MBR基站宽带接收机设计分析

陶 俊，刘 兵

(中兴通讯股份有限公司，上海201203)

0 引言

当前无线通信技术飞速发展，多制式通信系统并存，基于软件定义无线电(SDR)技术平台的多载波、多模基站已得到大规模商用。但是随着移动互联网应用需求的爆发式增长，可用的频谱资源越来越匮乏，如何提高频谱利用率是未来无线系统需要重点考虑的问题之一。其中，实现频谱资源的动态共享是解决途径之一，市场和技术需要高度灵活的多频带可配置的SDR基站系统［1-3］。多频段无线(MBR)系统是SDR技术演进的一个新阶段，具备多模、多工作频段可配置和宽带多载波等特点，基于MBR技术的无线基站能够适应多个频段应用的需求。在MBR基站系统设计中，MBR宽带接收机的设计面临诸多挑战，下面对MBR基站宽带接收机的设计进行具体分析和探讨。

1 设计所面临的技术挑战

1.1 架构选择

目前宽带接收机通常采用超外差的方式，超外差方案较为成熟、综合性能较好，但应用于MBR基站宽带接收机要面临镜像抑制的难题，要依赖射频前端频段(Band)选择滤波电路来降低其对射频链路动态和线性的要求，增加了射频前端设计的复杂度。而直接下变频(Direct-Conversion)或零中频(Zero-IF)架构接收机中的射频信号直接下变频为基带信号，避免了镜像抑制的难题，而且易于高度集成化和小型化，所以MBR基站接收机优选基于直接下变频架构的接收机方案［4，5］。

但无线基站系统有较严的指标要求，对宽带接收机设计有巨大考验，主要体现在动态范围和阻塞等指标上，这使得直接下变频架构在MBR基站宽带接收机中实现要面临巨大的挑战。

MBR直接下变频宽带接收机基本架构框图如图1所示，主要包括:多频段双工器、低噪声放大器(LNA)、射频带通滤波器(RF BPF)、宽带IQ解调器、宽带射频频综、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)和数字信号处理单元(DSP)等。

图1 接收机基本架构

1.2 预选Band滤波

在MBR接收机中，预选Band滤波功能主要由多频段双工器和射频带通滤波器来实现，以双工滤波抑制为主，其目的是抑制带外阻塞干扰和发射泄漏杂散的影响。LNA之后的射频带通滤波器起辅助作用，可以进一步弥补双工滤波抑制的不足。在IQ解调器之后的低通滤波器主要是进行抗混叠滤波。

预选Band滤波实现时要求连续频段可调，但目前2G、3G和4G通信系统工作频段跨度非常大，包括了从700 MHz～2.6 GHz之间的多个频段，要求全频段实现连续可调是非常困难的。可行的实现方案是划分成多组连续频段来实现，比如:700 MHz～1 GHz、1.7 ～2.1 GHz和2.1 ～2.6 GHz三组，以降低滤波要求。

多频段双工器的实现方案主要有多带组合双工器和电机可调谐双工器2种。多带组合双工器实现较为容易，但每个带都需要一组腔，不灵活、体积大、插损大、成本高;电机可调谐双工器应用较为灵活，但实现难度较大、结构和电路复杂、成本高。

射频带通滤波的实现方案主要有:①集成多带SAW/FBAR方案，通过开关切换滤波器组，实现较为容易，但体积大、成本高、配置不灵活;② 可变电容、电感的调谐滤波器方案，实现灵活但调谐范围较窄，而且会导致信号失真;③ RF微电机系统(MEMS)开关或谐振器等新的技术方案［6］。

1.3 ADC的选择

A/D转换器目前主要有奈奎斯特A/D转换器和过采样∑-ΔADC两种。二者区别在于，前者输入与输出序列保持相同的频率，后者输入与输出序列的频率不同。奈奎斯特A/D转换器在单独一个采样间隔内完成量化，而基于过采样∑-ΔADC粗略量化采样点，经过数字域的抽取后达到一个低的抽样率，在此基础上再准确估计采样点［7］。

∑-ΔADC由∑-Δ调制器(包括比较器、电压参考、DAC、积分器和模拟加法电路等)和抽取数字滤波电路组成。∑-Δ调制器的工作机制是用比用奈奎斯特定理采样快的频率进行采样，并通过量化噪声成形使有用信号带内的噪声功率谱密度趋于0，再通过抽取数字滤波电路滤除掉有用信号带外的无用噪声或干扰［8］。

∑-ΔADC有较为突出的信噪比性能，其噪底较低，这样在接收机设计时，可以有效地降低接收机增益需求。接收机增益降低，接收机IP2和IP3等指标也可以相应降低要求，这对于直接下变频接收机链路设计尤为重要。同时基于∑-ΔADC抽取器的过采样方法使得抗混叠滤波器中间过渡带扩大，可以有效地降低ADC输入端模拟抗混叠滤波器的设计要求，简化电路设计。所以，在MBR基站直接下变频接收机中，需要选择∑-ΔADC作为 A/D转换器。

2 直接下变频架构应用分析

2.1 本振泄漏

直接下变频接收机的本振与信号的频率相同，如果混频器本振口和射频口的隔离度不好，本振信号就很容易通过射频口输出，再通过低噪放泄漏到天线，进而被相邻的通道接收，对相邻的通道形成干扰。

本振泄漏到相邻的通道一部分可以通过硬件来解决，因为本振泄漏类似于共模干扰，可以用差分的方式来加以抑制，比如选用LNA和正交调制器之间采用差分的方式作为接口，选用本振到射频隔离度高的正交调制器以及优化单板布板等方式来减少这些影响;另外在本振进入其他通道后，与本振混频形成直流，作为直流偏置可以通过数字补偿的方式加以解决。

2.2 偶次失真

传统超外差接收机是奇次阶失真，容易落在信号带内，形成干扰;而对于直接下变频接收机来说，要考虑其偶次阶非线性形成的偶次失真干扰。这种偶次阶非线性来源有多种:一种是LNA的偶次阶非线性，因为混频器射频到中频的隔离度不够，而最终泄漏到ADC输入口形成干扰;另一种是混频器的偶次阶非线性，信号在混频器中自混频，以及其他方式形成的偶次阶非线性。这些偶次失真干扰增加了接收通道的噪声，恶化了信号的信噪比，影响到接收通道工作的动态范围。其中重点要考虑二阶失真，为了避免二阶失真干扰，直接下变频接收机链路需要有较高IIP2。

在整个链路设计中，主要考虑IQ解调器所产生的二阶失真干扰，至于射频前端电路产生的二阶失真干扰可以通过射频带通滤波器和隔直电容滤除，可不作为重点考虑。

2.3 闪烁噪声

闪烁噪声又称为1/f噪声，是绝大多数半导体器件的固有噪声，它的大小与频率成反比，随着频率的降低而增加。对于直接下变频接收机，主要的影响体现在IQ解调器和基带放大器的零中频信号接收端的噪声上，噪声的特性体现在越接近零频噪声越强。显然对于接近DC的窄带信号(比如:GSM信号)影响非常大，而对于宽带信号(比如:UMTS、LTE)则影响较小。

闪烁噪声对于直接下变频接收机的影响较大，为了保证接收的灵敏度和动态范围，需要在器件选择、链路设计和单板布板上进行克服;在数字信号补偿上也可以进行优化，来减少闪烁噪声的影响，降低硬件的压力。

2.4 直流偏置

直流偏置是直接下变频接收机特有的一种干扰，主要由自混频引起。产生的直流偏置就叠加在零中频有用信号上一起进入ADC，进而影响到整个接收通道的性能。

有些方案提出采用交流耦合的方式来减少和消除直流偏置的影响。但实际上，零中频有用信号在直流附近也有很大的能量，采用交流耦合的方式虽然抑制了直流偏置，但同时也造成有用信号质量的恶化，除非在直流附近没有有用信号。最好的解决方案是采用数字校正技术来自适应地消除直流偏置。

2.5 IQ不平衡

在直接下变频接收机中，通过IQ解调器将射频信号分成2路正交的信号，最终通过滤波和模数转换转换成数字信号。在实际系统中，因为器件和通道不理想，会造成IQ两路不正交，主要体现为相位和幅度的不平衡。而IQ通道的幅度和相位的不平衡性会带来较大的镜像杂散。

对于宽带接收机而言，IQ不平衡带来的镜像杂散落在接收带内，对接收机性能影响较大，必须能够有效抑制。IQ不平衡受到器件水平和硬件设计的固有特征的限制，在硬件上是无法完全解决的，必须通过数字校正技术来消除［9］。

3 设计分析

3.1 IQ不平衡抑制分析

在目前2G、3G和4G系统中，MC GSM宽带接收机对IQ不平衡抑制能力的要求最高。根据3GPP规范对于MC GSM接收机阻塞指标要求［10］，对于GSM阻塞信号的镜像抑制能力要不小于83 dB，如果再考虑2 dB余量，则要求不小于85 dB，如表1所示。

表1 MC GSM接收机阻塞指标要求

根据3GPP规范对GSM接收互调指标要求，天馈口输入干扰信号电平是-43 dBm，天馈口输入有用信号电平为-101 dBm，设解调门限为7 dB，则对于GSM接收互调干扰信号的镜像抑制能力要不小于65 dB，如果再考虑2 dB余量，则要求不小于67 dB。

综上分析，可以进一步简化IQ不平衡抑制能力要求:对于单音信号，IQ不平衡镜像抑制能力要求不小于85 dB;对于多音信号，IQ不平衡镜像抑制能力要求不小于67 dB。

3.2 带外干扰抑制分析

接收机的带外干扰抑制的主要目的是要把输入的阻塞或大杂散信号尽可能衰减，使之不会影响接收机链路的线性和动态。带外阻塞干扰可以简单分为镜频阻塞干扰和非镜频阻塞干扰。镜频阻塞干扰信号的频率与需要信号的频率相差2倍的中频频率。

对于传统的超外差架构接收机而言，要求有较高的镜频阻塞干扰抑制能力。以GSM系统为例，GSM带外阻塞干扰电平为8 dBm，灵敏度要求是-104 dBm，解调门限7 dB，则要求镜频阻塞抑制能力不小于119 dB。而对直接下变频接收机而言，由于不存在镜频阻塞干扰信号，只需要将带外干扰电平抑制到接收互调干扰电平以下即可，以GSM系统为例，接收互调干扰电平为 -43 dBm，则只需要51 dB左右抑制能力即可。

对于带外非镜频阻塞干扰，由于直接下变频接收机采用∑-ΔADC，使得接收机链路增益比传统的超外差架构接收机降低了10 dB以上，相当于接收机链路线性提升了10 dB以上，相应带外非镜频阻塞干扰抑制要求也就大大降低。

3.3 接收机链路预算分析

根据 3GPP 规范要求［11，12］，当前多个移动制式的接收机关键参数要求总结如表2所示。根据上述分析，一个简单的MBR基站直接下变频方案接收机设计框图如图2所示，链路预算结果如表3所示。

表2 多个制式接收机要求

图2 MBR接收机设计

表3 链路预算结果

当然具体实现时，还需进一步仔细考虑:① 直接下变频接收机实现的主要瓶颈还是在IQ不平衡校正算法上，至少要做到85 dBc的镜像抑制，并且是对宽带的要求，这需要数字校正算法做到精确的建模和求解;②对于收发通道隔离方面的影响分析没有深入展开，实现时还需认真考虑;③ 目前商用的∑-ΔADC处理带宽一般较窄，需要进一步提升处理带宽性能。

4 结束语

本文对MBR基站宽带接收机的设计进行了分析和研究，分析了设计所面临的挑战，并提出采用直接下变频架构来简化MBR基站接收机链路的设计，以提高电路集成度，便于实现系统的小型化。但直接下变频架构带来的技术难点和影响很多，一方面需要通过硬件电路设计来保证;另一方面需要靠数字校正技术来修正。

［1］ LIAO H Y，ZONG B Q，WANG J L，et al.RF Technologies and Challenges for Future MBR Systems in Cellular Base Stations ［J］.ZTECOMMUNICATIONS，2011，9(2):6-11.

［2］ 杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理及应用［M］.北京:电子工业出版社，2001:1-8.

［3］ 王喜瑜，郭丹旦，崔 卓.无线通信系统中的软基站技术［J］.中兴通讯技术，2010，16(4):48-51.

［4］ ALI-AHMAD W Y.Radio Transceiver Architectures and Design Issues for Wideband Cellular Systems［C］∥Radio-Frequency Integration Technology:Integrated Circuits for Wideband Communication and Wireless Sensor Networks，2005.Proceedings.2005 IEEE International Workshop on.IEEE，2005:21-25.

［5］ TUTTLEBEE W.软件无线电技术与实现［M］.杨小牛，邹少丞，楼才义，等译.北京:电子工业出版社，2004:46-53.

［6］ CETINER B A，JAFARKHANI H，QIAN J Y，et al.Multifunctional Reconfigurable MEMS Integrated Antennas for Adaptive MIMO Systems ［J］.IEEE Communications Magazine，2004，42(12):62-70.

［7］ 陶 然，张惠云，王 越.多抽样率数字信号处理理论及其应用［M］.北京:清华大学出版社，2007:243-246.

［8］ 张志刚.常用A/D、D/A器件手册［M］.北京:电子工业出版社，2008:29-31.

［9］ GU Jian.Method and Apparatus to Remove Effects of I-Q Imbalances of Quadrature Modulators and Demodulators in a Multi-Carrier System［P］.US:7177372 B2，2007.

［10］ 3GPP TS 45.005.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network;Radio Transmission and Reception(Release 9)［S］，2009.

［11］ 3GPP TS 36.104.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Base Station(BS)radio transmission and reception(Release 9)［S］，2009.

［12］ 3GPP TS 25.104.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Base Station(BS)Radio Transmission and Reception(FDD)(Release 9)［S］，2009.