高速無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的混頻器和調(diào)制器

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(gè)混頻器，因此這些混頻器的部分不 平衡受兩個(gè)內(nèi)部混頻器之間的增益差或偏置差影響。

　　具體來講，對(duì)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(hào)帶 寬內(nèi)，因此直流偏置(載波抑制)會(huì)降低性能?；祛l器輸出端的直流偏置將位于LO頻率，根據(jù)直流偏置的不同，如果器件內(nèi)的不平衡足夠高，直流偏置會(huì)影響錯(cuò)誤 (式13)。因此，如果1VRMS信號(hào)有10mV的直流偏置，則：

　　CS = –40 dBc (14)

　　LO驅(qū)動(dòng)電平

　　LO驅(qū)動(dòng)電平是混頻器中需要設(shè)計(jì)工程師嚴(yán)密考量的一個(gè)規(guī)格。系統(tǒng)LO的可用輸出功率可能限制設(shè)計(jì)中的混頻器選擇方案。驅(qū)動(dòng)電平不足會(huì)降低總混頻器性能。 驅(qū)動(dòng)電平過高會(huì)降低性能，同時(shí)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。

　　混頻器拓?fù)?/p>

　　混頻器分為無源混頻器和有源混頻器。無源混頻器采用二極管和無源器件進(jìn)行混頻和濾波。無源混頻器一般具有更高的線性度，但變頻損耗或噪聲較高。此外還有單平衡混頻器和雙平衡混頻器。單平衡混頻器具有有限的隔離，而雙平衡混頻器的端口間隔離好得多，并且線性度更高。

　　大部分人都熟悉基本的肖特基二極管雙平衡混頻器。這種混頻器是性能最高的混頻器之一，僅需要輸入端的一些匹配良好、低損耗的平衡-不平衡變換器和具有四 橋配置的二極管。為了獲得更高的隔離，輸出信號(hào)在輸入信號(hào)端口(非LO)被分出。肖特基二極管的低Ron和高頻性能使得這種混頻器成為理想之選，不過它有 一個(gè)不足：需要高LO功率。我們擁有各種有源混頻器選擇方案，包括雙極結(jié)晶體管(BJT)和FET混頻器以及可創(chuàng)建真正的乘法器，從而提升隔離和偶次諧波的吉爾伯特單元拓?fù)?。吉爾伯特單元拓?fù)涫堑侥壳盀橹棺钍軞g迎的有源混頻器設(shè)計(jì)。

　　雖然這些混頻器可以提供極高的性能，但是我們?nèi)匀恍枰獮V波和多個(gè)IF級(jí)從需要的輸出中消除鏡像。鏡像始終距離需要的IF信號(hào)2IF，以便低IF 端的濾波得到更多的抑制。由于可調(diào)諧系統(tǒng)的復(fù)雜性越來越高，濾波器必須跟蹤LO以維持性能。這種系統(tǒng)可能需要多個(gè)級(jí)和濾波，以便徹底消除較高IF的鏡像。采用IRM時(shí)，我們可以通過相位抵消實(shí)現(xiàn)境像抑制，而不采用濾波或多個(gè)IF級(jí)。設(shè)計(jì)從正交IF混頻器開始進(jìn)行。這種混頻器整合了兩個(gè)雙平衡混頻器、一個(gè) 90°分流器和一個(gè)零度分流器。要實(shí)現(xiàn)IRM的功能，只需要在IF端口后面添加一個(gè)90°混合電路，以分隔鏡像和實(shí)信號(hào)，使鏡像輸出終止或用于進(jìn)一步的處 理(圖4)。

　　圖4：鏡像抑制混頻器在接收器中最受歡迎。它可以通過相移去掉和頻或差頻產(chǎn)物，產(chǎn)生單個(gè)輸出，而不需要濾波。LO進(jìn)行90°相移，產(chǎn)生同相和正交相位信號(hào)，與輸入的RF信號(hào)進(jìn)行混頻。然后混頻器輸出互相進(jìn)行90°相移，從而去掉部分產(chǎn)物。根據(jù)上文的討論，這種設(shè)計(jì)內(nèi)部的兩個(gè)混頻器可能不匹配，因?yàn)樵谛枰腎F輸出端口出現(xiàn)了一些下變頻鏡像。鏡像抑制是所需IF與同一端口的輸出端的鏡像之比。為提高IRM的性能，良好的抑制匹配是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　圖5：單邊帶上變頻器或調(diào)制器用于發(fā)射信號(hào)鏈中。此過程類似于接收信號(hào)鏈的鏡像抑制混頻器(圖4)。基帶(BB)信號(hào)被施加到同相(I)和90°相移(Q)混頻器，并與分成90°相移分量的LO信號(hào)進(jìn)行混頻。增加了混頻器輸出，單個(gè)產(chǎn)物或邊帶為RF輸出。

　　至于上變頻，我們有SSB混頻器或I/Q調(diào)制器。在SSB IRM中，鏡像和有效輸出現(xiàn)在是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的輸入，RFIn是RFOut。圖5通過BB(基帶)輸入頻率或發(fā)射通路中的IF信號(hào)簡化了這種配置。式 15-21顯示這種SSB或I/Q調(diào)制器如何抑制或減少鏡像。

　　BB I = Asin(ωmt) (15)

　　BB Q = Acos(ωmt) (16)

　　LO通過分相電路施加一個(gè)CW輸入時(shí)：

　　LO同相 = sin(ωct) (17)

　　LO正交 = cos(ωct) (18)

　　因此，通過三角恒等式，以下部分整合到RFOut的功率合成器中(式19和式20)。從這里我們可以看出， 去掉了上邊帶(ωc + ωm)器件(USB)，而只保留了最低有效位(LSB)。輸出為：RFOut = RFIn-phase + RFQuad-phase = Acos((ωc – ωm)t) (21)

　　顯然，這是一個(gè)理想的SSM，其電路中不存在不平衡。但是，在真實(shí)世界中，BJT、FET和二極管從未實(shí)現(xiàn)理想的平衡?？偸谴嬖谠鲆婧拖辔徊黄ヅ?，隔離將是有限的，因此RFOut端口將出現(xiàn)LO泄漏?；鶐Щ騃F信號(hào)不會(huì)實(shí)現(xiàn)理想的平衡，LO輸入也會(huì)不理想。選擇I/Q調(diào)制器時(shí)影響最大的兩個(gè)規(guī)格是邊帶抑制和載波泄漏。直流偏置或載波抑制是有害的輸出LO分量，這是隔離LO-RF端口和BB或IF信號(hào)直流不 平衡的結(jié)果。邊帶抑制以dBc計(jì)。這是鏡像分量，是一個(gè)相對(duì)于輸出信號(hào)的規(guī)格。它是混頻器增益和相位平衡不匹配的結(jié)果。