无线通信领域的混频器和调制器分析

云脑智库 2022-09-22 00:00


在无线通信系统中,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。混频器实际上是个对输入信号相乘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)。我们可以从数学上解释这些混频输出分量:

RF输入 = A1sin(ω1t + φ1)

LO输入 = A2sin(ω2t + φ2) 

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

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)]}

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。

一般来讲,大多数混频器的变频损耗介于4.5与9dB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:

噪声系数F = (SNR)In/(SNR)Out

噪声指数NF = 10log(F)

从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。

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,输出不随输入功率线性增加,其值比线性输出低1dB。



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。


三阶截取点

与P1dB类似,三阶截取点(IP3)也会影响系统性能。不佳的三阶交调性能与IP3有直接关系,并且会增加真实工作条件下的噪声基底。这看来会降低无线接收器的灵敏度,相应地降低整个无线通信系统的性能。因此,IP3点越高越好。

要测量IP3,我们对RF输入端施加两个相同功率的输入信号F1和F2 (假设这是下变频过程)。要计算IP3,由于非常靠近相关的IP输出,因此我们在(2F2 – F1) – FLO和(2F1 – F2) – FLO产生相关的三阶交调失真(IMD3),由于未能达到实际的IP3点,因此IP3点是从IMD3获得的理论值。混频器的输出级在达到IP3之前饱和。一般对于无源混频器而言,高频信号的IP3至少为P1dB以上15 dB,低频信号的IP3至少为压缩点以上10dB。


杂散信号

混频过程会产生输入信号的和与差的输出以及大量额外的有害杂散信号(图3)。这些杂散信号包括基本的混频器输入和输出、其谐波产物(nRF、mLO或kIF)和交调产物、nRF ± mLO(下变频)和nLO ± mIF(上变频)。



图3:混频器输出的频谱图显示产生的所有不同产物。需要的信号为和频或差频,不过请注意,有害镜像信号和二阶和三阶信号为谐波的结果。滤波有助于减少这些有害信号。

我们将这些交调产物定义为有害的混频产物。这些杂散响应是由于输入信号和LO的谐波混频引起的。这些杂散信号的电平取决于诸多因素。信号输入电平、负载阻抗、温度和频率都会影响杂散信号。

由于滤波的复杂性和受这些杂散响应影响的频率性能的广泛性,非线性失真产物会对宽带系统产生相当大的影响。窄带应用仅受通带的失真产物的影响。采用足够的带通滤波可以有效地减少大部分有害产物。但是,如前面提到的,IMD3产物极为靠近需要的信号,因此很难过滤出这样的信号。


镜像(边带抑制)

同时影响典型混频器的接收通路和发射通路的一种信号是镜像。与输入信号距离2IF的信号将在下变频过程中直接被转换成与需要的输入信号相同的IF。滤波和采用多个IF级和镜像抑制混频器(IRM)等方法可以最大限度地降低这种有害信号的影响。

镜像就是按照系统规划来自需要的输出信号的“其它”输出,这是因为任何简单的混频器的输出都包含混频的和与差。可在混频器输出端实现更高的镜像抑制的高级混频器设计称为SSB或同相/正交(I/Q)调制器。例如,TI公司的TRF372017是一款高集成度锁相环/压控振荡器(PLL/VCO) I/Q调制器。


直流偏置

输出频谱的另一个关键部分是LO泄漏或直流偏置和载波抑制。隔离会影响混频器的这种功能,直流偏置是表示混频器不平衡的量度。此规格在I/Q调制器和解调器中特别重要。由于I/Q调制器和解调器本身就是两个混频器,因此这些混频器的部分不平衡受两个内部混频器之间的增益差或偏置差影响。

具体来讲,对于采用这些调制器和解调器的零IF系统,由于泄漏在信号带宽内,因此直流偏置(载波抑制)会降低性能。


LO驱动电平

LO驱动电平是混频器中需要设计工程师严密考量的一个规格。系统LO的可用输出功率可能限制设计中的混频器选择方案。驱动电平不足或者过高会降低总混频器性能。同时驱动电平过高还可能损坏器件。与无源混频器相比,有源混频器所需的LO功率往往较少,并且LO功率范围具有更高的灵活性,可获得完整的混频器性能。


混频器拓扑

混频器分为无源混频器和有源混频器。无源混频器采用二极管和无源器件进行混频和滤波。无源混频器一般具有更高的线性度,但变频损耗或噪声较高。此外还有单平衡混频器和双平衡混频器。单平衡混频器具有有限的隔离,而双平衡混频器的端口间隔离好得多,并且线性度更高。

大部分人都熟悉基本的肖特基二极管双平衡混频器。这种混频器是性能最高的混频器之一,仅需要输入端的一些匹配良好、低损耗的平衡-不平衡变换器和具有四桥配置的二极管。为了获得更高的隔离,输出信号在输入信号端口(非LO)被分出。肖特基二极管的低导通电阻(Ron)和高频性能使得这种混频器成为理想之选,不过它有一个不足:需要高LO功率。

我们拥有各种有源混频器选择方案,包括双极结晶体管(BJT)和FET混频器以及可创建真正的乘法器,从而提升隔离和偶次谐波的吉尔伯特单元拓扑。吉尔伯特单元拓扑是到目前为止最受欢迎的有源混频器设计。

虽然这些混频器可以提供极高的性能,但是我们仍然需要滤波和多个IF级从需要的输出中消除镜像。镜像始终距离需要的IF信号2IF。由于可调谐系统的复杂性越来越高,滤波器必须跟踪LO以维持性能。这种系统可能需要多个级和滤波,以便彻底消除较高IF的镜像。

采用IRM时,我们可以通过相位抵消实现境像抑制,而不采用滤波或多个IF级。设计从正交IF混频器开始进行。这种混频器整合了两个双平衡混频器、一个90°分流器和一个零度分流器。要实现IRM的功能,只需要在IF端口后面添加一个90°混合电路,以分隔镜像和实信号,使镜像输出终止或用于进一步的处理(图4)。



图4:镜像抑制混频器在接收器中最受欢迎。它可以通过相移去掉和频或差频产物,产生单个输出,而不需要滤波。LO进行90°相移,产生同相和正交相位信号,与输入的RF信号进行混频。然后混频器输出互相进行90°相移,从而去掉部分产物。

根据上文的讨论,这种设计内部的两个混频器可能不匹配,因此在需要的IF输出端口出现了一些下变频镜像。镜像抑制是所需IF与同一端口的输出端的镜像之比。为提高IRM的性能,良好的抑制匹配是关键的设计参数。



图5:单边带上变频器或调制器用于发射信号链中。此过程类似于接收信号链的镜像抑制混频器(图4)。基带(BB)信号被施加到同相(I)和90°相移(Q)混频器,并与分成90°相移分量的LO信号进行混频。增加了混频器输出,单个产物或边带为RF输出。

至于上变频,我们有SSB混频器或I/Q调制器。在SSB IRM中,镜像和有效输出现在是这种拓扑结构中的输入,RFIn是RFOut。图5通过BB(基带)输入频率或发射通路中的IF信号简化了这种配置。下式显示这种SSB或I/Q调制器如何抑制或减少镜像。

BB I = Asin(ωmt)

BB Q = Acos(ωmt)

LO通过分相电路施加一个CW输入时:

LO同相 = sin(ωct)

LO正交 = cos(ωct)

因此,通过三角恒等式,以下部分整合到RFOut的功率合成器中。从这里我们可以看出, 去掉了上边带(ωc + ωm)器件(USB),而只保留了最低有效位(LSB)。输出为:

RFOut = RFIn-phase + RFQuad-phase = Acos((ωc – ωm)t)

显然,这是一个理想的SSM,其电路中不存在不平衡。但是,在真实世界中,BJT、FET和二极管从未实现理想的平衡。总是存在增益和相位不匹配,隔离将是有限的,因此RFOut端口将出现LO泄漏。基带或IF信号不会实现理想的平衡,LO输入也会不理想。

选择I/Q调制器时影响最大的两个指标是边带抑制和载波泄漏。直流偏置或载波抑制是有害的输出LO分量,这是隔离LO-RF端口和BB或IF信号直流不平衡的结果。边带抑制以dBc计,它是混频器增益和相位平衡不匹配的结果。






免责声明本公众号目前所载内容为本公众号原创、网络转载或根据非密公开性信息资料编辑整理,相关内容仅供参考及学习交流使用。由于部分文字、图片等来源于互联网,无法核实真实出处,如涉及相关争议,请跟我们联系。我们致力于保护作者知识产权或作品版权,本公众号所载内容的知识产权或作品版权归原作者所有。本公众号拥有对此声明的最终解释权。

云脑智库 努力是一种生活态度,与年龄无关!专注搬运、分享、发表雷达、卫通、通信、化合物半导体等技术应用、行业调研、前沿技术探索!专注相控阵、太赫兹、微波光子、光学等前沿技术学习、分享
评论
  • 近期,智能家居领域Matter标准的制定者,全球最具影响力的科技联盟之一,连接标准联盟(Connectivity Standards Alliance,简称CSA)“利好”频出,不仅为智能家居领域的设备制造商们提供了更为快速便捷的Matter认证流程,而且苹果、三星与谷歌等智能家居平台厂商都表示会接纳CSA的Matter认证体系,并计划将其整合至各自的“Works with”项目中。那么,在本轮“利好”背景下,智能家居的设备制造商们该如何捉住机会,“掘金”万亿市场呢?重认证快通道计划,为家居设备
    华普微HOPERF 2025-01-16 10:22 193浏览
  • 百佳泰特为您整理2025年1月各大Logo的最新规格信息,本月有更新信息的logo有HDMI、Wi-Fi、Bluetooth、DisplayHDR、ClearMR、Intel EVO。HDMI®▶ 2025年1月6日,HDMI Forum, Inc. 宣布即将发布HDMI规范2.2版本。新规范将支持更高的分辨率和刷新率,并提供更多高质量选项。更快的96Gbps 带宽可满足数据密集型沉浸式和虚拟应用对传输的要求,如 AR/VR/MR、空间现实和光场显示,以及各种商业应用,如大型数字标牌、医疗成像和
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:41 189浏览
  • Ubuntu20.04默认情况下为root账号自动登录,本文介绍如何取消root账号自动登录,改为通过输入账号密码登录,使用触觉智能EVB3568鸿蒙开发板演示,搭载瑞芯微RK3568,四核A55处理器,主频2.0Ghz,1T算力NPU;支持OpenHarmony5.0及Linux、Android等操作系统,接口丰富,开发评估快人一步!添加新账号1、使用adduser命令来添加新用户,用户名以industio为例,系统会提示设置密码以及其他信息,您可以根据需要填写或跳过,命令如下:root@id
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:14 81浏览
  • 电竞鼠标应用环境与客户需求电竞行业近年来发展迅速,「鼠标延迟」已成为决定游戏体验与比赛结果的关键因素。从技术角度来看,传统鼠标的延迟大约为20毫秒,入门级电竞鼠标通常为5毫秒,而高阶电竞鼠标的延迟可降低至仅2毫秒。这些差异看似微小,但在竞技激烈的游戏中,尤其在对反应和速度要求极高的场景中,每一毫秒的优化都可能带来致胜的优势。电竞比赛的普及促使玩家更加渴望降低鼠标延迟以提升竞技表现。他们希望通过精确的测试,了解不同操作系统与设定对延迟的具体影响,并寻求最佳配置方案来获得竞技优势。这样的需求推动市场
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:45 307浏览
  • 本文介绍瑞芯微开发板/主板Android配置APK默认开启性能模式方法,开启性能模式后,APK的CPU使用优先级会有所提高。触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。源码修改修改源码根目录下文件device/rockchip/rk3562/package_performance.xml并添加以下内容,注意"+"号为添加内容,"com.tencent.mm"为AP
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:09 117浏览
  • 2024年是很平淡的一年,能保住饭碗就是万幸了,公司业绩不好,跳槽又不敢跳,还有一个原因就是老板对我们这些员工还是很好的,碍于人情也不能在公司困难时去雪上加霜。在工作其间遇到的大问题没有,小问题还是有不少,这里就举一两个来说一下。第一个就是,先看下下面的这个封装,你能猜出它的引脚间距是多少吗?这种排线座比较常规的是0.6mm间距(即排线是0.3mm间距)的,而这个规格也是我们用得最多的,所以我们按惯性思维来看的话,就会认为这个座子就是0.6mm间距的,这样往往就不会去细看规格书了,所以这次的运气
    wuliangu 2025-01-21 00:15 54浏览
  • 随着智慧科技的快速发展,智能显示器的生态圈应用变得越来越丰富多元,智能显示器不仅仅是传统的显示设备,透过结合人工智能(AI)和语音助理,它还可以成为家庭、办公室和商业环境中的核心互动接口。提供多元且个性化的服务,如智能家居控制、影音串流拨放、实时信息显示等,极大提升了使用体验。此外,智能家居系统的整合能力也不容小觑,透过智能装置之间的无缝连接,形成了强大的多元应用生态圈。企业也利用智能显示器进行会议展示和多方远程合作,大大提高效率和互动性。Smart Display Ecosystem示意图,作
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:37 194浏览
  • 日前,商务部等部门办公厅印发《手机、平板、智能手表(手环)购新补贴实施方案》明确,个人消费者购买手机、平板、智能手表(手环)3类数码产品(单件销售价格不超过6000元),可享受购新补贴。每人每类可补贴1件,每件补贴比例为减去生产、流通环节及移动运营商所有优惠后最终销售价格的15%,每件最高不超过500元。目前,京东已经做好了承接手机、平板等数码产品国补优惠的落地准备工作,未来随着各省市关于手机、平板等品类的国补开启,京东将第一时间率先上线,满足消费者的换新升级需求。为保障国补的真实有效发放,基于
    华尔街科技眼 2025-01-17 10:44 203浏览
  • 晶台光耦KL817和KL3053在小家电产品(如微波炉等)辅助电源中的广泛应用。具备小功率、高性能、高度集成以及低待机功耗的特点,同时支持宽输入电压范围。▲光耦在实物应用中的产品图其一次侧集成了交流电压过零检测与信号输出功能,该功能产生的过零信号可用于精确控制继电器、可控硅等器件的过零开关动作,从而有效减小开关应力,显著提升器件的使用寿命。通过高度的集成化和先进的控制技术,该电源大幅减少了所需的外围器件数量,不仅降低了系统成本和体积,还进一步增强了整体的可靠性。▲电路示意图该电路的过零检测信号由
    晶台光耦 2025-01-16 10:12 107浏览
  • 随着消费者对汽车驾乘体验的要求不断攀升,汽车照明系统作为确保道路安全、提升驾驶体验以及实现车辆与环境交互的重要组成,日益受到业界的高度重视。近日,2024 DVN(上海)国际汽车照明研讨会圆满落幕。作为照明与传感创新的全球领导者,艾迈斯欧司朗受邀参与主题演讲,并现场展示了其多项前沿技术。本届研讨会汇聚来自全球各地400余名汽车、照明、光源及Tier 2供应商的专业人士及专家共聚一堂。在研讨会第一环节中,艾迈斯欧司朗系统解决方案工程副总裁 Joachim Reill以深厚的专业素养,主持该环节多位
    艾迈斯欧司朗 2025-01-16 20:51 146浏览
  • 一个易用且轻量化的UI可以大大提高用户的使用效率和满意度——通过快速启动、直观操作和及时反馈,帮助用户快速上手并高效完成任务;轻量化设计则可以减少资源占用,提升启动和运行速度,增强产品竞争力。LVGL(Light and Versatile Graphics Library)是一个免费开源的图形库,专为嵌入式系统设计。它以轻量级、高效和易于使用而著称,支持多种屏幕分辨率和硬件配置,并提供了丰富的GUI组件,能够帮助开发者轻松构建出美观且功能强大的用户界面。近期,飞凌嵌入式为基于NXP i.MX9
    飞凌嵌入式 2025-01-16 13:15 216浏览
  • 现在为止,我们已经完成了Purple Pi OH主板的串口调试和部分配件的连接,接下来,让我们趁热打铁,完成剩余配件的连接!注:配件连接前请断开主板所有供电,避免敏感电路损坏!1.1 耳机接口主板有一路OTMP 标准四节耳机座J6,具备进行音频输出及录音功能,接入耳机后声音将优先从耳机输出,如下图所示:1.21.2 相机接口MIPI CSI 接口如上图所示,支持OV5648 和OV8858 摄像头模组。接入摄像头模组后,使用系统相机软件打开相机拍照和录像,如下图所示:1.3 以太网接口主板有一路
    Industio_触觉智能 2025-01-20 11:04 114浏览
  • 80,000人到访的国际大展上,艾迈斯欧司朗有哪些亮点?感未来,光无限。近日,在慕尼黑electronica 2024现场,ams OSRAM通过多款创新DEMO展示,以及数场前瞻洞察分享,全面展示自身融合传感器、发射器及集成电路技术,精准捕捉并呈现环境信息的卓越能力。同时,ams OSRAM通过展会期间与客户、用户等行业人士,以及媒体朋友的深度交流,向业界传达其以光电技术为笔、以创新为墨,书写智能未来的深度思考。electronica 2024electronica 2024构建了一个高度国际
    艾迈斯欧司朗 2025-01-16 20:45 184浏览
  •  光伏及击穿,都可视之为 复合的逆过程,但是,复合、光伏与击穿,不单是进程的方向相反,偏置状态也不一样,复合的工况,是正偏,光伏是零偏,击穿与漂移则是反偏,光伏的能源是外来的,而击穿消耗的是结区自身和电源的能量,漂移的载流子是 客席载流子,须借外延层才能引入,客席载流子 不受反偏PN结的空乏区阻碍,能漂不能漂,只取决于反偏PN结是否处于外延层的「射程」范围,而穿通的成因,则是因耗尽层的过度扩张,致使跟 端子、外延层或其他空乏区 碰触,当耗尽层融通,耐压 (反向阻断能力) 即告彻底丧失,
    MrCU204 2025-01-17 11:30 152浏览
  • 实用性高值得收藏!! (时源芯微)时源专注于EMC整改与服务,配备完整器件 TVS全称Transient Voltage Suppre,亦称TVS管、瞬态抑制二极管等,有单向和双向之分。单向TVS 一般应用于直流供电电路,双向TVS 应用于电压交变的电路。在直流电路的应用中,TVS被并联接入电路中。在电路处于正常运行状态时,TVS会保持截止状态,从而不对电路的正常工作产生任何影响。然而,一旦电路中出现异常的过电压,并且这个电压达到TVS的击穿阈值时,TVS的状态就会
    时源芯微 2025-01-16 14:23 185浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦