CORDIC算法下的雙正交零中頻接收機技術

張哲

【摘要】? ? 本文運用了CORDIC算法，說明了零中頻接收機的常見原理圖，結合零中頻式接收機的結構特性，對產生偶次失真、本真泄露、閃爍噪聲及直流偏差問題原因進行分析。并提出了問題對應的校正方法，說明CORDIC算法的原理基礎上，提出基于CORDIC算法的雙正交零中頻接收機拓撲結構，設計流水型雙正交相移器，相較常見單正交零中頻接收機，發現本文提出的這種技術拓撲結構，可以減小受正交通道相位誤差，實現同等增益失配下較單正交零中頻接收機結構，有效改善6bB，表示本次研究提出基于CORDIC算法下雙正交零中頻接收機具有更強鏡像抑制技術優勢。

【關鍵詞】? ? CORDIC算法? ? 雙正交? ? 接收機

近年來優化接收機的技術結構，選用更合適的制造工藝，對于提升無線通信系統的性價比，已經作為射頻工程師們所共同關注的熱門話題。因為零中頻接收機擁有小體積、低成本、易單片集成技術優勢，作為射頻接收機內較大技術優勢的結構，所以在無線通信領域廣泛應用。但是怎樣更高水平發揮零中頻接收機的技術性能，本文將提出基于CORDIC算法的雙正交零中頻接收機技術，促進接收機技術的創新發展。

一、CORDIC算法及零中頻接收機概述

1.1CORDIC算法

對于輸入正交I、Q兩路信號時，采用CORDIC算法轉變直角坐標至極坐標時，也就是求解信號相位轉變的計算過程。運用CORDIC算法鑒相過程，將x、y值輸入后，在若干“微旋轉”步驟之后，旋轉可得+x軸，也就是yn=0，那么旋轉相加角度即所得相位，原理圖（見圖1）。假設P（x，y）點作為指標坐標系中的單位圓一點，OP向量和x軸之間形成正向夾角用θ表示，可得x=cosθ，y=sinθ[1]。

考慮到CORDIC算法在應用中，為了解決計算復雜度和量化誤差，保證運算進度及信號處理速度，本文取I、Q兩信號的數據絕對值，實現CORDIC變換計算角度，這樣處理后就相當于轉移所有角度至第一象限，之后以I、Q兩信號數據的符號位，即可判斷信號的所在象限據此進一步變換。對于FPGA鑒相模塊中，I、Q良心好的輸入值均為8bit，運用流水結構輸出16bit相位，8bit模值，因為附加三個觸發器整形，僅需11個時鐘周期即可獲得結果，實現了CORDIC算法優化[2]。

1.2零中頻接收機

因為零中頻接收機在中頻濾波器下，可以有效防止增加接收機收到接受拼點附近的雜散的干擾，實現單片集成較朝外差接收機技術簡化結構，運用濾波器與低噪聲放大器對射頻信號進行放大處理后，混合正交兩路本振信號形成混頻，產生正交、同相兩路基帶信號。該接收機產生的本地振蕩頻率與射頻信號頻率相等，使得0中頻可以有效避免產生鏡像頻率干擾問題，并且本振頻率無論±0均為同值，所以降低了變頻器選擇性和A/D變換技術要求，無需中頻濾波器，有效降低了硬件設備的技術復雜度要求。還能夠形成RF信號機相差90°兩路相位的本振頻率形成混頻，產生兩路正交信號分別為同相L信號、正交Q信號。雖然零中頻接收機在目前應用中作為最高集成度的接收機，小體積且成本低，但是實現大范圍、低噪聲及良好線性度等指標要求，運用原本濾波器實現難度較大，并且載波恢復難度較大，僅僅可以在非相干檢測方案中應用。

二、雙正交零中頻接收機技術設計

2.1正交相移器

對于雙正交零中頻接收機技術結構中，通過運用CORDIC算法實現“微旋轉”偏移，這對于實現正交移相網絡至關重要。LO作為單頻信號對此設計的常規正交相移器的電路，RF作為常規帶通信號，能夠在帶寬范圍內保證減小相移誤差。

根據上面分析一般情況下，為了能夠滿足所需接收機急速的鏡像抑制比，應當控制LO相移誤差在3°以內，但是在高頻運行條件下想要高度控制誤差實現難度較大，所以需要更復雜的片外調整實現[3]。本文對此提出了新型零中頻結構技術，研究了結構匹配性對比雙正交零中頻接收器與單正交中頻接收器結構的鏡像抑制效果。

2.2新型零中頻拓撲結構

本文提出了一種新型雙正交零中頻結構，我們對這種結構的匹配性做了研究，發現這種結構的鏡像抑制性能受 LO 相移網絡的相位誤差影響較小，進一步的分析表明，在同樣的增益失配下，雙正交零中頻結構的鏡像抑制比比單正交零中頻結構改善約 6dB。所以，這種拓撲結構極大提高了零中頻接收結構的性能。 （見圖2）作為新型的雙正交變頻技術結構，LNA之后RF信號經-90°相移網絡，可得兩個正交信號，分別混合兩個正交LO信號之后，下變頻至基帶。

2.2.1單正交零中頻鏡像抑制

假設cosωRFt作為輸入信號，復信號表達，Δθ作為輸入信號和LO之間形成的相移誤差，在此LO信號的表示公式如下：

三、結果分析

3.1鏡像抑制比和相位誤差關系

通過根據上述分析公式計算，發現雙正交鏡像抑制比存在較小的所受LO相移誤差影響，較單正交鏡像抑制比性能更優。作為兩種不同正交零中頻接收機拓撲結構的相位誤差圖，根據圖示能夠發現對于同樣相移誤差范圍中，本次提出的雙正交零中頻接收機技術，能夠獲得更優化的鏡像抑制性能。應用于某種特定條件中，為了可以達到鏡像抑制比，較單正交要更大程度放寬雙正交零中頻接收機的相移誤差要求。

例如對于Δθ=1的單正交，計算IRR為41dB，那么為了實現雙正交的同等鏡像抑制比，就要放寬Δθ1、Δθ2為10°。對于雙正交Δθ1、Δθ2均為1°情況下，計算IRR為82dB，較單正交明顯提升接近一倍的鏡像抑制比，證實了本次提出雙正交零中頻接收機的實用性。

3.2鏡像抑制比及幅度失配誤差

根據上述分析公式在同等坐標系內，完成單正交和雙正交不同接收機結構，獲得的鏡像抑制比和正交通道幅度關系，考慮對于0至0.3失配過程中的兩種結構鏡像抑制比，可以發現設定同等幅度失配條件下，較單正交能夠獲得改善6dB左右的雙正交零中頻接收機鏡像抑制性能。

四、結語

綜上，為了滿足零中頻接收機在無線通信技術領域的應用技術性能所需，達到良好匹配性降低失配誤差，提高零中頻的正交通道匹配性。本次研究提出基于CORDIC算法的雙正交零中頻接收機拓撲結構，設計了流水型雙正交相移器，相較常見單正交零中頻接收機，在試驗中發現雙正交技術拓撲結構，可以減小受正交通道相位誤差，實現同等增益失配下較單正交零中頻接收機結構，有效改善6bB，表示本次研究提出基于CORDIC算法下雙正交零中頻接收機具有更強鏡像抑制技術優勢。

參? 考? 文? 獻

[1]孔良. 零中頻接收機中直流偏移問題與技術解決方案[J]. 電子元器件與信息技術， 2020， 004（003）：23-24.

[2]梁曉峰，? 葉暉. 一種零中頻接收機的直流偏置校準技術[J]. 現代信息科技， 2019， 003（010）：P.38-41.

[3]羅明聰， 張濤， 關漢興. 零中頻接收機直流偏移消除技術及FPGA實現[J]. 微電子學， 2019.