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發(fā)射本振泄漏—零中頻架構(gòu)中令人煩惱的問(wèn)題

星星科技指導(dǎo)員 ? 來(lái)源:ADI ? 作者:Dave Frizelle ? 2023-06-17 09:14 ? 次閱讀

零中頻架構(gòu)有一些重要優(yōu)勢(shì),但也有一些挑戰(zhàn)需要克服。發(fā)射本振泄漏(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為發(fā)射LOL)便是其中之一。未校正的發(fā)射LOL會(huì)在所需發(fā)射范圍內(nèi)產(chǎn)生無(wú)用發(fā)射,造成潛在的違反系統(tǒng)規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)。本文論述發(fā)射LOL的問(wèn)題,并介紹在ADI的RadioVerse? 收發(fā)器系列中實(shí)現(xiàn)的可消除此問(wèn)題的技術(shù)。如果可以將發(fā)射LOL降低到足夠低的水平,使其不再導(dǎo)致系統(tǒng)或性能問(wèn)題,也許人們就可以不必為L(zhǎng)OL問(wèn)題而煩惱!

什么是LOL?

RF混頻器有兩個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口,如圖1所示。理想混頻器將產(chǎn)生一個(gè)輸出,它是兩個(gè)輸入的乘積。就頻率而言,該輸出的頻率應(yīng)當(dāng)是FIN + FLO以及FIN – FLO,不含其它項(xiàng)。如果任一輸入不在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下,則不會(huì)有輸出。

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圖1. 理想混頻器。

在圖1中,F(xiàn)IN被設(shè)置為基帶頻率為1 MHz的FBB,F(xiàn)LO被設(shè)置為本振頻率為500 MHz的FLO。如果是理想混頻器,它將產(chǎn)生一個(gè)輸出,其中包含兩個(gè)信號(hào)音,頻率分別為499 MHz和501 MHz。然而,如圖2所示,在FBB和FLO,真實(shí)混頻器還將產(chǎn)生一些能量。FBB處產(chǎn)生的能量可以忽略不計(jì),因?yàn)樗h(yuǎn)離所需的輸出,并且將被混頻器輸出之后的RF組件濾除。無(wú)論FBB處產(chǎn)生的能量如何,F(xiàn)LO下產(chǎn)生的能量都可能是一個(gè)問(wèn)題。它非常接近或在所需的輸出信號(hào)內(nèi),并且很難或無(wú)法通過(guò)濾波去除,因?yàn)闉V波也會(huì)濾除所需的信號(hào)。LO應(yīng)該用小一號(hào)或兩號(hào)的字體下產(chǎn)生的這種無(wú)用能量被稱(chēng)為L(zhǎng)OL??沈?qū)動(dòng)混頻器的本振 (LO) 已經(jīng)泄漏到混頻器的輸出端口。LO還有其他途徑可以泄漏到系統(tǒng)輸出端,例如通過(guò)電源或跨越硅本身。無(wú)論本振如何泄漏,其泄漏都可被稱(chēng)為L(zhǎng)OL。

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圖2. 真實(shí)混頻器。

在只發(fā)射一個(gè)邊帶的實(shí)信號(hào)中頻架構(gòu)中,可以通過(guò)RF濾波解決LOL問(wèn)題。相比之下,在發(fā)射兩個(gè)邊帶的零中頻架構(gòu)中,LOL位于所需輸出的中間,并形成了難度更高的挑戰(zhàn)(見(jiàn)圖3)。傳統(tǒng)濾波不再是一種選擇,因?yàn)槿魏稳コ齃OL的濾波也會(huì)去除部分所需發(fā)射信號(hào)。因此,必須使用其他技術(shù)來(lái)消除LOL。否則,它最終在整個(gè)所需發(fā)射范圍內(nèi)可能會(huì)成為無(wú)用發(fā)射。

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圖3. FLO下產(chǎn)生的無(wú)用能量(以紅色顯示)。FLO下產(chǎn)生的這一無(wú)用能量被稱(chēng)為L(zhǎng)OL。

消除LO泄漏(也稱(chēng)為L(zhǎng)OL校正)

生成幅度相等但相位與LOL相反的信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)LOL消除,從而將其抵消,如圖4所示。假設(shè)我們知道LOL的確切幅度和相位,則可以對(duì)發(fā)射器輸入施加直流失調(diào)來(lái)生成抵消信號(hào)。

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圖4. LO泄漏和抵消信號(hào)。

抵消信號(hào)的生成

復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)適用于生成抵消信號(hào)。由于混頻器中存在LO頻率的正交信號(hào)(它們是復(fù)數(shù)混頻器如何工作的關(guān)鍵),1因此允許生成任何相位和幅度的LO頻率信號(hào)。

用于驅(qū)動(dòng)復(fù)數(shù)混頻器的正交信號(hào)可以描述為Sin(LO)和Cos(LO) —這些是LO頻率的正交信號(hào),可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)混頻器。為了生成抵消信號(hào),這些正交信號(hào)以不同的權(quán)重相加。就數(shù)學(xué)而言,我們可以產(chǎn)生一個(gè)輸出,即I × Sin(LO) + Q × Cos(LO)。運(yùn)用不同的帶符號(hào)值代替I和Q,得到的和將是LO頻率信號(hào),并且可以具有任何所需的幅度和相位。示例如圖5所示。

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圖5. 生成的任何相位和任何幅度抵消信號(hào)的示例。

所需的發(fā)射信號(hào)將需要應(yīng)用于發(fā)射器的輸入。對(duì)發(fā)射數(shù)據(jù)施加直流偏置后,混頻器的輸出端將包含所需的發(fā)射信號(hào)以及所需的LOL抵消信號(hào)。特意生成的抵消信號(hào)將與無(wú)用的LOL組合抵消,僅留下 所需的發(fā)射信號(hào)。

觀測(cè)發(fā)射LOL

如圖6所示,使用觀測(cè)接收器來(lái)觀測(cè)發(fā)射LOL。在該示例中,觀測(cè)接收器使用與發(fā)射器相同的LO,因此LO頻率的任何發(fā)射能量都將在觀測(cè)接收器的輸出端顯示為直流。

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圖6. 觀測(cè)與校正TxLO泄漏的基本概念。

圖6所示的方法有其內(nèi)在缺陷:使用相同的LO來(lái)發(fā)射和觀測(cè),發(fā)射LOL將在觀測(cè)接收器的輸出端顯示為直流。由于電路中的元件不匹配,觀測(cè)接收器本身將具有一定量的直流,因此觀測(cè)接收器的總直流輸出將是發(fā)射鏈路中存在的發(fā)射LOL與觀測(cè)鏈路原生直流失調(diào)。有一些方法可以克服這個(gè)問(wèn)題,但是更好的方法是使用不同的LO頻率進(jìn)行觀測(cè),從而將觀測(cè)路徑中的原生直流從發(fā)射LOL觀測(cè)結(jié)果中分離出來(lái)。這種情況如下面的圖7所示。

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圖7. 使用不同LO發(fā)射和觀測(cè)。

由于使用了不同于發(fā)射LO的頻率來(lái)觀測(cè),因此在觀測(cè)接收器中,發(fā)射LO頻率的能量不會(huì)以直流出現(xiàn)。相反,它將顯示為頻率等于發(fā)射LO與觀測(cè)LO之差的基帶信號(hào)音。觀測(cè)路徑中的原生直流仍然會(huì)以直流出現(xiàn),因此會(huì)將觀測(cè)直流與發(fā)射LOL測(cè)量結(jié)果完全分離。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),圖8使用單一混頻器架構(gòu)說(shuō)明了這一概念。在該示例中,發(fā)射器的輸入為零,因此其唯一輸出是發(fā)射LOL。頻移在觀測(cè)接收器之后完成,將發(fā)射LOL觀測(cè)到的能量移動(dòng)到直流。

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圖8. 從Tx LOL分離觀測(cè)接收器直流。

找出必要的校正值

將觀測(cè)接收器的輸出除以從發(fā)射輸入到觀測(cè)接收器輸出的傳遞函數(shù),并將得出的結(jié)果與預(yù)期發(fā)射進(jìn)行比較,找出所需的校正值。涉及的傳遞函數(shù)如圖9所示。

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圖9. 從發(fā)射器輸入到觀測(cè)接收器輸出的傳遞函數(shù)。

從發(fā)射器基帶輸入到觀測(cè)接收器基帶輸出的傳遞函數(shù)由幅度縮放和相位旋轉(zhuǎn)兩部分組成。下文對(duì)此分別做了更詳細(xì)的說(shuō)明。

圖10表明如果從發(fā)射輸出到觀測(cè)接收器輸入的回送路徑中具有增益或衰減,或者如果發(fā)射器電路的增益與觀測(cè)接收器電路的增益不同,則觀測(cè)接收器報(bào)告的發(fā)射信號(hào)的幅度可能不代表所發(fā)射信號(hào)的實(shí)際幅度。

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圖10. 回送路徑衰減引起的幅度縮放。

現(xiàn)在來(lái)看相位旋轉(zhuǎn)。重要的是要意識(shí)到信號(hào)不會(huì)從點(diǎn)A瞬間傳輸?shù)近c(diǎn)B。例如,信號(hào)以約光速的一半速度經(jīng)過(guò)銅,這表示沿銅條傳輸?shù)? GHz信號(hào)的波長(zhǎng)約為5厘米。這意味著如果使用間隔幾厘米的多個(gè)示波器探頭探測(cè)銅條,則示波器將顯示彼此不同相位的多個(gè)信號(hào)。圖11對(duì)這一原理進(jìn)行了說(shuō)明,圖中所示為沿銅條隔開(kāi)的三個(gè)示波器探頭。每個(gè)點(diǎn)看到的信號(hào)頻率為3 GHz,但三個(gè)信號(hào)之間存在相位差。

需要注意的是,沿銅帶移動(dòng)單個(gè)示波器探頭將不會(huì)顯示此效應(yīng),因?yàn)槭静ㄆ鲗⑹冀K在0°相位觸發(fā)。只有使用多個(gè)探頭才能觀測(cè)到距離與相位之間的關(guān)系。

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圖11. 距離與相位的關(guān)系,5 cm走線,3 GHz信號(hào),以及0 cm、2 cm和4 cm處的探頭點(diǎn)。

正如沿銅條出現(xiàn)相位變化一樣,從發(fā)射器輸入到觀測(cè)接收器輸出將發(fā)生相位變化,如圖12所示。LOL校正算法必須知道發(fā)生了多少相位旋轉(zhuǎn),以便計(jì)算出正確的校正值。

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圖12. 回送路徑中物理距離引起的相位旋轉(zhuǎn)。

確定從發(fā)射輸入到觀測(cè)接收器輸出的傳遞函數(shù)

施加發(fā)射器輸入信號(hào)并將其與觀測(cè)接收器的輸出進(jìn)行比較即可得到圖13所示的傳遞函數(shù)。但有些要點(diǎn)需要牢記。如果靜態(tài) (dc) 信號(hào)被施加到發(fā)射器輸入,它將產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射LO頻率的輸出,并且發(fā)射LOL將與其相結(jié)合。這將會(huì)妨礙正確得到傳遞函數(shù)。還應(yīng)注意,發(fā)射輸出端可以連接到天線,因此故意向發(fā)射器輸入端施加信號(hào)可能是不被允許的。

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圖13. 確定從發(fā)射器輸入到觀測(cè)接收器輸出的傳遞函數(shù)。

為了解決這些挑戰(zhàn),ADI收發(fā)器使用一種將低電平直流失調(diào)應(yīng)用于發(fā)射信號(hào)的算法。周期性調(diào)整失調(diào)電平,觀測(cè)接收器的輸出會(huì)顯示這些擾動(dòng)。然后,該算法分析比較觀測(cè)值增量與輸入值差值,如表1所示。在該示例中,沒(méi)有發(fā)射用戶(hù)信號(hào),但是該方法在用戶(hù)信號(hào)存在時(shí)仍然適用。

發(fā)射輸入信號(hào) 發(fā)射輸出端口 觀測(cè)接收器輸出
情形 1 直流失調(diào)1 TxLO 1 + Tx LOL (TxLO 1 + Tx LOL) × 傳遞函數(shù)
情形 2 直流失調(diào)2 TxLO 2 + Tx LOL (TxLO 2 + Tx LOL) × 傳遞函數(shù)

執(zhí)行兩種情況的減法,從等式中消除恒定發(fā)射LOL,即可獲得傳遞函數(shù)??梢詳U(kuò)大到兩種情形以上,可對(duì)許多獨(dú)立結(jié)果取平均值以提高準(zhǔn)確性。

小結(jié)

LOL校正算法將能學(xué)習(xí)從發(fā)射輸入到觀測(cè)接收器輸出的傳遞函數(shù)。然后將觀測(cè)接收器的輸出除以傳遞函數(shù),得出發(fā)射器的輸入。將預(yù)期發(fā)射的直流電平與觀測(cè)到的發(fā)射直流電平進(jìn)行比較,即可確定發(fā)射LOL。最后,該算法將計(jì)算消除發(fā)射LOL所必需的校正值,并將其作為直流偏置應(yīng)用于所需的發(fā)射數(shù)據(jù)。

審核編輯:郭婷

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