外差接收機(jī)作為接收機(jī)方案的標(biāo)準(zhǔn)選擇已有數(shù)十年歷史。近年來(lái)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 采樣速率的迅速提高、嵌入式數(shù)字處理的采納以及匹配通道的集成，為接收機(jī)架構(gòu)提供了幾年前尚被認(rèn)為是不切實(shí)際的其他選擇。

本文比較三種常用接收機(jī)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)：外差接收機(jī)、直接采樣接收機(jī)和直接變頻接收機(jī)。還會(huì)討論關(guān)于雜散，系統(tǒng)噪聲和動(dòng)態(tài)范圍的額外考慮。本文的意圖并非要褒揚(yáng)某種方案而貶抑其他方案，相反，本文旨在說明這些方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員按照工程準(zhǔn)則選擇最適合特定應(yīng)用的架構(gòu)。

架構(gòu)比較

表1比較了外差、直接采樣和直接變頻三種架構(gòu)。同時(shí)顯示了每種架構(gòu)的基本拓?fù)浜鸵恍├住?/span>

表1. 接收機(jī)架構(gòu)比較

外差方法久經(jīng)檢驗(yàn)，性能出色。實(shí)施原理是混頻到中頻 (IF)。IF需選擇足夠高的頻率，使得實(shí)際濾波器在工作頻段中能夠提供良好的鏡像抑制和LO隔離。當(dāng)有超高動(dòng)態(tài)范圍ADC可用時(shí)，增加一個(gè)混頻級(jí)以降低頻率也很常見。此外，接收機(jī)增益分布在不同的頻率上，這使得高增益接收機(jī)發(fā)生振蕩的風(fēng)險(xiǎn)非常小。通過適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃，外差接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)非常好的雜散能量和噪聲性能。遺憾的是，這種架構(gòu)是最復(fù)雜的。相對(duì)于可用帶寬，其需要的功耗和物理尺寸通常是最大的。此外，對(duì)于較大分?jǐn)?shù)帶寬，其頻率規(guī)劃可能非常困難。在當(dāng)前追求小尺寸、低重量、低功耗 (SWaP) 并希望獲得寬帶寬的背景下，這些挑戰(zhàn)難度很大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員不得不考慮其他可能的架構(gòu)選項(xiàng)。

直接采樣方法已被業(yè)界追求許久，其障礙在于很難讓轉(zhuǎn)換器工作于直接射頻采樣所需的速率并且實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬以及實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬。在這種架構(gòu)中，全部接收機(jī)增益都位于工作頻段頻率，如果需要較大接收機(jī)增益，布局布線必須非常小心。如今，在L和S波段的較高奈奎斯特頻段，已有轉(zhuǎn)換器可用于直接采樣。業(yè)界在不斷取得進(jìn)展，C波段采樣很快就會(huì)變得實(shí)用，后續(xù)將解決X波段采樣。

直接變頻架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬的使用效率最高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特頻段工作，此時(shí)性能最優(yōu)，低通濾波更為簡(jiǎn)單。兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器配合工作，對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行采樣，從而提高用戶帶寬，同時(shí)又不會(huì)有交織難題。對(duì)于直接變頻架構(gòu)，困擾多年的主要挑戰(zhàn)是維持I/Q平衡以實(shí)現(xiàn)合理水平的鏡像抑制、LO泄漏和直流失調(diào)。近年來(lái)，整個(gè)直接變頻信號(hào)鏈的先進(jìn)集成加上數(shù)字校準(zhǔn)已克服了這些挑戰(zhàn)，直接變頻架構(gòu)在很多系統(tǒng)中已成為非常實(shí)用的方法。

頻率規(guī)劃視角

圖1顯示了三種架構(gòu)的框圖和頻率規(guī)劃示例。圖1a為外差接收機(jī)示例，高端LO將工作頻段混頻到ADC的第二奈奎斯特區(qū)。信號(hào)進(jìn)一步混疊到第一奈奎斯特區(qū)進(jìn)行處理。圖1b為直接采樣接收機(jī)示例。工作頻段在第三奈奎斯特區(qū)進(jìn)行采樣并混疊至第一奈奎斯特區(qū)，然后將NCO置于頻段中心，數(shù)字下變頻到基帶，再進(jìn)行濾波和抽取，數(shù)據(jù)速率降低到與通道帶寬相稱的水平。圖1c為直接變頻接收機(jī)示例。雙通道ADC與正交解調(diào)器對(duì)接，通道1對(duì)I（同相）信號(hào)進(jìn)行采樣，通道2對(duì)Q（正交）信號(hào)進(jìn)行采樣。