無(wú)源收發(fā)混頻器IC中的寬帶LO噪聲

摘要：無(wú)源雙平衡混頻器由場(chǎng)效應(yīng)管和二極管組成，可以在蜂窩基站收發(fā)器中作為上變頻器或下變頻器。高線性度(IP3)、低噪聲及無(wú)雜散響應(yīng)的上/下變頻器需要低電平本振信號(hào)，可以通過(guò)內(nèi)置緩沖放大器配合FET和二極管混頻器核達(dá)到上述要求。緩沖放大器的寬帶噪聲會(huì)削弱接收和發(fā)射信號(hào)。這種噪聲可以通過(guò)一個(gè)參數(shù)定義、描述。對(duì)于無(wú)源混頻器IC引入一個(gè)以dBc/Hz為單位的噪聲參數(shù)，該IC用于基站收發(fā)器時(shí)，用戶可以計(jì)算出系統(tǒng)損耗。

引言

理想狀況下，蜂窩基站發(fā)送器的發(fā)射功率應(yīng)該集中在所分配的頻段內(nèi)。但是，即使沒(méi)有功率放大器產(chǎn)生再生頻譜，這也是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)。上變頻器發(fā)射信號(hào)中存在寬帶殘留相位噪聲底，會(huì)混入接收器產(chǎn)生干擾。寬帶噪聲的電平雖然很低，但對(duì)于一個(gè)協(xié)同工作的接收器來(lái)說(shuō)，會(huì)大大降低其靈敏度。傳統(tǒng)基站發(fā)送器采用分立無(wú)源二極管或場(chǎng)效應(yīng)管混頻器核，LO端口匹配阻抗為50Ω，能夠在LO信號(hào)進(jìn)入LO端口之前濾除寬帶噪聲。集成了混頻器和調(diào)制器的方案提供片內(nèi)本振驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)部電路降低了寬帶輸入噪聲。為了得到較低的帶外發(fā)射噪聲，設(shè)計(jì)了寬帶噪聲較低的LO緩沖器。有助于降低前端設(shè)備中雙工濾波器和高Q值發(fā)送濾波器的噪聲抑制要求。

接收微弱的帶內(nèi)信號(hào)時(shí)，蜂窩基站接收器必須處理高電平阻塞干擾。阻塞信號(hào)與本振噪聲經(jīng)過(guò)混頻器混頻，增加了IF輸出端信號(hào)頻帶的噪聲底。本文評(píng)估了基站混頻器IC及混頻器噪聲，并指定一個(gè)參數(shù)，用來(lái)表述器件作為下變頻器時(shí)接收器的單音信號(hào)靈敏度和作為上變頻混頻器時(shí)的帶外發(fā)射噪聲。

基站混頻器

基站接收器中廣泛采用無(wú)源二極管和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的混頻器。這些器件要求較高電平的本振驅(qū)動(dòng)(大于17dBm)，以獲得高IP3。圖1給出了基站接收器中采用無(wú)源分立混頻器的應(yīng)用方案。它們與分立的IF放大器一起驅(qū)動(dòng)聲表面波(SAW)濾波器，并由分立LO緩沖放大器驅(qū)動(dòng)。 盡管有源IC Gilbert混頻器可以提供所需增益，但仍不能滿足基站系統(tǒng)對(duì)線性度和噪聲的嚴(yán)格要求[2,3]。近期推出的新型的硅混頻器IC [7]具有非常高的線性度(IP3 = 34dBm)和低噪聲系數(shù)(NF = 7dB)，可以滿足基站設(shè)計(jì)的要求。這些混頻器具有內(nèi)部本振驅(qū)動(dòng)器，不需要外部提供大信號(hào)驅(qū)動(dòng)。與Gilbert混頻器不同的是，這些無(wú)源混頻器IC是可逆的。它們既可以作為上變頻器，又可以作為下變頻器。與IF放大器串聯(lián)一起工作時(shí)，可提供高IP3 (26dBm)和低的NF (<10dB)，并且具有足夠的增益，以彌補(bǔ)接收器中由SAW濾波器帶來(lái)的損耗。圖2給出了一款高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)混頻器IC的功能框圖。這些器件可以適應(yīng)電平低至-3dBm的本振信號(hào)。它們采用小尺寸5mm x 5mm QFN封裝，電路板尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分立方案。


圖1. 二極管和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的無(wú)源混頻器在基站接收機(jī)中的典型應(yīng)用。圖中插入的封裝形式為Mini-Circuits? TTT 167 (面積為12.7mm x 9.5mm)。


圖2. 典型的高動(dòng)態(tài)范圍基站接收混頻器IC，采用5mm x 5mm的封裝形式，內(nèi)置RF和LO非平衡變壓器、LO緩沖器、FET和二極管混頻器、IF放大器。性能優(yōu)于分立混頻器，尺寸更小、功能更強(qiáng)大。

混頻器噪聲模型

在接收混頻器中，常常關(guān)注的噪聲是熱噪聲。用它說(shuō)明混頻器的噪聲性能，該混頻器帶有一個(gè)50Ω匹配阻抗的RF輸入，噪聲功率密度為-174dBm/Hz (kTO)。輸入熱噪聲可根據(jù)混頻器噪聲系數(shù)(10log10F)的定義求得。



在接收通道，當(dāng)RF端出現(xiàn)較強(qiáng)的RF信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)生相互混頻，產(chǎn)生額外的噪聲，測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)沒(méi)有將其計(jì)算在內(nèi)。相對(duì)于輸入信號(hào)的相互混頻噪聲Nrmi可以根據(jù)在指定阻塞電平Sb1下進(jìn)行評(píng)估。給定混頻器的LO噪聲底L和帶寬B，IF處的混頻噪聲為：



如果干擾信號(hào)的頻率偏離信號(hào)頻率很遠(yuǎn)，可假定相位噪聲是平坦的。這兩個(gè)噪聲源不相關(guān)[4]，并且可以疊加，如圖3所示。存在阻塞時(shí)，輸入與輸出信噪比的衰減可以表示為：




圖3. (a) RF阻塞電平為(Sb1)與本振寬帶噪聲相互混頻。(b)表現(xiàn)形式為兩個(gè)相互獨(dú)立的噪聲源：Nthi和Nrmi。

基站系統(tǒng)對(duì)寬帶LO噪聲的要求

接收器的主要指標(biāo)是靈敏度，由于接收器并非工作在理想狀態(tài)，允許對(duì)接收信號(hào)有一定程度的影響。例如，GSM系統(tǒng)中，在規(guī)定的最大允許誤碼率下，基站應(yīng)該能夠接收到強(qiáng)度為-104dBm的信號(hào)。存在干擾信號(hào)時(shí)，GSM基站的接收靈敏度僅下降3dB。圖4顯示了這些干擾信號(hào)的電平以及偏離載波的程度。對(duì)于一個(gè)帶寬B = 200kHz的GSM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)阻塞電平為-13dBm (Sb1)，希望信號(hào)的電平為-101dBm時(shí)，可以計(jì)算出寬帶LO噪聲L = 151dBc/Hz [4]。


圖4. GSM系統(tǒng)的干擾電平是頻率偏差的函數(shù)。

基站發(fā)送器按照帶內(nèi)、帶外頻譜模板發(fā)射信號(hào)，GSM還規(guī)定了接收頻帶的最大允許發(fā)射能量為-98dBm [8]。如果基站發(fā)射一個(gè)43dBm (20W) 、寬帶噪聲為160dBc/Hz的信號(hào)，那么，-117dBm/Hz (43 -160)的噪聲會(huì)注入到接收器。帶寬(B)為200kHz的GSM系統(tǒng)噪聲電平為-64dBm。這一噪聲在接收頻帶產(chǎn)生不希望的干擾，比-104dBm最小接收信號(hào)電平高出4dB。連接發(fā)送器/接收器和天線的雙工器必須有足夠的噪聲抑制能力，使發(fā)射噪聲從-60dBm衰減到-98dBm以下。發(fā)送混頻器IC產(chǎn)生的寬帶噪聲越大，對(duì)雙工器在接收頻帶的濾波要求就越高。

基站混頻器IC的寬帶噪聲參數(shù)L

接收器：

在高線性度無(wú)源混頻器IC中，輸入信號(hào)電平變化時(shí)，本振緩沖放大器用來(lái)為混頻器核提供恒定的高電平驅(qū)動(dòng)。這些緩沖器輸出較高電平的信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)混頻器核，以獲得高線性度(IP3)。無(wú)源混頻器IC中的本振緩沖器會(huì)降低濾波后的寬帶信噪比(低電平輸入)。濾波后的寬帶噪聲底可以達(dá)到-174dBm/Hz。對(duì)于0dBm信號(hào)，IC LO端口的寬帶信噪比為174dBc。實(shí)際IC本振的大信號(hào)緩沖器不可能把該比率降到155dBc/Hz以下，達(dá)到系統(tǒng)要求的指標(biāo)。這些緩沖器集成在芯片內(nèi)部，非50Ω系統(tǒng)，用戶不可能接觸到內(nèi)部LO緩沖器的輸出端，但可以測(cè)出這些緩沖放大器信噪比的下降程度。利用阻塞信號(hào)，測(cè)量匹配在50Ω的IF端口噪聲輸出，可以確定接收混頻器信噪比的下降程度。式4中，特征參數(shù)L的單位為dBc/Hz，演算方法請(qǐng)參考[4]中有關(guān)噪聲測(cè)量的說(shuō)明。

圖5所示曲線是無(wú)源下變頻混頻器(MAX9994)在PCS/DCS/UMTS頻段的RF-IF SNR衰減狀況，可以看出SNR衰減量是阻塞電平的函數(shù)。圖5是式4的圖形表示，它是本振噪聲L的函數(shù)，單位為dBc/Hz。圖中給出了四個(gè)不同區(qū)域的噪聲。RF阻塞電平較低時(shí)，SNR衰減基本由熱噪聲F產(chǎn)生。通常，混頻器的“噪聲系數(shù)”就是熱噪聲。當(dāng)阻塞電平增加時(shí)，區(qū)域2的熱噪聲和相互混頻噪聲對(duì)SNR的影響相同。區(qū)域3是特征曲線的直線部分，這時(shí)，SNR衰減基本取決于本振噪聲?；窘邮栈祛l器設(shè)計(jì)用來(lái)處理區(qū)域3的阻塞電平。圖中數(shù)據(jù)表明仿真結(jié)果和式3、4給出的設(shè)計(jì)模型相吻合。在區(qū)域4中，測(cè)量數(shù)據(jù)和特征曲線之間的偏差比較明顯。這是因?yàn)楹?jiǎn)單模型中沒(méi)有考慮壓縮效應(yīng)。


圖5. MAX9994 HDR混頻器IC的噪聲特征曲線，為RF電平的函數(shù)。圖中重點(diǎn)表現(xiàn)了曲線不同區(qū)域和影響因素。在曲線的直線部分接收混頻器設(shè)計(jì)用于處理阻塞電平。

MAX9994下變頻無(wú)源混頻器與IF放大器串聯(lián)。這款下變頻混頻器的標(biāo)稱增益為8.5dB, NF = 9.5dB, P1-dB = 13-dBm，消耗220mA的直流電流。標(biāo)稱輸入截取點(diǎn)(IP3)為26dBm至27dBm。利用文獻(xiàn)[4]中的測(cè)試裝置可以測(cè)量阻塞狀態(tài)下的SNR衰減。阻塞電平為5dBm時(shí)，SNRin/SNRout是19-dB，通過(guò)在阻塞狀態(tài)下測(cè)量下變頻器的輸出噪聲底得到。該點(diǎn)正好位于圖6曲線的L = -160dBc/Hz處。 因?yàn)榫彌_器-放大器噪聲是導(dǎo)致SNR衰減的主要因素，熱噪聲在一次逼近時(shí)可以忽略，所以該區(qū)域可以很好地表現(xiàn)LO噪聲(L)特性。從SNR衰減19dB可以反過(guò)來(lái)檢驗(yàn)LO噪聲。根據(jù)輸入噪聲，Ni = -174 + 19 = -155dBm/Hz。因?yàn)樽枞娖綖?dBm (Si)，信噪比衰減，L = -160dBc/Hz。

發(fā)送器：

MAX2039使用了一個(gè)無(wú)源場(chǎng)效應(yīng)管混頻器，具有與MAX9994相同的LO緩沖器。IC可以用作上變頻器和下邊頻器，兩種情況下的變換損耗(Lc)均為7.0dB。下變頻和上變頻時(shí)，IP3分別為34.5dBm和33.5dBm。用作上變頻器時(shí)，“接收器”部分提到的LO噪聲參數(shù)同時(shí)也決定了RF端的寬帶輸出噪聲底。如果這個(gè)結(jié)論成立，下變頻器中本振緩沖放大器噪聲(L)與輸入RF阻塞電平的相互混頻應(yīng)該與IF信號(hào)和RF發(fā)射端口噪聲(L)的相互混頻相同。MAX9994和MAX2039使用相同的無(wú)源混頻器和緩沖放大器，如果能測(cè)量到MAX9994中的L，那么就可以使用同一個(gè)L推導(dǎo)MAX2039的寬帶發(fā)射噪聲。我們的目標(biāo)是用接收器測(cè)量確定的L推算發(fā)射噪聲，并通過(guò)測(cè)量對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。

特性曲線中的區(qū)域3存在阻塞電平，假如Prf = 5dBm, 那么IF放大器增益未被壓縮。MAX9994中無(wú)源混頻器輸出端的噪聲底比IF放大器的輸入噪聲(2.5 - 174dBm/Hz)要高(Pin - Lc + L = 5 - 7 + 160 = -158-dBm/Hz)。這個(gè)噪聲僅由IF放大器放大，并出現(xiàn)在MAX9994的輸出端。因而，MAX9994中無(wú)源混頻器的LO噪聲測(cè)量不會(huì)受IF放大器的干擾。

根據(jù)LO噪聲、接收模式下無(wú)源混頻器的L = 160dBc/Hz，以及混頻器的變換損耗Lc，可以推出發(fā)送狀態(tài)下的以下結(jié)論：一個(gè)10dBm的輸入IF信號(hào)，會(huì)在輸出端產(chǎn)生3.0dBm、噪聲底為3 - 160 = -157dBm/Hz的 RF信號(hào)。當(dāng)這個(gè)外部RF噪聲底被器件放大22.0-dB后，可以得到Nout = -135dBm/Hz?？梢酝ㄟ^(guò)圖6所示裝置驗(yàn)證這一結(jié)論。因此，可以用一個(gè)參數(shù)L (dBc/Hz)，測(cè)定發(fā)射噪聲底，該參數(shù)在阻塞噪聲測(cè)量中的推導(dǎo)方法請(qǐng)參考文獻(xiàn)[4]。


圖6. 測(cè)量上變換器RF輸出噪聲的實(shí)驗(yàn)裝置。

結(jié)論

本文介紹了LO噪聲對(duì)基站收發(fā)混頻器的影響。著重討論了由多級(jí)緩沖放大器驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)效應(yīng)管、二極管核混頻器的SNR測(cè)量方法。

1. 阻塞情況下，下變頻接收器的SNR衰減；
2. 上變頻混頻器中，RF輸出噪聲底的確定。

文章給出了基站中無(wú)源混頻器IC的本振噪聲L (單位dBc/Hz)定義，利用它可以評(píng)估噪聲對(duì)收發(fā)器性能的影響。

參考文獻(xiàn)

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