中國電子科技集團公司第三十八研究所 呂 偉

軟件無線電接收機芯片的關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀

中國電子科技集團公司第三十八研究所 呂 偉

本文針對當(dāng)前的熱點軟件無線電接收機芯片的關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀進行了綜述。首先介紹了軟件無線電技術(shù)的基本概念和常用接收機架構(gòu)，其次總結(jié)了接收機芯片的三個關(guān)鍵技術(shù)，隨后描述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后展望了軟件無線電接收機芯片的未來發(fā)展方向。

軟件無線電；接收機芯片；可重構(gòu)

1.軟件無線電的概念

未來無線通信終端的發(fā)展趨勢是通過軟件定義并控制硬件配置，同時向小型化、輕便化和低成本方向發(fā)展。這一技術(shù)就是這就是Mitola提出的軟件無線電概念[1]。Mitola 提出的理想軟件無線電（Software Def i ned Radio, SDR）接收機架構(gòu)是天線接收到小信號后直接進行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是這樣對模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提出了較高的要求，在當(dāng)前的CMOS工藝下還難以實現(xiàn)。實際的SDR接收機架構(gòu)如圖1所示，主要包括了低噪聲放大器（LNA）、混頻器、跨阻放大器（TIA）、低通濾波器、可變增益放大器和ADC等。SDR接收機通常采用零中頻架構(gòu)，這樣的好處是集成度較高，且信號帶寬靈活可重構(gòu)，達到軟件定義的目的。

圖1 實際的SDR接收機射頻前端架構(gòu)

2.SDR接收機芯片的關(guān)鍵技術(shù)

SDR接收機芯片具有工作頻段寬、功能強大、可靈活可配置等功能。要想滿足上述功能，對SDR接收機芯片提出了較高的要求，我們需要采用一些關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)接收機芯片，這些關(guān)鍵技術(shù)可以概括為三個方面：

2.1 寬帶、可重構(gòu)

為了實現(xiàn)工作頻率較寬，首先接收機最前端的LNA需要滿足寬帶設(shè)計。如果單個LNA無法實現(xiàn)較寬的頻帶，可以采用兩個LNA分別工作于高低兩個頻段。接收機的可重構(gòu)主要體現(xiàn)在：

（1）工作模式可重構(gòu)，即接收機的架構(gòu)可根據(jù)應(yīng)用需要配置為零中頻結(jié)構(gòu)或超外差結(jié)構(gòu)。

（2）信號帶寬可重構(gòu)，即通過調(diào)整基帶濾波器的截止頻率，進而達到改變信號帶寬的目的。

（3）接收機增益可重構(gòu)，即改變接收鏈路的增益，可在接收機的低噪聲放大器、混頻器，以及基帶的可變增益放大器中實現(xiàn)增益可調(diào)。

2.2 抗干擾信號

通常工作頻帶外的干擾信號可以通過射頻和基帶濾波器濾除。除去帶外干擾信號，接收機還將遇到其它的干擾問題，因此接收機需要具備抗干擾信號的能力，具體體現(xiàn)在：

（1）增益壓縮，接收機飽和。當(dāng)工作頻帶外有強干擾信號時，會導(dǎo)致接收機內(nèi)部節(jié)點飽和，增益降低，影響有用信號的正常接收。解決方法是LNA避免采用電壓增益，而是采用電流模實現(xiàn)高線性度接收機。

（2）諧波混頻，有用信號的諧波成分與本振信號（LO）的諧波成分經(jīng)過混頻后落入基帶內(nèi)，對有用信號產(chǎn)生干擾。解決方式是采用多相LO來抑制諧波混頻。

（3）倒易混頻，工作頻帶外的強干擾信號與接收機本振信號的噪聲混頻，導(dǎo)致帶內(nèi)信噪比降低。解決方式是LO信號的相位噪聲。

2.3 片上自校準(zhǔn)技術(shù)

由于芯片加工和制造的過程中會產(chǎn)生工藝和溫度引起的偏差，需要采用片上自校準(zhǔn)技術(shù)消除偏差。這些校準(zhǔn)內(nèi)容主要包括：

（1）I/Q通道失配校準(zhǔn)，包括接收通道的幅度/相位校準(zhǔn)，需要額外的檢測電路，將檢測到的失配誤差在通道內(nèi)抵消。

（2）濾波器截止頻率校準(zhǔn)，這里主要是對濾波器中的電阻/電容陣列的絕對值校準(zhǔn)。因為工藝上存在偏差，需要根據(jù)外部精確的時鐘參考信號來校準(zhǔn)片上濾波器的截止頻率。

（3）ADC校準(zhǔn)，通常需要采用數(shù)字算法或者模擬的方式來校準(zhǔn)DAC中電容陣列的失配和比較器的失調(diào)電壓等。

（4）頻率綜合器校準(zhǔn)，如果接收機中需要多相位的LO信號，多個相位的LO信號的幅度/相位失配需要校準(zhǔn)，方式與I/Q通道失配的校準(zhǔn)類似。

3.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾年國外針對SDR接收機芯片的研究較多，其中具有代表性的成果如下：

2009年Z.Ru提出了采用電流型無源混頻器的結(jié)構(gòu)[2]，第一級LNA的輸出端是電流，在低阻節(jié)點處電流信號的擺幅非常小，提高了接收機的線性度。另外作者最大的貢獻是給出了抑制諧波混頻的電路實現(xiàn)方式，即采用兩級多相諧波混頻，通過組合疊加出近似1::1的增益關(guān)系，進而滿足諧波混頻的增益要求，但這個電路的缺點是頻率綜合器的頻率是射頻前端最高工作頻率的4倍，頻率綜合器的功耗非常大。

2010年C.Andrews第一次提出了混頻器作為第一級的接收機架構(gòu)[3]。接收機前端消除了傳統(tǒng)RF濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò)和LNA。采用無源混頻器能夠大大提高接收機的線性度，但代價是沒有了LNA犧牲了噪聲系數(shù)指標(biāo)，另外無源混頻器本身存在本振泄露的問題，本振信號更容易泄露到天線處。不過作者采用了基帶LNA，通過增加基帶LNA的電源電壓，進而用功耗來換取噪聲性能。

2012年D.Murphy第一次將噪聲抵消（Noise Cancelling）技術(shù)用于SDR接收機結(jié)構(gòu)中[4]。噪聲抵消技術(shù)最早是用于LNA電路中[5]，通過共源和共柵級放大器，能夠在輸出端將噪聲作為共模信號消除掉。作者同樣采用增加輔助通路，使得有用信號增強，同時噪聲在輸出端可以完全抵消。接收機的噪聲系數(shù)可降低至2dB，但是這種結(jié)構(gòu)的缺點是兩路之間的失配會影響電路的噪聲性能，同時電路無法抵御強干擾信號。

2016年L.Zhang通過數(shù)字波束形成和LO信號移相的方式，提出了一種能夠消除空間入射角干擾和頻率干擾信號的濾波技術(shù)[6]。作者可以在單芯片上實現(xiàn)了2x2的MIMO結(jié)構(gòu)，也可以通過系統(tǒng)集成4顆芯片構(gòu)成4x4的MIMO結(jié)構(gòu)。工作頻率可覆蓋0.1-1.7GHz，芯片整體功能強大，性能較優(yōu)。

國內(nèi)也有部分高校對SDR接收機進行了研究，其中具有代表性的是清華大學(xué)的研究成果。清華大學(xué)在2014年完成了0.1-5GHz工作頻段的SDR接收機芯片[7]。芯片分為低頻通道（0.1-1.5GHz）和高頻通道（1-5GHz），其中前者具備抑制諧波干擾信號，后者具備抑制帶外干擾信號。

4.總結(jié)

軟件無線電技術(shù)因其具有覆蓋多頻段、多功能通信能力和很強的靈活性等特點而成為研究熱點。由于工作頻段較寬，因此SDR接收機芯片在實現(xiàn)中需要具備抗干擾的能力，同時為了克服工藝制造的偏差需要具備自動校準(zhǔn)的能力。未來SDR接收機芯片將朝著數(shù)字化、多功能、多通道，以及高頻帶的方向發(fā)展。

[1]楊小牛,樓才義,徐建良．軟件無線電原理與應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社,2005．

[2]Z．Ru．Digitally Enhanced Software-Defined Radio Receiver Robust to Out-of-Band Interference[J]．IEEE JSSC,2009:3359-3375．

[3]C．Andrews．A Passive Mixer-First Receiver With Digitally Controlled and Widely Tunable RF Interface[J]．IEEE JSSC, 2010:2696-2708．

[4]D．Murphy．A blocker-tolerant wideband noise-cancelling receiver with a 2dB noise figure[C]．ISSCC,2012:74-76．

[5]F．Bruccoleri．Noise cancelling in wideband CMOS LNAs[C]．ISSCC,2002:406-407．

[6]L．Zhang．Scalable Spatial Notch Suppression in Spatio-Spectral-Filtering MIMO Receiver Arrays for Digital Beamforming[J]．IEEE JSSC,2016:3152-3166．

[7]張欣旺．面向行業(yè)專網(wǎng)的軟件無線電接收機芯片關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．清華大學(xué),2015．

呂偉（1986—），山西太原人，博士，現(xiàn)工作于中國電科第三十八研究所。