外差接收機作為接收機方案的標準選擇已有數(shù)十年歷史。近年來，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 采樣速率的迅速提高、嵌入式數(shù)字處理的采納以及匹配通道的集成，為接收機架構(gòu)提供了幾年前尚被認為是不切實際的其他選擇。

本文比較三種常用接收機架構(gòu)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)：外差接收機、直接采樣接收機和直接變頻接收機。還會討論關(guān)于雜散，系統(tǒng)噪聲和動態(tài)范圍的額外考慮。本文的意圖并非要褒揚某種方案而貶抑其他方案，相反，本文旨在說明這些方案的優(yōu)點和缺點，并鼓勵設(shè)計人員按照工程準則選擇最適合特定應用的架構(gòu)。

架構(gòu)比較

表1比較了外差、直接采樣和直接變頻三種架構(gòu)。同時顯示了每種架構(gòu)的基本拓撲和一些利弊。

表1. 接收機架構(gòu)比較

外差方法久經(jīng)檢驗，性能出色。實施原理是混頻到中頻 (IF)。IF需選擇足夠高的頻率，使得實際濾波器在工作頻段中能夠提供良好的鏡像抑制和LO隔離。當有超高動態(tài)范圍ADC可用時，增加一個混頻級以降低頻率也很常見。此外，接收機增益分布在不同的頻率上，這使得高增益接收機發(fā)生振蕩的風險非常小。通過適當?shù)念l率規(guī)劃，外差接收機可以實現(xiàn)非常好的雜散能量和噪聲性能。遺憾的是，這種架構(gòu)是最復雜的。相對于可用帶寬，其需要的功耗和物理尺寸通常是最大的。此外，對于較大分數(shù)帶寬，其頻率規(guī)劃可能非常困難。在當前追求小尺寸、低重量、低功耗 (SWaP) 并希望獲得寬帶寬的背景下，這些挑戰(zhàn)難度很大，導致設(shè)計人員不得不考慮其他可能的架構(gòu)選項。

直接采樣方法已被業(yè)界追求許久，其障礙在于很難讓轉(zhuǎn)換器工作于直接射頻采樣所需的速率并且實現(xiàn)大輸入帶寬以及實現(xiàn)大輸入帶寬。在這種架構(gòu)中，全部接收機增益都位于工作頻段頻率，如果需要較大接收機增益，布局布線必須非常小心。如今，在L和S波段的較高奈奎斯特頻段，已有轉(zhuǎn)換器可用于直接采樣。業(yè)界在不斷取得進展，C波段采樣很快就會變得實用，后續(xù)將解決X波段采樣。

直接變頻架構(gòu)對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬的使用效率最高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特頻段工作，此時性能最優(yōu)，低通濾波更為簡單。兩個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器配合工作，對I/Q信號進行采樣，從而提高用戶帶寬，同時又不會有交織難題。對于直接變頻架構(gòu)，困擾多年的主要挑戰(zhàn)是維持I/Q平衡以實現(xiàn)合理水平的鏡像抑制、LO泄漏和直流失調(diào)。近年來，整個直接變頻信號鏈的先進集成加上數(shù)字校準已克服了這些挑戰(zhàn)，直接變頻架構(gòu)在很多系統(tǒng)中已成為非常實用的方法。

頻率規(guī)劃視角

圖1顯示了三種架構(gòu)的框圖和頻率規(guī)劃示例。圖1a為外差接收機示例，高端LO將工作頻段混頻到ADC的第二奈奎斯特區(qū)。信號進一步混疊到第一奈奎斯特區(qū)進行處理。圖1b為直接采樣接收機示例。工作頻段在第三奈奎斯特區(qū)進行采樣并混疊至第一奈奎斯特區(qū)，然后將NCO置于頻段中心，數(shù)字下變頻到基帶，再進行濾波和抽取，數(shù)據(jù)速率降低到與通道帶寬相稱的水平。圖1c為直接變頻接收機示例。雙通道ADC與正交解調(diào)器對接，通道1對I（同相）信號進行采樣，通道2對Q（正交）信號進行采樣。