在無線通信系統(tǒng)中，信號必須進(jìn)行上變頻或下變頻后才能進(jìn)行信號傳播和處理。這種變頻步驟在傳統(tǒng)上稱為混頻，是接收和發(fā)射信號鏈必不可少的過程。

 

于是，混頻器和調(diào)制器就成為射頻（RF）系統(tǒng)的基本構(gòu)件。隨著無線通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，查看這些構(gòu)件的特征并了解混頻器如何影響總體系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

 

在所有的無線設(shè)計中，混頻器和調(diào)制器都支持變頻并實現(xiàn)通信。它們確定整個信號鏈的基本規(guī)格。它們的接收信號鏈具有最高功率，對來自發(fā)射通路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的信號進(jìn)行上變頻，并實現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真（DPD）系統(tǒng)，從而影響整個通信系統(tǒng)的性能。

 

那么，基本混頻器的工作原理如何？有哪些重要規(guī)格要考慮？目前有哪些混頻器和調(diào)制器方案可用來改進(jìn)和簡化系統(tǒng)設(shè)計？

 

基本混頻器工作原理

 

最簡單的混頻器就是一個乘法器?；祛l器實際上是個對輸入信號相乘以產(chǎn)生新頻率的輸出信號。射頻調(diào)制器和解調(diào)器本質(zhì)上就是混頻器。這些器件獲取基帶輸入信號，并輸出射頻調(diào)制信號（反之亦然）。

 

由于影響混頻器的因素同時也會影響調(diào)制器，因此本文主要從混頻器的角度進(jìn)行探討。接收器一般采用下變頻來實現(xiàn)高頻RF信號的處理，發(fā)射器則將低頻基帶信號轉(zhuǎn)換成高速射頻。混頻器的所有部分都像負(fù)載和源一樣。

 

 

在第一個示例中，我們以下變頻為例。兩個輸入分別為RF和本地振蕩器（LO）。輸出為中頻（IF）。輸出信號包含輸入的和與差（圖1）。我們可以從數(shù)學(xué)上解釋這些混頻輸出分量：

 

RF輸入 = A1sin（ω1t + φ1）

LO輸入 = A2sin（ω2t + φ2） 

輸出IF = A1A2sin（ω1t + φ1） sin（ω2t + φ2）

 

通過三角恒等式，我們可以得到包含和與差的輸出：

 

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

 

要獲得進(jìn)行信號處理所需的信號質(zhì)量，可能需要多個下變頻過程和濾波，具體取決于IF頻率和系統(tǒng)級規(guī)劃。（LO 〉 RF為本振上注入式，RF 〉 LO為本振下注入式。）

 

上變頻過程中的混頻器一般在產(chǎn)生基帶信號后采用。在這個過程中，IF為輸入，RF為輸出。此外，輸出為輸入信號的和與差。

 

需要在輸入和輸出端進(jìn)行額外的濾波，以便減少有害產(chǎn)物，獲得與接收信號鏈相似的理想性能。

 

變頻增益

 

變頻增益是混頻器的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，可用于在生產(chǎn)中進(jìn)行功能驗證。變頻增益是輸出信號電平與輸入信號電平之比，通常以dB表示。無源混頻器的變頻損耗一般與插入損耗表示。

 

一般來講，大多數(shù)混頻器的變頻損耗介于4.5與9dB之間。這取決于混頻器類型以及混頻器不平衡、平衡-不平衡變換器不匹配和二極管串聯(lián)電阻等所有額外的損耗。寬頻帶混頻器更容易產(chǎn)生較高的變頻損耗，因為它們需要在整個輸入帶寬上維持平衡。變頻增益會影響總系統(tǒng)自動增益控制（AGC）規(guī)劃、DPD系統(tǒng)算法和靈敏度規(guī)劃。

 

噪聲

 

混頻器在進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換時會給信號帶來噪聲。相對于發(fā)熱狀態(tài)下輸出端SNR的輸入端信噪比（SNR）稱為噪聲系數(shù)：

 

噪聲系數(shù)F = （SNR）In/（SNR）Out

噪聲指數(shù)NF = 10log（F）

 

從級聯(lián)噪聲指數(shù)可以看出（G為各級的增益），第一個級的影響最大。因此在基本接收系統(tǒng)中，開關(guān)、濾波器和混頻器前的低噪聲放大器（LNA）都會增加總系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。仔細(xì)地選擇這些元器件和混頻器可以最大限度地降低總噪聲并提升靈敏度。

 

請記住，LO驅(qū)動電平會影響轉(zhuǎn)換增益和噪聲。隨著LO功率的下降，噪聲也隨之下降。雙邊帶（DSB）混頻器和單邊帶（SSB）混頻器對噪聲的定義略有不同。對于DSB而言，輸出端提供所需的IF和鏡像（針對到此為止討論的所有混頻器）。對于SSB而言，鏡像會盡可能減少。

 

DSB噪聲包含來自RF和鏡像信號頻率的噪聲和信號。對于SSB噪聲而言，鏡像信號在理論上丟失（雖然包含了鏡像噪聲）。理想的SSB混頻器的噪聲指數(shù)是同類DSB混頻器的噪聲指數(shù)的兩倍。

 

隔離

 

混頻器中的隔離在以下端口之間指定：RF與IF；LO與IF；IF與RF以及LO與RF。隔離量度計算一個端口到另一個端口的泄漏功率。例如，要測量LO到RF的隔離，只需將一個信號施加到LO端口，然后測量RF端口的這個輸入LO信號的功率。

 

由于輸入信號（特別是LO）較高，足以導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因此隔離至關(guān)重要。LO泄漏會通過干擾RF放大器或在天線端口輻射RF能量，從而干擾輸入信號。LO至IF輸出的泄漏會壓縮接收器陣列中剩余的IF單元，引起處理錯誤。

 

RF至IF的泄漏以及IF至RF的泄漏表示電路平衡性能，該性能與變頻損耗有關(guān)?；祛l器的平衡性能越好，變頻損耗就越低；因此，也具有較好的變頻性能平坦度。理想情況下，隔離規(guī)格盡可能高，并且在最終的外形板設(shè)計上具有屏蔽和良好的布局。

 

1dB壓縮點

 

在接收系統(tǒng)中，混頻器最有可能是整個系統(tǒng)中功率最高的器件。因此線性規(guī)格非常重要，它可以確定整個接收器的諸多系統(tǒng)規(guī)格。

 

在標(biāo)準(zhǔn)或線性工作條件下，混頻器的變頻損耗是恒定的，與RF功率無關(guān)。這意味著，當(dāng)你以1dB的幅度增加輸入功率時，輸出功率也會以1dB遞增。在P1dB壓縮點，輸入功率增加，輸出不隨輸入功率線性增加，其值比線性輸出低1dB。

 

 

在P1dB點或更高點運行混頻器會使需要的IF或RF信號失真，同時會增加頻譜中的雜散量。完整信號鏈的1dB壓縮點會影響系統(tǒng)的動態(tài)范圍?；祛l器的典型P1dB規(guī)格介于0至15 dB之間。P1dB越高，性能越高，系統(tǒng)動態(tài)范圍相應(yīng)地越好。

 

三階截取點

 

與P1dB類似，三階截取點（IP3）也會影響系統(tǒng)性能。不佳的三階交調(diào)性能與IP3有直接關(guān)系，并且會增加真實工作條件下的噪聲基底。這看來會降低無線接收器的靈敏度，相應(yīng)地降低整個無線通信系統(tǒng)的性能。因此，IP3點越高越好。

 

要測量IP3，我們對RF輸入端施加兩個相同功率的輸入信號F1和F2 （假設(shè)這是下變頻過程）。要計算IP3，由于非?？拷嚓P(guān)的IP輸出，因此我們在（2F2 – F1） – FLO和（2F1 – F2） – FLO產(chǎn)生相關(guān)的三階交調(diào)失真（IMD3），由于未能達(dá)到實際的IP3點，因此IP3點是從IMD3獲得的理論值?；祛l器的輸出級在達(dá)到IP3之前飽和。一般對于無源混頻器而言，高頻信號的IP3至少為P1dB以上15 dB，低頻信號的IP3至少為壓縮點以上10dB。

 

雜散信號

 

混頻過程會產(chǎn)生輸入信號的和與差的輸出以及大量額外的有害雜散信號（圖3）。這些雜散信號包括基本的混頻器輸入和輸出、其諧波產(chǎn)物（nRF、mLO或kIF）和交調(diào)產(chǎn)物、nRF ± mLO（下變頻）和nLO ± mIF（上變頻）。

 

 

圖3：混頻器輸出的頻譜圖顯示產(chǎn)生的所有不同產(chǎn)物。需要的信號為和頻或差頻，不過請注意，有害鏡像信號和二階和三階信號為諧波的結(jié)果。濾波有助于減少這些有害信號。

 

我們將這些交調(diào)產(chǎn)物定義為有害的混頻產(chǎn)物。這些雜散響應(yīng)是由于輸入信號和LO的諧波混頻引起的。這些雜散信號的電平取決于諸多因素。信號輸入電平、負(fù)載阻抗、溫度和頻率都會影響雜散信號。

 

由于濾波的復(fù)雜性和受這些雜散響應(yīng)影響的頻率性能的廣泛性，非線性失真產(chǎn)物會對寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。窄帶應(yīng)用僅受通帶的失真產(chǎn)物的影響。采用足夠的帶通濾波可以有效地減少大部分有害產(chǎn)物。但是，如前面提到的，IMD3產(chǎn)物極為靠近需要的信號，因此很難過濾出這樣的信號。

 

鏡像（邊帶抑制）

 

同時影響典型混頻器的接收通路和發(fā)射通路的一種信號是鏡像。與輸入信號距離2IF的信號將在下變頻過程中直接被轉(zhuǎn)換成與需要的輸入信號相同的IF。濾波和采用多個IF級和鏡像抑制混頻器（IRM）等方法可以最大限度地降低這種有害信號的影響。

 

鏡像就是按照系統(tǒng)規(guī)劃來自需要的輸出信號的“其它”輸出，這是因為任何簡單的混頻器的輸出都包含混頻的和與差?？稍诨祛l器輸出端實現(xiàn)更高的鏡像抑制的高級混頻器設(shè)計稱為SSB或同相/正交（I/Q）調(diào)制器。例如，TI公司的TRF372017是一款高集成度鎖相環(huán)/壓控振蕩器（PLL/VCO） I/Q調(diào)制器。

 

直流偏置

 

輸出頻譜的另一個關(guān)鍵部分是LO泄漏或直流偏置和載波抑制。隔離會影響混頻器的這種功能，直流偏置是表示混頻器不平衡的量度。此規(guī)格在I/Q調(diào)制器和解調(diào)器中特別重要。由于I/Q調(diào)制器和解調(diào)器本身就是兩個混頻器，因此這些混頻器的部分不平衡受兩個內(nèi)部混頻器之間的增益差或偏置差影響。

 

具體來講，對于采用這些調(diào)制器和解調(diào)器的零IF系統(tǒng)，由于泄漏在信號帶寬內(nèi)，因此直流偏置（載波抑制）會降低性能。

 

LO驅(qū)動電平

 

LO驅(qū)動電平是混頻器中需要設(shè)計工程師嚴(yán)密考量的一個規(guī)格。系統(tǒng)LO的可用輸出功率可能限制設(shè)計中的混頻器選擇方案。驅(qū)動電平不足或者過高會降低總混頻器性能。同時驅(qū)動電平過高還可能損壞器件。與無源混頻器相比，有源混頻器所需的LO功率往往較少，并且LO功率范圍具有更高的靈活性，可獲得完整的混頻器性能。

 

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