發(fā)射本振泄漏―零中頻架構中令人煩惱的問(wèn)題

簡(jiǎn)介

零中頻架構有一些重要優(yōu)勢，但也有一些挑戰需要克服。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)射范圍內產(chǎn)生無(wú)用發(fā)射，造成潛在的違反系統規范的風(fēng)險。本文論述發(fā)射LOL的問(wèn)題，并介紹在A(yíng)DI的RadioVerse™ 收發(fā)器系列(包括AD9371;有關(guān)詳情，請參見(jiàn) ADI RadioVerse網(wǎng)站)中實(shí)現的可消除此問(wèn)題的技術(shù)。如果可以將發(fā)射LOL降低到足夠低的水平，使其不再導致系統或性能問(wèn)題，也許人們就可以不必為L(cháng)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，該輸出的頻率應當是FIN + FLO以及FIN – FLO，不含其它項。如果任一輸入不在驅動(dòng)狀態(tài)下，則不會(huì )有輸出。

圖1. 理想混頻器

在圖1中，FIN被設置為基帶頻率為1 MHz的FBB，FLO被設置為本振頻率為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，因為它遠離所需的輸出，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，FLO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內，并且很難或無(wú)法通過(guò)濾波去除，因為濾波也會(huì )濾除所需的信號。LO應該用小一號或兩號的字體下產(chǎn)生的這種無(wú)用能量被稱(chēng)為L(cháng)OL?？沈寗?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(cháng)OL。

圖2. 真實(shí)混頻器

在只發(fā)射一個(gè)邊帶的實(shí)信號中頻架構中，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)邊帶的零中頻架構中，LOL位于所需輸出的中間，并形成了難度更高的挑戰(見(jiàn)圖3)。傳統濾波不再是一種選擇，因為任何去除LOL的濾波也會(huì )去除部分所需發(fā)射信號。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)射范圍內可能會(huì )成為無(wú)用發(fā)射。

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(cháng)OL。

消除LO泄漏(也稱(chēng)為L(cháng)OL校正)

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

圖4. LO泄漏和抵消信號

抵消信號的生成

復數混頻器架構適用于生成抵消信號。由于混頻器中存在LO頻率的正交信號(它們是復數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。

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

圖5. 生成的任何相位和任何幅度抵消信號的示例

所需的發(fā)射信號將需要應用于發(fā)射器的輸入。對發(fā)射數據施加直流偏置后，混頻器的輸出端將包含所需的發(fā)射信號以及所需的LOL抵消信號。特意生成的抵消信號將與無(wú)用的LOL組合抵消，僅留下 所需的發(fā)射信號。

觀(guān)測發(fā)射LOL

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

圖6. 觀(guān)測與校正TxLO泄漏的基本概念

圖6所示的方法有其內在缺陷：使用相同的LO來(lái)發(fā)射和觀(guān)測，發(fā)射LOL將在觀(guān)測接收器的輸出端顯示為直流。由于電路中的元件不匹配，觀(guān)測接收器本身將具有一定量的直流，因此觀(guān)測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(guān)測鏈路原生直流失調。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(guān)測，從而將觀(guān)測路徑中的原生直流從發(fā)射LOL觀(guān)測結果中分離出來(lái)。這種情況如下面的圖7所示。

圖7. 使用不同LO發(fā)射和觀(guān)測

由于使用了不同于發(fā)射LO的頻率來(lái)觀(guān)測，因此在觀(guān)測接收器中，發(fā)射LO頻率的能量不會(huì )以直流出現。相反，它將顯示為頻率等于發(fā)射LO與觀(guān)測LO之差的基帶信號音。觀(guān)測路徑中的原生直流仍然會(huì )以直流出現，因此會(huì )將觀(guān)測直流與發(fā)射LOL測量結果完全分離。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖8使用單一混頻器架構說(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(guān)測接收器之后完成，將發(fā)射LOL觀(guān)測到的能量移動(dòng)到直流。

圖8. 從Tx LOL分離觀(guān)測接收器直流

找出必要的校正值

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

圖9. 從發(fā)射器輸入到觀(guān)測接收器輸出的傳遞函數

從發(fā)射器基帶輸入到觀(guān)測接收器基帶輸出的傳遞函數由幅度縮放和相位旋轉兩部分組成。下文對此分別做了更詳細的說(shuō)明。

圖10表明如果從發(fā)射輸出到觀(guān)測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(guān)測接收器電路的增益不同，則觀(guān)測接收器報告的發(fā)射信號的幅度可能不代表所發(fā)射信號的實(shí)際幅度。

圖10. 回送路徑衰減引起的幅度縮放

現在來(lái)看相位旋轉。重要的是要意識到信號不會(huì )從點(diǎn)A瞬間傳輸到點(diǎn)B。例如，信號以約光速的一半速度經(jīng)過(guò)銅，這表示沿銅條傳輸的3 GHz信號的波長(cháng)約為5厘米。這意味著(zhù)如果使用間隔幾厘米的多個(gè)示波器探頭探測銅條，則示波器將顯示彼此不同相位的多個(gè)信號。圖11對這一原理進(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)看到的信號頻率為3 GHz，但三個(gè)信號之間存在相位差。

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，因為示波器將始終在0°相位觸發(fā)。只有使用多個(gè)探頭才能觀(guān)測到距離與相位之間的關(guān)系。

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

正如沿銅條出現相位變化一樣，從發(fā)射器輸入到觀(guān)測接收器輸出將發(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，以便計算出正確的校正值。

圖12. 回送路徑中物理距離引起的相位旋轉

確定從發(fā)射輸入到觀(guān)測接收器輸出的傳遞函數

施加發(fā)射器輸入信號并將其與觀(guān)測接收器的輸出進(jìn)行比較即可得到圖13所示的傳遞函數。但有些要點(diǎn)需要牢記。如果靜態(tài) (dc) 信號被施加到發(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將與其相結合。這將會(huì )妨礙正確得到傳遞函數。還應注意，發(fā)射輸出端可以連接到天線(xiàn)，因此故意向發(fā)射器輸入端施加信號可能是不被允許的。

圖13. 確定從發(fā)射器輸入到觀(guān)測接收器輸出的傳遞函數

為了解決這些挑戰，ADI收發(fā)器使用一種將低電平直流失調應用于發(fā)射信號的算法。周期性調整失調電平，觀(guān)測接收器的輸出會(huì )顯示這些擾動(dòng)。然后，該算法分析比較觀(guān)測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，但是該方法在用戶(hù)信號存在時(shí)仍然適用。

表1. 觀(guān)測值增量與輸入值增量的比較

執行兩種情況的減法，從等式中消除恒定發(fā)射LOL，即可獲得傳遞函數?？梢詳U大到兩種情形以上，可對許多獨立結果取平均值以提高準確性。

小結

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

本文概述了ADI的RadioVerse收發(fā)器所用算法的一個(gè)方面。為了更廣泛地了解零中頻和算法的概念，請參閱有關(guān)復數RF混頻器的文章。