設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能射頻系統(tǒng)并非易事，尤其是在考慮 GPS/GNSS 應(yīng)用的復(fù)雜挑戰(zhàn)時(shí)。幸運(yùn)的是，軟件定義無(wú)線電 （SDR） 的出現(xiàn)有助于克服傳統(tǒng)模擬無(wú)線電的一些最顯著的局限性，包括缺乏靈活性、精度有限和笨重。然而，信號(hào)處理中的非理想性仍然容易干擾GPS/GNSS系統(tǒng)的正常運(yùn)行，特別是當(dāng)涉及到SDR中最基本的組件之一：混頻器時(shí)。在這種情況下，對(duì)能夠解決混頻器引入的非理想性的射頻仿真環(huán)境系統(tǒng)的需求很大，特別是對(duì)于GPS/GNSS測(cè)試。開(kāi)發(fā)此類(lèi)系統(tǒng)時(shí)，最重要的步驟之一是分析理想信號(hào)和實(shí)際信號(hào)之間的差異，以及這些差異在實(shí)際應(yīng)用中的影響。

　　本文討論了真實(shí)世界信號(hào)和理想理論信號(hào)之間的主要區(qū)別，更具體地說(shuō)，介紹了偽影、雜散、IQ不平衡、壓縮和互調(diào)。我們還討論了混頻器的基本概念和類(lèi)型，以及它們的工作原理與上述信號(hào)非理想性的關(guān)系。最后，我們討論了所提出的每個(gè)非理想性對(duì)GPS/GNSS測(cè)試模擬環(huán)境的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的影響。本文假設(shè)讀者對(duì) GPS/GNSS 模擬器和軟件定義無(wú)線電有核心了解，因此如果您需要有關(guān)用于 GPS/GNSS 模擬器的 SDR 的更多信息，請(qǐng)閱讀“使用 SDR 作為 GPS/GNSS 模擬器”。

　　攪拌機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

　　為了更好地理解真實(shí)世界的射頻環(huán)境如何影響接收信號(hào)以及如何對(duì)其進(jìn)行仿真，我們需要首先討論混頻器的基本特性，并確定其使用過(guò)程中最重要的非理想性。混頻器可用于上變頻和下變頻，即在頻譜上向上或向下移動(dòng)信號(hào)，這是無(wú)線電收發(fā)器中的一項(xiàng)基本操作，以確保在板級(jí)可管理高頻通信。在架構(gòu)方面，SDR通常實(shí)現(xiàn)三種類(lèi)型的混頻器：真正的RF混頻器、復(fù)雜的IQ混頻器和CORDIC混頻器。實(shí)質(zhì)上，混頻器是將輸入信號(hào)（可以是RF或IF，取決于轉(zhuǎn)換）和本振（LO）信號(hào)組合在一起的乘法器，用于在頻譜上上下移動(dòng)頻率成分（見(jiàn)圖1）。下變頻時(shí)，RF輸入與LO相結(jié)合，產(chǎn)生低于原始RF輸入的IF輸出，而上變頻則要求LO將RF輸出提高到原始RF輸入之外。在此過(guò)程中，可以創(chuàng)建邊帶，這些邊帶通常稱(chēng)為圖像邊帶。通常，我們只對(duì)一個(gè)邊帶感興趣，因此必須通過(guò)濾波或相位操縱技術(shù)來(lái)消除另一個(gè)邊帶。上變頻時(shí)，可以使用濾波器或帶有Hartley調(diào)制器的單邊帶（SSB）混頻器。Hartley調(diào)制器利用相位操縱來(lái)消除邊帶，從而消除了使用窄帶濾波器來(lái)消除不需要的邊帶的需要。下變頻時(shí)，可以使用鏡像抑制（IR）混頻器或帶濾光片的標(biāo)準(zhǔn)混頻器來(lái)消除不需要的鏡像。

圖1：上變頻和下變頻。

　　IQ混頻器可以比實(shí)際混頻器更進(jìn)一步，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)工作在同相和正交信號(hào)中，從而可以獨(dú)立處理兩個(gè)元件并自然抑制邊帶，從而消除了對(duì)復(fù)雜且昂貴的窄帶濾波器的需求。IQ混頻器由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)混頻器和一個(gè)位于LO的正交混合耦合器組成（見(jiàn)圖2）?；旌?a href="http://m.makelele.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合器將LO信號(hào)分成兩個(gè)輸出端口，其中一個(gè)輸出端口具有90°相移。在上變頻期間，每個(gè)分量都與同相LO或正交LO信號(hào)混頻，產(chǎn)生的輸出在RF端口中組合。相反，當(dāng)混頻器用于下變頻時(shí)，可以很容易地檢索兩個(gè)信號(hào)。最后，CORDIC混頻器（COrdinate Rotation DIgital Computer）本質(zhì)上是IQ混頻器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，通常在SDR的FPGA后端使用矢量旋轉(zhuǎn)算法進(jìn)行編程。在本例中，LO使用FPGA內(nèi)部的數(shù)控振蕩器（NCO）實(shí)現(xiàn)，用于上變頻和下變頻。在上變頻中，通過(guò)插值獲得更高的頻率，并有望出現(xiàn)側(cè)面圖像。在下變頻中，混頻后抽取起著重要作用，將采樣頻率降低到主機(jī)更易于管理的水平。

圖 2：IQ Mixer 架構(gòu)。

　　使用混頻器時(shí)，高端SDR工程師通常會(huì)采用復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，以最大程度地減少非理想性，包括用于電路對(duì)稱(chēng)的混合結(jié)，以確?；祛l器平衡，從而在端口之間建立隔離并消除互調(diào)產(chǎn)物。然而，無(wú)論系統(tǒng)設(shè)計(jì)得多么好，混合偽影總是存在的。其中一些偽影包括LO饋通、IF饋通和邊帶形成。無(wú)論是來(lái)自混頻器的LO、RF還是IF側(cè)的信號(hào)饋通，都是由于寄生電容、電感和電源的耦合導(dǎo)致端口之間的隔離有限的結(jié)果。這種非理想性會(huì)影響混合信號(hào)的頻率成分，在LO、RF或IF頻率處引入諧波。盡管任何類(lèi)型的饋通都不是可取的，但由于與所需諧波的距離較遠(yuǎn)，IF或RF側(cè)的泄漏可以很容易地濾除。然而，LO信號(hào)仍然存在，這會(huì)顯著影響性能。使用實(shí)際混頻器時(shí)，即使考慮理想電路，鏡像頻段或邊帶也是混頻本身的產(chǎn)物，因此必須通過(guò)濾波消除不需要的頻帶。在實(shí)際應(yīng)用中，使用單面上變頻或單面下變頻IQ混頻器，實(shí)現(xiàn)具有相位消除架構(gòu)方案的架構(gòu)，以消除不需要的邊帶。此外，RF混頻器除了產(chǎn)生所需的頻率積外，還會(huì)產(chǎn)生雜散產(chǎn)物，這些雜散產(chǎn)物可以使用平衡技術(shù)進(jìn)行抑制，但在某些調(diào)諧和LO頻率下仍可能出現(xiàn)在頻譜中。

　　在處理 IQ 過(guò)濾器時(shí)，平衡是成功的關(guān)鍵。LO或I/Q通道相位平衡的任何缺陷都可能導(dǎo)致邊帶抑制降低和/或通道隔離性能降低，以及LO饋通、RF/IF饋通和雜散產(chǎn)物增加。例如，由于兩個(gè)內(nèi)核之間的轉(zhuǎn)換損耗不平衡，IQ混頻器的I和Q波形之間存在直流失調(diào)，這可能導(dǎo)致不希望的LO泄漏到輸出信號(hào)的頻譜中，從而降低LO至RF隔離度，并限制IQ調(diào)制/解調(diào)性能。圖 3 顯示了直流失調(diào)對(duì) 16-QAM 信號(hào)的影響。此外，IQ通道之間的相位和幅度不匹配會(huì)導(dǎo)致混頻器輸出出現(xiàn)重大問(wèn)題，使這些信號(hào)的星座圖失真，并影響整體性能（見(jiàn)圖4）。這兩種失配都是由混合耦合器的平衡問(wèn)題以及差分連接長(zhǎng)度和損耗的差異引起的，對(duì)于更高頻率的IF尤其成問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)需要相同的差分路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

　　圖 3：16-QAM 星座圖中直流失調(diào)的影響。

　　圖 4：振幅和相位不平衡的影響。

　　理想情況下，混頻器可以看作是完美的變頻器，在輸入/輸出和恒定的轉(zhuǎn)換損耗之間線性傳輸功率。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，轉(zhuǎn)換損耗隨輸入功率而變化，導(dǎo)致輸入/輸出功率之間出現(xiàn)非線性關(guān)系，稱(chēng)為壓縮。如圖5所示，IF/RF曲線的斜率從線性開(kāi)始，具有恒定的轉(zhuǎn)換損耗和恒定的“增益”。但是，當(dāng)功率輸入過(guò)大時(shí)，斜坡會(huì)下降，曲線變?yōu)榉蔷€性。壓縮中最重要的指標(biāo)是1dB壓縮點(diǎn)，它被定義為輸出偏離理想點(diǎn)1dB所需的輸入功率，是RF混頻器中輸入信號(hào)的最大推薦值。提高混頻器1dB壓縮點(diǎn)的一種方法是增加電路中二極管的導(dǎo)通電位。

　　圖 5：1 dB 壓縮點(diǎn)。

　　我們將要討論的最后一個(gè)非理想性是互調(diào)失真。這種效應(yīng)的發(fā)生是由于混頻器的非線性行為造成的，其中兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)同時(shí)到達(dá)輸入端，并在它們與它們的諧波之間產(chǎn)生頻率組合，如圖6所示。這些信號(hào)自然是非理想行為的不需要的產(chǎn)物，因此它們可以統(tǒng)稱(chēng)為互調(diào)失真（IMD）。盡管大多數(shù)諧波的幅度會(huì)隨著頻率的增加而下降，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可以忽略不計(jì)，但三階IMD尤為重要，因?yàn)樗c基頻接近。此外，三階諧波的轉(zhuǎn)換斜率是基波信號(hào)的三倍，這使得情況變得非常糟糕。由于壓縮，三階諧波永遠(yuǎn)不會(huì)高于基波，但它們更接近 1dB 壓縮點(diǎn)。僅考慮線性斜率，基波和三階諧波應(yīng)在理論點(diǎn)相遇，稱(chēng)為三階截點(diǎn)（IP3），這是IMD的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖 6：互調(diào)失真。

　　對(duì)模擬器的影響

　　射頻模擬器在 GPS/GNSS 測(cè)試中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它提供了足夠的射頻環(huán)境，可以復(fù)制實(shí)際場(chǎng)景中的條件。GPS/GNSS 測(cè)試對(duì)于確保這些系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。因此，GPS/GNSS仿真器能夠正確再現(xiàn)RF信號(hào)的非理想性至關(guān)重要，其中包括SDR混頻器引入的非理想性，包括互調(diào)失真、壓縮、IQ不平衡和其他混頻器偽影。此外，在GPS環(huán)境中，模擬器必須在移動(dòng)平臺(tái)上復(fù)制GNSS接收器的條件，再現(xiàn)車(chē)輛和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)、信號(hào)屬性和大氣條件。

　　混淆偽影是可能影響 GPS/GNSS 接收機(jī)的常見(jiàn)問(wèn)題。當(dāng)接收到的信號(hào)與其他信號(hào)混合時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，從而導(dǎo)致不需要的分量。這可能導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降和系統(tǒng)性能下降。為了模擬這種效果，必須包括能夠自適應(yīng)地改變混頻器參數(shù)和條件的儀器。在這些場(chǎng)景中，CORDIC混頻器非常有用，因?yàn)閿?shù)字實(shí)現(xiàn)允許對(duì)混頻器的行為和性能進(jìn)行完全的重新配置。

　　IQ 不平衡也會(huì)影響射頻收發(fā)器，包括 GPS/GNSS 系統(tǒng)中使用的收發(fā)器。當(dāng)同相 （I） 和正交 （Q） 信號(hào)不完全平衡時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，從而導(dǎo)致接收到的信息表示不完美。這可能導(dǎo)致解調(diào)信號(hào)出現(xiàn)誤差，從而導(dǎo)致位置和定時(shí)信息不準(zhǔn)確。為了模擬這種效應(yīng)，測(cè)試環(huán)境仿真器中的SDR應(yīng)該能夠產(chǎn)生不平衡的信號(hào)，包括相位和幅度，并測(cè)量它們對(duì)接收機(jī)性能的影響。在傳統(tǒng)的模擬無(wú)線電系統(tǒng)中，改變每個(gè)組件的相位延遲和幅度以進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡娌⒉蝗菀?，尤其是考慮到 L1、L2 和 L5 頻段。因此，建議使用基于數(shù)字的系統(tǒng)，例如 SDR。

　　由于接收信號(hào)的功率水平極低，以及位置計(jì)算所需的高靈敏度和精度，互調(diào)效應(yīng)在GNSS應(yīng)用中尤為重要。互調(diào)失真會(huì)導(dǎo)致位置計(jì)算出現(xiàn)一系列誤差，包括衛(wèi)星識(shí)別不正確、噪聲和干擾增加以及信號(hào)質(zhì)量降低。為了仿真 GNSS 系統(tǒng)中 IMD 和 TOI 的影響，RF 收發(fā)器必須能夠復(fù)制現(xiàn)實(shí)生活中 IQ 混頻器的非線性行為，這還必須解決混頻器的壓縮效應(yīng)。模擬壓縮非常重要，因?yàn)?GNSS 信號(hào)的幅度可能會(huì)有很大變化。

　　結(jié)論

　　用于仿真的軟件定義無(wú)線電 （SDR） 中真實(shí)信號(hào)和理想信號(hào)之間的差異會(huì)顯著影響 GPS/GNSS 測(cè)試。雖然SDR有助于克服傳統(tǒng)模擬無(wú)線電的許多局限性，但混頻器仍然是可能干擾正常運(yùn)行的非理想性來(lái)源。本文討論了混頻器的特性及其非理想性，包括雜散、IQ不平衡、壓縮和互調(diào)，以及SDR中常用的三種混頻器：實(shí)RF混頻器、復(fù)數(shù)IQ混頻器和CORDIC混頻器。LO饋通、IF饋通和邊帶形成等混頻偽影的影響也得到了強(qiáng)調(diào)。為了為GPS/GNSS測(cè)試創(chuàng)建可靠的射頻仿真環(huán)境，考慮這些非理想因素并相應(yīng)地設(shè)計(jì)系統(tǒng)至關(guān)重要。通過(guò)分析理想信號(hào)和真實(shí)信號(hào)之間的差異，工程師可以優(yōu)化其仿真環(huán)境，從而在測(cè)試中實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　審核編輯：黃飛