無(wú)線(xiàn)基站的高線(xiàn)性度混頻器關(guān)鍵性能

無(wú)線(xiàn)基站通信標準，例如GSM、UMTS和(當前的) LTE，定義了不同參數的下限指標，包括接收機的靈敏度和大信號性能。這些關(guān)鍵指標對無(wú)線(xiàn)基站中的每個(gè)射頻功能模塊提出了設計挑戰。在接收信號通路，混頻器性能主要影響接收機的靈敏度和大信號性能。本文介紹了混頻器的關(guān)鍵性能和參數，有助于設計接收通道時(shí)選擇最佳的混頻器。

　　無(wú)線(xiàn)基站接收機

　　我們首先分析無(wú)線(xiàn)基站中的典型接收機方框圖(圖1)。

　　圖1. 無(wú)線(xiàn)基站接收機典型框圖

　　因為接收到的信號經(jīng)過(guò)兩次連續的下變頻，變換到較低頻率，這些接收機被稱(chēng)為超外差式接收機。如圖所示，信號通過(guò)天線(xiàn)接收，然后經(jīng)過(guò)第1級RF濾波器濾波，該濾波器通常用于濾除無(wú)用信號。隨后，該濾波器輸出通過(guò)一個(gè)LNA (低噪聲放大器)進(jìn)行放大，該放大器通常具有非常低的噪聲系數。

　　放大信號通過(guò)第2級RF濾波器再次進(jìn)行濾波，該濾波器濾除限制混頻器性能的無(wú)用信號的同時(shí)還對頻率范圍加以限制。經(jīng)過(guò)濾波后帶寬受限的信號被送入第一級混頻器，在此通過(guò)與LO (本振)信號混頻，下變頻至一次IF頻率。根據接收機結構的不同，該IF信號可以進(jìn)一步下變頻至更低的二次IF頻率，然后送入基帶進(jìn)行解調處理。

　　現在，我們開(kāi)始研究接收鏈路中的混頻器。因為影響接收機靈敏度和大信號性能的主要因素是混頻器參數，應該對其進(jìn)行仔細分析。

　　混頻器參數

　　混頻器的噪聲系數表示從輸入至輸出的SNR (信噪比)衰減，該比值通常用對數表示(dB)，如式1所示：　　
混頻器的噪聲系數　(式1)

　　另一個(gè)重要參數是變換增益(或變換損耗)。變換增益是判斷混頻器配置為有源架構或無(wú)源架構的重要依據。無(wú)源混頻器不包含放大信號的元件，存在插入損耗(稱(chēng)為變換損耗);而有源混頻器包含有源器件，能夠提供變換增益。

　　可以采用兩種配置實(shí)現有源混頻器：基于平衡(吉爾伯特單元)架構設計的集成混頻器，或結合IF放大級的無(wú)源混頻器，提供增益而非損耗。由于集成混頻器具有放大能力，不需要額外的IF放大級補償插入損耗?！?br />變換增益　(式2)

　　變換增益(或損耗)用對數表示，單位為dB，如式2所示，是頻率的函數，定義在混頻器的整個(gè)工作頻率范圍內。為了保證最佳接收性能，變換增益/損耗的變化應該在規定頻率范圍內盡可能小。

　　由于無(wú)線(xiàn)基站通常工作在溫度波動(dòng)的環(huán)境下，應該給出整個(gè)工作溫度范圍內變換增益/損耗的規格，而且要求變化量盡可能小。由于正常工作條件下，較小的溫度變化范圍對設計裕量的要求也較小，而設計裕量對于系統規劃非常有用，因此，溫度范圍在設計中是非常重要的因素。

　　混頻器在大信號下的特性利用一個(gè)稱(chēng)為“1dB壓縮點(diǎn)” (該指標也稱(chēng)為壓縮點(diǎn)(IP1dB))的混頻器參數以及2階、3階交調截點(diǎn)(IP2和IP3)表示。根據式3所示線(xiàn)性表達式，IP1dB壓縮點(diǎn)用于預測混頻器增益降低1dB時(shí)對應的輸入功率：

　　POUT = G × PIN(式3)

　　當兩個(gè)頻率幾乎相同的大信號作用到混頻器的輸入時(shí)，混頻器應該也能夠轉換微弱信號。該性能通常用3階交調截點(diǎn)(IP3)表示，該參數與噪聲系數一起表示混頻器的動(dòng)態(tài)范圍。IP3較大說(shuō)明混頻器的線(xiàn)性度較高?；祛l器數據資料還應提供混頻器的輸入、輸出交調截點(diǎn)，利用式4，可以根據IIP3 (輸入交調截點(diǎn))計算OIP3 (輸出交調截點(diǎn))，反之亦然：

　　OIP3 = IIP3 + G(式4)

　　式中，OIP3是混頻器的輸出交調截點(diǎn)，IIP3是輸入交調截點(diǎn)，G為變換損耗或增益。由此，對于無(wú)源混頻器，混頻器的變換損耗降低了OIP3。為了達到接收機要求的總體噪聲系數，應該在RF或IF增益級對插入損耗進(jìn)行補償(噪聲系數是在設計接收機時(shí)必須考慮的另一參數)。

　　無(wú)源混頻器與有源混頻器

　　無(wú)源混頻器的主要優(yōu)勢在于它們也可以用作上變頻器。換句話(huà)說(shuō)，其輸入信號可以轉換到更高頻率。上變頻器通常用于發(fā)射鏈路，它將IF信號變換到最終的發(fā)射頻率。因為無(wú)源混頻器既可用于發(fā)射鏈路，亦可用于接收鏈路，只需訂購一款器件或保留一款器件的庫存。

　　“直接下變頻接收機”將輸入信號直接下變頻至基帶，無(wú)需IF信號。對于這種接收機，混頻器的數據資料應該規定另一重要參數，即端口間隔離度。該參數用于衡量LO信號和混頻器輸入信號之間的隔離度。如果端口間隔離度不足，LO將與其自身信號混頻，從而在混頻器輸出產(chǎn)生一個(gè)直流失調，進(jìn)而降低接收機性能。

　　由于混頻器對頻率進(jìn)行變換，它將產(chǎn)生新的頻率分量(稱(chēng)為混頻器雜散分量)。應該對雜散分量進(jìn)行全面分析，特別是(2RF - 2LO)、(3RF - 3LO)和更高階頻譜分量，它們與IF頻率相吻合，直接影響接收機性能。這種現象通常在混頻器數據資料中用2x2和3x3指標表示。

　　除這些參數外，還必須考慮集成度。將混頻器內核與LO放大器、非平衡變壓器和LO開(kāi)關(guān)集成在一起對于一些應用非常有益。

　　五、為無(wú)線(xiàn)基站選擇高線(xiàn)性度混頻器

　　通用PCB接收機布板提高設計靈活性

　　目前，針對不同頻率范圍采用同一電路板布局可有效減輕開(kāi)發(fā)工作的負荷。只需改動(dòng)少數關(guān)鍵元件，即可將900MHz GSM接收機系統設計用于1800MHz GSM系統。

　　引腳兼容的混頻器系列產(chǎn)品非常適合采用同一通用PCB布局支持多頻段無(wú)線(xiàn)架構的應用。最終目標是開(kāi)發(fā)一個(gè)電路布局用于多種標準的無(wú)線(xiàn)基站，支持GSM、UMTS、WiMAX™和LTE應用。

　　例如，接收鏈路中，類(lèi)似于MAX2029的無(wú)源混頻器可以對接收信號進(jìn)行下變頻，而同樣的混頻器可以在發(fā)送鏈路對IF信號進(jìn)行上變頻，將其轉換到最終發(fā)射頻率。圖2所示電路中集成了所有外部元件：LO緩沖放大器、非平衡變壓器和LO開(kāi)關(guān)。

　　圖2. 無(wú)源混頻器框圖

　　作為下變頻器，MAX2029可提供36.5dBm的IIP3、27dBm的IP1dB、6.5dB的變換損耗以及6.7dB的噪聲系數。由于MAX2029的SiGe處理工藝大大提高了器件性能，非常適合要求超高線(xiàn)性度和低噪聲系數的基站應用。

　　2RF - 2LO抑制(-10dBm RF輸入信號時(shí)為72dBc)有助于降低中心頻率附近諧波分量的濾波要求，從而簡(jiǎn)化濾波器設計，提高性?xún)r(jià)比。MAX2029擴展了815MHz至1000MHz的低端頻率范圍。作為引腳兼容的混頻器系列(包括MAX2039和MAX2041)產(chǎn)品的一員，MAX2029允許接收機采用同一PCB布局支持不同頻率范圍、不同通信標準的設計。

　　有源混頻器既可采用平衡式(吉爾伯特單元)設計，亦可采用無(wú)源混頻器與IF放大器相組合的形式。例如，MAX9986即采用了第二種配置。較低的噪聲系數允許混頻器之前采用很低的RF增益，有助于改善接收機的線(xiàn)性度。另一方面，如果為了降低串聯(lián)噪聲系數而增大混頻器前級的增益時(shí)，混頻器必須具備足夠高的線(xiàn)性度，以保證接收機的整體線(xiàn)性度指標。

　　正確選擇混頻器

　　從互聯(lián)網(wǎng)搜索混頻器時(shí)，很難篩選出不同混頻器的全部技術(shù)指標列表，需要做出優(yōu)化選擇。幸運的是，我們提供基于web的參數搜索工具，幫助您完成這項工作。設計工程師可利用參數搜索工具快速找到最合適的IC。在一個(gè)網(wǎng)頁(yè)即可顯示所有檢索要求，列出篩選結果和相關(guān)型號。更改任何檢索條件都將立即刷新型號列表。檢索功能包括：?jiǎn)螕艉Y選框、滑動(dòng)條篩選控制、多級篩選及其它多項提示工具。提供了一種最便捷的型號查找途徑。

　　圖3. 該web工具能夠列出符合篩選條件的產(chǎn)品—在用戶(hù)做出決定之前

　　圖3所示的搜索結果列出了具有10dB增益、專(zhuān)為基站設計的有源混頻器。推薦型號為MAX9986。點(diǎn)擊型號鏈接，即可直接進(jìn)入該器件的快速瀏覽網(wǎng)頁(yè)，找到相關(guān)的數據資料、應用筆記及其它更多信息。

　　利用Maxim的web工具進(jìn)行參數搜索，能夠得到符合一組篩選條件的產(chǎn)品型號—在用戶(hù)做出決定之前。“智能”搜索算法只顯示符合規格要求的器件。用戶(hù)不能選擇排除所有型號。該參數搜索工具采用最新版的Web 2.0技術(shù)，無(wú)需在用戶(hù)系統上安裝任何插件。

　　六、方波發(fā)生器電路圖

　　組成的問(wèn)路改為兩個(gè)二極管(VDl)和VD2)和電阻(R1和RPl)構成的網(wǎng)絡(luò ).使電容器Cl的充放電時(shí)間常數不等，達到改變占空比的目的。它是利用電容兩端電壓Uc1即運算放大器Al的②腳與@腳相比較，由此決定輸出電壓u。的極性是¨正還是負。u的極性又決定通過(guò)電容C1的電流是充電(使Uc增加).還是放電(使u c，減少);而uc1的大小再次決定Un的極性。如此不斷反復，產(chǎn)生了方波。

　　目前，無(wú)線(xiàn)基站等通信系統對接收靈敏度和大信號性能提出了非常高的要求。本文著(zhù)重討論混頻器的相關(guān)問(wèn)題，介紹了混頻器的幾個(gè)關(guān)鍵性能以及數據資料中提供的基本參數。文章探討了如何選擇最佳混頻器優(yōu)化接收通道的性能。