射频电路中的三种接收机的优缺点及应用总结归纳

众所周知，射频电路按功能主要可以分为三部分，发射机、接收机和本地振荡电路。对于接收机来说，主要有三种，超外差接收机（heterodyne receiver）、零中频接收机（homodyne receiver）和近零中频接收机，这三种接收机可以说各有优缺点，那么在设计射频接收机时到底应该应用哪一种呢？本文主要目的就是想根据我阅读的一些文章文献，对于题目中提到的三种接收机的优缺点及应用作一个总结归纳，以便将来设计时应用。

超外差式接收机（heterodyne receiver）：

优点（benefits）：

1．超外差式接收机可以有很大的接收动态范围

2．超外差式接收机具有很高的邻道选择性（selectivity）和接收灵敏度（sensitivity）。一般超外差式接收机在混频器前面会有一个预选射频滤波器，在混频器后面还会有一个中频滤波器。这就使得它具有良好的选择性，可以抑制很强的干扰。

3．超外差式接收机受I/Q信号不平衡度影响小，不需要复杂的直流消除电路。

缺点（drawback）：

1．由于超外差式接收机一般会用到一级或几级中频混频所以电路会相对于零中频接收机复杂且成本高集成度不高。

2．超外差式接收机会用到很多离散的滤波器，这些滤波器可以是SAW或陶瓷的，但一般比较昂贵，而且体积较大，是的集成度不高，成本也较高。

3．超外差式接收机一般需要较高的功率消耗。

应用：

相干检测的方案中（QPSK、QAM）。

零中频接收机（homodyne receiver）： 在窄带应用中，零中频软件无线电芯片已经非常流行，其代表是ADI公司的AD9361

优点（benefits）：

1．零中频接收机可以说是目前集成度最高的一种接受机，体积小，成本也很低，但是如果到了VHF频段设计零中频接收机将变得非常复杂、困难。因为频率越高，IQ解调器所用到的本振很难做到正交，频率也很难做到很准确，一个解决办法就是增加AFC电路，自动控制本振频率。

2．功率消耗较低。

3．不需要镜像频率抑制滤波器，同样减小了体积和成本。

缺点（drawback）：

1．由于信道选择性完全是在基带有源低通滤波器实现的，所以诸如大的动态范围、低噪声和良好的线性度这些指标要求使得有源低通滤波器的设计和实现非常困难。

2．需要直流消除电路。由本振自混频（self-mix）和强干扰信号自混频在基带产生的直流电压会恶化接收信号，需要用到直流消除技术。如果不应用直流消除技术，这种方案就只能用在没有直流成分的调制方案中（比如：NC-FSK）。

3．因为零中频接收机的载波是在射频频段，这样载波恢复变得很困难，只能用在非相干检测方案中。

4．零中频接收机对于I/Q不平衡度很敏感，用离散器件实现的I/Q调制器很难保证良好的I/Q平衡度。

应用：

没有直流成分的非相干解调方案中（NC-FSK）。

近零中频接收机：

优点：

1．近零中频接收机把射频信号下变频到接近于直流的低频信号，这样就避免了直流成分对信号的影响。

2．近零中频接收机相对于零中频接收机比较容易实现载波恢复。

3．近零中频接收机还具有零中频接收机的集成度高体积小的优点。

缺点：

1．近零中频接收机还是I/Q不平衡度很敏感。

2．近零中频接收机像超外差接收机一样需要考虑镜像频率的抑制的问题。

应用：

频谱在直流附近的线性调制方案（GMSK）。

附录：

发射机的分类和比较：

发射机完成IQ调制、上变频和功率放大的功能，主要分为两种，一种是直接变频发射机，另一种是两次间接变频发射机。这两种发射机的结构可以参考附图。

直接变频发射机载波频率和本振频率相同。

首先，正交上变频器不能完全抑制本振信号，也就是“本振泄漏”。这种残余在发射频谱上的本振信号对于其他接收机就是干扰信号。

由于功率放大器和本振电路之间的屏蔽效果有限，功放的大信号会破坏本振信号的频谱。

根据下变频器的特点，接收机可以分为中频接收机和零中频接收机两类。中频接收机是指射频信号从天线收下来之后，经过前置滤波器和低噪放，送混频器，这个本振的频率为小于载波中心频率的某个值，设载波频率为fc，本振频率为fL，则差频fc-fL称作中频fi。根据中频的大小，再经过一次或多次下变频之后得到基带信号进行后续的解调，译码等基带处理。而零中频接收机，顾名思义，中频fi等于零，即本振频率fL=fc，射频信号经过一次下变频就得到了基带信号。

两种接收机结构各有优缺点，首先说说中频接收机。中频接收机的主要缺点就是镜频干扰，根据上面的频率假设，如果以fc为中心频率的是需要的信号，那么镜频干扰出现在中心频率为fimg=fc-2fi处。为了抑制镜频干扰，需要在很高的频率上使用品质因数要求很高的带通滤波器，这无疑增加了设计的难度及成本，更为重要的是使得这个滤波器难以集成在片上，所以实际中这部分电路多在外围实现。另外，在中频放大器之后往往还需要信道选择的带通滤波，这个滤波器同样需要很高的品质因数。除此之外，由于模拟滤波器的设计不是非常灵活，所以对于多波段的接收机来说，由于射频的中心频率会发生变化，可能要求接收中频可变，这更增加了滤波器设计的难度。中频接收机的优点是直流分量造成的影响不如零中频那么严重，因为有带通滤波器，可以部分的抑制直流分量。此外，载波牵引的问题也较轻，因为中频混频器的射频输入和本振频率不等，差值等于中频频率。

再说说零中频接收机，零中频接收机结构较为简单，很明显，只有一步下变频，而且不需要中频滤波器，基带滤波器设计比那个高频率的带通滤波器要简单许多。更重要的是，零中频接收机可以很方便的集成在单芯片上。有些文献中说零中频接收机没有镜频干扰，其实这种说法严格来说是不对的。对于正交调制来说，其I/Q两路上是独立的数据流，这就意味着基带频谱的正/负边带上都含有信息（频谱不对称）。很显然零中频接收机也存在镜频干扰，只不过这个干扰就是它自己。为了解决这个干扰，要求接收机采用I/Q两路混频，这样可以抵消一个边带，但是这只是理论上。实际中只要I/Q两路混频器存在失配，就必然会带来镜频干扰。此外，零中频接收机存在直流分量的问题，由于本振和射频信号之间的串扰，会出现本振的自调，从而产生直流分量，另外射频信号直接也可能存在自调，产生直流分量。最后，由于本振的频率和射频信号中心频率相等，载波牵引会相对严重。

注：有几个问题需要说明：

1.直流分量有什么害处？

答：直流分量会导致A/D的低几比特失效（被直流分量淹没）。解决办法有两种，要么在A/D采样之前利用模拟电路进行补偿，要么在采样后在数字域进行去DC。

2.载波牵引是怎么回事？

答：当本振频率（一般由锁相环提供）与射频信号载波频率接近时，较大功率的射频信号会牵引锁相环提供的本振频率偏离标称的锁定频率。