一文讲解无线通信领域的混频器和调制器怎么写，一文讲解无线通信领域的混频器和调制器的关系

无线通信系统要求信号在传播和处理之前进行上变频或下变频。这种频率转换步骤传统上称为混频，是接收和发送信号链中的一个重要过程。因此，混频器和调制器已成为射频(RF) 系统的基本构建模块。随着无线通信标准的不断发展，检查这些组件的特性并了解混频器如何影响整体系统性能非常重要。在所有无线设计中，混频器和调制器都支持频率转换并实现通信。这些决定了整个信号链的基本规格。接收信号链具有最高的功率，并对来自发送路径中的数模转换器（DAC）的信号进行上变频，并实现数字预失真（DPD）系统，从而影响整个通信系统的性能。那么，基本混频器是如何工作的？需要考虑哪些关键规格？当今有哪些混频器和调制器选项可用于改进和简化系统设计？基本混频器工作原理最简单的混频器是乘法器。混频器实际上是一个输出信号，它将输入信号相乘以产生新的频率。射频调制器和解调器本质上是混频器。这些设备接受基带输入信号并输出射频调制信号（反之亦然）。影响混频器的元素也会影响调制器，因此本文将主要从混频器的角度进行讨论。通常，接收器使用下变频处理高频射频信号，而发送器将低频基带信号转换为高速射频信号。搅拌机的每个部分都像负载和酱汁。

第一个例子以如下频率变换为例：两个输入是RF 和本地振荡器(LO)。输出是中频(IF)。输出信号包含输入的和与差（图1）。这些混合输出分量可以用数学方式解释。 RF 输入=A1sin (1t + 1) LO 输入=A2sin (2t + 2) 输出IF=A1A2sin (1t + 1) sin (2t + 2) 由于三角恒等式，输出为：输出包括和与差IF=(A1A2/2) {cos [(1 + 2)t + (1 + 2)] + cos [(1 2)t (1 2)]}用于信号处理取决于可能需要中频频率和系统级规划、多个下变频过程和滤波才能实现所需的信号质量。 （LO > RF 是本地振荡器顶部注入；RF > LO 是本地振荡器底部注入。）上变频过程中的混频器通常在基带信号生成之后使用。在这个过程中，IF是输入，RF是输出。此外，输出是输入信号的和与差。输入和输出处需要额外的滤波，以减少不需要的伪影并为接收信号链实现类似的所需性能。转换增益转换增益是混频器的主要测量指标，用于生产过程中的功能验证。转换增益是输出信号电平与输入信号电平的比值，通常用dB表示。无源混频器的变频损耗通常表示为插入损耗。一般来说，大多数混频器的变频损耗在4.5 至9dB 之间。这取决于混频器的类型以及任何额外损耗，例如混频器不平衡、巴伦失配、二极管串联电阻等。宽带混频器往往具有较高的转换损耗，因为它们必须在输入带宽上保持平衡。变频增益影响全系统自动增益控制（AGC）规划、DPD系统算法和灵敏度规划。噪声混频器在执行频率转换时将噪声引入信号中。加热条件下的输入信噪比(SNR) 与输出SNR 之比称为噪声系数。我们发现噪声系数F=(SNR) In/(SNR) Out 噪声系数NF=10log (F)。从级联噪声指数Out（G为各级增益）来看，第一级影响最大。因此，在基本接收系统中，混频器前面的开关、滤波器和低噪声放大器(LNA) 都会增加整个系统的噪声系数。仔细选择这些组件和混频器将最大限度地减少总体噪音并提高灵敏度。请注意，LO 驱动电平会影响转换增益和噪声。随着LO 功率降低，噪声也会降低。双边带(DSB) 和单边带(SSB) 混频器对噪声的定义略有不同。对于DSB，输出提供必要的IF 和镜像（对于迄今为止讨论的所有混频器）。对于SSB，镜像是最少的。 DSB 噪声包括噪声以及来自RF 和图像信号频率的信号。理论上，视频信号会因SSB 噪声而丢失（尽管也包含视频噪声）。理想的SSB 混频器的噪声系数是同等DSB 混频器的两倍。混频器隔离是在RF 到IF、LO 到IF、IF 到RF 以及LO 到RF 端口之间指定的。隔离指标计算从一个端口到另一端口的泄漏功率。例如，要测量LO 与RF 的隔离度，只需将信号输入到LO 端口，然后在RF 端口测量该输入LO 信号的功率。隔离非常重要，因为输入信号（尤其是LO）足够大，足以导致系统性能下降。 LO 泄漏可能会通过干扰RF 放大器或在天线端口辐射RF 能量来干扰输入信号。从LO 到IF 输出的泄漏会压缩接收器阵列中剩余的IF 元素并导致处理错误。

RF 至IF 泄漏和IF 至RF 泄漏代表与转换损耗相关的电路平衡性能。混频器的平衡性能越好，变频损耗越少，变频性能的平坦度越好。理想情况下，绝缘规格应尽可能高，并在最终的电路板设计中提供屏蔽和正确的布局。 1dB 压缩点在接收系统中，混音器可能是整个系统中最强大的设备。因此，线性度指标非常重要，它决定了许多整体接收器系统的指标。在标准或线性工作条件下，无论射频功率如何，混频器的转换损耗都是恒定的。这意味着如果输入功率增加1dB，输出功率也会增加1dB。在P1dB压缩点，随着输入功率的增加，输出并不随输入功率线性增加，其值比线性输出小1dB。

在P1dB 点之上操作混频器会使所需的IF 或RF 信号失真，同时增加频谱中杂散分量的数量。整个信号链中的1dB 压缩点会影响系统的动态范围。混频器的典型P1dB 规格为0 至15 dB。 P1dB 越高，系统的性能和相应的动态范围就越好。三阶截点与P1dB类似，三阶截点（IP3）也会影响系统性能。较差的三阶互调性能与IP3 直接相关，并会增加实际操作条件下的本底噪声。这被认为降低了无线电接收机的灵敏度并相应地降低了整个无线电通信系统的性能。因此，IP3点越高越好。要测量IP3，请将两个功率相等的输入信号F1 和F2 应用到RF 输入（假设这是下变频过程）。为了计算IP3，由于与相关IP 输出非常接近，因此在(2F2 F1) FLO 和(2F1 F2) FLO 处生成相关的三阶互调失真(IMD3)，但它没有达到实际值IP3。点，所以IP3点是从IMD3得到的理论值。混频器的输出级在达到IP3 之前就饱和了。一般来说，对于无源混频器，高频信号的IP3至少比P1dB高15dB，低频信号的IP3至少比压缩点高10dB。杂散信号混合过程产生的输出是输入信号和许多额外不需要的杂散信号的和与差（图3）。这些杂散信号包括基本混频器输入和输出、其谐波产物（nRF、mLO 或kIF）、互调产物、nRF mLO（下变频）和nLO mIF（上变频）。

图3：混合器输出的频谱图显示了生产的所有不同产品。请注意，虽然所需信号是和频或差频，但不需要的镜像信号以及二阶和三阶信号是谐波的结果。滤波有助于减少这些不需要的信号。我们将这些互调产物定义为有害的混合产物。这些杂散响应是由输入信号和LO 的谐波混频引起的。这些杂散信号的水平取决于许多因素。信号输入电平、负载阻抗、温度和频率都会影响杂散信号。由于滤波的复杂性以及受这些杂散响应影响的广泛频率性能，非线性失真产物会对宽带系统产生重大影响。窄带应用仅受通带内失真分量的影响。适当的带通滤波可以有效地减少大多数有害产物。然而，如前所述，IMD3 乘积非常接近感兴趣的信号，因此很难滤除此类信号。图像（边带抑制） 影响典型混频器的接收和发送路径的一种信号是图像。与输入信号相距2IF 的信号在下变频过程中直接转换为与所需输入信号相同的IF。滤波和使用多个IF 级和镜像抑制混频器(IRM) 等方法可以最大限度地减少这种不需要的信号的影响。简单混频器的输出包括混音的和与差，因此根据系统规划，图像是所需输出信号的“其他”输出。在混频器输出端实现更高镜像抑制的高级混频器设计称为SSB 或同相/正交(I/Q) 调制器。例如，TI 的TRF372017 是一款高度集成的锁相环/压控振荡器(PLL/VCO) I/Q 调制器。 DC 偏置输出频谱的另一个重要部分是LO 泄漏或DC 偏置和载波抑制。隔离会影响混频器的这种能力，而直流偏移是混频器不平衡的衡量标准。该规范对于I/Q 调制器和解调器尤其重要。由于I/Q 调制器和解调器本身就是两个混频器，因此这些混频器中的一些不平衡会受到两个内部混频器之间的增益或偏移差异的影响。特别是对于使用这些调制器和解调器的零中频系统，直流偏移（载波抑制）会由于信号带宽内的泄漏而降低性能。 LO 驱动电平LO 驱动电平是一个混频器规范，需要设计工程师仔细考虑。系统LO 的可用输出功率可能会限制您设计中的混频器选择。驱动电平不足或过高都会降低调音台的整体性能。同时，过高的驱动电平可能会损坏器件。有源混频器往往比无源混频器需要更少的本振功率，并在本振功率范围内提供更大的灵活性，以最大限度地提高混频器性能。混频器拓扑混频器分为无源混频器和有源混频器。无源混频器使用二极管和无源元件进行混频和滤波。无源混频器通常具有较高的线性度，但也具有较高的转换损耗和噪声。还有单平衡搅拌机和双平衡搅拌机。单平衡混频器的隔离度有限，而双平衡混频器在端口之间具有更好的隔离度并且线性度更高。大多数人都熟悉基本的肖特基二极管双平衡混频器。该混频器是性能最高的混频器之一，仅需要在输入端采用四桥配置的几个匹配良好的低损耗巴伦和二极管。输出信号在输入信号端口（非LO）处分离，以实现更好的隔离。肖特基二极管的低导通电阻(Ron) 和高频性能使该混频器成为理想选择，但一个缺点是它需要较大的LO 功率。

我们提供各种有源混频器选项，包括双极结型晶体管(BJT)、FET 混频器和吉尔伯特单元拓扑，可创建真正的乘法器并改善隔离度和均匀谐波。吉尔伯特单元拓扑是最流行的有源混频器设计。这些混频器可以提供非常高的性能，但需要滤波器和多个IF 级来消除所需输出中的镜像。镜像始终与所需IF 信号相差2IF。随着可调谐系统变得更加复杂，滤波器必须跟踪本振以保持性能。此类系统可能需要多级和滤波才能完全去除高阶中频图像。 IRM 允许您无需滤波或多个IF 级即可实现相位消除镜像抑制。该设计从正交IF 混频器开始。该混频器结合了两个双平衡混频器、一个90 度分配器和一个0 度分配器。要实现IRM 功能，只需在IF 端口后面添加一个90 混合电路即可将图像信号与实际信号分离，从而允许终止图像输出或用于进一步处理（图4）。

图4：镜像抑制混频器在接收器中最常见。通过相移去除和频或差频产物，无需滤波即可产生单个输出。 LO 产生相移90 的同相和正交信号，并与输入RF 信号混合。然后，混频器输出彼此相移90，以去除一些产物。根据上面的讨论，该设计中的两个混频器可能不匹配，因此在所需的IF 输出端口处将存在下变频图像。镜像抑制是指同一端口输出处所需中频与镜像的比率。适当的抑制匹配是提高IRM性能的重要设计参数。

图5：发射信号链使用单边带频率转换器或调制器。此过程类似于接收信号链中的镜像抑制混频器（图4）。基带(BB) 信号应用于同相(I) 和90 相移(Q) 混频器，并与LO 信号混合，LO 信号被分成90 相移分量。添加的混频器输出、单个产品或边带都是射频输出。至于上变频，有SSB 混频器或I/Q 调制器。在SSB IRM中，镜像的有效输出成为该拓扑的输入，RFIn成为RFOut。图5 在发送路径中使用BB（基带）输入频率或IF 信号简化了此配置。以下方程显示了该SSB 或I/Q 调制器如何抑制或减少图像。 BB I=Asin (mt) BB Q=Acos (mt) LO 当通过分相器电路施加CW 输入时： LO 同相=sin (ct) LO 正交=cos (ct) 因此，根据三角恒等式，以下集成到功率组合器的RFOut 中。从这里我们可以看到上边带(c + m) 设备(USB) 被移除，仅保留最低有效位(LSB)。输出应如下所示： RFOut=RFIn-phase + RFQuad-phase=Acos ((c m)t) 结论显然，这是电路中没有不平衡的理想SSM。然而，在现实世界中，BJT、FET 和二极管永远无法达到理想的平衡。增益和相位不匹配始终存在，这会限制隔离度，从而导致RFOut 端口处出现LO 泄漏。基带或IF 信号未达到理想平衡，LO 输入也未达到理想平衡。选择I/Q 调制器时最有影响力的两个指标是边带抑制和载波泄漏。直流偏移或载波抑制是不需要的输出LO 分量，它是由隔离LO-RF 端口与BB 或IF 信号之间的DC 不平衡引起的。边带抑制以dBc 为单位测量，是混频器增益和相位平衡不匹配的结果。