【無(wú)線(xiàn)射頻芯片】-集成基站混頻器本振噪聲的規(guī)格與測(cè)量

1/1集成基站混頻器本振噪聲的規(guī)格與測(cè)量蜂窩基站接收機(jī)需要在有較高堵塞/干擾信號(hào)的狀況下接收天線(xiàn)端微弱的有用信號(hào)。干擾信號(hào)通常會(huì)被濾波器濾除，但濾波是在第一級(jí)下變頻后的中頻(IF)階段進(jìn)行的。因此，中頻濾波器之前的LNA與混頻器必需具有較高的線(xiàn)性度(IP3)和低噪聲系數(shù)(NF)。

圖1給出了一個(gè)典型的基站接收機(jī)架構(gòu)的簡(jiǎn)化框圖。接收機(jī)從天線(xiàn)開(kāi)頭，然后是高Q值調(diào)諧濾波器單元，低噪放位于天線(xiàn)四周。通過(guò)同軸線(xiàn)纜將接收到的信號(hào)連接到收發(fā)信機(jī)，收發(fā)信機(jī)單元由低噪放、低噪聲混頻器、聲表濾波器以及中頻放大器構(gòu)成，最終是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。第一級(jí)混頻器將信號(hào)下變頻至70MHz至100MHz(CDMA800/GSM900)或200MHz至300MHz(GSM1800/GSM1900/UMTS)。

圖1.蜂窩基站接收機(jī)的基本框圖

通常使用本振驅(qū)動(dòng)電平大于17dBm的無(wú)源平衡二極管混頻器來(lái)滿(mǎn)意對(duì)混頻器線(xiàn)性度和噪聲的要求(圖2)。這些基站混頻器由分立元件或混合集成電路構(gòu)成，本振驅(qū)動(dòng)由外部特性阻抗為50的緩沖放大器實(shí)現(xiàn)。因此，在信號(hào)注入混頻器之前增加濾波器，濾除本振殘余相噪是可行的。選擇IC方案時(shí)，必需謹(jǐn)慎考慮本振驅(qū)動(dòng)的噪聲，以滿(mǎn)意系統(tǒng)要求。在芯片的輸入端口通過(guò)濾波將本振電平噪聲限制到kT，本振緩沖放大器將使本振相噪劣化。當(dāng)存在大的堵塞信號(hào)時(shí)，由于本振噪聲與強(qiáng)干擾信號(hào)之間的倒易混頻會(huì)增加接收機(jī)的噪聲。

圖2.帶本振濾波的分立式無(wú)源17級(jí)基站接收機(jī)混頻器

混頻器噪聲模型

熱噪聲是接收機(jī)混頻器中常見(jiàn)的測(cè)量噪聲，定義為具有50射頻輸入端口的混頻器的噪聲性能，端口的噪聲功率密度為-174dBm/Hz(kTo)。輸入?yún)⒖荚肼暱梢杂苫祛l器的噪聲系數(shù)(10log10F)獲得。

式中，

k=玻爾茲曼常數(shù)(1.381x10-23J/K)

To=肯定溫度(290K)

F=混頻器的噪聲系數(shù)。

倒易混頻發(fā)生在射頻端口存在強(qiáng)射頻信號(hào)的狀況下。這是一種在噪聲系數(shù)(NF)測(cè)量中沒(méi)有計(jì)算在內(nèi)的附加噪聲。輸入倒易混頻噪聲Nrmi可以在特定的堵塞電平Sbl條件下評(píng)估。假定輸入本振噪聲為，帶寬為B，中頻端口的倒易混頻噪聲為：

假如干擾頻率與有用信號(hào)的頻率偏差足夠大，相位噪聲可認(rèn)為是平坦的。這兩個(gè)噪聲源可看作相互獨(dú)立，并且可以直接相加(圖4所示)。存在堵塞信號(hào)時(shí)，對(duì)輸入、輸出信噪比的影響可以用下式表示：

本振噪聲的定義

依據(jù)混頻器輸出端口所需要的載噪比(C/I)、輸入堵塞信號(hào)電平(Sbl)、信號(hào)電平(Sdes)以及接收噪聲帶寬(B)，可以估算所需的本振噪聲，單位為dBc/Hz()。對(duì)于GSM基站，偏差大于3MHz的最大堵塞信號(hào)(Sbl)電平定為-13dBm，在堵塞條件下所需接收靈敏度為-101dBm，GSM系統(tǒng)的帶寬B為200kHz。

對(duì)于需要C/I比為10的GSM基站系統(tǒng)，計(jì)算所得的相位噪聲電平為-151dBc/Hz?？紤]到前端熱噪聲，實(shí)際的相位噪聲應(yīng)當(dāng)大于該值，移動(dòng)基站的堵塞指標(biāo)比較寬松，=-138dBc/Hz。

圖3.典型集成基站接收機(jī)混頻器，集成了本振驅(qū)動(dòng)和中頻放大功能

LO驅(qū)動(dòng)的等效噪聲電平

將式1和式2代入式3，得到接收機(jī)信噪比下的等效本振噪聲電平(單位為dBc/Hz)。高線(xiàn)性混頻器要求較高的本振驅(qū)動(dòng)電平，但同時(shí)放大器的底噪也會(huì)相應(yīng)增加。如式2所示，由于倒易混頻使本振噪聲消失在中頻端口，可以在中頻端口測(cè)量本振驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲。圖5所示配置可以用來(lái)測(cè)量堵塞條件下的混頻器噪聲。底噪測(cè)量分別在無(wú)信號(hào)和存在堵塞信號(hào)的條件下進(jìn)行。Nbl由輸出熱噪聲Ntho以及輸出倒易混頻噪聲Nrmo組成，Nbl經(jīng)過(guò)聲表濾波器衰減和中頻放大。Ntho由小信號(hào)噪聲(F)和增益(G)確定。

Nrmo可以從Nbl中分別出來(lái)，并計(jì)算集成本振驅(qū)動(dòng)放大器的(dBc/Hz)。定義集成混頻器的等效噪聲可以關(guān)心系統(tǒng)設(shè)計(jì)者由式3估算信噪比(SNR)的劣化。

圖4.混頻器總噪聲由熱噪聲和倒易混頻噪聲組成

計(jì)算舉例

MAX9993是一款為PCS/DCS/UMTS(1.7G至2.2G)應(yīng)用設(shè)計(jì)的一款有源混頻器。其典型增益為8.5dB，噪聲系數(shù)9.5dB，IIP3=23.5dBm，P1dB=13.0dBm，工作所需的本振電平在0至6dBm之間。輸入?yún)⒖紵嵩肼昇thi=-174+9.5=-164.5dBm/Hz，輸出熱噪聲Ntho=-174+9.5+8.5=-156dBm/Hz。本例中工作頻率分別為：fIF=190MHz，fLO=1800MHz，fRF=1990MHz。在偏離fRF25MHz處(fbl=2023MHz)，注入5dBm的堵塞信號(hào)，且使用一個(gè)190MHz的中頻濾波器(SAWTEK855770)濾除215MHz處的堵塞信號(hào)，用AgilentE4404B頻譜分析儀測(cè)得的Nbl為-127dBm/Hz。不存在堵塞信號(hào)的同樣配置下，測(cè)得的噪聲電平為Ntho=-134dBm/Hz。該配置中，中頻放大器的增益和噪聲系數(shù)分別為29.5dB和2.5dB。所測(cè)得的Ntho與使用試驗(yàn)配置下的增益和存在堵塞條件下的噪聲系數(shù)計(jì)算的結(jié)果全都。

圖5.存在堵塞狀況下測(cè)量噪聲以及推導(dǎo)的試驗(yàn)配置

圖6.不同溫度條件下MAX9982以dBc/Hz表示的本振噪聲()相對(duì)于輸入本振驅(qū)動(dòng)功率的變化

存在堵塞狀況下噪聲的增加歸結(jié)到混頻器輸出噪聲表現(xiàn)為Ntho到Nbl的劣化。通過(guò)頻譜儀測(cè)量到的噪聲電平(Nbl)來(lái)源于熱噪聲、倒易混頻、聲表以及中頻放大器。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)噪聲分析，混頻器的等效噪聲系數(shù)由9.5dB增加到16dB。從合成噪聲(Nbl)中，使用在混頻器噪聲部分推導(dǎo)的公式可求出倒易混頻噪聲Nrmi。式3所示信噪比降低16dB，從式3解出Nrmi，結(jié)果是：

輸入倒易混頻噪聲Nrmi=15dBm/Hz-174dBm/Hz=-159dBm/Hz。由于使用了5dBm的堵塞信號(hào)，為-164dBc/Hz。該指標(biāo)遠(yuǎn)小于GSM所需要的-151dBc/Hz。

以信噪比(dBc/Hz)定義的本振噪聲會(huì)隨著本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化而變化，同時(shí)該驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)受本振驅(qū)動(dòng)的限制。從下述例子可以看到這一點(diǎn)。

MAX9982是一款用于CDMA/GSM頻帶(825MHz至915MHz)的高線(xiàn)性混頻器，其輸入IP326dBm，增益為3dB且噪聲系數(shù)NF=11dB。該混頻器工作時(shí)的本振驅(qū)動(dòng)范圍為-5dBm至+5dBm之間。大多數(shù)參數(shù)隨著本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)而變化。圖6給出了一個(gè)以驅(qū)動(dòng)電平為函數(shù)的(dBc/Hz)曲線(xiàn)。此次測(cè)量所采納的配置與圖5完全相同。一個(gè)SAWTEK(854823)86.6MHz的GSM中頻濾波器用于衰減中頻端口的堵塞信號(hào)(DUT口為