直接轉(zhuǎn)換接收器又稱零中頻 (zero-IF) 接收器，在多種通信和儀表應(yīng)用中得到了普遍采用。人們似乎越來越希望在直接下變頻轉(zhuǎn)換中將濾波器帶寬推進到奈奎斯特邊界。要求利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)“全部奈奎斯特帶寬”背后的動因是，降低功耗、在日益密集的封裝中減輕熱量問題、降低成本、延長備用時間或電池壽命等需求在本文中，我們將探討這種類型的設(shè)計要面臨的一些挑戰(zhàn)和所擔(dān)心的問題，同時在信號帶寬接近 100MHz 時，對直接轉(zhuǎn)換與中頻采樣 (IF-sampling) 進行比較。
直接轉(zhuǎn)換接收器常常使用兩個匹配的有源濾波器，一般限制到約 20MHz，代表可用帶寬 (BW) 在 40MHz 量級，但使用相對于信號帶寬而言較高的采樣率。如果接收器的選擇性由低通 (LP) 濾波器決定，那么要將濾波器的帶寬增大到奈奎斯特邊界，就需要一個過渡帶非常小的陡峭濾波器。這正是軟件定義的無線電應(yīng)用情況，在這類應(yīng)用中，希望中心頻率和帶寬完全由軟件定義。
危險
一個實際的軟件定義的接收器 (無論是單通道還是一組相關(guān)通道) 大部分都是用本機振蕩器 (LO) 調(diào)諧的，而且在鏡頻抑制處理之后，往往產(chǎn)生幾 MHz 的可用帶寬，這樣的接收器可以使用兩個匹配的 10MHz 有源 (低通) 濾波器，采樣率在 100Msps 量級。在有些情況下，這實際上也許是惟一需要的濾波。這些低通濾波器一般是低階的，因此要讓這些濾波器像真正的抗混疊濾波器一樣工作，就需要很高的過采樣率。假如存在很強的帶外干擾源，則必須施加更大的抑制作用，這取決于干擾源相對于帶內(nèi)載波的功率級別。如果利用一個濾波器在混頻器之前對帶外功率進行了抑制，則可降低對抗混疊濾波的要求。以上均忽略了可能必需的帶寬限制 (旨在避免具帶外干擾源的低噪聲放大器 [LNA] 或混頻器發(fā)生過載)，以及或許為某個有源濾波器所需要的任何額外的 LO/RF 抑制。
例如，凌力爾特公司的 LT6604-10 四階雙通道濾波器 / 驅(qū)動器在 90MHz 至 100MHz 時約有 70dB 的衰減，這樣的衰減是否足夠，取決于在與中心頻率相距 90MHz 的頻率上所接收的功率值，而對很多應(yīng)用來說，這樣的衰減也許足夠了。在 RF 域使用表面聲波 (SAW) 濾波器可以減少對混疊頻帶的抑制需求。解調(diào)器中集成的低通濾波器可以減少帶外濾波需求，但是常常是在 250MHz 至 400MHz 范圍，而且僅在抑制 LO 或 RF 饋通上有效。有源低通濾波器之后應(yīng)該有一些對 50MHz 以外范圍的額外抑制，以抑制驅(qū)動器部分的噪聲，這部分噪聲在過渡帶之外可能持續(xù)存在。
在直接轉(zhuǎn)換中，由于鏡頻抑制限制，增益和相位失配限制了可實現(xiàn)的無寄生動態(tài)范圍 (SFDR)。這個問題常常被低估為，只是校正增益和相位這兩個變量的問題。就高鏡頻抑制度而言，通帶紋波中復(fù)雜的失配和感興趣的頻帶內(nèi)的延遲必須得到校正。差分濾波器由于對應(yīng)組件之間容限的差別，在通帶相位和幅度響應(yīng)上也許顯示出高度局部化的特點，因此需要更加復(fù)雜的校正。當接近高階低通濾波器的通帶邊緣時，簡單的時間域校正也許變得不可管理。
對于在頻域中進行解碼、并可在頻域中實施鏡像抑制處理的正交頻分復(fù)用 (OFDM) 而言，鏡像抑制可以逐部地 (bin by bin) 優(yōu)化。這做出的假設(shè)是：鏡頻中的信號是相干的。
若要利用整個奈奎斯特頻帶，就沒有余地選擇僅使用模擬濾波器通帶的一部分。如果僅對直接下變頻轉(zhuǎn)換可能的帶寬的一半感興趣，例如僅正頻率 (+1)，那么除了第一奈奎斯特區(qū) (-1) 的鏡頻抑制，第二奈奎斯特區(qū) (+2) 的鏡頻抑制也是可能的，兩個區(qū)都是負頻率。這種情況需要在混頻器之前有一個濾波器，以抑制那些會落在第二奈奎斯特區(qū) (-2，正頻率) 的頻率，以及 LO 之上的第三奈奎斯特區(qū)。這會需要在混頻器之前有 SAW 濾波器，其帶寬的標稱值是采樣頻率的 1.5 倍，中心頻率位于距本機振蕩器頻率 1/4 fs 處。
當接近高階濾波器的轉(zhuǎn)角頻率時，頻率響應(yīng)將偏離預(yù)期，而且濾波器之間的失配將變得復(fù)雜起來。請注意，在使用帶通濾波器的情況下，這個區(qū)域有可能涵蓋了通帶的全部。
passband：通帶
20-30MHz filter BW……：濾波器帶寬為 20MHz 至 30MHz，在鏡頻抑制處理之后，產(chǎn)生 40MHz 至 60MHz 的可用帶寬
stop band for region……：采樣率周圍 ±20MHz 區(qū)域的阻帶
adequate……：充分抑制接收器內(nèi)的噪聲源
Stopbandfor……：LO RF 抑制的阻帶
region from……：混頻器之前的濾波器必須抑制從 LO ±170MHz 到 LO ±500MHz 的區(qū)域
圖 1 顯示了一個濾波器的例子，在不考慮其他差錯來源的情況下，該濾波器在 10MHz (20MHz 帶寬) 時會將鏡頻抑制限制在大約 60dB，但在 30MHz 之前，會切實地將鏡頻抑制再降低 30dB。這類濾波器和 ADC 利用數(shù)字信號處理校正混頻器的增益和相位誤差，也許能使結(jié)果改善約 30dB。有些信號 (例如 WCDMA)，對鏡頻抑制不佳的容忍度相當高，而另一些 (例如 GSM) OFDM 和高階 QAM 則不是這樣。
16 位 130Msps LTC2208 等具 100dB SFDR 的高速 ADC 的推出意味著在非常強的干擾信號存在的情況下，也可能保持正常運行，但接近這一量級的鏡頻抑制會需要超常措施。在直接轉(zhuǎn)換中希望得到大的帶寬在一定程度是可以理解的，因為在給定采樣率上，用正交信號進行鏡頻抑制處理提供的帶寬可能是 IF 采樣接收器帶寬的兩倍。在 IF采樣 (欠采樣) 情況下，大帶寬和低通帶紋波通常需要高的中心頻率，這反過來又限制了很多 ADC 和放大器的動態(tài)范圍，或者至少造成驅(qū)動放大器有較大的功耗。實際的 IF濾波器通帶有理由限制到大約為中心頻率的 20%。100MHz 可用帶寬這一日益常見的目標意味著 500MHz IF 和超過 200Msps 的采樣率，這導(dǎo)致了較大的功耗。不過 14 位 250Msps LTC2152-14 等模擬輸入帶寬在 1GHz 量級的高速 ADC 為這些高輸入頻率提供了良好的欠采樣性能，而且僅消耗 300mW 功率。
人們期望直接下變頻轉(zhuǎn)換需要較低的功率，這是合理的，因為適用于基帶頻率的放大器會比高 IF 放大器需要更低的功率。而且高 IF 采樣會需要重復(fù)放大，因為 IF 濾波器的插入損耗比低通濾波器高得多。要實現(xiàn)高選擇性，常常需要級聯(lián)濾波器。
在 IF 采樣中，需要兩級 SAW 濾波器，以實現(xiàn)大約 80dB 的阻帶抑制，因此除了混頻器之后 20dB 至 25dB 的典型端到端增益，這兩級 SAW 濾波器會需要插入大約 20dB 至 40dB 的補償增益。然而在直接轉(zhuǎn)換中，在并非理想狀態(tài)的模擬世界中保持鏡像抑制所需的數(shù)字信號處理將必需進行大量的數(shù)字密集計算，以至于直接轉(zhuǎn)換的低功率優(yōu)勢似乎存疑。不過，處理能力所需的成本變得越來越低了。
更高的要求
在高于 25MHz 和 70dB SFDR 或左右時，由于放大器的增益帶寬積 (GBWP) 限制，有源濾波器變得不實際了。目前已有具 15MHz 至 20MHz 可用帶寬的有源濾波器，例如凌力爾特公司的 LTC6605 系列，但是如果還要求增益，那么增益帶寬積的要求就更高了。
所需的 SFDR 越大，GBWP 的要求就越苛刻，這一點常常被忽視。在有源濾波器中，帶寬相對于增益帶寬積越大，增益 / 相位匹配對放大器 GBWP 的變化就越敏感。在高于 25MHz 時，這會導(dǎo)致濾波器的選擇范圍縮小到 LC 濾波器。
高于 25MHz 碰巧是較高階 LC 濾波器變得切實可行的頻率范圍，因為電感器減小到了合理的尺寸。不過，伴隨這些電感器而來的是開路磁性元件可能產(chǎn)生的影響、相對于有源濾波器而言不夠嚴格的組件容限、以及由于 PCB 上組件相鄰而可能產(chǎn)生不可預(yù)測的耦合。由于抓放準確度不同，相互耦合的程度可能會變化。如果兩個電感器相互靠近，那么它們就會耦合，而且耦合的程度取決于距離和方向。
現(xiàn)在常常見到這些低通濾波器采用純差分形式，至少在原理圖上是這樣，因為混頻器的輸出是差分的，常常需要 DC 響應(yīng)，而且 ADC必須有差分輸入。在正交應(yīng)用中，I 和 Q 端口靠在一起，而且在多通道 ADC 情況下，這些無源濾波器在 PCB 上會理所當然地并排放置，因為這可以降低通道至通道的隔離。在正交采樣中，隔離也許是不太需要擔(dān)心的問題，但是由于耦合而導(dǎo)致的頻率響應(yīng)改變卻不是小問題。濾波器頻率響應(yīng)的改變在 I 和 Q 通道之間是不同的，因為耦合的功率在一個通道中起主導(dǎo)作用，而在另一個通道中的作用則減弱了。
如果某個承受著來自相鄰?fù)ǖ赖囊恍詈系耐ǖ朗?I 和 Q 的一個組成部分，則由于互感的原因而被改變的頻率響應(yīng)將改變鏡像抑制，至少會使之向通帶的上端移動，而受干擾通道的頻率響應(yīng)在此處所遭受的影響將是最嚴重的。
