HFA3783芯片在類零中頻接收機中的應用

摘 要： 本文介紹了零中頻接收機的原理，以及基于高性能調制解調芯片HFA3787的類零中頻接收機的設計與實現。

引言
眾所周知，傳統的“超外差”式無線接收機工作流程如下：微弱的高頻無線電信號必須通過一級或幾級的混頻電路，才能去掉其它信道的干擾并獲得足夠的增益，最終完成解調，取出所需的信息。
為了克服“超外差”式無線接收機存在的鏡像干擾和需要高Q值濾波器等缺陷，人們提出了零中頻接收機的概念。這種被稱為直接變頻(Direct-Conversion)或零中頻(Zero-IF)的結構存在以下優點：(1)中頻頻率為零，不存在鏡像干擾問題；(2)信道選擇在低頻進行，可以很方便地利用集成電路對信號進行數字化處理。
但是零中頻接收機也存在著直流偏移和低頻噪聲等不易消除的障礙，于是又有人提出了二次變頻寬中頻(Dual-Conversion wih Wideband Fisrt IF)接收機。這種接收機在第一次變頻時將高頻信號變到一個較高的中頻上，第二次變頻輸出則是零中頻。本文采取的就是這種類零中頻接收機的結構。圖1給出了其工作原理圖。

HFA3783芯片功能及結構
HFA3783是Intersil公司為半雙工無線應用而推出的綜合芯片，它包含了正交調制和I/Q路解調所有必需的功能模塊。它的中頻接收AGC放大器具有600 MHz 頻率響應范圍和70 dB電壓增益，并且有超過70 dB的增益控制范圍；發送輸出也有70 dB的增益控制范圍。它的接收和發送中頻可以共用一個差分匹配濾波網絡，以減少在單中頻半雙工發送器中所必需的濾波器件數量。在接收模式中有直流偏置校正電路和中頻電平檢測等功能。其內部混頻器由一個寬帶正交本振發生器驅動，中頻頻率設置及PLL環同步參數由一個3線串行接口控制，它只需要低電平的外部VCO和頻率可達50 MHz的參考源。其功能模塊如圖2所示。
它的主要特性如下：
綜合了中頻發送和接收所有的功能，寬幅度的正交頻率范圍為70 至 600MHz，中頻AGC動態范圍為69dB，具有直流耦合基帶接口和接收直流偏移校正環路，使用3線串行接口控制PLL環同步，本振驅動電平為-15dBm，發送/接收功能切換<1μs，具備電源管理/等待模式和單電壓(2.7V~3.3V)供電。

圖1 二次變頻寬中頻式接收機原理圖

圖2 HFA3783功能模塊圖

圖3 同步串口時序圖

圖4 類零中頻接收機的電路框圖

參數設置及寄存器功能
HFA3783由于是半雙工模式，其需要輸入管腳PE1、PE2和寄存器M的最低位M(0)來定義發送/接收的工作狀態。它的真值表見表1。
HFA3783共有5個內部功能寄存器，它們都是通過3線串行接口來設置，這3根輸入管腳分別為：時鐘(CLK)、數據(DATA)、鎖存(LE)，其輸入時序如圖3所示。
當數據輸入滿20位時，輸入一個鎖存信號，HFA3783通過比較低2位數據來判斷是給哪一個寄存器進行設置，其具體設置如表2。
其中，R為參考源的分頻比， A/B及M(2)為VCO分頻系數。HFA3783通過對經過分頻的參考頻率REF/R和分頻后的VCO/[P*B+A] 進行比較，來控制VCO的調諧電壓，最終使PLL環鎖定用戶所設置的頻率。
C寄存器的值決定在接收模式中校正直流偏置電平的頻率及時間。校正時間計算公式為：
校正時間=22&times;
其中fREFIN為MHz級。
M為工作模式寄存器，它必須首先被設置，其次才是其它寄存器。

類零中頻接收機的電路實現
射頻段由于是采用傳統的結構，在這里我們不再贅述。其電路框圖如圖4所示。
這里，使用FPGA對HFA3783進行參數配置，用FPGA和DSP協同處理基帶數據。在基帶處理時，低層的信號預處理算法處理的數據量大，對處理的速度要求高，但運算結構相對簡單，因而適于用FPGA進行硬件實現。相比之下，高層處理算法所處理的數據量相對較小，但算法的控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP芯片來實現。

結語
由于HFA3783除了調制、解調電路之外，其內部還綜合了中頻放大、AGC、基帶低通濾波等電路，這樣，類零中頻接收機的中頻電路僅需要很少的器件，而且調試起來也比較方便；并且HFA3783還能給A/D采樣提供一個1.2V的參考電平，提高A/D采樣精度。
但我們在硬件調試時發現有幾個問題必須注意：
* VCO和參考頻率的分頻系數與本振的PLL環相位噪聲是一對矛盾：分頻系數選得小，PLL環就有可能不能正常鎖定；分頻系數選得大，PLL環相位噪聲也相應地增大了，這就需要通過具體地調試來選擇一個折衷的方案。
* 阻抗匹配需要認真考慮。在HFA3783的中頻輸入、輸出端，可以共用一個濾波匹配網絡，其阻抗為250W。
* HFA3783的發基帶需要1.3V的偏置電壓，否則發中頻不能正常工作。
本文介紹的類零中頻接收機的方案已成功地應用在某型擴頻單元中，各項性能指標均達到要求。