（电子科学与技术专业论文）dvbs调谐芯片中混频器的设计与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e mo fd i g i t a lb r o a d c a s tt e l e v i s i o n , t h ec h i pd e s i g nf o rt h ed i g i t a lb r o a d c a s t t e l e v i s i o nh a sb e e nm o r ea n dm o r ec o n c e m e d m i x e rl o c a t e sj u s ta f t e rt h er fa m p l i f i e r i tw o r k sw i t h i nt h e r a d i of r e q u e n c yr a n g e t h er e a l i z a t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h et u n e ri sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ed e s i g no ft h e m i x e rm o d u l e ad o w n - c o n v e r s i o nm i x e rf o r t h e a p p l i c a t i o no fd v b - st u n e ri ns i g eb i c m o st e c h n o l o g yi s d e s i g n e di n t h i sp a p e r t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h es u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r 、l o w - i f r e c e i v e ra n dz e r o i fr e c e i v e ra r ed i s c u s s e df i r s t l y i nt h i sp a r t , g r e a ta t t e n t i o ni sp a i do nt h ez e r o i fr e c e i v e l 1 1 h eo r i g i n so ft h ed c - o f f s e tt o g e t h e rw i t ht h ee f f e c t so nt h ez e r o i fr e c e i v e ra r ea n a l y z e d , a n dt h e n s u m m a r i z e dt h et y p i c a l t e c h n i q u e s t h a tw e r ee v e ri m p l e m e n t e dt oe l i m i n a t e t h ed c o f f s e t a f t e r c o m p a r i s o na n da n a l y z et h ed e m a n do ft h ed v b st u n e r , z e r o - i fa r c h i t e c t u r ei sa d o p t e d t h i sp a p e r f o c u s e so nt h ed e s i g no ft h ed o w n c o n v e r s i o nm i x e rs u i t a b l ef o rt h ea r c h i t e c t u r e b e c a u s eo ft h e1 0 w1 f n o i s ea n dh i 【曲t r a n s i t i o nf r e q u e n c yo ft h eb i p o l a rd e v i c e s ，t h ed e s i g no ft h em i x e rt a k e st h eb i p o l a rg i l b e r t c e l l i no r d e rt oi m p r o v et h el i n e a r i t yt h et e c h n i q u eo fe m i t t e rd e g e n e r a t i o ni sa d o p t e d ，a n dd e s i g nas i m p l e l o wp a s sf i l t e rf o r t h em i x e rl o a ds t a g et oi m p r o v et h ei s o l a t i o na n dr e d u c et h en o i s e ad c - o f f s e t c a n c e l l a t i o nm o d u l ei sa l s od e s i g n e di nt h i sp a p e r i tm a k e su s eo faf e e d b a c kc i r c u i tt oc o m p e n s a t et h e m i x e ro u t p u t b ye l a b o r a t e l ys e l e c tt h ep a r a m e t e r s ，t h i sd c o c ( d c - o f f s e tc a n c e l l a t i o n ) c i r c u i tw o r k s 罄a h i g hp a s sf i l t e r b o t ht h es c h e m a t i ca n dl a y o u td e s i g na d o p tj a z z0 3 5 p r os i g eb i c m o ss b c 3 5d e s i g np a r a m e t e r t h es i m u l m i o nr e s u l t ss h o wg o o dp e r f o r m a n c ew i t h3 4 d bc o n v e r s i o ng a i n ，15 d bd s bn f , 7 4 d b mc p l a n d1 7 5 d b mi i p 3 t h em i x e rc o l l s u m e s2 1 m ac u r r e n ti ns i n g l e5 vs u p p l y k e y w o r d s ：g i l b e r tc e l l ，z e r o i f , d c - o f f s e t , c o n v e r s i o ng a i n ，l i n e a r i t y , s i g eb i c m o s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 e l 期：2 , 4 ￥乙 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 电视是一个技术媒体，是人类通信技术与信息技术迅猛发展的产物。随着信息时代的到来和数 字技术的飞速发展，电视进入数字时代已是势所必然。 数字电视是采用数字信号广播图像和声音的电视系统，它在电视信号的获取、产生、处理、传 输、接收和存储的各个环节中都采用数字信号。数字图像压缩技术和数字通信技术的发展加速了数 字视频广播时代的到来，模拟电视将逐渐被数字电视所取代。数字电视与我国目前普遍采用的模拟电 视相比有着突出的优点：在一个8 m h z 带宽的频道内原来只能传送1 个普通的模拟电视节目。采用数 字电视技术后可传送高质量的多个节目，电视频道的利用率大大提高，电视节目传输的可靠性和节目 质量也都大为提高。目前，数字电视有3 大制式a t s c 、d v b 和i s d b t 。其中，数字视频广播 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 制式已经在欧洲、俄罗斯、印度、新加坡、韩国和澳大利亚等国广 泛采用，事实证明这是一种成熟的数字电视制式。根据传输功能的不同，d v b 包括：卫星广播系统 ( d v b s a t e l l i t e ) 、有线电视广播系统f d v b c a b l e ) 、地面电视广播系统( d v b t e r r e s t r i a l ) 以及卫星共用 天线系统( d v b c s ) 、多点视频传输系统( m v d s ) 等传输系统方式。 根据广电总局的战略计划，我国的广播电视数字化分三步进行：第一步是2 0 0 3 年有线数字电视全 面启动，2 0 0 4 年有线数字电视全面推开；第二步是在2 0 0 5 年底我国发射直播卫星后，开展卫星直播电 视业务，同时在我国地面数字电视标准确定后，开始试播地面数字电视；第三步是2 0 0 8 年利用北京奥 运会的有利时机推广地面数字电视，开展数字高清晰度电视业务，至u 2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播 出。 数字电视产业化发展使得数字视频卫星广播的接收装置d v b s 接收机( 图1 1 ) 具有广阔 的市场发展前景。 图1 - 1d v b - s 接收机框图 接收机将接收到的高频调制信号进行变频和解调，得到数字卫星电视传输码流，再进行解复用、 解码、控制和处理，最终在显示屏上显示。其中，高频头将射频信号转换成解调器可以接收的中频 或基带调制信号，是数字卫星电视接收系统的关键部分，关系到整个接收机性能的优劣。 接收机的结构选择方面，过去由于受当时硬件设备的制约和技术限制而不得不采用较复杂的结 构来解决传统问题的限制，多数无线接收机都采用传统的超外差式结构。同时由于通过适当的选择 中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度，超外差式结构被认为是最可靠的接收机拓扑结构。 但是它需要外接高q 值的中频滤波器，这种滤波器通常为声表面滤波器，无法集成在芯片内部，限 制了接收机芯片的进一步集成，不符合现代集成电路发展方向。相比较而言，零中频或直接变频接 东南大学硕士学位论文 收机得到了越来越多的重视。零中频接收机由于去掉了中频级，这种结构不存在镜像信号，从而免 除了镜像抑制滤波器的使用。同时它仅仅需要低通滤波器进行频选，而低通滤波器是易于集成的， 所以它比超外差结构能提供更大的集成度。这些优势使得零中频接收机( 如图1 - 2 ) 成为目前接收 机研究的热点。 m l x 霄 o 图1 2 零中频接收机结构框图 上世纪8 0 年代起，c m o s 工艺开始逐渐取代双极工艺成为硅集成电路的主要技术。这是因为 c m o s 集成电路以其低功耗、高集成度和设计简便等优点而拥有更为广阔的应用前景。然而在集成 电路中，c m o s 器件的主要特点是功耗低、器件尺寸小、集成度高，但是在速度和模拟性能方面， c m o s 器件与双极器件有很大的差距。双极电路虽然具有高速度、驱动能力强和模拟精度高的优点， 但是电路集成度低、功耗大l 。双极c m o s 兼容工艺技术( b i c m o s ) 的出现终于满足了电路同时在 集成度和功耗之间的要求，它允许电路设计者在同一块电路芯片上既使用双极型器件又使用c m o s 器件。随着市场对无线产品低成本、低功耗、高集成度的要求与传统高成本，大体积的分立器件制 作的射频电路之间的矛盾进一步加深，s i g eb i c m o s 技术浮出水面。s i g eb i c m o s 技术成本低， 因为它利用了成熟的s i 工艺进行改进，并且可以在现有的s i 工艺生产线上生产。另外，因为使用 了h b t ( 异质结) 晶体管，并且同时提供了相兼容的数字电路和高层次的s o c ( s y s t e m 0 1 1 c h i p ) 集成， s i g eb i c m o s 技术具有极佳的高频特性。 1 2 国内外研究现状 近年来随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统产品越来越普及，成为当今人类信息社会 发展的重要组成部分。射频接收机位于无线通信系统的最前端，其结构和性能直接影响着整个通信 系统。混频器处于接收机中射频信号幅度最高的位置，它在很大程度上决定整个系统的性能。在混 频器的诸多结构中，吉尔伯特单元以具有一定的增益、高隔离度、相对低的噪声以及适当的线性度 等优势，综合性能良好成为混频器电路设计者采用最多的电路结构。 本论文设计和实现的数字卫星电视调谐器采用d v b s 标准，设计动态范围达到7 9 d b 以上，对 混频器的线性度提出了较高的要求。同时由于是采用了零中频的架构，直流偏移的消除不可避免， 在论文中也将就此给出一个满足要求解决方案。 对混频器的分析和优化方法的研究大多基于经典吉尔伯特单元，文献【2 4 】给出了双极型经典吉 尔伯特单元的转换增益的详细分析，文献 5 】则对c m o s 吉尔伯特单元的线性度做出了详细分析，不 仅分析了跨导级对线性度的影响还进一步分析了开关级的影响。 在零中频接收机研究领域，直流偏移的消除是一直以来研究的重点和热点。目前的成果主要可 以分为两类：一类是在混频之后进入a d 之前消除直流偏移【剐；另一类是通过d s p 算法的实现来 消除直流偏移u 。 然而对于工程应用而言，上述文献的分析多为纯理论，站在一个相对较高的层面，涉及复杂建 2 第一章绪论 模及对寄生效应的综合考虑。本论文则主要在工程实际应用的角度，本着简化电路，提高性能的目 标对零中频架构中混频器以及直流偏移消除模块进行分析和设计。 1 3 课题的主要工作 本论文设计的混频器应用于数字卫星电视调谐器，最终的目标是满足数字卫星电视d v b s 标 准。借鉴部分调谐器产品的技术指标，并结合我们的工艺和系统要求，制定如下表1 1 的混频器性 能指标，主要关注混频器的线性度、增益、隔离度和直流偏移。 表1 1 混频器性能指标 缝镶缈餐棼戮牟，、1 、碧缈；l i 餮獭缪獭獬自 羧；筋缝巍施缴糍糍髫荔澎巍菇渤磊爱霪自巍癞荔施臻赫 ；兹苏铉澎巍凌i ： 混频器 鳜黪貔照糍瓣缓翰勘翁缓城妊崩赫翻麓糍磁缝籀缝毵藏磁渤缓籀疆缁兹私盛瑟荔垂馥馥磊缓缓趁& # 溉耥自崩。涮矗赫高兹施磊缓荔绥琵磊簇魏酝象翳囊躺 输入r f 信号 9 2 5 m h z 一2 1 7 5 m h z c o n v e r s i o ng a i n 3 d b i i p 3 1 3 d b m n o i s ef i g u r e 直流偏移小，不降低灵敏度指标。超外差接收机采用二次变频，第一本振频率与输入信号 载波频率不等，基带i 、q 直流偏移最小。 采用二次混频方案，可以解决灵敏度和信道选择性的矛盾。 超外差式接收机问题及解决方案： 需要用片外无源带通滤波器来滤除镜像信号，不利于系统集成，而且增加了成本和集成电 路的体积。 中频频率由镜像抑制和信道选择两者共同决定。频率范围为( 4 0 1 5 0 m h z ) 的低中频滤波 器，q 值较高，临信道选择性较好，但是这种滤波器的体积较大。频率范围为( 1 5 0 - 4 0 0 m h z ) 的高中频滤波器，体积较小，但临信道选择性较差。 当中频频率低时，存在半中频( + 瓦o ) 2 干扰( 如图2 - 2 所示) 。这需要1 本振混频器 的二阶截点低。 图2 2 半中频干扰现象 组合干扰频率点太多。 c = 聊胛1 以d 2 如果它们落在中频频带内就会对有用信号形成干扰。包括 最难滤除的镜像干扰( 如图2 3 所示) 。 5 东南大学硕士学位论文 一吒。吒。 一口】， m ，吒o na ? 爪n 一 一吒。一出圹 ， n八氽众t 爪n 一 一l r伊 图2 3 镜像干扰现象 总体来说，超外差式接收机离不开具有良好选频特性的滤波器。这样的滤波器只能在片外实现， 超外差式接收机无法集成，不适合单片接收机系统的应用。但因为超外差体系结构通过适当的选择 中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度【1 5 】，所以被认为是最可靠的接收机拓扑结构。 2 2 低中频接收机 为了降低对中频滤波器的要求，将中频选择在较低但是非零的频率上，这就是低中频接收机。 它与超外差式接收机相比，不需要高频的带通滤波器，集成度好，功耗更低；它与零中频接收机相 比，克服了直流失调等低频干扰。但是，将下变频后的频率从基带变成低中频，带来了镜像信号抑 制和双路信号匹配的问题。在零中频接收机中，镜像信号就是自身，因此对镜像抑制的要求比较低。 而在低中频接收机中，镜像信号可能比有用信号高很多，需要大镜像抑制和双路信号的精确匹配。 另外，低中频接收机中频的选择有一定的限制。一方面，中频要尽量高一些，以减小直流失调和1 f 噪声的干扰，另一方面，为了减小接收信号的动态范围，中频频率越低越好，所以两者之间存在权 衡( 一般采取适当的预滤波) 。 i x l 叶i i f m i g c , r i i p f 图2 4 低中频接收机框图 2 2 1 低中频接收机原理 如图2 4 所示，此结构的下变频原理和超外差接收机的第一次变频非常相似。 6 q 第二章射频接收机前端结构 天线处接收的射频信号设为：x ( ，) = a c o s 口t 混频器输出信号，同相信号为：，( f ) ；正交信号为：q ( f ) 。 变换过程如下： y ( t ) = x ( f ) c o s e o t = a c o s r o t + c o s ( d l t ( 2 5 ) y o ) = 罢【c o s ( c o + r 0 1 弦+ c o s ( 0 9 一国1 ) f 】 ( 2 6 ) 二 彳 砸) = ，c o s ( e 9 一国l y ( 2 7 ) z y o ) = a c o s r o t * s i n ( 9 l ，= 罢【s h l ( 国+ r o ly s i n ( r o 一国ly 】 ( 2 8 ) 二 彳 q ( t ) = 一詈s m ( 田一g o l y ( 2 9 ) 二 2 2 2 低中频接收机的优缺点 低中频接收机的优点有： 信道滤波在低中频完成，由于低中频接收机体积小，易实现，因此比较易于集成。受l f 噪声的影响较小。 大部分信号能量不出现在直流附近，受直流偏移的影响小。 低中频接收机存在的问题及解决方案： 存在严重的镜像干扰问题。u q 基带信号幅度和相位匹配要好才能获得高于3 5 d b 镜像抑制 指标。 一般需采用镜像抑制结构，如采用h a r t l e yi m a g e r e j e c t i o na r c h i t e c t u r e 或者w e a v e r 结构。 图2 5 给出了w e a v e r 结构接收机简单框图及其原理。 基带a d 转化器的采样频率要比零中频接收机高，才能达到较好的性能。 宙t ，i 图2 - 5w e a v e r 结构接收机 7 口，口脚t 东南大学硕士学位论文 合理选择中频可将镜像信号置于滤波器通带外。 为了获得必须的临信道抑制，需要两个复杂的多相滤波器用于混频后的带通滤波。 2 3 零中频接收机 零中频( 或叫直接转换) 接收机( 如图2 - 6 所示) ，它的起源可以追溯到2 0 世纪上半叶，但由 于受当时硬件设备的制约和技术限制而不得不采用其他较复杂的结构来解决传统问题。现在，硬件 设备和d s p 技术已有了很大的发展，通过精心设计可以使零中频接收机达到现代无线通讯的参数指 标，零中频接收机的优势才被充分体现出来。 m i 2 r l p f 图2 - 6 零中频接收机框图 o 2 3 1 零中频接收原理 零中频接收机将射频信号下变频，直接变换为基带信号。采用q p s k 调制解调方案，d v b - s 调 谐芯片接收信号可表示为： 础) = l ( t ) c o s t a + q ( t ) s i n 耐 同相信号解调： y ( r ) = 1 ( t ) c o s c o t + q ( t ) s i n c o t * c o s c o t = i ( t ) c o s c o t 木c o s t + q ( t ) s i n c o t c o s t = 丢m ) + j 1m ) s 2 耐+ 丢q ( f 小m 2 耐 经过低通滤波器滤波后，同相信号解调为：y l ( t ) = x ( t ) 幸c o s o t = i ( t ) 2 同样推导，可得正交信号解调为：y q ( t ) = 石( f ) 半s i n c o t = q ( t ) 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 3 2 零中频接收机的优点 零中频接收机的射频部分只包含了放大器和混频器，增益不高，易于满足线性动态范围的 要求。 由于没有中频，所以不存在镜像频率问题和半中频现象。 低噪声放大器前的带通滤波器要求不是很严格，它只需要具有抑制带外干扰和发送功率泄 漏的能力即可。 由于下变频后直接是基带信号，因此不必采用专用的中频滤波器来选择信道，只需低通滤 8 第二章射频接收机前端结构 波器来选择有用信道。没有中频滤波器，所有的信道选择都由基带低通滤波器和基带放大 器来完成。 由于没有抑制镜像滤波器，也就不必考虑放大器和它的匹配问题。 因为结构简单，器件数量少，所以成本，功耗低且易于集成。 2 3 3 零中频接收机的问题及解决方案 虽然零中频接收机有很多优点，但仍然存在某些因素限制了接收机的性能，并成为使它不能在 射频接收机系统中流行的原因。这些因素包括：直流偏移，闪烁噪声，偶次谐波失真干扰，i q 不 匹配和本振泄漏。 1 ) 直流偏移 直流偏移是零中频方案特有的一种干扰，它是由自混频引起的。如果由本振泄漏的本振信号又 从天线回到高频放大器，进入下变频器的射频口，它和本振端口进入的本振信号经混频，差拍为零 频率，即为直流。同样进入高频放大器的强干扰信号也会由于变频器的各口隔离性能不好而漏入本 振口，反过来它又和射频端口漏来的强干扰经混频，差拍为直流。此外还存在另外一些直流偏移干 扰的情形【1 6 , 1 7 】。这些直流偏移在超外差式接收机中是不可能干扰有用信号的，因为那时中频不等于 零。而在零中频方案中，将r f 信号转变为中频为零的基带信号，这些直流偏差就叠加在基带信号 上，而且这些直流偏差往往比射频前端的噪声还要大，一方面使信噪比变差，甚至大的直流偏差还 可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。 直流偏移的来源有： 本振泄漏 原因是在混频器的r f 端口和l o 端口隔离度不够高。因为本振功率很大，所以本振信号在隔 离度有限的情况下泄漏到混频的输入端，或者是因为辐射而经过天线接收进入低噪声放大器，这叫 本振泄漏( l ol e a k a g e ) 。泄漏到天线的本振信号被辐射出去，对同一无线系统中的其他用户形成干 扰。为了减小本振泄漏，输入接收机芯片的本振和射频信号用差分形式。 本振泄漏到混频器，自混频，如图2 7 所示： 、，一l o 图2 7 零中频本振 世漏自混频 泄漏到天线的本振沿接收链路到达混频器，形成自混频直流。 静态偏移 是由用于处理失配和漂流的模拟电路造成的，这些模拟电路随温度和电流增益缓慢变化，而产 生直流。 干扰自混频 部分干扰信号直接泄漏到混频器，和通过接收链路到达混频器的干扰信号混频，如图2 - 8 所示。 当低噪放或混频器输入端有强大的干扰信号时，它也会耦合到本振输出端v i 造成自我混频。 9 东南大学硕士学位论文 图2 8 零中频干扰自混频 这些直流信号将叠加到基带信号上，并对基带信号形成干扰，称之为直流偏移。直流偏移往往 比射频前端的噪声还大，大的直流偏移可能使混频器后面的各级放大器饱和，无法放大有用信号。 直流偏移的解决方案 直流偏移易使接收机基带输出部分饱和，因此在零中频接收机中必须消除直流偏移。 1 ) 在混频器后使用交流耦合或高通滤波器，隔离直流分量。这种方法常用在频分双工系统中， 为使信号畸变最小，高通中心应小于数据速率的o 1 。发射机基带信号编码尽量采用无直 流调制方案，如f s k 或宽带直接序列扩频信号。这样做存在的问题是。对于大部分调制信 号，中心频率附近频谱的能量较大，携带信息在基带进行交流耦合后，会损失低频分量， 导致误码。高通滤波的拐点频率越高，损失的信息越多；拐点频率越低，信号的群延时越 长。 2 )直流校准环路。这种方法常用在时分双工系统中。在时分双工系统中，直流偏移存在电容 器中，在空闲时间周期性消除接收信号中的直流偏移。d s p 技术已被用于消除时分双工的 直流偏移。 3 )接收电路隔离。通过隔离接收机电路板可以减少本振和天线问的寄生连接。 4 )精心设计混频器本振端口和射频线路间的反向隔离。 5 )另一种普遍使用的方法是构造反馈电路，消除直流失调。这一方法可以完全由模拟电路实 现，也可以在数字域完成。在模拟域完成直流失调消除的好处是降低了对a d 转换器动态 范围的要求，减轻了数字信号处理部分的难度。在数字域处理则是通过d s p 算法检测失调 信号的变化，然后将失调分量通过数模变换反馈到模拟前端和接收信号相减，消除影响。 但这两种方法都增加了电路的复杂度和功耗。 6 ) 通过对接收机结构进行改进，可以减小直流失调和1 f 噪声。使用两级下变频( 也称为非直 接变频) 代替直接下变频，先将射频信号下变频到一个较高的中频，再直接下变频到基带。 一方面，由于在第二次下变频时使用的本振信号频率低且固定，因而泄漏较小，直流失调 相对稳定，可以容易地去除。另一方面，混频器的1 f 噪声也随之降低。这种结构的问题 在于需要选择合适的中频频率，使最前端的带通滤波器可以提供足够的相对于第一本振的 镜像信号抑制。 7 ) 文献【1 9 】提出了多相混频器。其本振信号频率是射频载波频率的l n ，2 n 个普通混频器构 成一个多相混频器。它克服了直流失调问题和对锁相环设计的苛刻要求。文献1 2 u j 将c h o p p e r 技术应用于混频器，通过两次变频，将噪声和信号分离开来。 8 ) 文献 1 8 采用谐波混频( h a r m o n i cm i x i n g ) 谐波混频器的工作原理如图2 - 9 所示。本振信 号选为射频信号的一半，混频器使用本振信号的二次谐波与输入射频信号进行混频。由本 振泄漏引起的自混频将产生一个与本振信号同频率的交流信号，但不产生直流分量，从而 有效地抑制了直流偏差。缺点是由于使用谐波分量，电路的增益和噪声性能均有所下降。 1 0 第二章射频接收机前端结构 r i - s i g n a i 燃kb b s i 删 1 ， r i o 。ij - ， f 2 五d f 图2 - 9 谐波混频器工作原理 2 ) 闪烁噪声 闪烁噪声因为其功率谱密度函数与1 f 成正比，而且和器件尺寸成反比，所以频率越低，此噪 声越大，对接收信号的影响也越大。在零中频接收机中，信号被降到直流，因此闪烁噪声的影响不 容忽视。为了降低这种影响，可以提高l n a 或混频器的增益。同时选用有源混频器比无源混频器 要好，因为有源混频器的增益大，从而减小了噪声的影响1 2 l - 2 4 1 。 零中频接收机中，基带部分器件的l f 噪声足以破坏混频器输出的i 、q 信号，m o s 器件的破 坏程度更严重( 1 f 噪声的频率大约为2 0 0 k h z ) 。使用具有双极性晶体管的有源混频器和较大尺寸的 m o s 器件可以减小闪烁噪声的影响。用作消除直流偏移的基带高通滤波器，也可以降低基带的集成 1 f 噪声。基带集成总噪声为： ”以等+ ( 厶卅 其中，s 曲热噪声功率谱密度 厶高频中心频率 石，闪烁噪声中心频率 ( 2 1 2 ) 3 ) i q 失配 零中频接收方案还有诸如两支路的匹配问题，低通滤波器的设计问题等都是需要考虑的。当数 字通信采用零中频方案时，两条正交支路如果不一致，例如变频器的增益不同，两个本振信号不是 严格的相位差9 0 。都会引起基带i q 信号变化。 若接收信号为：x ( t ) = i ( t ) c o s c a t + o ( t ) s i n a t i , q 下变频信号幅度和相位失衡分别为：和秒，则解调后的基带i , q 输出可以写成： y = ，o ) 宰( 1 + e 2 ) 幸c o s ( 0 2 ) 一q ( f ) ( 1 + e 2 ) 木s i n ( 0 2 ) ( 2 1 3 ) y o = - i ( t ) 木( 1 一e 2 ) 幸s i n ( 0 ：) + 9 p ) ( 1 一e 2 ) 木c o s ( 0 2 ) ( 2 1 4 ) 增益误差占是没有单位的比例系数，而相位误差乡会造成已解调i ，q 波形串扰，降低信噪比。 q p s k 信号中，s 1 ) ，都可以被滤波器滤掉因为它们的频谱分布往往远远超出i f 接收频谱的范围； 谐波分量的相干输出分量p 彩肼g 缈，只有当p = q = 1 时候的二次相干谐波分量才是我们所需要 的频谱，其它的都是干扰，前面已经分析过三次谐波分量和二阶串扰现象对系统线性度的干扰，这 里的高次相干谐波分量的频谱分布有的会离所需要的i f 频谱很近，以致很难把这些干扰的频谱从需 要的波段中滤掉，而且n 越大这种相干波的干扰分量就越来越多。 混频器按照增益来分类可以分为两种：p a s s i v em i x e r 和a c t i v em i x e r 。p a s s i v em i x e r 也就是无源 混频器，一般具有较高的线性度，但不仅没有增益还有损耗，不利于抑制后级噪声，提高了后级设 计难度。a c t i v e 顾名思义是表示用有源器件来组成的混频器结构，它的特点是增益比较大，一般可 以达到1 0 d b 左右，采用a c t i v e 的混频器不仅可以降低对l n a 增益的要求而且可以降低后面一级电 路的n o i s ef i g u r e 的要求i j 4 。 2 0 第三章d v b s 调谐芯片中混频器的设计 l o a l r fl s i g n u 干 m l f s i g n a l 图3 8 无源混频器 如图3 8 所示是一个p a s s i v e 的混频器，p a s s i v e 混频器的最大缺点就是增益损耗很大，这样导 致电路的功耗很高。可以分析一下图中的混频器的增益情况，l o 控制m o s 管的开关，如果l o 信 号是一个方波信号而且占空比为5 0 ，那么l o 信号在m 频率上有一个幅度为s i n ( z 2 ) 万= 1 刀 的基本分量( f u n d a m e n t a l ) ，而i f 输出信号是用r f 信号与l o 信号相乘的结果，所以最后增益就为 基本分量的幅度值的1 7 。p a s s i v e 混频器的最大优点就是它的线性度好，因为m o s 管工作在线性 区，所以p a s s i v e 混频器的n o i s ef i g u r e 会非常的大，这在t u n e r 系统设计中是不允许的，因此本设 计中将选用a c t i v e 混频器。 图