理解無(wú)線數(shù)據(jù)資料規(guī)范

這篇學(xué)習(xí)材料介紹并定義了在混頻器、放大器和振蕩器的數(shù)據(jù)資料中用到的RF術(shù)語(yǔ)。文中介紹的術(shù)語(yǔ)包括增益、變頻增益、相位噪聲、三階截點(diǎn)、P1dB、插入損耗、輸出功率、VCO頻率牽引、頻率漂移、建立時(shí)間、調(diào)諧增益和調(diào)諧范圍，文中還給出了圖形和圖片以闡明關(guān)鍵的概念。

這篇學(xué)習(xí)材料解釋了一些在無(wú)線IC數(shù)據(jù)資料中出現(xiàn)的通用規(guī)范。這些規(guī)范都是與放大器、混頻器和振蕩器有關(guān)的。放大器和混頻器的規(guī)范是基本相同的，只有很少的例外。壓控振蕩器(VCO)有一套單獨(dú)的規(guī)范。

圖1. 放大器、混頻器和VCO組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線接收機(jī)

放大器和混頻器的通用規(guī)范

增益是無(wú)線組成部件(例如放大器或混頻器)中電壓或功率的增加。在數(shù)據(jù)資料中增益的規(guī)范幾乎都是以dB為單位給出的。這三個(gè)術(shù)語(yǔ)：增益、電壓增益和功率增益通常是可以互換的。因?yàn)楫?dāng)輸入和輸出阻抗相同時(shí)以dB為單位的電壓增益和功率增益的數(shù)值是相同的。例如，20dB增益等于10V/V的電壓增益，10V/V的電壓增益又等于100W/W的功率增益，這也是20dB。電壓增益和功率增益以線性尺度衡量是不同的，但是以dB為單位是相同的，因此這些術(shù)語(yǔ)可以互換而不會(huì)造成混亂。

變頻增益是混頻器或頻率變換器件的規(guī)范。它被稱作變頻增益是因?yàn)檩斎牒洼敵龅念l率是不同的。輸入信號(hào)被混頻變換到更低或更高的頻率。

插入損耗或衰減也是一個(gè)增益的規(guī)范，只是輸出值比輸入值有所降低。也就是說(shuō)，輸出信號(hào)的幅度小于輸入信號(hào)。

輸出功率是可得到的驅(qū)動(dòng)一個(gè)一般為50Ω的負(fù)載的RF功率總量。通常以dBm表示。dBm是以dB表示的毫瓦的數(shù)量。例如，250mW等于10 × log10(250) = +24dBm。

這里有幾個(gè)以dBm表示功率的例子，假設(shè)阻抗為50Ω：

+30dBm = 1W = 7.1VRMS
0dBm = 1mW = 0.225VRMS
-100dBm = 0.1pW = 2.25μVRMS

1dB壓縮點(diǎn)(P1dB)是輸出功率的性能參數(shù)。壓縮點(diǎn)越高意味著輸出功率越高。P1dB是指與在很低的功率時(shí)相比增益減少1dB時(shí)的輸入(或輸出)功率點(diǎn)。參見(jiàn)圖2，增益隨輸入功率變化的曲線。注意當(dāng)輸入功率升高時(shí)增益是如何下降的。這是因?yàn)樵谄渥畲筝敵龉β蕰r(shí)器件達(dá)到飽和，于是功率不能繼續(xù)上升。1dB壓縮點(diǎn)可以在輸入或輸出定義。例如，如果輸出P1dB規(guī)范是+20dBm，則這個(gè)元件的輸出功率約為+20dBm。減小輸出功率使之低于P1dB將減小失真。

圖2. 元件(放大器或混頻器)增益隨輸入功率變化的曲線。由于輸出達(dá)到飽和，增益在輸出功率較高時(shí)將會(huì)下降。

三階截取點(diǎn)(IP3)是表示線性度或失真性能的參數(shù)。IP3越高表示線性度越好和更少的失真。IP3通常用兩個(gè)輸入音頻測(cè)試。圖3所示為雙音頻IP3測(cè)試在頻域的情況。放大器的輸入是兩個(gè)正弦波(基波)，本例中一個(gè)在900MHz，另一個(gè)在901MHz。放大器的輸出是兩個(gè)欲得到的有用信號(hào)。因?yàn)榉糯笃鞑皇抢硐刖€性的，它還產(chǎn)生了兩個(gè)三階互調(diào)(IM3)產(chǎn)物。IM3通常以dBm給出。這里顯示的IM3失真產(chǎn)物在頻率上距離有用信號(hào)非常近，因此不能用濾波器輕易地去除它們。為了減少三階失真產(chǎn)物，必須提高IP3規(guī)范。

三階互調(diào)產(chǎn)物是由放大器或混頻器的非線性特性造成的對(duì)兩個(gè)音頻輸入相互混頻(或調(diào)制)的結(jié)果。這兩個(gè)IM3產(chǎn)物是：

圖3. 雙音頻IP3測(cè)試(左)。兩個(gè)輸入音頻(右)。輸出包含兩個(gè)被放大的音頻、IM3產(chǎn)物和諧波失真。

從數(shù)學(xué)的角度看，IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點(diǎn)的理論輸入功率(見(jiàn)圖4)。A線是基波(有用的)信號(hào)輸出功率隨輸入功率變化的曲線，B線是三階失真輸出功率隨輸入功率變化的曲線。B線的斜率是A線斜率的3倍(以dB為單位)，理論上會(huì)與A相交。這個(gè)交點(diǎn)就是三階截取點(diǎn)。在這一點(diǎn)時(shí)假設(shè)的輸入功率就是輸入IP3，輸出功率就是輸出IP3。

圖4. IP3的定義。A線和B線的交點(diǎn)就是假設(shè)的IP3。

諧波失真是另一個(gè)表示失真的規(guī)范。它定義了在基頻的整數(shù)倍頻率產(chǎn)生的失真產(chǎn)物(圖3)。例如，二次諧波失真-60dBc的意思是在二倍基波頻率的失真輸出幅度比基波低60dB。dBc是低于基波的dB數(shù)(dBc的傳統(tǒng)意義是低于載波的dB數(shù))。諧波失真規(guī)范在如有線電視這類寬帶應(yīng)用中是十分重要的，但是在手機(jī)這類窄帶應(yīng)用中的重要性并不大，因?yàn)槭д娈a(chǎn)物之間的頻率差別比較大從而可以被容易地濾除。

噪聲因數(shù)是由放大器和混頻器產(chǎn)生的噪聲的性能參數(shù)。它將元件產(chǎn)生的噪聲與室溫下50Ω電阻的熱噪聲相比較。例如，噪聲因數(shù)為2意味著放大器產(chǎn)生的噪聲和50Ω的電阻產(chǎn)生的噪聲相同。從數(shù)學(xué)角度看，

其中PA是放大器或混頻器產(chǎn)生的噪聲功率，P50Ω是50Ω電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率。

噪聲系數(shù)經(jīng)常在無(wú)線數(shù)據(jù)資料中給出。它是以dB表示的噪聲因數(shù)。也就是說(shuō)，噪聲系數(shù)等于10 × log10(噪聲因數(shù))。典型的低噪聲放大器(LNA)具有1dB的噪聲系數(shù)，這意味著由放大器產(chǎn)生的噪聲約為50Ω電阻產(chǎn)生噪聲的26%。

在典型的接收機(jī)中，接收到的信號(hào)在-100dBm (2μV)的數(shù)量級(jí)，而在1MHz帶寬內(nèi)50Ω電阻產(chǎn)生的熱噪聲約為-114dBm?？梢钥闯鲂旁氡?SNR)非常低。放大器中的噪聲會(huì)進(jìn)一步降低SNR。因此，RF接收機(jī)前端的噪聲系數(shù)必須維持最小。

回波損耗是表示信號(hào)反射性能的參數(shù)?；夭〒p耗說(shuō)明入射功率的一部分被反射回到信號(hào)源。例如，如果注入1mW (0dBm)功率給放大器其中10%被反射(反彈)回來(lái)，回波損耗就是10dB。從數(shù)學(xué)角度看，回波損耗為-10 × log [(反射功率)/(入射功率)]?；夭〒p耗通常在輸入和輸出都進(jìn)行規(guī)定。

通常要求反射功率盡可能小，這樣就有更多的功率傳送到負(fù)載。典型情況下設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是至少10dB的回波損耗。有時(shí)為了獲得更好的噪聲系數(shù)、IP3或者系統(tǒng)的增益就不能滿足這個(gè)“憑經(jīng)驗(yàn)得出的”10dB回波損耗的要求。

振蕩器(VCO)規(guī)范

相位噪聲是表示振蕩器頻譜純度的性能參數(shù)。理想情況下，振蕩器的輸出是單一頻率的，可以用一根單獨(dú)的直線表示。實(shí)際中，振蕩器存在噪聲從而使輸出頻譜并非是單獨(dú)的直線，而是帶有“裙?fàn)睢钡膰@在載波(基波)頻率周圍的噪聲頻譜。這些噪聲稱為相位噪聲。相位噪聲通常定義為在距離載波頻率偏移某一頻率處的1Hz帶寬內(nèi)噪聲功率與載波功率之比。例如，在100kHz偏移處-100dBc/Hz的相位噪聲規(guī)范意味著在距離載波100kHz的地方1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率比載波功率低100dB (圖5)。

圖5. 振蕩器的輸出頻譜。裙?fàn)铑l譜是振蕩器的相位噪聲引起的。

由于會(huì)產(chǎn)生互相混頻現(xiàn)象，低相位噪聲對(duì)無(wú)線接收機(jī)是重要的。如圖6所示，具有噪聲的本地振蕩器(LO)對(duì)接收的有用信號(hào)進(jìn)行混頻并轉(zhuǎn)換為IF。如果存在一個(gè)干擾信號(hào)(來(lái)自另一個(gè)發(fā)射機(jī))，它也同LO進(jìn)行混頻并被下變頻到IF頻率范圍內(nèi)。因?yàn)楦蓴_比有用信號(hào)強(qiáng)的多，相位噪聲的“尾部”將涌進(jìn)IF信道內(nèi)。這一噪聲降低了信噪比并惡化了接收機(jī)的性能。低相位噪聲LO對(duì)這種具有強(qiáng)干擾的接收機(jī)是重要的。

圖6. 有用信號(hào)和干擾信號(hào)都被下變頻至IF。由于振蕩器的相位噪聲，被下變頻的干擾的尾部噪聲覆蓋在有用信號(hào)信道上并且不能容易地濾除。

調(diào)諧范圍是VCO覆蓋的頻率范圍。例如，VCO的額定頻率為900MHz，但是它可以通過(guò)改變其調(diào)諧輸入電壓而調(diào)諧到從850MHz到950MHz的范圍內(nèi)。此時(shí)的調(diào)諧范圍是100MHz。通常需要寬的調(diào)諧范圍以覆蓋在規(guī)定的供電電壓和溫度范圍內(nèi)的工作頻率范圍。

調(diào)諧增益或VCO增益是當(dāng)調(diào)諧輸入電壓改變時(shí)VCO敏感程度的度量。例如，調(diào)諧增益為50MHz/V的意思是當(dāng)調(diào)諧電壓改變1V時(shí)將有50MHz的頻率變化。通常需要低的調(diào)諧增益，因?yàn)榇藭r(shí)被松耦合到振蕩器槽路的變?nèi)?a target="_blank">二極管將使振蕩器具有更低的相位噪聲。

頻率牽引是VCO在負(fù)載條件變化時(shí)產(chǎn)生的頻率變化，器件的頻率牽引指標(biāo)決定了系統(tǒng)是否需要增加額外的VCO緩沖器。

頻率推移是電源電壓變化時(shí)造成的VCO頻率的變化。電源電壓的變化會(huì)影響VCO有源器件結(jié)電壓的變化，從而影響諧振槽路使振蕩頻率發(fā)生變化。頻率推移指標(biāo)決定了對(duì)電源電壓的穩(wěn)定度要求和電源的濾波要求。

頻率漂移是VCO輸出頻率的總體偏差，漂移包括上述所有造成頻偏的來(lái)源，以及溫度和器件本身的老化。

建立時(shí)間是VCO輸出達(dá)到其最終頻率所需要的時(shí)間，建立時(shí)間測(cè)量的是從調(diào)諧電壓變化到輸出達(dá)到指定的最終頻率的百分比所需要的時(shí)間(圖7)。較小的建立時(shí)間可以減少頻率變化時(shí)的等待時(shí)間，適合需要快速切換通道的應(yīng)用以及跳頻設(shè)備。

圖7. 建立到一個(gè)更高頻率時(shí)的VCO輸出

審核編輯：郭婷