高速無線通信系統(tǒng)設計中的混頻器和調制器

置是表示混頻器不平衡的量度。此規(guī)格在I/Q調制器和解調器中特別重要。由于I/Q調制器和解調器本身就是兩個混頻器，因此這些混頻器的部分不 平衡受兩個內部混頻器之間的增益差或偏置差影響。

　　具體來講，對于采用這些調制器和解調器的零IF系統(tǒng)，由于泄漏在信號帶 寬內，因此直流偏置(載波抑制)會降低性能。混頻器輸出端的直流偏置將位于LO頻率，根據直流偏置的不同，如果器件內的不平衡足夠高，直流偏置會影響錯誤 (式13)。因此，如果1VRMS信號有10mV的直流偏置，則：

　　CS = –40 dBc (14)

　　LO驅動電平

　　LO驅動電平是混頻器中需要設計工程師嚴密考量的一個規(guī)格。系統(tǒng)LO的可用輸出功率可能限制設計中的混頻器選擇方案。驅動電平不足會降低總混頻器性能。 驅動電平過高會降低性能，同時損壞器件。與無源混頻器相比，有源混頻器所需的LO功率往往較少，并且LO功率范圍具有更高的靈活性，可獲得完整的混頻器性能。

　　混頻器拓撲

　　混頻器分為無源混頻器和有源混頻器。無源混頻器采用二極管和無源器件進行混頻和濾波。無源混頻器一般具有更高的線性度，但變頻損耗或噪聲較高。此外還有單平衡混頻器和雙平衡混頻器。單平衡混頻器具有有限的隔離，而雙平衡混頻器的端口間隔離好得多，并且線性度更高。

　　大部分人都熟悉基本的肖特基二極管雙平衡混頻器。這種混頻器是性能最高的混頻器之一，僅需要輸入端的一些匹配良好、低損耗的平衡-不平衡變換器和具有四 橋配置的二極管。為了獲得更高的隔離，輸出信號在輸入信號端口(非LO)被分出。肖特基二極管的低Ron和高頻性能使得這種混頻器成為理想之選，不過它有 一個不足：需要高LO功率。我們擁有各種有源混頻器選擇方案，包括雙極結晶體管(BJT)和FET混頻器以及可創(chuàng)建真正的乘法器，從而提升隔離和偶次諧波的吉爾伯特單元拓撲。吉爾伯特單元拓撲是到目前為止最受歡迎的有源混頻器設計。

　　雖然這些混頻器可以提供極高的性能，但是我們仍然需要濾波和多個IF級從需要的輸出中消除鏡像。鏡像始終距離需要的IF信號2IF，以便低IF 端的濾波得到更多的抑制。由于可調諧系統(tǒng)的復雜性越來越高，濾波器必須跟蹤LO以維持性能。這種系統(tǒng)可能需要多個級和濾波，以便徹底消除較高IF的鏡像。采用IRM時，我們可以通過相位抵消實現(xiàn)境像抑制，而不采用濾波或多個IF級。設計從正交IF混頻器開始進行。這種混頻器整合了兩個雙平衡混頻器、一個 90°分流器和一個零度分流器。要實現(xiàn)IRM的功能，只需要在IF端口后面添加一個90°混合電路，以分隔鏡像和實信號，使鏡像輸出終止或用于進一步的處 理(圖4)。

　　圖4：鏡像抑制混頻器在接收器中最受歡迎。它可以通過相移去掉和頻或差頻產物，產生單個輸出，而不需要濾波。LO進行90°相移，產生同相和正交相位信號，與輸入的RF信號進行混頻。然后混頻器輸出互相進行90°相移，從而去掉部分產物。根據上文的討論，這種設計內部的兩個混頻器可能不匹配，因為在需要的IF輸出端口出現(xiàn)了一些下變頻鏡像。鏡像抑制是所需IF與同一端口的輸出端的鏡像之比。為提高IRM的性能，良好的抑制匹配是關鍵的設計參數。

　　圖5：單邊帶上變頻器或調制器用于發(fā)射信號鏈中。此過程類似于接收信號鏈的鏡像抑制混頻器(圖4)?；鶐?BB)信號被施加到同相(I)和90°相移(Q)混頻器，并與分成90°相移分量的LO信號進行混頻。增加了混頻器輸出，單個產物或邊帶為RF輸出。

　　至于上變頻，我們有SSB混頻器或I/Q調制器。在SSB IRM中，鏡像和有效輸出現(xiàn)在是這種拓撲結構中的輸入，RFIn是RFOut。圖5通過BB(基帶)輸入頻率或發(fā)射通路中的IF信號簡化了這種配置。式 15-21顯示這種SSB或I/Q調制器如何抑制或減少鏡像。

　　BB I = Asin(ωmt) (15)

　　BB Q = Acos(ωmt) (16)

　　LO通過分相電路施加一個CW輸入時：

　　LO同相 = sin(ωct) (17)

　　LO正交 = cos(ωct) (18)

　　因此，通過三角恒等式，以下部分整合到RFOut的功率合成器中(式19和式20)。從這里我們可以看出， 去掉了上邊帶(ωc + ωm)器件(USB)，而只保留了最低有效位(LSB)。輸出為：RFOut = RFIn-phase + RFQuad-phase = Acos((ωc – ωm)t) (21)

　　顯然，這是一個理想的SSM，其電路中不存在不平衡。但是，在真實世界中，BJT、FET和二極管從未實現(xiàn)理想的平衡?？偸谴嬖谠鲆婧拖辔徊黄ヅ?，隔離將是有限的，因此RFOut端口將出現(xiàn)LO泄漏?；鶐Щ騃F信號不會實現(xiàn)理想的平衡，LO輸入也會不理想。選擇I/Q調制器時影響最大的兩個規(guī)格是邊帶抑制和載波泄漏。直流偏置或載波抑制是有害的輸出LO分量，這是隔離LO-RF端口和BB或IF信號直流不 平衡的結果。邊帶抑制以dBc計。這是鏡像分量，是一個相對于輸出信號的規(guī)格。它是混頻器增益和相位平衡不匹配的結果。