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高速通信领域的混频器和调制器分析

导读: 在高速无线通信系统中,信号必须进行上变频或下变频后才能进行信号传播和处理。这种变频步骤在传统上称为混频,是接收和发射信号链必不可少的过程。于是,混频器和调制器就成为射频(RF)系统的基本构件。

  在高速无线通信系统中,信号必须进行上变频或下变频后才能进行信号传播和处理。这种变频步骤在传统上称为混频,是接收和发射信号链必不可少的过程。

  于是,混频器和调制器就成为射频(RF)系统的基本构件。随着无线通信标准的不断演进,查看这些构件的特征并了解混频器如何影响总体系统性能至关重要。

  在所有的无线设计中,混频器和调制器都支持变频并实现通信。它们确定整个信号链的基本规格。它们的接收信号链具有最高功率,对来自发射通路中的数模转换器(DAC)的信号进行上变频,并实现数字预失真(DPD)系统,从而影响整个通信系统的性能。

  那么,基本混频器的工作原理如何?有哪些重要规格要考虑?目前有哪些混频器和调制器方案可用来改进和简化系统设计?

 

  基本混频器工作原理

 

  最简单的混频器就是一个乘法器。音频混频器只增加信号,射频混频器实际上增加输入信号以产生新频率的输出信号。射频调制器和解调器本质上就是混频器。这些器件获取基带输入信号,并输出射频调制信号(反之亦然)。

  由于影响混频器的因素同时也会影响调制器,因此本文主要从混频器的角度进行探讨。接收器一般采用下变频来实现高频RF信号的处理,发射器则将低频基带信号转换成高速射频。混频器的所有部分都像负载和源一样。

 

  

 

  在第一个示例中,我们以下变频为例。两个输入分别为RF和本地振荡器(LO)。输出为中频(IF)。输出信号包含输入的和与差(图1)。我们可以通过式1-3从数学上解释这些混频输出分量:

  RF输入 = A1sin(ω1t + φ1) (1)

  LO输入 = A2sin(ω2t + φ2) (2)

  输出IF = A1A2sin(ω1t + φ1) sin(ω2t + φ2) (3)

  通过三角恒等式,我们可以得到包含和与差的输出:

  输出IF = (A1A2/2) {cos\[(ω1 + ω2)t +(φ1 + φ2)] + cos\[(ω1 – ω2)t – (φ1 - φ2)]} (4)

  要获得进行信号处理所需的信号质量,可能需要多个下变频过程和滤波,具体取决于IF频率和系统级规划。(LO 》 RF为本振上注入式,RF 》 LO为本振下注入式。)

  上变频过程中的混频器一般在产生基带信号后的早期采用。在这个过程中,IF为输入,RF为输出。此外,输出为输入信号的和与差。

  需要在输入和输出端进行额外的滤波,以便减少有害产物,获得与接收信号链相似的理想性能。

 

  变频增益

 

  变频增益是混频器的主要衡量标准,可用于在生产中进行功能验证。变频增益是输出信号电平与输入信号电平之比,通常以dB表示。无源混频器的变频损耗一般与插入损耗表示。

  最小损耗以RFOut电流(g1vrf/2 = gonvrf/π)与IFOut电流(g1vrf = gonvrf/2)之比计算。该比值为2/π,因此假设所有阻抗相等且LO输入为方波,则变频增益为(2/π)2或–3.92 dB。

  如果LO输入为连续正弦波输入或连续波(CW),则输出电流中的输出IF分量为gonvrf/4。由于LO输入功率较低,因此功率比相应地从–3.92 dB变为–6 dB。LO功率的下降会影响混频器开/关状态之间的传导驱动能力,从而降低输出功率和噪声指数。

  一般来讲,大多数混频器的变频损耗介于4.5与9 dB之间。这取决于混频器类型以及混频器不平衡、平衡-不平衡变换器不匹配和二极管串联电阻等所有额外的损耗。宽频带混频器更容易产生较高的变频损耗,因为它们需要在整个输入带宽上维持平衡。变频增益会影响总系统自动增益控制(AGC)规划、DPD系统算法和灵敏度规划。

 

  噪声

 

  混频器在进行频率转换时会给信号带来噪声。相对于发热状态下输出端SNR的输入端信噪比(SNR)称为噪声系数。这种度量是器件导通以捕获发热或导电状态下发出的噪声能量时捕获的噪声。然后该值相对于冷却或关断状态时的噪声功率。请记住,用噪声系数计算级联网络和总噪声的公式:

  噪声系数F = (SNR)In/(SNR)Out (5)

  噪声指数NF = 10log(F) (6)

  从式7中的级联噪声指数可以看出(G为各级的增益),第一个级的影响最大。因此在基本接收系统中,开关、滤波器和混频器前的低噪声放大器(LNA)都会增加总系统的噪声系数。仔细地选择这些元器件和混频器可以最大限度地降低总噪声并提升灵敏度。

  请记住,LO驱动电平会影响转换增益和噪声。随着LO功率的下降,噪声也随之下降。双边带(DSB)混频器和单边带(SSB)混频器对噪声的定义略有不同。对于DSB而言,输出端提供所需的IF和镜像(针对到此为止讨论的所有混频器)。对于SSB而言,镜像会尽可能减少。

  DSB噪声包含来自RF和镜像信号频率的噪声和信号。对于SSB噪声而言,镜像信号在理论上丢失(虽然包含了镜像噪声)。理想的SSB混频器的噪声指数是同类DSB混频器的噪声指数的两倍。

 

  隔离

 

  混频器中的隔离在以下端口之间指定:RF与IF;LO与IF;IF与RF以及LO与RF。隔离量度计算一个端口到另一个端口的泄漏功率。例如,要测量LO到RF的隔离,只需将一个信号施加到LO端口,然后测量RF端口的这个输入LO信号的功率。

  由于输入信号(特别是LO)较高,足以导致系统性能下降,因此隔离至关重要。LO泄漏会通过干扰RF放大器或在天线端口辐射RF能量,从而干扰输入信号。LO至IF输出的泄漏会压缩接收器阵列中剩余的IF单元,引起处理错误。

  RF至IF的泄漏以及IF至RF的泄漏表示电路平衡性能,该性能与变频损耗有关。混频器的平衡性能越好,变频损耗就越低;因此,也具有较好的变频性能平坦度。理想情况下,隔离规格尽可能高,并且在最终的外形板设计上具有屏蔽和良好的布局。

 

  1dB压缩点

 

  在接收系统中,混频器最有可能是整个系统中 功率最高的器件。因此线性规格非常重要,它可以确定整个接收器的诸多系统规格和发射能力。

  在标准或线性工作条件下,混频器的变频损耗是恒定的,与RF功率无关。这意味着,当你以1dB的幅度增加输入功率时,输出功率也会以1dB递增。在P1dB压缩点,输入功率增加,以便输出不随输入功率线性增加。这也是混频器变频损耗高出理想值1dB的原因(图2)。

 

  

 

  在P1dB点或更高点运行混频器会使需要的IF或RF信号失真,同时会增加频谱中的杂散量。完整信号链的1dB压缩点会影响系统的动态范围。混频器的典型P1dB规格介于0至15 dB之间。P1dB越高,性能越高,系统动态范围相应地越好。

 

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