基于零中频技术的GSM接收机的研究和开发

杜玉华,王光成

(常州工学院 电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

基于零中频技术的GSM接收机的研究和开发

杜玉华,王光成

(常州工学院 电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

针对传统的GSM接收机一般采用二次变频超外差方案或一次变频的低中频方案，提出了一种基于零中频的实现方案，它采用一片AD公司的高性能下变频芯片ADRF6801，配以简单的前级放大和滤波电路，电路简洁，可以实现较好的性能指标，满足产品小型化、低功耗的要求。实际测试表明，采用该方案实现的接收机噪声系数低，灵敏度高，可应用于GSM接收的各种场合。

GSM接收机；零中频；射频

0 引 言

随着通信技术和微电子技术的大力发展，市场对设备小型化、低功耗的需求也越来越高。传统的GSM接收机射频通常采用二次变频超外差方式或一次变频的低中频实现方案。尽管这些方案可以实现较高的灵敏度和动态范围，但是其电路设计复杂度较高，成本相对较昂贵，难于实现集成，在面对当前设备小型化、低功耗和低成本的压力下显得力不从心。而直接零中频的方案，尽管存在直流偏移和I/Q不平衡问题，但很多技术专家已经在这方面做了很多的探索和实践，提出了对这些问题的解决方案[1-3]，使这些问题得到了较好的解决，满足了实际使用的要求，使零中频方案的应用得到了更大的发展。

1 零中频方案

1.1 零中频方案原理

由于超外差接收机难于集成的问题，限制了它在高集成无线收发信机中的应用，如果中频的中心频率为零，就不存在镜像干扰的问题，不需要片外的中频滤波器，便于集成，于是便设计出了零中频的方案。零中频接收机具有体积小、成本低、多波段、多模式兼容等特点，已成为射频接收机中极具竞争力的一种结构，如图1所示。当前部分成熟的移动终端设备的前端设计方案采用了这种结构[4-6]。与传统的超外差接收机相比，零中频接收系统不需要中频环节，不存在镜像频率干扰，放大和滤波都在基带实现，镜像抑制滤波器及中频滤波器均可省略，一方面取消了外部元件，有利于系统的单片集成，降低成本；另一方面系统所需的电路模块及外部节点数减少，降低了接收机所需的功耗并减少射频信号受外部干扰的机会，射频信号受外部干扰的机会也显著降低[7]。

不过零中频结构存在着直流偏移和本振泄漏等问题，因此有效地解决这些问题是保证零中频结构正确实现的前提。

1.2 实现方案

基于零中频的GSM接收机射频原理框图如图2所示。

1.2.1 电路设计原理

(1)射频前端

射频前端电路原理如图3所示。

图2 接收机射频原理框图

图3 射频前端电路原理图

信号进到接收机射频前端后，首先进行带通滤波，选出所需的频带信号。本设计采用的滤波器为声表面波滤波器，具有带外抑制好、频率响应平坦等特点，通带频率为925～960 MHz。

低噪声放大器(LNA)是接收机射频前端的主要部分，要求它的噪声越小越好。同时，为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求其有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。因此，对低噪声放大器的增益和噪声系数需要进行合理的选定才能对接收机性能的提高提供帮助。本设计采用的LNA是Hittite公司的低噪声放大器HMC376和HMC373，专用于GSM和CDMA接收机，其工作频率为700 MHz 到1 GHz，噪声系数为0.7 dB，增益为15 dB。将两种放大器进行级联可以获得较好的噪声系数和增益。它的外围电路非常简单，需要注意的是，为了使放大器获得更好的放大性能，对其供电电路需要进行一定的滤波处理，隔离掉电源噪声对放大器性能的影响。

(2)下变频

下变频及其外围电路设计如图4所示。

图4 下变频电路原理图

下变频采用的是AD公司的ADRF6801，它集AD公司领先的小数N分频PLL(锁相环)频率合成器和低相位噪声 VCO(压控振荡器)与高动态范围解调器于一体。工作频率范围为750 MHz至1150 MHz，噪声系数为14.3 dB，输入IP3(三阶交调截点)为25 dBm，P1dB(输入压缩点)为12.5 dBm，差分I和Q输出路径具有出色的正交精度，相位精度为0.3°，幅度精度为0.05dB，可以处理基带信号或最高120 MHz的复数中频信号。ADRF6801 支持通过SPI/I2C串行接口进行 PLL编程，用户可以选择外部 LO(本振)源或内部产生的 LO 信号。

下变频器ADRF6801的外围控制电路比较简单，参考时钟RFCLK的频率为13 MHz，本振信号由内部VCO产生。下变频器设计的关键是内部寄存器的控制，在软件设计的章节部分进行详细介绍。

(3)基带滤波和放大

基带滤波和放大电路如图5所示。

基带滤波电路采用了简单的低通滤波电路实现，GSM基带信号的频率较低。本设计中低通滤波的截止频率为100 kHz，基带放大采用了AD公司的高速差分放大器AD8132，用于驱动后级的A/D电路，增益控制通过调整跨接电阻来实现。在VOCM引脚上施加电压便可调整差分输出的共模电平，从而使驱动单电源ADC的输入信号可轻松实现电平转换，满足A/D的使用要求。

(4)射频控制

射频控制由单片机C8051F020完成，主要功能包括两部分：利用单片机内置的UART串口，射频可以接受应用层的指令进行接收频率的调整和控制；通过单片机的SPI口对下变频芯片ADRF6801的寄存器配置，同时，单片机还完成对下变频芯片的片选控制。

图5 基带滤波和放大电路原理图

1.2.2 软件设计

本方案的软件设计主要是单片机与应用程序的串口通信和ADRF6801的寄存器控制。软件流程如图6所示。

图6 软件流程

ADRF6801内部包括6个寄存器，每个寄存器均为24位，最低的3位用于识别不同的寄存器，频率的控制通过改变寄存器0、寄存器1和寄存器2的值来实现。

频率控制的计算方法如下：

(1)

其中，fOUT为输出频率；fVCO表示环路锁定时VCO的频率；fPFD表示相位频率检波器输入端的频率，在本设计中为26MHz；INT表示寄存器0编程设置的整数分频比；FRAC表示寄存器2编程设置的小数分频比；MOD表示寄存器1编程设置的模数分频比。

假定需要对频率为941MHz的信号进行接收，其参数设置和配置步骤如下：

(1)设置寄存器6，用于配置VCO控制和使能参数，在本设计中，使用了内部的VCO产生本振信号，需配置内部VCO使能，24位的寄存器设置值为0x1E、0x62和0x06。

(2) 设置寄存器5，用于配置本振通路和解调器控制参数，在本设计中，本振信号由内部VCO产生，解调器工作在非低功耗模式，提高混频器的性能，器件的LO管脚作为输出引脚使用，24位的寄存器设置值为0x00、0x00和0xC5。

(3) 设置寄存器4，用于配置电荷泵,PFD和参考控制参数，在本设计中，输入参考采用×2方式，多路输出引脚配置为锁定检测输出，24位的寄存器设置值为0x02、0x67和0xEC。

(4) 设置寄存器3，用于配置Σ-Δ型调制器扰动控制参数，在本设计中，24位的寄存器设置值保留默认值为0x70、0x00和0x0B。

(5) 设置寄存器2(小数分频控制)，小数分频比设置为5，24位寄存器设置值为0x00、0x00和0x2A。

(6) 设置寄存器1(模数分频控制)，模数分频比设置为13，24位寄存器设置值为0x00、0x00和0x69。

(7) 设置寄存器0(整数分频控制)，整数分频比设置为72，24位寄存器设置值为0x00、0x02和0x40。

1.2.3 直流偏移处理

直接下变频接收机中频为零，混频器RF信号和本振信号输入端之间串通引起自混频，这样就会产生较大直流信号，该直流信号叠加在基带信号上，导致误码率增大，并有可能造成后续放大器处于饱和状态，影响接收机正常工作。交流耦合被认为是最有效的简单去除直流偏移的方法。将下变频后的基带信号通过电容耦合隔直流后送入基带放大器，滤除直流部分的信号，以此消除由自混频引起的直流偏移的干扰。本设计中通过交流耦合传输信号，这样就可以很好滤除直流信号。

2 结 语

基于零中频技术的GSM接收方案已在某项目中得到应用，经过实际测试，射频部分的噪声系数为6dB，接收灵敏度指标优于-105dBm，是一款不错的GSM信号接收方案，可用于GSM信号接收的各种应用场合。

[1]徐礼哲．消除零中频接收机直流偏移的分析和研究[J]．电子技术，2010,(9)：45-46．

[2]方俊,赵秋明,莫玮．零中频接收机DC偏移和IM2消除的探讨[J]．桂林电子工业学院学报, 2004,24(3):50-53．

[3]胡雪惠,白献林,雷梁．零中频接收机中的直流偏移抑制技术[J]．空间电子技术, 2008,(3):48-50．

[4]陈志恒,宋琦明．零中频无线接收机：理想、现实与演化[J]．电子产品世界, 2002,(11A): 56-59．

[5]王静光,王金菊,黄煜梅,等．一种优化的射频接收前端电路[J]．微电子学,2006,36(2): 209-212．

[6]李智群,王志功．零中频射频接收机技术[J]．电子产品世界,2004,(07A): 69-72．

[7]韦仕海,李航．三频GSM移动电话零中频接收机技术设计[J]．移动通信,2001,(9): 28-30．

Research anf Development of GSM Receiver Based on ZIF

DU Yu-hua, WANG Guang-cheng

(School of Electronic Information & Electric Engineering, Changzhou Institute of Technology ,Changzhou 213002,China)

Traditional GSM receiver is twice conversions superheterodyne structure or single conversion superheterodyne structure, which is complicated, expensive, and difficult to be integrated. A scheme for GSM receiver based on ZIF(Zero IF )is proposed，which is composed of a downconverter made by ADI company, front amplifiers and filters, can achieve high performance, meets the demands of lower power consumption, miniaturization. Actual test shows that GSM receiver adopted ZIF scheme has the characteristics of lower Noise figure and high Sensitivity. This ZIF scheme can be applied to all kinds of GSM receiver.

GSM receiver;ZIF;RF

2014-09-28

杜玉华(1977-)，女，辽宁新民人，讲师，硕士，E-mail：duyh@czu.cn。

TN4

A?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.04.010

1671-234X(2014)04-0045-05