天华中威科技微波小课堂_零中频架构直流偏移的来源、危害与消除

天华中威科技微波小课堂_零中频架构直流偏移的来源、危害与消除
零中频架构的概念早在1924年就被提出来了，但是到20世纪90年代，才得到广泛应用。

这是因为，虽然零中频架构看上去容易，但是想基于分立器件来实现的话，难度很大。

随着后来半导体技术和集成电路的发展，才使得零中频架构的实现，成为可能。

零中频架构的痛点之一，就是直流偏移，英文称为DC-offset。

直流偏移的来源

直流偏移的来源，可能来自于以下方面。

(1) 本振信号自混频

如上图所示，由于各种原因，比如混频器的RF和LO端口之间有限的隔离度，基板或者空间的耦合，本振会泄露到前级， 而这些泄露，由于级间失配，又会被反射至混频器的输入端，与本振混频，从而产生直流偏移。

(2) 发射泄露自混频

如上图所示，在全双工系统中，PA的发射信号：

■一种路径，会通过双工器，LNA，SAW等RF通路泄露至混频器的RF端，由于RF-LO的有限隔离度，泄露到RF信号，和泄露到RF端口接着到LO端口的信号相混频，进而产生直流偏移(DC offset)。

■另一种路径，会通过基板/PCB或者共同的供电系统等途径，泄露到混频器的LO端，同样由于LO-RF的有限隔离度，泄露到LO的信号，和泄露到LO端口接着到RF端口的信号想混频，进而产生直流偏移(DC offset).

■第一路径和第二路径的发射泄露，也会在混频器上相互混频，从而产生直流偏移(DC offset).

这种发射泄露的自混频，如果传输信号是幅度调制的话，除了直流分量，还会产生低频产物。

(3) 强干扰信号自混频

强干扰信号传输到混频器的RF端，由于RF-LO的有限隔离度，泄露到LO端口，则两端口上的干扰信号之间发生混频，从而产生直流偏移(DC offset)。

强干扰信号进入到RF通路中，电路的二阶非线性，也会产生直流偏移，如下图所示。

直流偏移的危害

直流偏移如果没有办法去除的话，会严重影响接收机的性能。

因为零中频接收机的链路中的很大部分增益是在基带模块中的，假设混频器的输出端有200~250uV的直流偏移，并且基带模块的增益约为70~80dB的话，则会使得基带放大器，特别是最后一级基带放大器饱和，从而使得有用的小信号不能正常接收。

消除直流偏移的方法

消除直流偏移的方法，可以由以下几种方法：

■采用交流耦合和高通滤波器

在基带模块中，使用交流耦合或者高通滤波器，是移除时不变直流偏移的一种有效手段。一般来说，高通滤波器的角频率，需要大约为符号率或者码率的0.1%或者更小，以防止明显的信噪比的恶化。

对于低速率或者窄带信道带宽系统，需要使用非常小的转角频率(<50Hz)的滤波器来消除DC偏移。在这种情况下，耦合电容非常大，不利于集成。这个时候，可以采用片外无源器件，也可以使用有源直流模块。

■采用抵消的方法来消除时变和时不变直流偏移

1.对于时不变直流偏移，可以在不同增益模式下进行校准，然后将校准值制成查找表，放在存储器中，或者在接收机的空闲时隙，将LNA的输入端用虚拟负载端接并评估直流偏移，并放在存储器中。在工作模式下，或者突发时隙(burst slot)中，存储的DC偏移通过DAC馈送动模拟基带模块中的减法器，然后根据增益及估计的偏移来补偿固有直流偏移。

2.对于时变直流偏移，如果调制方式具有零平均值，比如QPSK，则是通过对包含直流偏移的数字化信号进行平均来测量直流偏移。测量的值，可以通过DAC从模拟基带电路或者数字基带电路中的信号中减去，如下图所示。

参考文献：

[1]https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=1511916

[2]Qizheng Gu,RF SYSTEM DESIGN OF TRANSCEIVERS FOR WIRELESS COMMUNICATIONS