射頻接口和電路的特性 - 全文

射頻電路（RF circuit）的許多特殊特性，很難用簡短的幾句話來說明，也無法使用傳統(tǒng)的模擬仿真軟件來分析，譬如SPICE。不過，目前市面上有一些EDA軟件具有諧波平衡（harmonic balance）、投射法（shooting method）….等復(fù)雜的算法，可以快速和準確地仿真射頻電路。但在學(xué)習(xí)這些EDA軟件之前，必須先了解射頻電路的特性，尤其要了解一些專有名詞和物理現(xiàn)象的意義，因為這是射頻工程的基礎(chǔ)知識。

射頻的界面

無線發(fā)射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個部份?；l包含發(fā)射器的輸入訊號之頻率范圍，也包含接收器的輸出訊號之頻率范圍?；l的頻寬決定了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動的基本速率?；l是用來改善資料流的可靠度，并在特定的數(shù)據(jù)傳輸率之下，減少發(fā)射器施加在傳輸媒體（transmission medium）的負荷。因此，設(shè)計基頻電路時，需要大量的訊號處理工程知識。發(fā)射器的射頻電路能將已處理過的基頻訊號轉(zhuǎn)換、升頻至指定的頻道中，并將此訊號注入至傳輸媒體中。相反的，接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得訊號，并轉(zhuǎn)換、降頻成基頻。

發(fā)射器有兩個主要的設(shè)計目標：第一是它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下，發(fā)射特定的功率。第二是它們不能干擾相鄰頻道內(nèi)的收發(fā)機之正常運作。就接收器而言，有三個主要的設(shè)計目標：首先，它們必須準確地還原小訊號；第二，它們必須能去除期望頻道以外的干擾訊號；最后一點與發(fā)射器一樣，它們消耗的功率必須很小。

小的期望訊號

接收器必須很靈敏地偵測到小的輸入訊號。一般而言，接收器的輸入功率可以小到1 μV。接收器的靈敏度被它的輸入電路所產(chǎn)生的噪聲所限制。因此，噪聲是設(shè)計接收器時的一個重要考慮因素。而且，具備以仿真工具來預(yù)測噪聲的能力是不可或缺的。附圖一是一個典型的超外差（superheterodyne）接收器。接收到的訊號先經(jīng)過濾波，再以低噪聲放大器（LNA）將輸入訊號放大。然后利用第一個本地振蕩器（LO）與此訊號混合，以使此訊號轉(zhuǎn)換成中頻（IF）。前端（front-end）電路的噪聲效能主要取決于LNA、混合器（mixer）和LO。雖然使用傳統(tǒng)的SPICE噪聲分析，可以尋找到LNA的噪聲，但對于混合器和LO而言，它卻是無用的，因為在這些區(qū)塊中的噪聲，會被很大的LO訊號嚴重地影響。

小的輸入訊號要求接收器必須具有極大的放大功能，通常需要120 dB這么高的增益。在這么高的增益下，任何自輸出端耦合（couple）回到輸入端的訊號都可能產(chǎn)生問題。使用超外差接收器架構(gòu)的重要原因是，它可以將增益分布在數(shù)個頻率里，以減少耦合的機率。這也使得第一個LO的頻率與輸入訊號的頻率不同，可以防止大的干擾訊號“污染”到小的輸入訊號。

因為不同的理由，在一些無線通訊系統(tǒng)中，直接轉(zhuǎn)換（direct conversion）或內(nèi)差（homodyne）架構(gòu)可以取代超外差架構(gòu)。在此架構(gòu)中，射頻輸入訊號是在單一步驟下直接轉(zhuǎn)換成基頻，因此，大部份的增益都在基頻中，而且LO與輸入訊號的頻率相同。在這種情況下，必須了解少量耦合的影響力，并且必須建立起“雜散訊號路徑（stray signal path）”的詳細模型，譬如：穿過基板（substrate）的耦合、封裝腳位與焊線（bondwire）之間的耦合、和穿過電源線的耦合。

圖一：典型的超外差接收器

大的干擾訊號

接收器必須對小的訊號很靈敏，即使有大的干擾訊號（阻擋物）存在時。這種情況出現(xiàn)在嘗試接收一個微弱或遠距的發(fā)射訊號，而其附近有強大的發(fā)射器在相鄰頻道中廣播。干擾訊號可能比期待訊號大60~70 dB，且可以在接收器的輸入階段以大量覆蓋的方式，或使接收器在輸入階段產(chǎn)生過多的噪聲量，來阻斷正常訊號的接收。如果接收器在輸入階段，被干擾源驅(qū)使進入非線性的區(qū)域，上述的那兩個問題就會發(fā)生。為避免這些問題，接收器的前端必須是非常線性的。

因此，“線性”也是設(shè)計接收器時的一個重要考慮因素。由于接收器是窄頻電路，所以非線性是以測量“交互調(diào)變失真（intermodulation distortion）”來統(tǒng)計的。這牽涉到利用兩個頻率相近，并位于中心頻帶內(nèi)（in band）的正弦波或余弦波來驅(qū)動輸入訊號，然后再測量其交互調(diào)變的乘積。大體而言，SPICE是一種耗時耗成本的仿真軟件，因為它必須執(zhí)行許多次的循環(huán)運算以后，才能得到所需要的頻率分辨率，以了解失真的情形。

相鄰頻道的干擾

失真也在發(fā)射器中扮演著重要的角色。發(fā)射器在輸出電路所產(chǎn)生的非線性，可能使傳送訊號的頻寬散布于相鄰的頻道中。這種現(xiàn)象稱為“頻譜的再成長（spectral regrowth）”。如附圖二與三所示，在訊號到達發(fā)射器的功率放大器（PA）之前，其頻寬被限制著；但在PA內(nèi)的“交互調(diào)變失真”會導(dǎo)致頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多，發(fā)射器將無法符合其相鄰頻道的功率要求。當傳送數(shù)字調(diào)變訊號時，實際上，是無法用SPICE來預(yù)測頻譜的再成長。因為大約有1000個數(shù)字符號（symbol）的傳送作業(yè)必須被仿真，以求得代表性的頻譜，并且還需要結(jié)合高頻率的載波，這些將使SPICE的瞬態(tài)分析變得不切實際。

圖二：數(shù)字式直接轉(zhuǎn)換發(fā)射器

圖三：諧波失真和交互調(diào)變失真

射頻電路的特征

射頻電路有幾個獨特的特征，是無法應(yīng)用傳統(tǒng)的電路仿真技術(shù)來仿真的。但是，在過去十年來，射頻研究專家已經(jīng)開發(fā)出許多種具特別功能的算法，可以用來克服這些障礙，為射頻電路提供實用的仿真方法。通常這是利用射頻電路的特有特征來實現(xiàn)的；而這些特征對傳統(tǒng)的仿真方法而言，正是障礙之所在。底下就分別說明射頻電路特有的幾個特征：

* 窄頻訊號

射頻電路是以調(diào)變載波（modulated carrier）的形式來處理窄頻訊號。調(diào)變過的載波具有周期性的高頻載波訊號和低頻調(diào)變訊號的雙重特征，它以載波的振幅或相位或頻率來調(diào)變。以典型的手機為例，它的調(diào)變頻寬是10~30 KHz，“乘坐”在1~2GHz的載波上。雖然，我們常用一個正弦波或一組正弦波的簡單集合，來構(gòu)成調(diào)變測試訊號，但是通常，調(diào)變（輸入）訊號是任意的（arbitrary）波形。

存在于調(diào)變中的最低頻率與載波頻率之間的比率，是相對頻率分辨率的測量值，此測量值是在仿真射頻電路時所必需的。一般用途的電路仿真器，譬如SPICE，是使用瞬態(tài)分析來預(yù)測電路的非線性行為。若使用瞬態(tài)分析，要在高載波頻率中辨識出低頻率的調(diào)變訊號，其成本是昂貴的。因為高頻載波具有短的時間間隔（timestep），然而低頻調(diào)變訊號需要長的時間間距。

如附圖三所示，在非線性電路中傳送窄頻訊號時，會產(chǎn)生一個頻譜相當稀疏的寬帶訊號。一般來說，此頻譜是由靠近載波附近的諧波頻率叢集（cluster）而成的。如果調(diào)變是周期性或準周期性（quasiperiodic）的，則這些叢集是頻率的離散形式；不然，它將是頻率的連續(xù)分布。

射頻仿真軟件可以利用此頻譜的稀疏特性，在不同狀態(tài)下，得到真實的模擬效果。當頻譜是離散時，“穩(wěn)定狀態(tài)（steady-state）法”會被使用；當頻譜是連續(xù)時，瞬間分析法會被使用。

* 射頻訊號路徑隨時間變化的線性特性

射頻電路另一個重要但較少被查覺的特性是：從輸入端到輸出端，它們一般都會被設(shè)計成線性的電路，以避免調(diào)變或信息訊號的失真。一些射頻電路，譬如混合器，是用來將訊號從一個頻率轉(zhuǎn)換至另一個頻率。其實，它們是被一個額外的訊號LO驅(qū)動著，LO是一個大的周期性訊號，其頻率是進行頻率轉(zhuǎn)換時所需要的。為了能得到最佳的效能，混合器被設(shè)計成可以用很強的非線性方式來響應(yīng)LO。因此，混合器同時具有近似線性（至輸入）和強大的非線性（至LO）特征。

產(chǎn)生時序（timing）或頻率（clock）的電路，例如：LO，是和信息訊號無關(guān)的，因此，它可以被視為混合器的一部份，而不是混合器的外部（輸入）電路，如附圖四所示。這種觀念上的簡單改變，可使混合器具有單一輸入訊號和一個近似線性、隨時間變化的周期性轉(zhuǎn)換函數(shù)（transfer function）。例如：有一個混波器是以一個理想的乘法器制成的，它后面跟著一個低通濾波器。乘法器是非線性的，并具有兩個輸入訊號。當一個LO訊號cos（ ）取得一個輸入訊號之后，會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換函數(shù)值：
= LPF{ cos（ ） }
從上式清楚可知， 是隨著時間變化的，并且與 成正比例的關(guān)系。如果輸入訊號是： = ，那么： = LPF{ }=
上式表示一個線性周期變化的轉(zhuǎn)換函數(shù)實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的功能。

圖四：將LO視為混合器的一部份

通常我們會假設(shè)信息訊號很小，因此，可以將輸入端到輸出端之間的電路功能當成近似于線性。只要小訊號分析可以解釋訊號路徑的周期性變化特性，就可以進行小訊號分析。這是在接近周期發(fā)生的工作點上，進行線性仿真達成的。傳統(tǒng)的仿真軟件，譬如SPICE，支持許多小訊號分析工具，例如：交流和噪聲分析，這些工具在分析放大器和濾波器時，是很有效用的。然而，它們是在接近固定的工作點上，對非線性時間不變的電路，開始進行線性仿真。因此，會產(chǎn)生線性時間不變的函數(shù)，但是無法代表頻率轉(zhuǎn)換的效果。

在一個周期變化的工作點附近，對一個非線性電路進行線性仿真，致使小訊號分析能夠延伸應(yīng)用到頻率電路上，或者需要周期性頻率訊號的電路上（此周期性的頻率訊號可以讓電路正常地工作），例如：混波器、交換式濾波器、取樣器、和振蕩器（由于振蕩器是自行計時運轉(zhuǎn)，所以頻率訊號是振蕩器的輸出。信息訊號通常是不需要的訊號，譬如噪聲）。若是如此，就會產(chǎn)生周期性變化的線性函數(shù)，而且，它的確能代表頻率轉(zhuǎn)換的效果。

所有傳統(tǒng)的小訊號分析，都可以像這樣被延伸應(yīng)用。尤其，當噪聲分析能夠解釋噪聲折迭（noise folding）和“循環(huán)平穩(wěn)噪聲（cyclostationary noise）”的來源時，將可使射頻電路的設(shè)計工作變得容易許多。若應(yīng)用到振蕩器，它也可以解釋振蕩器的“相位噪聲（phase noise）”現(xiàn)象。下面簡單解釋一下“循環(huán)平穩(wěn)”的意義：

循環(huán)平穩(wěn)（cyclostationary；CS）訊號（或噪聲）是非平穩(wěn)訊號中的一個重要成員，或者說，它是一種特殊的非平穩(wěn)訊號。其特性會隨著時間呈現(xiàn)周期性或多周期性的變化（各周期并不相關(guān)，所以無法化約）。例如：在機械設(shè)備中，廣泛存在著循環(huán)平穩(wěn)訊號，特別是在滾動軸承…等復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機械中，組件由于故障而產(chǎn)生周期性的脈沖力，使觀測到的振動訊號明顯地包含了周期性的成份。同理，在射頻電路中，也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，所以稱呼這種訊號為“循環(huán)平穩(wěn)噪聲”。

* 線性的被動組件

在射頻電路中，被動組件（例如：傳輸線、螺旋型電感、焊線封裝）和基板，通常在電路特性中扮演著重要的角色。但是，由于這些組件的“天性”，常常很難將它們包含在仿真軟件中。

一般而言，被動組件是線性的，可以利用分析式或S參數(shù)表，在頻域以“相量（phasor）”建立模型。這可以大幅簡化分布式組件（例如：傳輸線）模型之建立工作。大型的分布式結(jié)構(gòu)，譬如：封裝、螺旋型電感和基板，通常藉由一些通訊端口與電路的其它部份連接，因此，它們的行為可以輕易地用一個具有N端口的巨型模型（macromodel）來表示，此模型具有N2個轉(zhuǎn)換函數(shù)。這些轉(zhuǎn)換函數(shù)取代了許多個描述大系統(tǒng)的方程式，它們以高斯消去法來描述這些結(jié)構(gòu)，僅留下與通訊端口訊號有關(guān)的方程式。在前處理階段，就對每一個頻率進行相當耗時耗成本的消去步驟。若N很小，這樣得到的模型在頻域仿真軟件中被執(zhí)行和評估，其結(jié)果是很有效率的。不過，通常這只對傳輸線和螺旋型電感有效，對封裝和基板比較無效。

時域仿真軟件可以用來對一階常微分方程式（first-order ordinary differential equation）求解。但分布式組件（例如：傳輸線）是用偏微分方程式來表示的，所以，分布式組件很難使用時域仿真軟件來評估。通常，我們會利用離散的數(shù)學(xué)方法將偏微分方程式轉(zhuǎn)換成一組一階常微分方程式。不過，這種方法會受限于頻寬的大小。

另一種替代方案是對在頻域中得到的分散組件，求出它的脈沖響應(yīng)（impulse response），并使用回旋（convolution）法，求出此組件在電路中的響應(yīng)。使用這種方法來評估損失性（lossy）或分散性（dispersive）的傳輸線模型或S參數(shù)表，其成本通常會比較高，而且容易出錯。封裝、基板和螺旋型電感可以使用大型的“集總網(wǎng)絡(luò)（lumped network）”來建立模型。不過，這些系統(tǒng)可能會因為太過龐大，而無法有效地結(jié)合到時域仿真軟件里面，因此必須采取某種消去的措施。

* 半導(dǎo)體模型

射頻仿真軟件所使用的半導(dǎo)體模型，必須能準確地將組件的高頻和小訊號特性建立在模型里面，如此才可以準確地預(yù)測射頻電路的行為。過去，雙載子接面晶體管（BJT）常被應(yīng)用在高頻模擬電路中，它們的模型也適合射頻電路。不過，從微米制程盛行開始，制造射頻電路就改以標準的CMOS制程為主。但是，現(xiàn)有的MOS模型并不適合射頻應(yīng)用電路。尤其，在邏輯閘和基板中的分布式電阻并沒有納入模型中，這會影響到驅(qū)動點的阻抗和轉(zhuǎn)換函數(shù)，甚至造成噪聲。

此外，閃爍噪聲（flicker noise）也沒有納入模型中；它是振蕩器相位雜音的主要來源；對CMOS振蕩器尤其重要，因為MOS組件會產(chǎn)生大量的閃爍噪聲。

結(jié)語

EDA工具逐漸使射頻電路的設(shè)計工作制式化和簡單化，但是，射頻工程師仍然需要了解基本的射頻工程知識。這就好像現(xiàn)代的畫家或攝影師最好仍然懂得素描的技巧一樣，當遇到問題或情景時，能夠從基本原理中找到靈感和答案，而不是只會操作計算機，根本就忘記了要如何“心算”。

本文不只介紹一般的射頻模擬電路，還提到射頻芯片的特性。因為目前國內(nèi)大多數(shù)的硬件工程師和芯片設(shè)計業(yè)者，仍只重視傳統(tǒng)的射頻模擬電路，缺乏射頻全芯片設(shè)計的完整認識，所以，常遇到許多技術(shù)問題而無法立即克服。這也是本文最后要強調(diào)的。