射頻系統中的濾波器
射頻通訊系統中，濾波器是乙個非常重要的組成部分。作者在十年前曾經對這些做過簡單的總結。今天再寫這篇文章，發現每次寫文件都對自己有很大的幫助，我們從較為複雜的射頻基站系統著手，來看一看這些濾波器用來抑制什麼？需要多少的抑制度？
先來介紹一下我們常見的濾波器吧。
** 2-1 不同濾波器的對比
下面我們以基站為例，來看看射頻系統架構圖。
圖表 31 射頻系統框圖
發射機部分：
1. dac輸出到iq的lc濾波器：dac映象抑制濾波器。
2. iq輸出的介質濾波器或聲表濾波器：本振洩露和映象抑制濾波器。
3. pa輸出的腔體濾波器(fdd：雙工器，tdd：濾波器)：前向雜散抑制濾波器。
接收機部分：
1. adc前的lc濾波器：adc的抗混疊濾波器。
2. mixer前的介質濾波器或聲表濾波器：mixer的鏡頻抑制濾波器。
3. lna前的腔體濾波器(fdd：雙工器，tdd：濾波器)：接收帶外抑制濾波器。
在下面文章中我們會具體分析每一級濾波器的作用及抑制要求。學過取樣定理，我們都知道，數字域的訊號是以fs為頻寬無限翻摺，為了降低不必要訊號的幅度，在進入dac變化前一般會使用sinc濾波器來降低高頻訊號的幅度。下面看看sinc濾波器的響應：
圖表 4-1 sinc濾波器響應圖
經過sinc濾波器後第二及第三奈奎斯特區域的映象訊號會有較大的衰減。但依然需要做額外的抑制。
圖表 4-2 dac輸出頻譜圖
根據sinc函式的響應，我們可以算出濾波器的抑制主要受中頻頻率及dac取樣頻率的大小影響。
1. 相同dac取樣頻率下，if頻率越低，抑制度要求越低。
2. 相同的if頻率下。dac的取樣頻率越高，抑制要求也越低。
我們先來看看混頻器和iq調製器輸出的頻譜。
圖表 4-3 上變頻混頻器方案頻譜圖
如圖，對於混頻器而言，由於本振洩露和映象訊號都非常大，必須加乙個濾波器來濾出系統不需要的訊號。
圖表 4-4 上變頻iq調製器方案頻譜圖
但對於iq調製器而言，雖然本振洩露和映象訊號功率較小，同樣需要抑制。目前多數系統都採用校準的方案來搞定這兩個訊號，不止是出於成本的原因。如果在此處加一濾波器。前向的射頻鏈路的頻寬將受限於濾波器的頻寬。
在越來越多的系統中。選擇dac
+ iq的方案，同時採用校準來消除lo洩露和映象訊號來實現更寬的射頻頻寬。這個濾波器也已經隨之消逝在歷史的長河裡。對於不同的射頻系統會要求不同的雜散輻射要求。
在基站系統中。腔體濾波器的頻寬主要取決於運營商的頻譜寬度。而濾波器的抑制主要取決於協議對雜散的要求。
腔體濾波器的抑制指標主要取決於功放輸出的雜散輻射水平，同時也要考慮到前級濾波器殘餘訊號是否會超出頻譜模板要求。
下圖為wcdma傳送雜散輻射上限模板
圖表 4-5 wcdma傳送雜散輻射上限模板
抗混疊濾波器的抑制要求相對來說是非常複雜的。
1. 如果不考慮接收機的阻塞訊號或者其他干擾訊號。抗混疊濾波器只要對相鄰的幾個奈奎斯特區域的雜訊有足夠的抑制(25db左右)，其對訊雜比的惡化已經很小(約0.04db以下)。
2. 對於基站系統我們需要考慮接受機的阻塞性能。當阻塞訊號落入混疊帶時，這時候就會要求系統中所有濾波器的必須把阻塞訊號抑制到小於鏈路底噪20db以下。基站系統中一般天線口的腔體濾波器也會對混疊帶的阻塞訊號有較強的抑制。因而對抗混疊濾波器的抑制並不是十分高。
3. 對於寬頻的儀表系統，如頻譜儀。其系統動態高，干擾訊號大，其抑制只能由抗混疊濾波器完成，此時一般需要做到至少150db以上的抑制要求。
圖表 4-6 抗混疊濾波器抑制分析圖
綜上，抗混疊濾波器的指標分析是建立在系統需求的基礎上。乙個權衡的結果。對於大多數情況而言，我們所說的抗混疊濾波器實質上指的是濾除相鄰帶的雜訊即可。這個濾波器和抗混疊濾波器是有那麼一點點相似。也是為了濾除雜訊。只是會有那麼一絲差異
如圖示，混頻時rf訊號及訊號帶內的雜訊跟本振混頻至if，但lo+if處的雜訊也會混頻至if頻段。那麼直接會造成訊雜比惡化3db。即靈敏度惡化3db，這是系統不能容忍的。所以，鏡頻抑制濾波器是必須的。
圖表 4-7 mixer鏡頻影響分析
那麼鏡頻抑制濾波器主要的抑制物件，即是mixer鏡頻上的雜訊訊號，按照功率的貢獻，當抑制雜訊至2
0 db以下，就可以保證其對訊雜比的惡化小於0
.04db。一般而言，鏡頻濾波器對鏡頻的抑制要求只有
20db即可。如下圖所示。
圖表 4-8 mixer鏡頻抑制示意圖
系統加上濾波器後，最直觀的影響即無法實現超寬頻了。請看下面示意圖。當射頻頻寬越大，抑制點和通帶越近。濾波器越難實現。當rfbw=
2*ifbw時抑制帶和通帶就會連在一快，導致濾波器無法實現。
圖表 4-9 mixer鏡頻抑制分析
那麼寬頻接收機又是怎麼實現的呢？其實很簡單，至少有2個方法可以搞定：
1. 低頻用低本振，高頻用高本振：這樣實現頻寬可以增大一倍，也不是完全意義上的超寬頻。不太理解的話可以直接畫個圖看看。這種方法的好處是增大了頻寬並未增加額外的成本。
2. 提高if的頻率：例如頻譜儀等寬頻系統。都會選擇乙個極高的中頻(5122.5mhz)這樣。對於低頻訊號，其鏡頻的位置都在10ghz以上了。此方案雖然實現了超寬頻，但是需要額外一級混頻再把頻率變下來。由於此濾波器頻寬較窄，抑制能力強，所以它不僅有自己的任務，還要協助別人完成任務。濾波器的主要作用：
1. 抑制帶外輻射，防止接收機中產生的干擾訊號對外產生輻射。
2. 如果是fdd系統，還需要對發射機訊號抑制的任務。
3. 協助濾除落在鏡頻，混疊帶的阻塞訊號。
這些抑制要求，需要根據實際接收機的設計需求來協同分配及權衡。這裡就不在累述。系統的設計其實更多的在於怎麼做好權衡取捨。就像濾波器一樣。很多時候是很多部分共同達成了乙個合格的系統指標。
曾經有人問我混頻器的lo和rf洩露很大，是不是不可以用。我告訴他，無非是**的問題，加個濾波器就是了。
對於系統設計而言，沒有不好的器件。只有不好的設計。每一次寫完一篇，都會發現不完美。但是又不知道怎麼讓它更完美。每一句話都經過字字斟酌。每一張圖都需要反覆修改，但依然在不捨中結束。
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