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混频器

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Mixers

总体概述

混频器通过把两个信号（可能包括谐波）相乘，实现频率转换。

混频器有三个端口

LO为本振信号（本地振荡器）

控制开关的导通和断开。当开关导通时，;当开关断开时，。正如第2章所解释的，随着开关的快速切换，即使本身是正弦信号，这个过程也可以看成RF输人信号与在0和1之间翻转的方波的乘积。图6.2b所示为输入与输出信号的频谱。混频器将射频输入信号与LO信号及其谐波相乘，会产生第4章所说的“混频杂散”。换而言之，混频器的LO端口是极其非线性的。当然，为了满足信号压缩和调制的要求RF端口必须要保持足够的线性度。RF端口需要有足够的线性度来满足增益压缩和互调要求。

性能参数

噪声与线性度

接收通道中的噪声分析

在接收通道中，信号从天线进入后，首先会经过LNA放大，然后进入混频器进行频率转换（比如从射频转为中频或基带信号）。系统的噪声性能很重要，因为如果噪声过大，就会淹没原始信号，导致接收质量下降。

接收通道的总噪声可以理解为混频器本身的噪声被LNA的增益“稀释”了。

假设混频器产生了 10 μV的噪声，而LNA提供了 20 dB增益（即放大100倍）。那么相对于接收机输入端，混频器的噪声被“压缩”为 10 μV/100=0.1 μV。

LNA的增益需要足够高，以降低混频器噪声对输入端的影响。但过高的增益可能会引入其他问题，比如线性度降低或者动态范围受限。

IP（线性度）设计的考虑

IP的定义： IP（Intercept Point）是评估混频器线性度的重要指标。线性度反映了混频器在处理大信号时的能力，过低的线性度会导致信号失真或交调失真。

为什么LNA增益也影响IP？： 混频器的IP值在传递到接收机输入端时，会被LNA增益“缩放”。

举例：假设混频器的IP为 10 dBm10 \, \text{dBm}10dBm，LNA增益为 20 dB20 \, \text{dB}20dB，那么接收机输入端的等效IP就是 10−20=−10 dBm10 - 20 = -10 \, \text{dBm}10−20=−10dBm。
因此，如果希望提高系统的线性度，可以降低LNA增益，或者优化混频器的线性度。

设计折中的原则

为什么混频器和LNA要联合设计？

LNA和混频器紧密相关，单独优化一个模块可能会导致系统整体性能下降。

设计中，需要找到噪声性能与线性度之间的平衡。例如：

  • 提高LNA的增益可以降低噪声，但可能损失线性度。
  • 提高混频器的线性度可能会增大噪声系数（NF）。

常见的设计流程：

首先设定LNA的增益，通常为10~15dB。这是一个常见的取值范围，既能有效降低混频器噪声的影响，又不会显著降低系统线性度。

然后优化混频器的线性度，尽量不增加其噪声系数。

如果混频器设计无法满足要求，可以通过迭代设计来调整，比如：

  • 折中方法：牺牲混频器的噪声性能（略微增大NF），同时进一步提升LNA的增益以弥补噪声影响。

直接变频接收机的特殊要求

直接变频接收机的特性： 直接变频（zero-IF）接收机将射频信号直接下变频到基带信号，省去了中频级，因此对系统线性度要求更高。
LNA和混频器的IP值（线性度指标）需要尽可能大，以避免信号失真。

杂散信号的问题： 第4章提到，局部振荡器（LO）的谐波会产生混频杂散（spurious），在宽带接收机中会严重影响信号质量，因此设计中也需要注意LO的谐波抑制。

发射通道中混频器的要求

  • 噪声要求较低： 与接收机相比，发射通道中的上变频混频器对噪声的要求宽松很多，因为输出信号的强度通常较大。但如果上变频混频器的噪声落入接收机带宽内，仍需要进行优化。
  • 线性度的重要性： 发射机中，混频器的线性度更多由基带信号的调制类型和幅度决定。如果信号幅度过大或线性度不足，可能会导致发射信号失真或频谱泄漏。

为什么LO端口不更加线性一点，也就是说为什么要用突变的01方波呢？因为突变的LO信号能提高mixer的增益，降低噪声。因此我们选择方波信号，而从架构层面解决混频杂散现象。

增益

下变频混频器的增益问题：

混频器的增益应该足够高，以减小后续电路引入的噪声影响。

在低电压设计中，为了保证线性度，通常很难实现超过10dB的增益。这使得后续电路的噪声控制变得更加重要。

直接变频发射机的增益策略：

上变频混频器的增益和输出信号摆幅需要尽量大，以降低对功率放大器增益的要求。

对于两级发射机中的 IF 混频器（中频混频器），只需要提供适当的增益，以防止后级 RF 混频器进入压缩状态。

增益的定义

电压转换增益：指输出信号与输入 RF 信号方均根电压的比值。
举例：输入端加一个频率 的正弦信号，测量下变频后的输出信号 ​ 幅度，两者比值即为电压转换增益。

功率转换增益：传统指标，指输出信号功率与输入信号功率的比值。但由于现代 RF 设计中阻抗多为虚数，计算功率比较麻烦，所以更常用电压转换增益。

端到端馈通

什么是端口馈通？

混频器的端口馈通是指信号通过不希望的路径，从一个端口传输到另一个端口

混频器内部的寄生电容（如 MOSFET 的栅源电容 和栅漏电容 ）会在 LO（本地振荡器）、RF（射频输入）和 IF（中频输出）端口之间建立不期望的信号传输路径。

LO-RF馈通的影响

LO 信号通过寄生电容直接泄漏到 RF 端口，这种现象是不希望的。

LO 信号可能进一步泄漏到天线，从而对接收的 RF 信号造成干扰，还可能导致基带信号的失调。

LO-IF馈通的影响：

LO 信号通过寄生电容泄漏到 IF 端口，但影响不大，因为基带的低通滤波器可以滤除这些高频成分。

馈通的关键影响因素：

电路对称性：混频器设计越对称，LO-RF 馈通的影响越小。

LO 信号波形：LO 信号形状会影响馈通的严重程度，比如更理想的方波或正弦波信号可以减小不必要的干扰。

LO-RF 馈通会带来性能问题，需要重点优化。

LO-IF 馈通问题相对轻微，可以通过低通滤波器解决。

通过改进电路设计（如增加对称性）和控制 LO 信号波形，可以有效减少这些不期望的馈通现象。

噪声系数

下变频混频器的噪声特性

混频器的噪声特性在设计中经常引发混淆，尤其是如何理解它的 单边带（SSB）噪声因子 和 双边带（DSB）噪声因子。以下用简单语言解释这段内容。

混频器的基本噪声现象

  • 假设一个理想的混频器
    • 增益为 1。
    • 自身无噪声。
  • RF 端口的输入内容
    • 有用信号的频谱。
    • 热噪声。
    • 镜像频带中的信号和噪声（即与 LO 频率对称的频带）。

单边带（SSB）情况

  • 什么是 SSB？
    有用信号的频率位于 LO 频率的一侧（上或下），这通常见于 外差式接收机。
  • 下变频过程：
    • 混频器将 RF 端口的信号频带和镜像频带的噪声都转换到基带。
    • 因为两部分噪声都叠加在基带上，输出的信噪比（SNR）会减半。
  • 结果：
    对于理想混频器：
    • 输入 SNR 减半，表示噪声因子为 3dB。
    • 这是因为 SNR 减半会导致 。
    • 这个量被称为 SSB 噪声因子。

双边带（DSB）情况

  • 什么是 DSB？
    有用信号的频率位于 LO 频率的两侧，这在 直接变频接收机 中很常见。
  • 下变频过程：
    • 基带只接收到信号频带中的噪声（镜像频带的噪声不会影响基带信号）。
    • 因此，输入和输出的 SNR 是相同的。
  • 结果：
    对于理想混频器：
    • 噪声因子为 0dB。
    • 这个量被称为 DSB 噪声因子。

SSB 和 DSB 的关系

  • 如果 RF 端口的信号频带和镜像频带具有相同的增益：
    • SSB 噪声因子 = DSB 噪声因子 + 3dB。
    • SSB 噪声因子更大，因为 SSB 考虑了镜像频带的噪声影响，而 DSB 不考虑。

噪声因子的测试

  • 实际测试仪通常测量的是 DSB 噪声因子。
  • 测试仪通过简单地在 DSB 噪声因子上加 3dB 来得到 SSB 噪声因子。

总结：

在外差式接收机（Heterodyne RX）中：RF 端口的信号和镜像频带（image）中的噪声都会通过混频器搬移到 IF 频带。如果 镜像频带和信号频带中的噪声水平相同，那么这两部分噪声会叠加到 IF 上，导致 输出噪声变为两倍。信噪比的变化：输入端的 SNR 不变。输出端的 SNR 由于噪声增加而减半。

  • 根据噪声因子的定义输入输出，此时 这个噪声因子被称为 SSB NF，因为只考虑 LO 一侧（信号位于 LO 的一侧）。

在零中频接收机（Homodyne RX）中：信号的频率位于 LO 两侧。因此，只有信号频带的噪声会搬移到基带，镜像频带的噪声不影响信号。信噪比的变化：基带的信噪比和输入端的信噪比完全相同，没有额外噪声引入。根据噪声因子的定义，此时 。这个噪声因子被称为 DSB NF，因为信号分布在 LO 的两侧。

单平衡混频器与双平衡混频器

图6.2a是一个简单的混频器，图6.3b是它的具体实现

如图所示，单平衡混频器的两个本地振荡器（LO）相位相反，提供了两倍的转换增益，并且输出差分信号。如果两边电路对称，则LO至RF的串扰也会被消除。平衡LO波形

但受到本振至中频馈通的影响比原来更大，为了解决这一问题，将两个单平衡混频器连接在一起，这样他们的输出LO馈通相互取消。平衡本振波形和RF输入。也可以另一个RF输入接地，代价是更高的输入等效噪声？？？

对于DB mixer来说，渐变的LO信号会导致在overlap时间内差分管子同时开启，那么输入信号就被浪费掉了，没产生差分输出。在高频情况下，LO波形肯定会包含一些渐变的正弦波，因此选择相当大的振幅和压摆率来缩小overlap时间。但是对于单端mixer为什么要用方波还是没说清楚，可能是默认mixer都是差分形式吧，毕竟单端转换增益太低了。

不学了，学PA去了