เครื่องรับสัญญาณแบบแปลงสัญญาณโดยตรง (Direct-Conversion Receiver หรือ DCR)หรือที่เรียกว่าเครื่องรับสัญญาณแบบ Zero-IFเป็นเครื่องรับสัญญาณชนิดหนึ่งที่ไม่มีขั้นตอนการแปลงความถี่กลาง (Intermediate Frequency หรือ IF) สัญญาณที่เสาอากาศรับสัญญาณรับได้จะถูกแปลงโดยตรงจากความถี่วิทยุ (RF) ไปเป็นความถี่พื้นฐาน (baseband) โดยใช้การตรวจจับแบบซิงโครนัสที่ขับเคลื่อนด้วยออสซิลเลเตอร์ภายในที่มีความถี่เท่ากันหรือใกล้เคียงกับความถี่พาหะของสัญญาณ RF เนื่องจากมีเพียงขั้นตอนการแปลงความถี่เพียงขั้นตอนเดียว สถาปัตยกรรมของเครื่องรับสัญญาณแบบแปลงสัญญาณโดยตรงจึงซับซ้อนน้อยกว่าเครื่องรับสัญญาณแบบซูเปอร์เฮเทอโรไดน์ทั่วไป ซึ่งจะแปลงสัญญาณเป็นความถี่ IF ก่อนและมีตัวกรองตัดสัญญาณรบกวนก่อนที่จะส่งสัญญาณไปยังมิกเซอร์

ปัญหาทางเทคนิคทั่วไปที่พบในเครื่องรับสัญญาณแบบแปลงโดยตรง

1. ค่าชดเชย DC จากสัญญาณรบกวนนอกย่านความถี่ที่รุนแรง

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ปัญหาที่เกิดขึ้นจากขั้นตอนการปฏิเสธภาพได้ถูกกำจัดไปแล้ว เนื่องจาก IF เป็นศูนย์ ดังนั้นจึงต้องการเพียงออสซิลเลเตอร์ภายในเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าจะมีเพียงสัญญาณรบกวนเฟสเดียวเท่านั้นที่เกิดขึ้นในส่วนนี้ ความจำเป็นในการใช้ฟิลเตอร์ขนาดใหญ่ก็ถูกกำจัดออกไปเช่นกัน เนื่องจากส่วนใหญ่ของการกรองจะทำเฉพาะที่ย่านความถี่พื้นฐานด้วยการขยายสัญญาณที่สูงขึ้น

ภายใต้สภาวะที่ไม่เหมาะสม อาจมีสัญญาณรบกวนนอกย่านความถี่หรือสัญญาณปิดกั้นที่รุนแรง และควรถูกกำจัดออกไปก่อนการแปลงความถี่ลง เพื่อหลีกเลี่ยงการสร้างฮาร์โมนิกส์ลำดับสูงขึ้นตามด้วยการบิดเบือนการผสมสัญญาณอื่นๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้ กระบวนการกรองเช่นนี้อาจรวมอยู่หลังตัวขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (Low-Noise Amplifier) ​​เพื่อหลีกเลี่ยงการขับ LNA ไปที่โหลดสูงซึ่งอาจทำให้วงจรเสียหายได้

อีกปัญหาหนึ่งที่อาจเกิดขึ้นในระบบ DCR คือ เนื่องจากสัญญาณ RF ที่เข้ามาจะถูกแปลงโดยตรง โดยไม่มีการกรองล่วงหน้า การประมวลผลสัญญาณ หรือการเลือกย่านความถี่ จึงอาจเกิดปรากฏการณ์ต่างๆ ที่ก่อให้เกิดค่าออฟเซ็ต DC ซึ่งปรากฏเป็นสัญญาณรบกวนในย่านความถี่ที่ต้องการ ดังแสดงในรูปที่ 1 สัญญาณ LO อาจรั่วไหลผ่านเส้นทางที่ไม่พึงประสงค์ไปยังพอร์ตอินพุต RF ของมิกเซอร์ และผสมกับตัวเองเมื่อส่งกลับมา ทำให้เกิดส่วนประกอบ DC ที่ไม่ต้องการและก่อให้เกิดค่าออฟเซ็ต กลไกหลายอย่างมีส่วนทำให้เกิดปัญหานี้ เช่น ฉนวนตัวนำหรือสายเคเบิลที่ไม่ดี การเชื่อมต่อกับพื้นผิว และการแผ่รังสีของสายเชื่อมต่อ

2. ค่าชดเชย DC จากสัญญาณรบกวนในย่านความถี่สูง

สัญญาณรบกวนภายในย่านความถี่ที่รุนแรงอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากการรั่วไหลของสัญญาณจาก LO ไปยังพอร์ตอินพุตของมิกเซอร์ ซึ่งนำไปสู่การผสมสัญญาณเอง ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เครื่องรับสัญญาณในย่านความถี่ใกล้เคียงอาจรบกวนช่องสัญญาณที่ต้องการและทำให้เกิดการรบกวนอย่างรุนแรงกับสัญญาณ RF ซึ่งเป็นการละเมิดมาตรฐานการปล่อยคลื่นที่กำหนดโดยองค์กรทางเทคนิคที่กำกับดูแล นอกจากนี้ สัญญาณรั่วไหลของ LO ที่แผ่กระจายออกมายังสามารถสะท้อนจากอาคารในเมืองหรือวัตถุที่เคลื่อนที่ เช่น รถยนต์ แล้วถูกเสาอากาศดักจับอีกครั้งได้

จะแก้ไขปัญหาเรื่องค่าชดเชยกระแสตรง (DC offsets) อย่างไร?

วิธีหนึ่งในการแก้ปัญหานี้คือการใช้การต่อพ่วงแบบคาปาซิทีฟกระแสสลับที่เอาต์พุตของมิกเซอร์เพื่อกำจัดส่วนประกอบกระแสตรงก่อนที่จะป้อนไปยัง LNA และระบบย่อยเบสแบนด์อื่นๆ อย่างไรก็ตาม ต้องระมัดระวังในการเลือกค่าคาปาซิเตอร์ และควรคำนึงถึงรูปแบบการมอดูเลชั่นและการใช้งานที่ต้องการด้วย ในขณะที่รูปแบบการมอดูเลชั่นบางแบบแสดงการเสื่อมสภาพต่ำสำหรับส่วนประกอบความถี่ต่ำ แต่รูปแบบอื่นๆ ที่แสดงจุดสูงสุดที่กระแสตรงจะเกิดการเสื่อมสภาพอย่างมากและจะนำไปสู่การสูญเสียข้อมูล เช่น ในระบบแบบ TDMA ซึ่งจะส่งผลให้มีอัตราความผิดพลาดของบิต (BER) ต่ำลงอย่างมาก ดังนั้น ค่าคาปาซิเตอร์จะต้องถูกเลือกให้มีขนาดใหญ่พอที่จะหลีกเลี่ยงการเกิดรอยบากขนาดใหญ่และกว้างที่กระแสตรง และในขณะเดียวกัน ค่าก็ต้องเล็กพอที่จะมั่นใจได้ว่าสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์จะถูกกำจัดออกไปก่อนที่จะได้รับข้อมูล

อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้ช่วงเวลาว่างก่อนการรับข้อมูลเพื่อเก็บค่าออฟเซ็ต DC ในตัวเก็บประจุ แล้วลบค่าดังกล่าวออกจากสัญญาณเอาต์พุตเพื่อให้ได้การตอบสนองที่ต้องการ สามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยใช้การประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่เหมาะสมในระบบ TDMA ควบคู่ไปกับวิธีการยกเลิก/แก้ไข DC ที่ได้อธิบายไว้ การจำลอง BER แบบคลาสสิกที่แสดงด้านล่างชี้ให้เห็นว่า การใช้เทคนิคการยกเลิก DC แบบใช้ DSP สามารถลด BER ได้อย่างมากเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแพ็กเก็ตในระบบ TDMA

3. ความไม่เป็นเชิงเส้น

เช่นเดียวกับเครื่องรับแบบซูเปอร์เฮเทอโรไดน์ เครื่องรับแบบ DCR ก็มีสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์เช่นกัน โดยส่วนใหญ่เกิดจากการแยกสายเคเบิลที่ไม่ดีและการเชื่อมต่อสายที่ไม่ดี เมื่อความถี่สัญญาณของสิ่งกีดขวางหรือสัญญาณรบกวนซ้อนทับกับสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ สัญญาณที่ได้จะเกิดการเปลี่ยนแปลงแบนด์วิดท์ในย่านความถี่พื้นฐาน การเปลี่ยนแปลงนี้ขึ้นอยู่กับลำดับของสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ และความเข้มของสัญญาณรบกวนจะเป็นตัวกำหนดความรุนแรงของการบิดเบือน

จะแก้ไขปัญหาความไม่เป็นเชิงเส้นในเครื่องรับสัญญาณแบบแปลงสัญญาณโดยตรงได้อย่างไร?

ในขั้นตอนการออกแบบ ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้แก้ไขปัญหาการแผ่รังสีของสายเชื่อมต่อและข้อบกพร่องด้านฉนวนอื่นๆ แล้ว หรือว่าการแผ่รังสีอยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้ซึ่งไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพสูงสุดของสัญญาณ ดังนั้นจึงสามารถบรรเทาได้ด้วยการออกแบบวงจรที่สมดุลซึ่งรับประกันการทำงานเชิงเส้นในช่วงการทำงานที่กว้าง

4. สัญญาณรบกวนที่มีความเข้มข้นสูงในช่วงความถี่ต่ำ

ใน DCR เนื่องจากสัญญาณ RF ที่เข้ามาจะถูกแปลงโดยตรงเป็นเบสแบนด์ ผลกระทบของการกระพริบความถี่ต่ำต่อสัญญาณแคบแบนด์จึงอาจมีนัยสำคัญ เมื่อใช้อุปกรณ์ที่ใช้ MOS ผลกระทบของสัญญาณรบกวนนี้จะรุนแรงเป็นพิเศษและทำให้คุณภาพลดลงอย่างเห็นได้ชัด โดยที่ส่วนประกอบของสัญญาณรบกวนจะอยู่ในย่านความถี่ของสัญญาณที่ต้องการ สัญญาณรบกวนนี้เกิดจากสถานะพลังงานอิเล็กตรอนเพิ่มเติมที่มีอยู่บริเวณขอบของ Si และ SiO2 ซึ่งเอาชนะพลังงานของอิเล็กตรอนและปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากช่องสัญญาณ เนื่องจากกระบวนการนี้ช้า สัญญาณรบกวนนี้จึงมักปรากฏในช่วงความถี่ต่ำของอุปกรณ์ ดังนั้นทรานซิสเตอร์แต่ละตัวและวงจรแต่ละวงจึงมีส่วนทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแบบกระพริบ และสามารถแก้ไขได้โดยการเลือกขนาดทางกายภาพที่เหมาะสมของทรานซิสเตอร์ซึ่งจะช่วยปรับปรุงฟังก์ชันการถ่ายโอนของอุปกรณ์ MOSFET

แม้ว่าระบบรับสัญญาณแบบแปลงโดยตรงจะมีข้อท้าทายทางเทคนิคอยู่บ้าง แต่การออกแบบวงจรอย่างรอบคอบและการวางโครงสร้างที่เหมาะสมจะปูทางไปสู่การนำระบบดังกล่าวไปใช้งานในหลากหลายแอปพลิเคชัน รวมถึงเครื่องรับสัญญาณดาวเทียม โทรศัพท์มือถือ เพจเจอร์ และเทคโนโลยีการสื่อสารอื่นๆ

หลักการทำงานของเครื่องรับสัญญาณแบบแปลงสัญญาณโดยตรงที่ใช้ FSK

แผนภาพบล็อกของตัวรับข้อมูลแบบแปลงโดยตรงที่ใช้การเข้ารหัสแบบเปลี่ยนความถี่ (FSK) แสดงอยู่ในรูปที่ 3 สัญญาณเอาต์พุตจากเครื่องขยายสัญญาณ RF จะถูกป้อนไปยังวงจรผสมสัญญาณสองวงจรแยกกัน ซึ่งรับสัญญาณที่มีส่วนประกอบเฟสตรงกันและส่วนประกอบเฟสตั้งฉาก (สัญญาณเลื่อนไป 90 องศา) ส่วนประกอบเฟสตรงกัน (I) และส่วนประกอบเฟสตั้งฉาก (Q) ถูกรวมไว้ในส่วนนี้เพื่อให้สามารถเลือกแอมพลิจูดและเฟสของสัญญาณเอาต์พุตได้ตามต้องการ หลังจากการแปลงความถี่แล้ว สัญญาณเอาต์พุตแต่ละตัวของขั้นปัจจุบันจะผ่านไปยังตัวกรองความถี่ต่ำและตัวจำกัดสัญญาณ จากนั้นจึงป้อนไปยังตัวตรวจจับเฟสเพื่อทำการดีมอดูเลชัน ค่าหน่วงเวลา 1/4 ของคาบการชดเชยความถี่ถูกเลือกเป็นคาบที่เหมาะสมที่สุด และถูกแทรกเข้าไปในส่วนประกอบเฟสตั้งฉากเมื่อเทียบกับส่วนประกอบเฟสตรงกัน 

เมื่อทำการดีมอดูเลชัน สัญญาณที่เข้ารหัสแบบ FSK จะปรากฏที่ส่วนตอบสนอง ทำให้ได้การแสดงผลแบบไบนารีในแง่ของมาร์คและสเปซ ขึ้นอยู่กับว่าสัญญาณที่ได้รับนั้นสูงกว่าหรือต่ำกว่าความถี่ของออสซิลเลเตอร์ภายใน ผลลัพธ์ที่ได้คือเอาต์พุตที่ดีมอดูเลชันแล้ว ซึ่งคล้ายคลึงกับที่ได้จากการใช้เครื่องรับแบบซูเปอร์เฮเทอโรไดน์ ซึ่งใช้ทั้งตัวตรวจจับแบบซิงโครนัสตามด้วยขั้นตอนความถี่กลาง (IF)