【導(dǎo)讀】集成混頻器內(nèi)部的本振(LO)驅(qū)動器/緩沖器會增加本振殘余相噪,強(qiáng)射頻信號與本振噪聲發(fā)生倒易混頻會降低接收靈敏度。定義并評估集成混頻器本振噪聲的劣化能夠幫助系統(tǒng)設(shè)計人員計算接收機(jī)靈敏度的降低。
前言
蜂窩基站接收機(jī)需要在有較高阻塞/干擾信號的情況下接收天線端微弱的有用信號。干擾信號通常會被濾波器濾除,但濾波是在第一級下變頻后的中頻(IF)階段進(jìn)行的。因此,中頻濾波器之前的LNA與混頻器必須具有較高的線性度(IP3)和低噪聲系數(shù)(NF)。
圖1給出了一個典型的基站接收機(jī)架構(gòu)的簡化框圖。接收機(jī)從天線開始,然后是高Q值調(diào)諧濾波器單元,低噪放位于天線附近。通過同軸線纜將接收到的信號連接到收發(fā)信機(jī),收發(fā)信機(jī)單元由低噪放、低噪聲混頻器、聲表濾波器以及中頻放大器構(gòu)成,最后是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。第一級混頻器將信號下變頻至70MHz至100MHz (CDMA 800/GSM 900)或200MHz至300MHz (GSM 1800/GSM 1900/UMTS)。
圖1. 蜂窩基站接收機(jī)的基本框圖
通常使用本振驅(qū)動電平大于17dBm的無源平衡二極管混頻器來滿足對混頻器線性度和噪聲的要求(圖2)。這些基站混頻器由分立元件或混合集成電路構(gòu)成,本振驅(qū)動由外部特性阻抗為50Ω的緩沖放大器實現(xiàn)。因此,在信號注入混頻器之前增加濾波器,濾除本振殘余相噪是可行的。選擇IC方案時,必須謹(jǐn)慎考慮本振驅(qū)動的噪聲,以滿足系統(tǒng)要求。在芯片的輸入端口通過濾波將本振電平噪聲限制到kT,本振緩沖放大器將使本振相噪劣化。當(dāng)存在大的阻塞信號時,由于本振噪聲與強(qiáng)干擾信號之間的倒易混頻會增加接收機(jī)的噪聲。
圖2. 帶本振濾波的分立式無源17級基站接收機(jī)混頻器
混頻器噪聲模型
熱噪聲是接收機(jī)混頻器中常見的測量噪聲,定義為具有50Ω射頻輸入端口的混頻器的噪聲性能,端口的噪聲功率密度為-174dBm/Hz ()。輸入?yún)⒖荚肼暱梢杂苫祛l器的噪聲系數(shù)獲得。
式中,
k = 玻爾茲曼常數(shù)
= 絕對溫度(290K)
F = 混頻器的噪聲系數(shù)。
倒易混頻發(fā)生在射頻端口存在強(qiáng)射頻信號的情況下。這是一種在噪聲系數(shù)(NF)測量中沒有計算在內(nèi)的附加噪聲。輸入倒易混頻噪聲可以在特定的阻塞電平條件下評估。假定輸入本振噪聲為,帶寬為B,中頻端口的倒易混頻噪聲為:
如果干擾頻率與有用信號的頻率偏差足夠大,相位噪聲可認(rèn)為是平坦的。這兩個噪聲源可看作相互獨立,并且可以直接相加(圖4所示)。存在阻塞信號時,對輸入、輸出信噪比的影響可以用下式表示:
本振噪聲的定義
根據(jù)混頻器輸出端口所需要的載噪比(C/I)、輸入阻塞信號電平、信號電平以及接收噪聲帶寬(B),可以估算所需的本振噪聲,單位為。對于GSM基站,偏差大于3MHz的最大阻塞信號電平定為-13dBm,在阻塞條件下所需接收靈敏度為-101dBm,GSM系統(tǒng)的帶寬‘B’為200kHz。
對于需要C/I比為10的GSM基站系統(tǒng),計算所得的相位噪聲電平為-151dBc/Hz??紤]到前端熱噪聲,實際的相位噪聲應(yīng)該大于該值,移動基站的阻塞指標(biāo)比較寬松,= -138dBc/Hz。
圖3. 典型集成基站接收機(jī)混頻器,集成了本振驅(qū)動和中頻放大功能
LO驅(qū)動的等效噪聲電平
將式1和式2代入式3,得到接收機(jī)信噪比下的等效本振噪聲電平(單位為dBc/Hz)。高線性混頻器要求較高的本振驅(qū)動電平,但同時放大器的底噪也會相應(yīng)增加。如式2所示,由于倒易混頻使本振噪聲出現(xiàn)在中頻端口,可以在中頻端口測量本振驅(qū)動放大器的噪聲。圖5所示配置可以用來測量阻塞條件下的混頻器噪聲。底噪測量分別在無信號和存在阻塞信號的條件下進(jìn)行。由輸出熱噪聲以及輸出倒易混頻噪聲組成,經(jīng)過聲表濾波器衰減和中頻放大。由小信號噪聲(F)和增益(G)確定。
可以從中分離出來,并計算集成本振驅(qū)動放大器的(dBc/Hz)。定義集成混頻器的等效噪聲可以幫助系統(tǒng)設(shè)計者由式3估算信噪比(SNR)的劣化。
圖4. 混頻器總噪聲由熱噪聲和倒易混頻噪聲組成
計算舉例
MAX9993是一款為PCS/DCS/UMTS (1.7G至2.2G)應(yīng)用設(shè)計的一款有源混頻器。其典型增益為8.5dB,噪聲系數(shù)9.5dB,IIP3 = 23.5dBm,P1dB = 13.0dBm,工作所需的本振電平在0至6dBm之間。輸入?yún)⒖紵嵩肼?img src="/editorfiles/20170612031305_1132.png" alt="集成基站混頻器本振噪聲的規(guī)格與測量" width="220" height="17" />輸出熱噪聲本例中工作頻率分別為: 1800MHz,在偏離處注入5dBm的阻塞信號,且使用一個190MHz的中頻濾波器(SAWTEK 855770)濾除215MHz處的阻塞信號,用Agilent E4404B頻譜分析儀測得的為-127dBm/Hz。不存在阻塞信號的同樣配置下,測得的噪聲電平為該配置中,中頻放大器的增益和噪聲系數(shù)分別為29.5dB和2.5dB。所測得的與使用實驗配置下的增益和存在阻塞條件下的噪聲系數(shù)計算的結(jié)果一致。
圖5. 存在阻塞情況下測量噪聲以及推導(dǎo)9999的實驗配置
圖6. 不同溫度條件下MAX9982以dBc/Hz表示的本振噪聲()相對于輸入本振驅(qū)動功率的變化
存在阻塞情況下噪聲的增加歸結(jié)到混頻器輸出噪聲表現(xiàn)為到的劣化。通過頻譜儀測量到的噪聲電平()來源于熱噪聲、倒易混頻、聲表以及中頻放大器。通過對整個系統(tǒng)的級聯(lián)噪聲分析,混頻器的等效噪聲系數(shù)由9.5dB增加到16dB。從合成噪聲()中,使用在混頻器噪聲部分推導(dǎo)的公式可求出倒易混頻噪聲。式3所示信噪比降低16dB,從式3解出,結(jié)果是:
輸入倒易混頻噪聲= 15dBm/Hz - 174dBm/Hz = -159dBm/Hz。由于使用了5dBm的阻塞信號,為-164dBc/Hz。該指標(biāo)遠(yuǎn)小于GSM所需要的-151dBc/Hz。
以信噪比(dBc/Hz)定義的本振噪聲會隨著本振驅(qū)動信號的變化而變化,同時該驅(qū)動信號會受本振驅(qū)動的限制。從下述例子可以看到這一點。
MAX9982是一款用于CDMA/GSM頻帶(825MHz至915MHz)的高線性混頻器,其輸入IP3 > 26dBm,增益為3dB且噪聲系數(shù)NF = 11dB。該混頻器工作時的本振驅(qū)動范圍為-5dBm至+5dBm之間。大多數(shù)參數(shù)隨著本振驅(qū)動信號而變化。圖6給出了一個以驅(qū)動電平為函數(shù)的(dBc/Hz)曲線。此次測量所采用的配置與圖5完全相同。一個SAWTEK (854823) 86.6MHz的GSM中頻濾波器用于衰減中頻端口的阻塞信號(DUT口為5dBm)。
結(jié)論
本文討論了在基站集成混頻器設(shè)計中本振驅(qū)動放大器噪聲的影響。用一個簡單的噪聲模型,倒易混頻成分可以從存在阻塞信號情況下的整體噪聲中提取出來,通過測量在阻塞條件下的整體輸出噪聲,測量出了兩個集成混頻器內(nèi)部的驅(qū)動放大器的本振噪聲。這個數(shù)據(jù)可以用來計算阻塞條件下接收機(jī)的靈敏度。
本文來源于Maxim。
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