理解無線數(shù)據(jù)資料規(guī)范

這篇學(xué)習(xí)材料介紹并定義了在混頻器、放大器和振蕩器的數(shù)據(jù)資料中用到的RF術(shù)語。文中介紹的術(shù)語包括增益、變頻增益、相位噪聲、三階截點、P1dB、插入損耗、輸出功率、VCO頻率牽引、頻率漂移、建立時間、調(diào)諧增益和調(diào)諧范圍，文中還給出了圖形和圖片以闡明關(guān)鍵的概念。

這篇學(xué)習(xí)材料解釋了一些在無線IC數(shù)據(jù)資料中出現(xiàn)的通用規(guī)范。這些規(guī)范都是與放大器、混頻器和振蕩器有關(guān)的。放大器和混頻器的規(guī)范是基本相同的，只有很少的例外。壓控振蕩器(VCO)有一套單獨的規(guī)范。

圖1. 放大器、混頻器和VCO組成了一個簡單的無線接收機

放大器和混頻器的通用規(guī)范

增益是無線組成部件(例如放大器或混頻器)中電壓或功率的增加。在數(shù)據(jù)資料中增益的規(guī)范幾乎都是以dB為單位給出的。這三個術(shù)語：增益、電壓增益和功率增益通常是可以互換的。因為當(dāng)輸入和輸出阻抗相同時以dB為單位的電壓增益和功率增益的數(shù)值是相同的。例如，20dB增益等于10V/V的電壓增益，10V/V的電壓增益又等于100W/W的功率增益，這也是20dB。電壓增益和功率增益以線性尺度衡量是不同的，但是以dB為單位是相同的，因此這些術(shù)語可以互換而不會造成混亂。

變頻增益是混頻器或頻率變換器件的規(guī)范。它被稱作變頻增益是因為輸入和輸出的頻率是不同的。輸入信號被混頻變換到更低或更高的頻率。

插入損耗或衰減也是一個增益的規(guī)范，只是輸出值比輸入值有所降低。也就是說，輸出信號的幅度小于輸入信號。

輸出功率是可得到的驅(qū)動一個一般為50Ω的負(fù)載的RF功率總量。通常以dBm表示。dBm是以dB表示的毫瓦的數(shù)量。例如，250mW等于10 × log10(250) = +24dBm。

這里有幾個以dBm表示功率的例子，假設(shè)阻抗為50Ω：

+30dBm = 1W = 7.1VRMS
0dBm = 1mW = 0.225VRMS
-100dBm = 0.1pW = 2.25μVRMS

1dB壓縮點(P1dB)是輸出功率的性能參數(shù)。壓縮點越高意味著輸出功率越高。P1dB是指與在很低的功率時相比增益減少1dB時的輸入(或輸出)功率點。參見圖2，增益隨輸入功率變化的曲線。注意當(dāng)輸入功率升高時增益是如何下降的。這是因為在其最大輸出功率時器件達(dá)到飽和，于是功率不能繼續(xù)上升。1dB壓縮點可以在輸入或輸出定義。例如，如果輸出P1dB規(guī)范是+20dBm，則這個元件的輸出功率約為+20dBm。減小輸出功率使之低于P1dB將減小失真。

圖2. 元件(放大器或混頻器)增益隨輸入功率變化的曲線。由于輸出達(dá)到飽和，增益在輸出功率較高時將會下降。

三階截取點(IP3)是表示線性度或失真性能的參數(shù)。IP3越高表示線性度越好和更少的失真。IP3通常用兩個輸入音頻測試。圖3所示為雙音頻IP3測試在頻域的情況。放大器的輸入是兩個正弦波(基波)，本例中一個在900MHz，另一個在901MHz。放大器的輸出是兩個欲得到的有用信號。因為放大器不是理想線性的，它還產(chǎn)生了兩個三階互調(diào)(IM3)產(chǎn)物。IM3通常以dBm給出。這里顯示的IM3失真產(chǎn)物在頻率上距離有用信號非常近，因此不能用濾波器輕易地去除它們。為了減少三階失真產(chǎn)物，必須提高IP3規(guī)范。

三階互調(diào)產(chǎn)物是由放大器或混頻器的非線性特性造成的對兩個音頻輸入相互混頻(或調(diào)制)的結(jié)果。這兩個IM3產(chǎn)物是：

圖3. 雙音頻IP3測試(左)。兩個輸入音頻(右)。輸出包含兩個被放大的音頻、IM3產(chǎn)物和諧波失真。

從數(shù)學(xué)的角度看，IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點的理論輸入功率(見圖4)。A線是基波(有用的)信號輸出功率隨輸入功率變化的曲線，B線是三階失真輸出功率隨輸入功率變化的曲線。B線的斜率是A線斜率的3倍(以dB為單位)，理論上會與A相交。這個交點就是三階截取點。在這一點時假設(shè)的輸入功率就是輸入IP3，輸出功率就是輸出IP3。

圖4. IP3的定義。A線和B線的交點就是假設(shè)的IP3。

諧波失真是另一個表示失真的規(guī)范。它定義了在基頻的整數(shù)倍頻率產(chǎn)生的失真產(chǎn)物(圖3)。例如，二次諧波失真-60dBc的意思是在二倍基波頻率的失真輸出幅度比基波低60dB。dBc是低于基波的dB數(shù)(dBc的傳統(tǒng)意義是低于載波的dB數(shù))。諧波失真規(guī)范在如有線電視這類寬帶應(yīng)用中是十分重要的，但是在手機這類窄帶應(yīng)用中的重要性并不大，因為失真產(chǎn)物之間的頻率差別比較大從而可以被容易地濾除。

噪聲因數(shù)是由放大器和混頻器產(chǎn)生的噪聲的性能參數(shù)。它將元件產(chǎn)生的噪聲與室溫下50Ω電阻的熱噪聲相比較。例如，噪聲因數(shù)為2意味著放大器產(chǎn)生的噪聲和50Ω的電阻產(chǎn)生的噪聲相同。從數(shù)學(xué)角度看，

其中PA是放大器或混頻器產(chǎn)生的噪聲功率，P50Ω是50Ω電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率。

噪聲系數(shù)經(jīng)常在無線數(shù)據(jù)資料中給出。它是以dB表示的噪聲因數(shù)。也就是說，噪聲系數(shù)等于10 × log10(噪聲因數(shù))。典型的低噪聲放大器(LNA)具有1dB的噪聲系數(shù)，這意味著由放大器產(chǎn)生的噪聲約為50Ω電阻產(chǎn)生噪聲的26%。

在典型的接收機中，接收到的信號在-100dBm (2μV)的數(shù)量級，而在1MHz帶寬內(nèi)50Ω電阻產(chǎn)生的熱噪聲約為-114dBm?？梢钥闯鲂旁氡?SNR)非常低。放大器中的噪聲會進(jìn)一步降低SNR。因此，RF接收機前端的噪聲系數(shù)必須維持最小。

回波損耗是表示信號反射性能的參數(shù)?；夭〒p耗說明入射功率的一部分被反射回到信號源。例如，如果注入1mW (0dBm)功率給放大器其中10%被反射(反彈)回來，回波損耗就是10dB。從數(shù)學(xué)角度看，回波損耗為-10 × log [(反射功率)/(入射功率)]?；夭〒p耗通常在輸入和輸出都進(jìn)行規(guī)定。

通常要求反射功率盡可能小，這樣就有更多的功率傳送到負(fù)載。典型情況下設(shè)計者的目標(biāo)是至少10dB的回波損耗。有時為了獲得更好的噪聲系數(shù)、IP3或者系統(tǒng)的增益就不能滿足這個“憑經(jīng)驗得出的”10dB回波損耗的要求。

振蕩器(VCO)規(guī)范

相位噪聲是表示振蕩器頻譜純度的性能參數(shù)。理想情況下，振蕩器的輸出是單一頻率的，可以用一根單獨的直線表示。實際中，振蕩器存在噪聲從而使輸出頻譜并非是單獨的直線，而是帶有“裙?fàn)睢钡膰@在載波(基波)頻率周圍的噪聲頻譜。這些噪聲稱為相位噪聲。相位噪聲通常定義為在距離載波頻率偏移某一頻率處的1Hz帶寬內(nèi)噪聲功率與載波功率之比。例如，在100kHz偏移處-100dBc/Hz的相位噪聲規(guī)范意味著在距離載波100kHz的地方1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率比載波功率低100dB (圖5)。

圖5. 振蕩器的輸出頻譜。裙?fàn)铑l譜是振蕩器的相位噪聲引起的。

由于會產(chǎn)生互相混頻現(xiàn)象，低相位噪聲對無線接收機是重要的。如圖6所示，具有噪聲的本地振蕩器(LO)對接收的有用信號進(jìn)行混頻并轉(zhuǎn)換為IF。如果存在一個干擾信號(來自另一個發(fā)射機)，它也同LO進(jìn)行混頻并被下變頻到IF頻率范圍內(nèi)。因為干擾比有用信號強的多，相位噪聲的“尾部”將涌進(jìn)IF信道內(nèi)。這一噪聲降低了信噪比并惡化了接收機的性能。低相位噪聲LO對這種具有強干擾的接收機是重要的。

圖6. 有用信號和干擾信號都被下變頻至IF。由于振蕩器的相位噪聲，被下變頻的干擾的尾部噪聲覆蓋在有用信號信道上并且不能容易地濾除。

調(diào)諧范圍是VCO覆蓋的頻率范圍。例如，VCO的額定頻率為900MHz，但是它可以通過改變其調(diào)諧輸入電壓而調(diào)諧到從850MHz到950MHz的范圍內(nèi)。此時的調(diào)諧范圍是100MHz。通常需要寬的調(diào)諧范圍以覆蓋在規(guī)定的供電電壓和溫度范圍內(nèi)的工作頻率范圍。

調(diào)諧增益或VCO增益是當(dāng)調(diào)諧輸入電壓改變時VCO敏感程度的度量。例如，調(diào)諧增益為50MHz/V的意思是當(dāng)調(diào)諧電壓改變1V時將有50MHz的頻率變化。通常需要低的調(diào)諧增益，因為此時被松耦合到振蕩器槽路的變?nèi)?a target="_blank">二極管將使振蕩器具有更低的相位噪聲。

頻率牽引是VCO在負(fù)載條件變化時產(chǎn)生的頻率變化，器件的頻率牽引指標(biāo)決定了系統(tǒng)是否需要增加額外的VCO緩沖器。

頻率推移是電源電壓變化時造成的VCO頻率的變化。電源電壓的變化會影響VCO有源器件結(jié)電壓的變化，從而影響諧振槽路使振蕩頻率發(fā)生變化。頻率推移指標(biāo)決定了對電源電壓的穩(wěn)定度要求和電源的濾波要求。

頻率漂移是VCO輸出頻率的總體偏差，漂移包括上述所有造成頻偏的來源，以及溫度和器件本身的老化。

建立時間是VCO輸出達(dá)到其最終頻率所需要的時間，建立時間測量的是從調(diào)諧電壓變化到輸出達(dá)到指定的最終頻率的百分比所需要的時間(圖7)。較小的建立時間可以減少頻率變化時的等待時間，適合需要快速切換通道的應(yīng)用以及跳頻設(shè)備。

圖7. 建立到一個更高頻率時的VCO輸出

審核編輯：郭婷