設(shè)計(jì)無線基站接收通道混頻器的選擇

無線基站通信標(biāo)準(zhǔn)，例如GSM、UMTS和LTE，定義了不同參數(shù)的下限指標(biāo)，包括接收機(jī)的靈敏度和大信號(hào)性能。這些關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)無線基站中的每個(gè)射頻功能模塊提出了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在接收信號(hào)通路，混頻器性能主要影響接收機(jī)的靈敏度和大信號(hào)性能。本文所介紹的混頻器關(guān)鍵性能和參數(shù)，有助于設(shè)計(jì)接收通道時(shí)選擇最佳的混頻器。

無線基站接收機(jī)

我們首先分析無線基站中的典型接收機(jī)方框圖(圖1)。因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)經(jīng)過兩次連續(xù)的下變頻，變換到較低頻率，這些接收機(jī)被稱為超外差式接收機(jī)。如圖所示，信號(hào)通過天線接收，然后經(jīng)過第1級(jí)RF濾波器濾波，該濾波器通常用于濾除無用信號(hào)。隨后，該濾波器輸出通過一個(gè)LNA (低噪聲放大器)進(jìn)行放大，該放大器通常具有非常低的噪聲系數(shù)。

放大信號(hào)通過第2級(jí)RF濾波器再次進(jìn)行濾波，該濾波器濾除限制混頻器性能的無用信號(hào)的同時(shí)還對(duì)頻率范圍加以限制。經(jīng)過濾波后帶寬受限的信號(hào)被送入第一級(jí)混頻器，在此通過與LO (本振)信號(hào)混頻，下變頻至一次IF頻率。根據(jù)接收機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，該IF信號(hào)可以進(jìn)一步下變頻至更低的二次IF頻率，然后送入基帶進(jìn)行解調(diào)處理。

現(xiàn)在，我們開始研究接收鏈路中的混頻器。因?yàn)橛绊懡邮諜C(jī)靈敏度和大信號(hào)性能的主要因素是混頻器參數(shù)，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)分析。

混頻器參數(shù)

混頻器的噪聲系數(shù)表示從輸入至輸出的SNR (信噪比)衰減，該比值通常用對(duì)數(shù)表示(dB)，如式(1)所示：

另一個(gè)重要參數(shù)是變換增益(或變換損耗)。變換增益是判斷混頻器配置為有源架構(gòu)或無源架構(gòu)的重要依據(jù)。無源混頻器不包含放大信號(hào)的元件，存在插入損耗(稱為變換損耗);而有源混頻器包含有源器件，能夠提供變換增益�？梢圆捎脙煞N配置實(shí)現(xiàn)有源混頻器：基于平衡(吉爾伯特單元)架構(gòu)設(shè)計(jì)的集成混頻器，或結(jié)合IF放大級(jí)的無源混頻器，提供增益而非損耗。由于集成混頻器具有放大能力，不需要額外的IF放大級(jí)補(bǔ)償插入損耗。

變換增益(或損耗)用對(duì)數(shù)表示，單位為dB，如式2所示，是頻率的函數(shù)，定義在混頻器的整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)。為了保證最佳接收性能，變換增益/損耗的變化應(yīng)該在規(guī)定頻率范圍內(nèi)盡可能小。

由于無線基站通常工作在溫度波動(dòng)的環(huán)境下，應(yīng)該給出整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)變換增益/損耗的規(guī)格，而且要求變化量盡可能小。由于正常工作條件下，較小的溫度變化范圍對(duì)設(shè)計(jì)裕量的要求也較小，而設(shè)計(jì)裕量對(duì)于系統(tǒng)規(guī)劃非常有用，因此，溫度范圍在設(shè)計(jì)中是非常重要的因素。

混頻器在大信號(hào)下的特性利用一個(gè)稱為“1dB壓縮點(diǎn)”(該指標(biāo)也稱為壓縮點(diǎn)(IP1dB))的混頻器參數(shù)以及2階、3階交調(diào)截點(diǎn)(IP2和IP3)表示。根據(jù)下式所示線性表達(dá)式，IP1dB壓縮點(diǎn)用于預(yù)測混頻器增益降低1dB時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入功率：

當(dāng)兩個(gè)頻率幾乎相同的大信號(hào)作用到混頻器的輸入時(shí)，混頻器應(yīng)該也能夠轉(zhuǎn)換微弱信號(hào)。該性能通常用3階交調(diào)截點(diǎn)(IP3)表示，該參數(shù)與噪聲系數(shù)一起表示混頻器的動(dòng)態(tài)范圍。IP3較大說明混頻器的線性度較高�；祛l器數(shù)據(jù)手冊還應(yīng)提供混頻器的輸入、輸出交調(diào)截點(diǎn)，利用式(4)，可以根據(jù)IIP3(輸入交調(diào)截點(diǎn))計(jì)算OIP3(輸出交調(diào)截點(diǎn))，反之亦然：

式中，OIP3是混頻器的輸出交調(diào)截點(diǎn)，IIP3是輸入交調(diào)截點(diǎn)，G為變換損耗或增益。由此，對(duì)于無源混頻器，混頻器的變換損耗降低了OIP3。為了達(dá)到接收機(jī)要求的總體噪聲系數(shù)，應(yīng)該在RF或IF增益級(jí)對(duì)插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償(噪聲系數(shù)是在設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)必須考慮的另一參數(shù))。