HFA3783芯片在类零中频接收机中的应用

摘 要： 本文介绍了零中频接收机的原理，以及基于高性能调制解调芯片HFA3787的类零中频接收机的设计与实现。

引言
众所周知，传统的“超外差”式无线接收机工作流程如下：微弱的高频无线电信号必须通过一级或几级的混频电路，才能去掉其它信道的干扰并获得足够的增益，最终完成解调，取出所需的信息。
为了克服“超外差”式无线接收机存在的镜像干扰和需要高Q值滤波器等缺陷，人们提出了零中频接收机的概念。这种被称为直接变频(Direct-Conversion)或零中频(Zero-IF)的结构存在以下优点：(1)中频频率为零，不存在镜像干扰问题；(2)信道选择在低频进行，可以很方便地利用集成电路对信号进行数字化处理。
但是零中频接收机也存在着直流偏移和低频噪声等不易消除的障碍，于是又有人提出了二次变频宽中频(Dual-Conversion wih Wideband Fisrt IF)接收机。这种接收机在第一次变频时将高频信号变到一个较高的中频上，第二次变频输出则是零中频。本文采取的就是这种类零中频接收机的结构。图1给出了其工作原理图。

HFA3783芯片功能及结构
HFA3783是Intersil公司为半双工无线应用而推出的综合芯片，它包含了正交调制和I/Q路解调所有必需的功能模块。它的中频接收AGC放大器具有600 MHz 频率响应范围和70 dB电压增益，并且有超过70 dB的增益控制范围；发送输出也有70 dB的增益控制范围。它的接收和发送中频可以共用一个差分匹配滤波网络，以减少在单中频半双工发送器中所必需的滤波器件数量。在接收模式中有直流偏置校正电路和中频电平检测等功能。其内部混频器由一个宽带正交本振发生器驱动，中频频率设置及PLL环同步参数由一个3线串行接口控制，它只需要低电平的外部VCO和频率可达50 MHz的参考源。其功能模块如图2所示。
它的主要特性如下：
综合了中频发送和接收所有的功能，宽幅度的正交频率范围为70 至 600MHz，中频AGC动态范围为69dB，具有直流耦合基带接口和接收直流偏移校正环路，使用3线串行接口控制PLL环同步，本振驱动电平为-15dBm，发送/接收功能切换<1μs，具备电源管理/等待模式和单电压(2.7V~3.3V)供电。

图1 二次变频宽中频式接收机原理图

图2 HFA3783功能模块图

图3 同步串口时序图

图4 类零中频接收机的电路框图

参数设置及寄存器功能
HFA3783由于是半双工模式，其需要输入管脚PE1、PE2和寄存器M的最低位M(0)来定义发送/接收的工作状态。它的真值表见表1。
HFA3783共有5个内部功能寄存器，它们都是通过3线串行接口来设置，这3根输入管脚分别为：时钟(CLK)、数据(DATA)、锁存(LE)，其输入时序如图3所示。
当数据输入满20位时，输入一个锁存信号，HFA3783通过比较低2位数据来判断是给哪一个寄存器进行设置，其具体设置如表2。
其中，R为参考源的分频比， A/B及M(2)为VCO分频系数。HFA3783通过对经过分频的参考频率REF/R和分频后的VCO/[P*B+A] 进行比较，来控制VCO的调谐电压，最终使PLL环锁定用户所设置的频率。
C寄存器的值决定在接收模式中校正直流偏置电平的频率及时间。校正时间计算公式为：
校正时间=22&times;
其中fREFIN为MHz级。
M为工作模式寄存器，它必须首先被设置，其次才是其它寄存器。

类零中频接收机的电路实现
射频段由于是采用传统的结构，在这里我们不再赘述。其电路框图如图4所示。
这里，使用FPGA对HFA3783进行参数配置，用FPGA和DSP协同处理基带数据。在基带处理时，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理的速度要求高，但运算结构相对简单，因而适于用FPGA进行硬件实现。相比之下，高层处理算法所处理的数据量相对较小，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。

结语
由于HFA3783除了调制、解调电路之外，其内部还综合了中频放大、AGC、基带低通滤波等电路，这样，类零中频接收机的中频电路仅需要很少的器件，而且调试起来也比较方便；并且HFA3783还能给A/D采样提供一个1.2V的参考电平，提高A/D采样精度。
但我们在硬件调试时发现有几个问题必须注意：
* VCO和参考频率的分频系数与本振的PLL环相位噪声是一对矛盾：分频系数选得小，PLL环就有可能不能正常锁定；分频系数选得大，PLL环相位噪声也相应地增大了，这就需要通过具体地调试来选择一个折衷的方案。
* 阻抗匹配需要认真考虑。在HFA3783的中频输入、输出端，可以共用一个滤波匹配网络，其阻抗为250W。
* HFA3783的发基带需要1.3V的偏置电压，否则发中频不能正常工作。
本文介绍的类零中频接收机的方案已成功地应用在某型扩频单元中，各项性能指标均达到要求。