零中頻架構的一個痛點----直流偏移

原創加油射頻工程師 2023-08-21 12:35

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零中頻架構的概念早在1924年就被提出來了，但是到20世紀90年代，才得到廣泛應用。

這是因為，雖然零中頻架構看上去容易，但是想基于分立器件來實現的話，難度很大。

隨著后來半導體技術和集成電路的發展，才使得零中頻架構的實現，成為可能。

零中頻架構的痛點之一，就是直流偏移，英文稱為DC-offset。

直流偏移的來源

直流偏移的來源，可能來自于以下方面。

(1) 本振信號自混頻

如上圖所示，由于各種原因，比如混頻器的RF和LO端口之間有限的隔離度，基板或者空間的耦合，本振會泄露到前級，而這些泄露，由于級間失配，又會被反射至混頻器的輸入端，與本振混頻，從而產生直流偏移。

(2) 發射泄露自混頻

如上圖所示，在全雙工系統中，PA的發射信號：

一種路徑，會通過雙工器，LNA，SAW等RF通路泄露至混頻器的RF端，由于RF-LO的有限隔離度，泄露到RF信號，和泄露到RF端口接著到LO端口的信號相混頻，進而產生直流偏移(DC offset)。
另一種路徑，會通過基板/PCB或者共同的供電系統等途徑，泄露到混頻器的LO端，同樣由于LO-RF的有限隔離度，泄露到LO的信號，和泄露到LO端口接著到RF端口的信號想混頻，進而產生直流偏移(DC offset).
第一路徑和第二路徑的發射泄露，也會在混頻器上相互混頻，從而產生直流偏移(DC offset).

這種發射泄露的自混頻，如果傳輸信號是幅度調制的話，除了直流分量，還會產生低頻產物。

(3) 強干擾信號自混頻

強干擾信號傳輸到混頻器的RF端，由于RF-LO的有限隔離度，泄露到LO端口，則兩端口上的干擾信號之間發生混頻，從而產生直流偏移(DC offset)。

強干擾信號進入到RF通路中，電路的二階非線性，也會產生直流偏移，如下圖所示。

直流偏移的危害

直流偏移如果沒有辦法去除的話，會嚴重影響接收機的性能。

因為零中頻接收機的鏈路中的很大部分增益是在基帶模塊中的，假設混頻器的輸出端有200~250uV的直流偏移，并且基帶模塊的增益約為70~80dB的話，則會使得基帶放大器，特別是最后一級基帶放大器飽和，從而使得有用的小信號不能正常接收。

消除直流偏移的方法

消除直流偏移的方法，可以由以下幾種方法：

在基帶模塊中，使用交流耦合或者高通濾波器，是移除時不變直流偏移的一種有效手段。一般來說，高通濾波器的角頻率，需要大約為符號率或者碼率的0.1%或者更小，以防止明顯的信噪比的惡化。

對于低速率或者窄帶信道帶寬系統，需要使用非常小的轉角頻率(<50Hz)的濾波器來消除DC偏移。在這種情況下，耦合電容非常大，不利于集成。這個時候，可以采用片外無源器件，也可以使用有源直流模塊。

對于時不變直流偏移，可以在不同增益模式下進行校準，然后將校準值制成查找表，放在存儲器中，或者在接收機的空閑時隙，將LNA的輸入端用虛擬負載端接并評估直流偏移，并放在存儲器中。在工作模式下，或者突發時隙(burst slot)中，存儲的DC偏移通過DAC饋送動模擬基帶模塊中的減法器，然后根據增益及估計的偏移來補償固有直流偏移。
對于時變直流偏移，如果調制方式具有零平均值，比如QPSK，則是通過對包含直流偏移的數字化信號進行平均來測量直流偏移。測量的值，可以通過DAC從模擬基帶電路或者數字基帶電路中的信號中減去，如下圖所示。