直接变频蓝牙接收机

直接变频接收机已长时间存在了。直接变频接收机最简单的形式可认为中频（IF）是直流（dc）0Hz超外差接收机。用dc 中频，信号中心在dc。现在接收机的频率可能是千兆量级，在变频中变频到dc，因此，用“直接变频”或其他通用的名称“ZeroIF“（“零中频”，ZIF）。
直接变频接收机有些难解决的问题：“dc失调“消除、2阶失真分量（IP2）和1/f噪声。不少问题可能影响对这种接收机的认可，通常这些问题将限制接收机的性能。直接变频接收机与典型的超外差接收机相比，有明显的优点。
无线装置到处可见，在过去十年中，蜂窝电话蓬勃发展，就是一个很好的例证。随着高科技装置成为普通商品而不是奢侈品，驱使装置成本越来越低。对于蜂窝制造商来讲，成本是最重要的参量。直接变频接收机具有最少的元件数和最低的材料成本。大量的蜂窝芯片供应商，如：ADI、RFMD和Qualcomm已发布用于下一代芯片组的直接变频接收机。
蓝牙是用于无线个人局域网络的协议，是基于特定网络架构基础上的，采用低调制率（0.24~0.32）的高斯频移键控（GFSK）调制。这导致器件的专门问题。但蓝牙技术所用的调制也适用直接变频。蓝牙装置要求便宜。因此，采用直接变频接收机使接收机成本最低，这看起来是好的。然而，直接变频的问题需要解决。
典型的直接变频接收机基本框图示于图1。尽管传统采用线性调制方法，但直接变频接收机对于蓝牙GFSK接收信号也十分方便。

图1 蓝牙接收机中直接变频的基本框图

蓝牙技术
在过去5年内所开发的蓝牙技术具有很多潜在的应用。蓝牙技术两个最大的应用是蜂窝电话中无线互联和无人工操作，以及计算机中的无缆线替代。蓝牙是具有独特特性的一个有兴趣的协议，使得可以采用直接变频接收机。在添入研究直接变频接收机要求前，必须考虑蓝牙技术所用的调制，因为这样做使工作比较容易。

调制
具有1Mbps原始数据率的蓝牙技术用低调制率（0.24~0.30）和0.5BT的GFSK调制。在基带，这意味着在每个码位不能保证信号穿过OV。因此基带检测选择限定在频率/电压转换器（如FM鉴别器）。
最长DH1信息包的频谱示于图2，发送伪随机位序列（PRBS）数据集中在2.4 GHz。注意，信号功率集中在2.4GHz附近。在2.4GHz，功率频谱密度（PSD）最大。
现在分析干扰对图2所示调制类型的影响。
在接收机中任何不希望接收的寄生信号称之为干扰。干扰源可以是接收机的外部环境或来自接收机内的源。

FM和FSK系统
FM（调频）是固有非线性过程，在FM中信号电压转换为频偏。信号“时间”表示为：
S（t）=Accos(wc·t+m·sin(wm·t) (1)
其中AC为载波信号幅度，wC是载波信号角频率，t为时间，m是调制率，wm是调制频率的角频率。
特别感兴趣的参量是调制率（m），由下式定义m：
m=Km·Am/wm （2）
其中Am是调制信号幅度，Km是电压/频率的定标因数。
在典型的模拟FM系统中，Km表示调制通路到VCO的增益。然而Km和Am定义与所有FM系统有关偏移参量。因此，调制率可进一步定义为：
m=wd/wm （3）
其wd是由调制信号wm所引起的载波信号偏移。
尽管上述3个方程是从模拟FM系统中假定音调制信号推导而来，但这些方程式可同样应用于FSK数据系统，唯一的显著差别是调制信号在最高数据率（蓝牙情况为1MHz）为位系列。数据流调制载波，数据流中的逻辑1导致正频偏、逻辑0导致负频偏。因此，在FSK数据系统中，最高调制频率是数据率的一半，（即在蓝牙产品中为500kHz）。

图2 最长DH1信息包的频谱

图3 不带信道滤波器的FM解调器单边I/C性能

图4 直接变频接收机基带输出的实际蓝牙信号，示出GFSK信号和dc偏移

信噪比
在FM解调器输出，信号信噪比（S/N）定议如下：
S/Nd=3×m2×S×x(Sr/n×fx) (4)
其中Sx定义调制信号的统计量特性，在数据系统情况下，逻辑1或0的似然性相等，因此，此参量通常为0.5;m是调制率；Sr是进入FM解调器的接收信号功率；N是进入FM解调器的噪声功率谱密度；fx是进入解调器的接收机噪声带宽。
从蓝牙技术的要求，容易计算S/Nd。接收机灵敏度的测量需要BER（误码率）小于?.1%或99.9%正确。注意S/ Nd正比于m2。
GFSK数据系统的灵敏度主要依赖于发送数据。若蓝牙数据序列是“1111000011110000…”，则可计算调制率。从此数据可见，数据序列每8位重复一次，这意味着调制频率为数据率/8或125KHz（蓝牙数据率为1Mbps）。偏移是固定的，而大多数蓝牙装置用160KHz，这意味着调制率是1.28。对于数据“101010…”，最高调制频率是0.32，从方程（4）可见，S/ Nd正比于调制率平方，它随着数据变化。该例说明接收信号的信噪比与接收信号的频率具有非线性关系，频率最低时它最大。
频域表示需要了解时域信号的FFT（方程1）。分析是复杂的，因为它包含解Bessel函数，这会引起边带的无限数。然而，较高阶边带具有的功率不明显，所以，可以忽略。GFSK做为一个数据系统，调制信号不能像较老的模拟FM系统那样好确定。假设用来调制载波的数据是PRBS。

GFSK的C/I性能
C/I（载波/干扰）曲线的单端响应示于图3。事实上信道滤波器将影响此响应。然而，蓝牙产品中，所有接收机至少具有1MHz等效噪声带宽，所以，滤波器对于离通道中心低500KHz的信号提供少量衰减。
频率检测器输出可表示为：
X0(t)=K·(ai/ac)·wi·cos(wi·t) （5）
其中ai是干扰幅度，ac是载波幅度，wi是干扰角频率。
方程（5）只适用于ac大于 ai情况。换言之，方程（5）只适用于由所希望信号“捕获”而无干扰的FM解调器。
随着wi i趋于零，Xo(t)亦趋向零。在0Hz（即dc），干扰影响可忽略。一般情况，FSK系统在这类干扰下的工作好于任何线性调制系统。

DC偏移
DC偏移是直接变频接收机的主要问题。图4示出GFSD信号和DC偏移。由于发射和接收端之间的频率失调，使接收机所产生的DC偏移不是处在接收信号PSD的中心。离中心的最大偏移是蓝牙性能指标所允许的发送和接收端之间最大频率偏移的函数，在蓝牙产品中，它为±7.5KHz。
在图3中，±7.5KHz偏移导致最大I/C比有小的变化。由于宽调制带宽所致，频率偏移对直接变频接收机的总性能影响可忽略不计。■（林）