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CORDIC算法下的双正交零中频接收机技术

范文

张哲

【摘要】? ? 本文运用了CORDIC算法，说明了零中频接收机的常见原理图，结合零中频式接收机的结构特性，对产生偶次失真、本真泄露、闪烁噪声及直流偏差问题原因进行分析。并提出了问题对应的校正方法，说明CORDIC算法的原理基础上，提出基于CORDIC算法的双正交零中频接收机拓扑结构，設计流水型双正交相移器，相较常见单正交零中频接收机，发现本文提出的这种技术拓扑结构，可以减小受正交通道相位误差，实现同等增益失配下较单正交零中频接收机结构，有效改善6bB，表示本次研究提出基于CORDIC算法下双正交零中频接收机具有更强镜像抑制技术优势。

【关键词】? ? CORDIC算法? ? 双正交? ? 接收机

近年来优化接收机的技术结构，选用更合适的制造工艺，对于提升无线通信系统的性价比，已经作为射频工程师们所共同关注的热门话题。因为零中频接收机拥有小体积、低成本、易单片集成技术优势，作为射频接收机内较大技术优势的结构，所以在无线通信领域广泛应用。但是怎样更高水平发挥零中频接收机的技术性能，本文将提出基于CORDIC算法的双正交零中频接收机技术，促进接收机技术的创新发展。

一、CORDIC算法及零中频接收机概述

1.1CORDIC算法

对于输入正交I、Q两路信号时，采用CORDIC算法转变直角坐标至极坐标时，也就是求解信号相位转变的计算过程。运用CORDIC算法鉴相过程，将x、y值输入后，在若干“微旋转”步骤之后，旋转可得+x轴，也就是yn=0，那么旋转相加角度即所得相位，原理图（见图1）。假设P（x，y）点作为指标坐标系中的单位圆一点，OP向量和x轴之间形成正向夹角用θ表示，可得x=cosθ，y=sinθ[1]。

考虑到CORDIC算法在应用中，为了解决计算复杂度和量化误差，保证运算进度及信号处理速度，本文取I、Q两信号的数据绝对值，实现CORDIC变换计算角度，这样处理后就相当于转移所有角度至第一象限，之后以I、Q两信号数据的符号位，即可判断信号的所在象限据此进一步变换。对于FPGA鉴相模块中，I、Q良心好的输入值均为8bit，运用流水结构输出16bit相位，8bit模值，因为附加三个触发器整形，仅需11个时钟周期即可获得结果，实现了CORDIC算法优化[2]。

1.2零中频接收机

因为零中频接收机在中频滤波器下，可以有效防止增加接收机收到接受拼点附近的杂散的干扰，实现单片集成较朝外差接收机技术简化结构，运用滤波器与低噪声放大器对射频信号进行放大处理后，混合正交两路本振信号形成混频，产生正交、同相两路基带信号。该接收机产生的本地振荡频率与射频信号频率相等，使得0中频可以有效避免产生镜像频率干扰问题，并且本振频率无论±0均为同值，所以降低了变频器选择性和A/D变换技术要求，无需中频滤波器，有效降低了硬件设备的技术复杂度要求。还能够形成RF信号机相差90°两路相位的本振频率形成混频，产生两路正交信号分别为同相L信号、正交Q信号。虽然零中频接收机在目前应用中作为最高集成度的接收机，小体积且成本低，但是实现大范围、低噪声及良好线性度等指标要求，运用原本滤波器实现难度较大，并且载波恢复难度较大，仅仅可以在非相干检测方案中应用。

二、双正交零中频接收机技术设计

2.1正交相移器

对于双正交零中频接收机技术结构中，通过运用CORDIC算法实现“微旋转”偏移，这对于实现正交移相网络至关重要。LO作为单频信号对此设计的常规正交相移器的电路，RF作为常规带通信号，能够在带宽范围内保证减小相移误差。

根据上面分析一般情况下，为了能够满足所需接收机急速的镜像抑制比，应当控制LO相移误差在3°以内，但是在高频运行条件下想要高度控制误差实现难度较大，所以需要更复杂的片外调整实现[3]。本文对此提出了新型零中频结构技术，研究了结构匹配性对比双正交零中频接收器与单正交中频接收器结构的镜像抑制效果。

2.2新型零中频拓扑结构

本文提出了一种新型双正交零中频结构，我们对这种结构的匹配性做了研究，发现这种结构的镜像抑制性能受 LO 相移网络的相位误差影响较小，进一步的分析表明，在同样的增益失配下，双正交零中频结构的镜像抑制比比单正交零中频结构改善约 6dB。所以，这种拓扑结构极大提高了零中频接收结构的性能。（见图2）作为新型的双正交变频技术结构，LNA之后RF信号经-90°相移网络，可得两个正交信号，分别混合两个正交LO信号之后，下变频至基带。

2.2.1单正交零中频镜像抑制

假设cosωRFt作为输入信号，复信号表达，Δθ作为输入信号和LO之间形成的相移误差，在此LO信号的表示公式如下：

三、结果分析

3.1镜像抑制比和相位误差关系

通过根据上述分析公式计算，发现双正交镜像抑制比存在较小的所受LO相移误差影响，较单正交镜像抑制比性能更优。作为两种不同正交零中频接收机拓扑结构的相位误差图，根据图示能够发现对于同样相移误差范围中，本次提出的双正交零中频接收机技术，能够获得更优化的镜像抑制性能。应用于某种特定条件中，为了可以达到镜像抑制比，较单正交要更大程度放宽双正交零中频接收机的相移误差要求。

例如对于Δθ=1的单正交，计算IRR为41dB，那么为了实现双正交的同等镜像抑制比，就要放宽Δθ1、Δθ2为10°。对于双正交Δθ1、Δθ2均为1°情况下，计算IRR为82dB，较单正交明显提升接近一倍的镜像抑制比，证实了本次提出双正交零中频接收机的实用性。

3.2镜像抑制比及幅度失配误差

根据上述分析公式在同等坐标系内，完成单正交和双正交不同接收机结构，获得的镜像抑制比和正交通道幅度关系，考虑对于0至0.3失配过程中的两种结构镜像抑制比，可以发现设定同等幅度失配条件下，较单正交能够获得改善6dB左右的双正交零中频接收机镜像抑制性能。

四、结语

综上，为了满足零中频接收机在无线通信技术领域的应用技术性能所需，达到良好匹配性降低失配误差，提高零中频的正交通道匹配性。本次研究提出基于CORDIC算法的双正交零中频接收机拓扑结构，设计了流水型双正交相移器，相较常见单正交零中频接收机，在试验中发现双正交技术拓扑结构，可以减小受正交通道相位误差，实现同等增益失配下较单正交零中频接收机结构，有效改善6bB，表示本次研究提出基于CORDIC算法下双正交零中频接收机具有更强镜像抑制技术优势。

参? 考? 文? 献

[1]孔良. 零中频接收机中直流偏移问题与技术解决方案[J]. 电子元器件与信息技术， 2020， 004（003）：23-24.

[2]梁晓峰，? 叶晖. 一种零中频接收机的直流偏置校准技术[J]. 现代信息科技， 2019， 003（010）：P.38-41.

[3]罗明聪，张涛，关汉兴. 零中频接收机直流偏移消除技术及FPGA实现[J]. 微电子学， 2019.

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