只要對相鄰的幾個奈奎斯特區域的噪聲有足夠的抑制（25dB左右），其對信噪比的惡化已經很小（約0.04dB以下）。2. 對于基站系統我們需要考慮接受機的阻塞性能。當阻塞信號落入混疊帶時，這時候就會要求系統中所有濾波器的必須把阻塞信號抑制到小于鏈路底噪20dB以下。基站系統中一般天線口的腔體濾波器也會對混疊帶的阻塞信號有較強的抑制。因而對抗混疊濾波器的抑制并不是十分高。3. 對于寬帶的儀表系統，如頻譜儀。其系統動態高，干擾信號大，其抑制只能由抗混疊濾波器完成，此時一般需要做到至少150dB以上的抑制要求。
圖表 4-6?抗混疊濾波器抑制分析圖
綜上，抗混疊濾波器的指標分析是建立在系統需求的基礎上。一個權衡的結果。對于大多數情況而言，我們所說的抗混疊濾波器實質上指的是濾除相鄰帶的噪聲即可。4.5?Mixer的鏡頻抑制濾波器
這個濾波器和抗混疊濾波器是有那么一點點相似。也是為了濾除噪聲。只是會有那么一絲差異如圖示，混頻時RF信號及信號帶內的噪聲跟本振混頻至IF，但LO+IF處的噪聲也會混頻至IF頻段。那么直接會造成信噪比惡化3dB。即靈敏度惡化3dB，這是系統不能容忍的。所以，鏡頻抑制濾波器是必須的。
圖表 4-7?Mixer鏡頻影響分析
那么鏡頻抑制濾波器主要的抑制對象，即是Mixer鏡頻上的噪聲信號，按照功率的貢獻，當抑制噪聲至20dB以下，就可以保證其對信噪比的惡化小于0.04dB。一般而言，鏡頻濾波器對鏡頻的抑制要求只有20dB即可。如下圖所示。
圖表 4-8?Mixer鏡頻抑制示意圖
系統加上濾波器后，最直觀的影響即無法實現超寬帶了。請看下面示意圖。當射頻帶寬越大，抑制點和通帶越近。濾波器越難實現。當RFBW=2*IFBW時抑制帶和通帶就會連在一快，導致濾波器無法實現。
圖表 4-9?Mixer鏡頻抑制分析
那么寬帶接收機又是怎么實現的呢？其實很簡單，至少有2個方法可以搞定：
1. 低頻用低本振，高頻用高本振：這樣實現帶寬可以增大一倍，也不是完全意義上的超寬頻。不太理解的話可以直接畫個圖看看。這種方法的好處是增大了帶寬并未增加額外的成本。2. 提高IF的頻率：例如頻譜儀等寬帶系統。都會選擇一個極高的中頻（5122.5MHz）這樣。對于低頻信號，其鏡頻的位置都在10GHz以上了。此方案雖然實現了超寬帶，但是需要額外一級混頻再把頻率變下來。4.6?接收帶外抑制濾波器
由于此濾波器帶寬較窄，抑制能力強，所以它不僅有自己的任務，還要協助別人完成任務。濾波器的主要作用：1. 抑制帶外輻射，防止接收機中產生的干擾信號對外產生輻射。
2. 如果是FDD系統，還需要對發射機信號抑制的任務。
3. 協助濾除落在鏡頻，混疊帶的阻塞信號。
這些抑制要求，需要根據實際接收機的設計需求來協同分配及權衡。這里就不在累述。5?說說濾波器
系統的設計其實更多的在于怎么做好權衡取舍。就像濾波器一樣。很多時候是很多部分共同達成了一個合格的系統指標。曾經有人問我混頻器的LO和RF泄露很大，是不是不可以用。我告訴他，無非是價格的問題，加個濾波器就是了。對于系統設計而言，沒有不好的器件。只有不好的設計。6?寫在最后
每一次寫完一篇，都會發現不完美。但是又不知道怎么讓它更完美。每一句話都經過字字斟酌。每一張圖都需要反復修改，但依然在不舍中結束。寫文檔是對自己知識的總結，同樣也想有更多的讀者一起討論。有什么疑問或者錯誤都歡迎大家指正及留言探討，共同進步。
