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设计直接转换I/Q解调器接收器时对IP2和IP3的考虑

助工
2008-07-17 17:21:28    评分

与传统超外差式接收器架构相比,直接转换接收器架构有许多优点。因为直接转换接收器不容易受镜频信号干扰,所以它降低了对RF前端带通滤波的要求。RF带通滤波器仅需要衰减较强的带外信号,以防止它们使前端过载。另外,直接转换接收器无须IF放大器和带通滤波器。RF输入信号直接转换成基带信号,在这种情况下,放大和滤波都容易了许多。这种接收器的总体复杂性降低了,器件数目也减少了。


接收器的2阶非线性特性还可能引起有害的基带信号。任何频率分量进入接收器都会在基带电路中引起直流偏移。直流偏移一旦产生,想用简单直接的方法消除就非常难。这是因为后降频转换电路的频率响应必须延至直流。


与超外差式接收器不同,不论输入信号频率是多少,直接转换接收器都容易受到2阶非线性特性的影响。因此,最大限度减小2阶线性度的影响对设计直接转换接收器是至关重要的。


在本文的稍后部分,我们会考虑3阶失真对直接转换接收器的影响。就3阶失真而言,必须有适当频率相隔的两个信号进入接收器,才能会在基带频率中出现不想要的分量。

2阶失真(IP2)


直接转换接收器系统的2阶截取点(IP2)是一个关键性能参数。它是2阶非线性的量度,可量化接收器受单音或双音干扰信号影响的程度。我们来看一下这种非线性怎样影响灵敏度。


可以用泰勒级数y(t)=x(t)+a2x2(t)+a3x3(t)+…,作为任何非线性组件转移函数的数学模型。其中,x(t)是输入信号。这里只考虑2阶失真项。进入非线性组件的所有信号都会产生一个以零频率为中心的信号,甚至目标信号也会在基带中引起失真分量。为了说明这一点,我们用x(t)=A(t)cosωt代表输入信号,它可以是单音或调制信号。如果是单音,那么A(t)只是一个常数,如果是调制信号,那么A(t)代表该信号的包络。


根据定义,目标信号的功率是1/Zo×E{(A(t)cosωt)2}。其中,E{β}是预期的β值。既然A(t)和cosωt在统计上是独立的,那么我们可以将E{(A(t)cosωt)2}展开为E{A2(t)}×E{cos2ωt}。目标信号的功率简化为:


Ps=1/(2Zo)× E{A2(t)}     (1)


就单音情况而言,可以用A代替A(t)。信号功率如所预期的那样,等于A2/(2Zo)。


在一般的情况下,目标信号是以数字方式由伪随机数据源调制的。我们可以将其表示为具有高斯(Gaussian)概率分布的带限白噪声。信号包络A(t)现在是一个高斯随机变量。包络平方的预期值可用目标信号的功率来表示。


E{A2(t)}=2ZoPs           (2)


现在将x(t)代入泰勒级数展开式以求出y(t),即非线性组件的输出。


y(t)=A(t)cosωt+1/2a2A2(t)+1/2a2A2(t)cos2ωt+…          (3)


2阶失真项1/2a2A2(t)以直流信号为中心,而其他2阶项则出现在目标信号的2次谐波附近。因为基带电路会抑制高频分量,所以这里只有靠近直流的项才需要重视。就信号为单音的情况而言,2阶项的结果是一个直流偏移,为a2PsZ。如果想要的信号是调制信号,那么2阶项的结果是一个基带调制信号。这个表达式可以展开为:


Pbb=a22/(4Zo)E{A4(t)}       (4)


为了以目标信号的功率来表达这个结果,我们必须找到E{A4(t)}与E{A2(t)}之间的关系。对于一个高斯随机变量,以下关系成立。


E{A4(t)}=3[E{A2(t)}]2      (5)


因此,失真功率可以表达为3a22/(4Zo)[E{A2(t)}]2。现在以目标信号的功率来表达预期值。


Pbb=3a22ZoPs2             (6)


正是给定单音到直流以及调制信号到基带信号的转换,使得2阶性能成为影响直接转换接收器性能的关键。与其他非线性机制不同,信号频率不决定失真分量落在哪里,任意两个信号进入非线性组件都会引起拍音/拍频项。令   x(t)=A(t)cosωt+B(t)cosωut。其中,第一项是目标信号,第二项是杂散信号。

y(t)=A(t)cosωt+…+a2A(t)B(t)cos(ω-ωu)t+…             (7)

我们感兴趣的2阶失真项是a2A(t)B(t)cos(ω-ωu)t。这一项表示以两个输入信号的差频为中心的失真分量。就两个无关单音信号进入组件的情况而言,结果中将含有一个在差频处的单音。

图1  典型的WCDMA基站接收器方框图

图2  2阶失真的影响


我们可以将这些原则应用到一个直接转换接收器实例中。图1是一个典型的WCDMA基站接收器方框图。


这个接收器的RF部分包括一个双工器、一个带通滤波器和至少一个低噪声放大器(LNA)。频率选择组件用来衰减带外信号和噪声,低噪声放大器决定了接收器的噪声指数,I/Q解调器将接收信号转换为基带信号。低通滤波器和基带放大器在信号传递到A/D转换器之前限制其带宽并提高信号电平。双工器和RF带通滤波器只用作带通滤波器,它们不具有任何载波选择性。


低噪声放大器的2阶线性度就没有解调器的2阶线性那么重要。这是因为由单个信号引起的任何低噪声放大器失真都以直流信号为中心,都会被解调器抑制掉。如果接收频带内有两个无关信号(如1960MHz),那么低噪声放大器将在差频处产生一个2阶分量。这个信号将被解调,并作为基带干扰出现在A/D转换器处。不过,我们不需要处理这种情况,因为来自前端双工器的带外信号不够强,不足以产生有重要影响的失真分量。


首先考虑未调制单音进入接收器的情况(见图 2)。


这个单音将在解调器输出端引起一个直流偏移。如果解调器之后的基带级联是 直流耦合的,那么这个偏移将加到A/D转换器上,并缩小其动态范围。WCDMA规范(3GPP TS 25104.740)引起一个-15dBm的带外单音,位于距接收频带任一边缘20MHz或更高频率处。


单一WCDMA载波还可能成为干扰信号。在有的情况下,这种载波至少偏离想要的载波10MHz,但仍然在接收频带内。功率值是-40dBm,对一个BER为0.1%的12.2kb/s信号而言,接收器必须满足-115dBm的灵敏度要求。


出现在LT5575输出端的基带分量是一种类似噪声的信号,由干扰性WCDMA载波产生。如果这个信号足够大,那么可能增大接收器和A/D转换器的热噪声,从而降低灵敏度。


在这种情况下,基带2阶分量比接收器输入端的热噪声低17.5dB。所引起的灵敏度降低<0.1dB,因此接收器非常容易满足-115dBm的性能规格。图3说明了这一点。

 

图3 WCDMA载波引起的2阶失真


单WCDMA载波还可能出现在带外。这些载波可能与接收频带直接相邻,其值高达-40dBm。如前面分析所示,这类载波的2阶分量对灵敏度的影响可以再次忽略。


对灵敏度的另一个威胁来自FDD系统中的发送器泄漏,如图4所示。

 

图4 发送器泄漏的影响


在FDD系统中,发送器和接收器同时工作。就WCDMA Band I情况而言,发送频带比接收频带高130MHz。通常采用单个天线,发送器和接收器由双工器连接。


就广域基站情况而言,发送功率可能高达+46dBm。那么在双工器的发送端口,功率将至少为+47dBm。这种高功率调制信号将泄漏到接收器输入中,其中的一部分将驱动I/Q解调器。

3阶失真(IP3)


当两个频率有一定间隔的通道或信号进入非线性组件时,3阶截取点(IP3)会对基带信号有影响。


回到转移函数y(t)=x(t)+a2x2(t)+a3x3(t)+…,现在考虑3阶失真项。系数a3等于2/(3ZoIP3)。其中,IP3是单音截取点(单位为W)。注意,双音IP3比单音IP3低4.78dB。


如果两个信号的频率间隔等于到零频率的距离,那么这两个信号进入非线性组件后,将产生一个以零频率为中心的信号。设x(t)=A(t)cosωt+B(t)cosωut,第一项是目标信号,第二项是无关信号。如果是单音,那么B(t)只是一个常数。如果是调制信号,那么B(t)代表信号包络。输出信号等于y(t):


y(t)=A(t)cosωt+…+a3(A(t)cosωt+B(t)cosωut)3+…更高阶项


=A(t)cosωt+…+3/4a3A(t)B2(t)cos(2ωu-ω)t+…            (8)


这里我们感兴趣的3阶失真项是3/4a3A(t)B2(t)cos(2ωu-ω)t。为了让这项失真出现在基带,设ω=2ωu。失真项的功率是1/Zo×E{(3/4a3A(t)B2(t))2},这个表达式可以展开为:


Pbb=9a32/(16Zo)×E{A2(t)}×      E{B4(t)}                      (9)


考虑一个想要的调制信号和一个单音干扰信号的情况,B(t)可以用B代替(见图5)。

                                

 图5 3阶失真的影响


在直接转换接收器例子中,WCDMA规范的7.6.1节对两个干扰信号做了如下要求,如图6所示。

 

                                         

图6 WCDMA载波+单音干扰信号引起的3阶失真


其中之一是-48dBm的CW单音,另一个是-48dBm的WCDMA载波。这些干扰引起频率偏移,结果所产生的3阶分量以直流信号为中心。在这种情况下,等效干扰比接收器输入端的热噪声低54.6dB。所引起的灵敏度降低<0.1dB,因此接收器非常容易满足-121dBm的性能规格。

结语


这些计算突出显示了2阶和3阶线性度对成功设计直接转换接收器的重要性。就WCDMA应用而言,有两个理由证明2阶性能至关重要。首先,有高达  -15dBm的CW单音干扰信号进入接收器。为了最大限度减小动态直流偏移,I/Q解调器在接收器输入端必须呈现约+40dBm的2阶截取点。另外,还有高达-40dBm的调制干扰信号,如果2阶截取点不够高,那么有可能降低接收器的有效噪声层,与接收器同时工作的发送器泄漏可能有同样的影响。


3阶线性度重要性低一些,因为干扰信号频率必须处于合适位置,才能对灵敏度造成威胁。存在一对-48dBm干扰信号时,WCDMA规范未规定最小的灵敏度降低值。在这种情况下,如果接收器的3阶截取点低于0dBm,那么这些信号将导致相当可观的灵敏度损失。




关键词: 设计     直接     转换     解调器     接收器     考虑     信号     干扰    

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