RF信號(hào)鏈討論：特性和性能指標(biāo)

今天，射頻技術(shù)和射頻設(shè)備在我們的生活中根深蒂固，如果沒(méi)有它們，現(xiàn)代文明如何生存是不可想象的。社會(huì)領(lǐng)域嚴(yán)重依賴RF信號(hào)鏈的例子數(shù)不勝數(shù)，這是我們討論的焦點(diǎn)。

但是，在我們深入研究之前，我們需要了解術(shù)語(yǔ) RF 的實(shí)際含義。乍一看，這似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。我們都知道RF代表射頻，一個(gè)共同的定義將該術(shù)語(yǔ)與電磁頻譜的MHz到GHz部分的特定頻率范圍聯(lián)系起來(lái)。然而，如果我們仔細(xì)研究其公認(rèn)的定義并進(jìn)行比較，我們就會(huì)意識(shí)到它們都以不同的方式定義頻譜RF部分的實(shí)際邊界。鑒于我們可能經(jīng)常在與特定頻率完全無(wú)關(guān)的其他上下文中遇到該術(shù)語(yǔ)的更廣泛用法，這一點(diǎn)變得更加令人費(fèi)解。那么什么是射頻？

通過(guò)關(guān)注RF的區(qū)別特征，包括相移、電抗、耗散、噪聲、輻射、反射和非線性，可以建立其定義傳達(dá)多種意義的一致基礎(chǔ)。1該基礎(chǔ)代表了一個(gè)現(xiàn)代的包羅萬(wàn)象的定義，它不依賴于單個(gè)方面或特定的數(shù)值來(lái)區(qū)分RF與其他術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)RF可以應(yīng)用于任何電路或組件，這些電路或組件共享許多作為其定義基礎(chǔ)的特征。

現(xiàn)在我們已經(jīng)為我們的討論設(shè)定了背景，我們可以繼續(xù)討論其主要主題，并考慮圖1中以通用形式描述的RF信號(hào)鏈。它的表示使用分布式元件電路模型來(lái)解釋電路上的相移，這在較短的RF波長(zhǎng)下不可忽略，使得集總電路近似不適用于這些類型的系統(tǒng)。RF信號(hào)鏈可能包括各種分立元件，如衰減器、開(kāi)關(guān)、放大器、檢波器、頻率合成器和其他RF模擬器件，以及高速ADC和DAC。所有這些組件組合在一起服務(wù)于特定應(yīng)用，其整體指示性能將由其組成分立部件的復(fù)合性能決定。

圖1.通用射頻信號(hào)鏈。

因此，為了設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)應(yīng)用特定要求的系統(tǒng)，RF系統(tǒng)工程師必須獲得實(shí)質(zhì)性的系統(tǒng)級(jí)視角，并對(duì)其背后的關(guān)鍵概念和原理有一致的理解。這種知識(shí)的重要性促使了這一話語(yǔ)的創(chuàng)作，該話語(yǔ)由兩部分組成。第一部分的目標(biāo)是就用于表征RF器件和量化其性能的主要特性和指標(biāo)提供簡(jiǎn)明的指導(dǎo)。第二部分的目標(biāo)是對(duì)可用于為所需應(yīng)用開(kāi)發(fā)RF信號(hào)鏈的各種單個(gè)組件及其類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)良好的概述。在本文中，我們將重點(diǎn)討論第一部分，并考慮與RF系統(tǒng)相關(guān)的主要屬性和性能指標(biāo)。

射頻術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

用于表征完整RF系統(tǒng)及其分立構(gòu)建模塊的規(guī)格范圍很廣。根據(jù)應(yīng)用程序或用例，其中一些特征可能是最重要的，而其他特征則不那么重要或不相關(guān)。當(dāng)然不可能在本文范圍內(nèi)對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的主題進(jìn)行全面的分析。盡管如此，我們將嘗試通過(guò)遵循共同的主線，對(duì)最常見(jiàn)的射頻性能方面進(jìn)行簡(jiǎn)明而全面的概述，這些共同主線應(yīng)將其復(fù)雜的星座塑造成一個(gè)平衡且易于理解的射頻系統(tǒng)特性和特性指南。

基本屬性

散射矩陣（或S矩陣）是描述RF系統(tǒng)行為需要知道的基本術(shù)語(yǔ)。S矩陣允許我們將最復(fù)雜的RF網(wǎng)絡(luò)表示為簡(jiǎn)單的N端口黑匣子。圖 2 顯示了 2 端口 RF 網(wǎng)絡(luò)（例如放大器、濾波器或衰減器）的常見(jiàn)示例，其中 V 是入射到端口 n 上的電壓波的復(fù)數(shù)幅度，V+–是從端口 n 反射的電壓波的復(fù)振幅。2當(dāng)其所有端口都以匹配負(fù)載端接時(shí)，我們可以通過(guò)散射矩陣來(lái)描述該網(wǎng)絡(luò)，散射矩陣的元件或 S 參數(shù)根據(jù)這些電壓波之間的關(guān)系量化射頻能量如何在系統(tǒng)中傳播?，F(xiàn)在讓我們使用 S 參數(shù)來(lái)表示典型 RF 網(wǎng)絡(luò)的主要屬性。

圖2.由其 S 矩陣描述的 2 端口網(wǎng)絡(luò)。

S21相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)從端口 1 到端口 2 的傳輸系數(shù)（S12可以類似地定義）。其規(guī)模|S21|在對(duì)數(shù)刻度中描述了輸出功率與輸入功率的比值，稱為增益或標(biāo)量對(duì)數(shù)增益。此參數(shù)是放大器和其他RF系統(tǒng)的關(guān)鍵屬性，在該系統(tǒng)中，它也可以取負(fù)值。負(fù)增益表示固有損耗或失配損耗，通常由其倒數(shù)表示，稱為插入損耗（IL），這是衰減器和濾波器的典型屬性。

如果我們現(xiàn)在考慮同一端口的入射波和反射波，我們可以定義 S11和 S22如圖2所示。這些項(xiàng)等效于反射系數(shù)|Γ|在相應(yīng)的端口上，當(dāng)另一個(gè)端口在匹配負(fù)載中終止時(shí)。使用公式1，我們可以將反射系數(shù)的大小與回波損耗（RL）相關(guān)聯(lián)：

回波損耗描述了端口上的入射功率與反射回源的功率之比。根據(jù)我們估計(jì)該比率的端口，我們可以區(qū)分輸入和輸出回波損耗?；夭〒p耗始終為非負(fù)量，表示網(wǎng)絡(luò)的輸入或輸出阻抗與端口處朝向源極的阻抗的匹配程度。

需要注意的是，IL 和 RL 與 S 參數(shù)的這種簡(jiǎn)單關(guān)系僅在所有端口都匹配的情況下有效，這是定義描述網(wǎng)絡(luò)本身的 S 矩陣的主要條件。如果網(wǎng)絡(luò)不匹配，它不會(huì)改變其固有的S參數(shù)，但它肯定會(huì)改變其端口的反射系數(shù)以及它們之間的傳輸系數(shù)。2

頻率范圍和帶寬

我們剛剛描述的所有這些基本量將在整個(gè)頻率范圍內(nèi)不斷變化，這是所有RF系統(tǒng)共有的基本特征。它定義了這些系統(tǒng)的可操作頻率，并將我們帶到了一個(gè)更關(guān)鍵的性能指標(biāo)——帶寬（BW）。

雖然該術(shù)語(yǔ)可能僅指信號(hào)屬性，但其某些形式用于描述處理這些信號(hào)的RF系統(tǒng)。在其一般定義中，帶寬定義了受特定標(biāo)準(zhǔn)限制的頻率范圍。但是，它可能具有不同的含義，具體取決于特定的應(yīng)用程序上下文。為了使我們的論述更完整，讓我們對(duì)其含義的一些變體給出簡(jiǎn)要定義：

3 dB BW 是信號(hào)功率電平高于其最大值一半的頻率范圍。

瞬時(shí)帶寬 （IBW） 或?qū)崟r(shí)帶寬定義了系統(tǒng)無(wú)需重新調(diào)諧即可生成或獲取的最大連續(xù)帶寬。

占用帶寬 （OBW） 是包含總集成信號(hào)功率指定百分比的頻率范圍。

分辨率BW（RBW）的一般含義描述了仍然可以解析的兩個(gè)頻率分量之間的最小間隔。例如，在頻譜分析儀系統(tǒng)中，它是最終濾波器級(jí)的頻率跨度。

這些只是各種類型的帶寬定義的幾個(gè)示例;然而，無(wú)論其含義如何，RF信號(hào)鏈的帶寬在很大程度上取決于其模擬前端以及高速模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣速率和帶寬。

非線性

需要提到的是，RF系統(tǒng)的特性不僅在不同的頻率上有所不同，而且在信號(hào)的不同功率水平上也有所不同。我們?cè)诒疚拈_(kāi)頭描述的基本屬性通常使用小信號(hào) S 參數(shù)表示，這些參數(shù)不考慮非線性效應(yīng)。然而，在一般情況下，通過(guò)RF網(wǎng)絡(luò)的功率水平的持續(xù)增加通常會(huì)導(dǎo)致更明顯的非線性效應(yīng)，最終降低其性能。

當(dāng)我們談?wù)摼哂辛己镁€性度的RF系統(tǒng)或組件時(shí)，我們通常是指描述其非線性性能的關(guān)鍵指標(biāo)滿足目標(biāo)應(yīng)用的要求。讓我們考慮一些通常用于量化RF系統(tǒng)非線性行為的關(guān)鍵指標(biāo)。

我們應(yīng)該考慮的第一個(gè)參數(shù)定義了通用器件從線性模式轉(zhuǎn)換到非線性模式的點(diǎn)：輸出 1 dB 壓縮點(diǎn) （OP1dB）。這是系統(tǒng)增益降低1 dB時(shí)的輸出功率電平。這是任何功率放大器的基本特性，它將器件的操作設(shè)置為由飽和輸出功率定義的飽和水平（P坐).功率放大器通常屬于信號(hào)鏈的最后階段，因此這些參數(shù)通常定義了RF系統(tǒng)的輸出功率范圍。

一旦系統(tǒng)處于非線性模式，它就會(huì)開(kāi)始使信號(hào)失真，產(chǎn)生雜散頻率分量或雜散。雜散是相對(duì)于載波信號(hào)電平（以dBc為單位）測(cè)量的，它們可以分為諧波和互調(diào)產(chǎn)物（見(jiàn)圖3）。諧波是在基頻的整數(shù)倍處發(fā)現(xiàn)的信號(hào)（例如，H1、H2、H3 諧波），而互調(diào)產(chǎn)物是當(dāng)非線性系統(tǒng)中存在兩個(gè)或多個(gè)基波信號(hào)時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)。如果第一個(gè)基波信號(hào)的頻率為 f1第二個(gè)是在 f2，則在其和頻和差頻f處找到二階互調(diào)積1+ f2和 f2– f1以及 f1+ f1和 f2+ f2（后者已經(jīng)被我們稱為H2諧波）。二階交調(diào)產(chǎn)物和基波信號(hào)的組合產(chǎn)生三階互調(diào)產(chǎn)物，其中兩個(gè)（2f）1– f2和 2f2– f1）尤其重要，因?yàn)樗鼈兘咏夹盘?hào)，因此不容易濾波。具有雜散頻率分量的非線性RF系統(tǒng)的輸出頻譜表示互調(diào)失真（IMD），這是描述系統(tǒng)非線性度的重要術(shù)語(yǔ)。2

圖3.諧波和互調(diào)產(chǎn)物。

與二階交調(diào)失真（IMD2）和三階交調(diào)失真（IMD3）相關(guān)的雜散分量會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)造成干擾。用于量化其嚴(yán)重性級(jí)別的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)是截距點(diǎn) （IP）。我們可以區(qū)分二階（IP2）和三階（IP3）截點(diǎn)。如圖4所示，它們定義了輸入（IIP2、IIP3）和輸出（OIP2、OIP3）信號(hào)功率電平的假設(shè)點(diǎn)，在該點(diǎn)下，相應(yīng)雜散元件的功率將達(dá)到與基波元件相同的電平。雖然截點(diǎn)是一個(gè)純粹的數(shù)學(xué)概念，但它是RF系統(tǒng)對(duì)非線性效應(yīng)容差的最重要度量。

圖4.非線性特性的定義。

噪聲

現(xiàn)在讓我們考慮每個(gè)RF系統(tǒng)固有的另一個(gè)重要屬性——噪聲。該術(shù)語(yǔ)描述了包含許多不同方面的電信號(hào)波動(dòng)。根據(jù)其頻譜以及它影響信號(hào)的方式和產(chǎn)生信號(hào)的機(jī)制，噪聲可以分為許多不同的類型和形式。然而，盡管存在許多不同的噪聲源變化，但我們不需要深入研究它們的物理特性來(lái)描述它們對(duì)系統(tǒng)性能的最終影響。我們可以依靠系統(tǒng)的簡(jiǎn)化噪聲模型，該模型使用由稱為噪聲系數(shù)（NF）的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)描述的單個(gè)理論噪聲發(fā)生器。它量化了系統(tǒng)引起的信噪比（SNR）的下降，并定義為輸出端SNR與輸入端SNR的對(duì)數(shù)比。以線性刻度表示的噪聲系數(shù)稱為噪聲因子。這是任何射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵屬性，可以控制其整體性能。

對(duì)于簡(jiǎn)單的線性無(wú)源器件，噪聲系數(shù)等于其插入損耗，由|S21|.在由多個(gè)有源和無(wú)源元件組成的更復(fù)雜的RF系統(tǒng)中，由其各自的噪聲因子描述，F(xiàn)我和功率增益，G我，噪聲根據(jù)弗里斯公式沿信號(hào)鏈級(jí)聯(lián)（假設(shè)阻抗在每個(gè)階段都匹配）：

由此我們可以得出結(jié)論，RF信號(hào)鏈中的前兩級(jí)是系統(tǒng)整體噪聲系數(shù)的主要貢獻(xiàn)者。這就是為什么在接收器信號(hào)鏈的前端使用噪聲系數(shù)最低的元件（如低噪聲放大器）的原因。

如果我們現(xiàn)在考慮專門用于信號(hào)生成的設(shè)備或系統(tǒng)，以表征其噪聲性能，則更常見(jiàn)的是參考受其噪聲源影響的信號(hào)特性。這些特性是相位抖動(dòng)和相位噪聲，它們是相互關(guān)聯(lián)的術(shù)語(yǔ)，表示信號(hào)在時(shí)間（抖動(dòng)）和頻域（相位噪聲）中的穩(wěn)定性。首選哪一個(gè)通常取決于應(yīng)用，例如，在RF通信中，通常使用術(shù)語(yǔ)相位噪聲，而在數(shù)字系統(tǒng)中，我們經(jīng)常會(huì)看到術(shù)語(yǔ)抖動(dòng)。相位抖動(dòng)定義了信號(hào)相位的微小波動(dòng)，而相位噪聲描述了其頻譜表示，其特征在于相對(duì)于載波不同偏移時(shí)1 Hz帶寬中包含的載波的噪聲功率水平，并被認(rèn)為在該帶寬上是均勻的（見(jiàn)圖5）。

圖5.相位噪聲特性示例（1 Hz帶寬不按比例計(jì)算）。

多重衍生品

到目前為止，我們考慮的最重要的品質(zhì)因數(shù)是用于各種應(yīng)用領(lǐng)域中RF信號(hào)鏈性能量化的各種導(dǎo)數(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)。例如，術(shù)語(yǔ)噪聲和雜散的組合會(huì)導(dǎo)致術(shù)語(yǔ)動(dòng)態(tài)范圍（DR）的定義。它描述了系統(tǒng)具有理想特性的工作范圍。如圖4所示，如果該范圍在低端受到噪聲的限制，而在高端受到壓縮點(diǎn)的限制，我們談?wù)摼€性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）;如果其高端由互調(diào)失真變得不可接受的最大功率電平定義，我們談?wù)摕o(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。應(yīng)該注意的是，根據(jù)應(yīng)用的不同，術(shù)語(yǔ)LDR和SFDR的實(shí)際定義可能會(huì)有所不同。2

系統(tǒng)可以處理以產(chǎn)生具有指定SNR的輸出信號(hào)的最低信號(hào)電平定義了接收器系統(tǒng)的另一個(gè)典型重要特性，稱為靈敏度。這主要取決于系統(tǒng)噪聲系數(shù)和信號(hào)帶寬。接收器固有的噪聲限制了其靈敏度以及其他系統(tǒng)規(guī)格。例如，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的相位噪聲或抖動(dòng)將導(dǎo)致眼圖中的星座點(diǎn)偏離其理想位置，從而降低系統(tǒng)的誤差矢量幅度（EVM）并導(dǎo)致更高的誤碼率（BER）。

結(jié)論

有許多屬性和性能指標(biāo)可用于RF信號(hào)鏈的表征。它們涉及不同的系統(tǒng)方面，其重要性和相關(guān)性可能因應(yīng)用程序而異。雖然不可能在一篇文章中考慮所有這些，但對(duì)本部分討論的基本特性的實(shí)質(zhì)性理解將使RF工程師能夠輕松地將它們轉(zhuǎn)化為目標(biāo)應(yīng)用的一些關(guān)鍵要求和規(guī)格，無(wú)論是雷達(dá)、通信、測(cè)量還是任何其他RF系統(tǒng)。

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審核編輯：郭婷