簡介

復(fù)數(shù)混頻器、零中頻架構(gòu)和高級(jí)算法開發(fā)之間存在一種有趣的聯(lián) 系。本文旨在明確以上三者各自的基本概念，即工作原理以及它們 給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的價(jià)值，并闡述它們之間的相互依賴關(guān)系。

RF工程常被視為電子領(lǐng)域的黑魔法。它可能是數(shù)學(xué)和力學(xué)的某種 奇特組合，有時(shí)甚至僅僅是試錯(cuò)。它讓許多優(yōu)秀的工程師不得其解， 有些工程師僅了解結(jié)果而對(duì)細(xì)節(jié)毫無所知。現(xiàn)有的許多文獻(xiàn)往往 不建立基本概念，而是直接跳躍到理論和數(shù)學(xué)解釋。

復(fù)數(shù)RF混頻器揭秘

圖1是采用上變頻器（發(fā)射機(jī)）配置的復(fù)數(shù)混頻器原理圖。兩條并 行路徑各有獨(dú)立混頻器，一個(gè)公共本振向這些路徑饋送信號(hào)，本振 與其中一個(gè)混頻器的相位相差90°。兩個(gè)獨(dú)立輸出隨后在求和放大 器中求和，產(chǎn)生所需的RF輸出。

圖1. 復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)基本架構(gòu)

該配置有一些簡單但非常有用的應(yīng)用。假設(shè)僅在I輸入上饋送一個(gè) 信號(hào)音，而不驅(qū)動(dòng)Q輸入，如圖2所示。假定I輸入上的信號(hào)音頻率 為x MHz，則I路徑中的混頻器產(chǎn)生LO頻率±x的輸出。由于沒有信號(hào) 施加于Q輸入，此路徑中的混頻器產(chǎn)生的頻譜為空，I混頻器的輸出 直接成為RF輸出。

圖2. I路徑分析

或者，假設(shè)僅向Q輸入施加一個(gè)頻率為x的信號(hào)音。Q混頻器進(jìn)而產(chǎn) 生信號(hào)音為LO頻率±x的輸出。由于沒有信號(hào)施加于I輸入，其混頻 器輸出靜音，Q混頻器的輸出直接成為RF輸出。

圖3. Q路徑分析

乍看起來，圖2和圖3的輸出似乎完全相同。但實(shí)際上，二者有一個(gè) 關(guān)鍵差異，那就是相位。假設(shè)將相同信號(hào)音同時(shí)施加于I和Q輸入， 并且輸入通道之間存在90°相移，如圖4所示。

圖4. 同時(shí)施加I和Q信號(hào)的路徑分析

仔細(xì)審視混頻器輸出，我們觀察到：LO頻率加輸入頻率的信號(hào)是 同相的，但LO頻率減輸入頻率的信號(hào)是異相的。這導(dǎo)致LO上側(cè)的信 號(hào)音相加，而下側(cè)的信號(hào)音相消。沒有任何濾波，我們便消除了其 中一個(gè)信號(hào)音（或邊帶），產(chǎn)生的輸出完全位于LO頻率的一側(cè)。

在圖4所示例子中，I信號(hào)比Q信號(hào)超前90°。如果變更配置使得Q信 號(hào)比I信號(hào)超前90°，那么可以預(yù)期會(huì)有類似的相加和相消，但在這 種情況下，所有信號(hào)將出現(xiàn)在LO的下側(cè)。

圖5. 信號(hào)音位置取決于I和Q的相位關(guān)系

上面的圖5顯示了一個(gè)復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)的實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果。左邊顯示的 是I比Q超前90°的測試案例，其導(dǎo)致輸出信號(hào)音位于LO的上側(cè)。圖5 右邊顯示了相反的關(guān)系，即Q比I超前90°，由此得到的輸出信號(hào)音位 于LO下側(cè)。

理論上應(yīng)當(dāng)可以讓全部能量僅落在LO的一側(cè)。然而，如圖5中的實(shí) 驗(yàn)室測量結(jié)果所示，在實(shí)踐中完全相消是不可能發(fā)生的，有一些 能量會(huì)留在LO的另一側(cè)，這就是所謂鏡像。還應(yīng)注意，LO頻率的 能量也是存在的，稱為LO泄漏或LOL。結(jié)果中還可以看到其他能 量—這些是所需信號(hào)的諧波，本文不予以討論。

為了完全消除鏡像，I和Q混頻器輸出的幅度必須完全一致，而在LO 鏡像側(cè)上彼此之間的相位恰好相差180°。如果不能滿足上述相位 和幅度要求，那么圖4所示的相加/相消過程就會(huì)不太理想，鏡像頻 率的能量仍會(huì)存在。

影響

采用常規(guī)單混頻器架構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生LO±產(chǎn)物。發(fā)射之前需要消除其中 一個(gè)邊帶，通常是通過增加帶通濾波器來消除。濾波器的滾降頻 率必須適當(dāng)，使其既能消除不需要的鏡像信號(hào)，又不會(huì)影響需要 的信號(hào)。

圖6.單混頻器鏡像濾波器要求

鏡像和所需信號(hào)之間的間隔會(huì)直接影響到對(duì)濾波器的要求。如果間隔較大，可以使用滾降較緩的簡單低成本濾波器。如果間隔較窄，設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)具有陡峭響應(yīng)的濾波器，通常采用多極點(diǎn)或SAW濾波器。因此可以說，鏡像和所需信號(hào)之間必須保持適當(dāng)?shù)拈g隔，以便可以濾除鏡像而不影響所需信號(hào)；該間隔與濾波器的復(fù)雜度和成本成反比。此外，如果LO頻率可變，濾波器必須可調(diào)諧，這會(huì)進(jìn)一步增加濾波器的復(fù)雜度。

鏡像和所需信號(hào)之間的間隔由施加于混頻器的信號(hào)決定。圖6中的例子顯示一個(gè)與DC相距10 MHz的10 MHz帶寬信號(hào)。相應(yīng)的混頻器輸出將鏡像置于與所需信號(hào)相距20 MHz的地方。這種配置中，為在輸出端實(shí)現(xiàn)10 MHz的所需信號(hào)頻譜，必須讓一條20 MHz基帶信號(hào)路徑連接到混頻器。10 MHz的基帶帶寬未使用，混頻器電路的數(shù)據(jù)接口速率高于必要水平。

回到圖5所示的復(fù)數(shù)混頻器，我們知道其架構(gòu)消除了鏡像而無需外部濾波。而且，在零中頻架構(gòu)中可以優(yōu)化效率，使得信號(hào)路徑處理帶寬等于所需信號(hào)帶寬。圖7所示的概念圖說明了其實(shí)現(xiàn)原理。如上所述，如果I比Q超前90°，則僅LO上側(cè)會(huì)有輸出。如果Q比I超前90°，則僅LO下側(cè)會(huì)有輸出。因此，如果產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立基帶信號(hào)，其中一個(gè)設(shè)計(jì)成僅產(chǎn)生上邊帶輸出，另一個(gè)設(shè)計(jì)成僅產(chǎn)生下邊帶另一個(gè)設(shè)計(jì)成僅產(chǎn)生下邊帶輸出，那么可以在基帶中將其相加并施加于復(fù)數(shù)發(fā)射機(jī)。結(jié)果將是具有不同信號(hào)的輸出出現(xiàn)在LO上側(cè)和下側(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，組合基帶信號(hào)以數(shù)字方式產(chǎn)生。圖7所示求和節(jié)點(diǎn)僅是為了說明此概念。

圖7.零中頻復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)