本文介紹并定義了在混頻器、放大器和振蕩器的數據資料中用到的RF術語,包括增益、變頻增益、相位噪聲、三階截取點、P1dB、插入損耗、輸出功率、調諧增益和調諧范圍,另外還給出了圖形和圖像以闡明關鍵的概念。
這些在無線IC數據資料中出現的通用規范都是與放大器、混頻器和振蕩器有關的。放大器和混頻器的規范是基本相同的,只有很少的例外。壓控振蕩器(VCO)有一套單獨的規范。
放大器和混頻器的通用規范
增益是無線組成部件(例如放大器或混頻器)中電壓或功率的增加。在數據資料中增益的規范幾乎都是以dB為單位給出的。這三個術語：增益、電壓增益和功率增益通常是可以互換的。因為當輸入和輸出阻抗相同時以dB為單位的電壓增益和功率增益的數值是相同的。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,因此這些術語可以互換而不會造成混亂。
變頻增益是混頻器或頻率變換器件的規范。它被稱作變頻增益是因為輸入和輸出的頻率是不同的。輸入信號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增益的規范,只是輸出值比輸入值有所降低。也就是說,輸出信號的幅度小于輸入信號。
輸出功率是可得到的驅動一個一般為50Ω的負載的RF功率總量。通常以dBm表示。dBm是以dB表示的毫瓦的數量。例如,250mW等于10log10(250)= +24dBm。
這里有幾個以dBm表示功率的例子,假設阻抗為50Ω：
+30dBm = 1W = 7.1VRMS
0dBm = 1mW = 0.225VRMS
-100dBm = 0.1pW = 2.25?VRMS
1dB壓縮點(P1dB) 是輸出功率的性能參數。壓縮點越高意味著輸出功率越高。P1dB是指與在很低的功率時相比增益減少1dB時的輸入(或輸出)功率點。參見圖2,增益隨輸入功率變化的曲線。注意當輸入功率升高時增益是如何下降的。這是因為在其最大輸出功率時器件達到飽和于是功率不能繼續上升。1dB壓縮點可以在輸入或輸出定義。例如,如果輸出P1dB規范是+20dBm,則這個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。
三階截取點(IP3) 是表示線性度或失真性能的參數。IP3越高表示線性度越好和更少的失真。IP3通常用兩個輸入音頻測試。圖3所示為雙音頻IP3測試在頻域的情況。放大器的輸入是兩個正弦波(基波),本例中一個在900MHz另一個在901MHz。放大器的輸出是兩個欲得到的有用信號。因為放大器不是理想線性的,它還產生了兩個三階互調(IM3)產物。IM3通常以dBm給出。這里顯示的IM3失真產物在頻率上距離有用信號非常的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物,必需提高IP3規范。
三階互調產物是由放大器或混頻器的非線性特性造成的對兩個音頻輸入相互混頻(或調制)的結果。這兩個IM3產物是：
fIM3_1= 2f1-f2, 例如900×2-901=899MHz。
fIM3_2=2f2-f1,例如901×2-900=902MHz。
從數學的角度看,IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點的理論輸入功率(見圖4)。A線是基波(有用的)信號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)理論上會與A相交。這個交點就是三階截取點。在這一點時假設的輸入功率就是輸入IP3,輸出功率就是輸出IP3。
諧波失真是另一個表示失真的規范。它定義了在基頻的整數倍頻率產生的失真產物(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(dBc的傳統意義是低于載波的dB數)。諧波失真規范在如有線電視這類寬帶應用中是十分重要的,但是在手機這類窄帶應用中的重要性并不大,因為失真產物之間的頻率差別比較大從而可以被容易地濾除。
噪聲因數是由放大器和混頻器產生的噪聲的性能參數。它將元件產生的噪聲與室溫下50電阻的熱噪聲相比較。例如,噪聲因數為2意味著放大器產生的噪聲和50Ω的電阻產生的噪聲相同。從數學角度看,
噪聲因數=(PA+P50Ω)/P50Ω=1+PA/P50Ω
其中PA是放大器或混頻器產生的噪聲功率,P50Ω是50Ω電阻產生的熱噪聲功率。
噪聲系數經常在無線數據資料中給出。它是以dB表示的噪聲因數。也就是說,噪聲系數等于10log10 (噪聲因數)。典型的低噪聲放大器(LNA)具有1dB的噪聲系數,這意味著由放大器產生的噪聲約為50Ω電阻產生噪聲的26%。
在典型的接收機中,接收到的信號在-100dBm (2?V)的數量級,而在1MHz帶寬內50Ω電阻產生的熱噪聲約為-114dBm。可以看出信噪比(SNR)非常低。放大器中的噪聲會進一步降低SNR。因此,RF接收機前端的噪聲系數必需維持最小。
回波損耗是表示信號反射性能的參數。回波損耗說明入射功率的一部分被反射回到信號源。例如,如果注入1mW
(0dBm)功率給放大器其中10%被反射(反彈)回來,回波損耗就是10dB。從數學角度看,回波損耗為-10log [(反射功率)/(入射功率)]。回波損耗通常在輸入和輸出都進行規定。
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載。典型情況下設計者的目標是至少10dB的回波損耗。有時為了獲得更好的噪聲系數、IP3或者系統的增益就不能滿足這個"憑經驗得出的" 10dB回波損耗的要求。
振蕩器(VCO)規范
相位噪聲是表示振蕩器頻譜純度的性能參數。理想情況下,振蕩器的輸出是單一頻率的,可以用一根單獨的直線表示。實際中,振蕩器存在 噪聲從而使輸出頻譜并非是單獨的直線,而是帶有"裙狀"的圍繞在載波(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的相位噪聲規范意味著在距離載波100kHz的地方1Hz帶寬內的噪聲功率比載波功率低100dB (圖5)。
由于會產生互相混頻現象,低相位噪聲對無線接收機是重要的。如圖6所示,具有噪聲的本地振蕩器(LO)對接收的有用信號進行混頻并轉換為IF。如果存在一個干擾信號(來自另一個發射機),它也同LO進行混頻并被下變頻到IF頻率范圍內。因為干擾比有用信號強的多,相位噪聲的"尾部"將涌進IF信道內。這一噪聲降低了信噪比并惡化了接收機的性能。低相位噪聲LO對這種具有強干擾的接收機是重要的。
調諧范圍是VCO覆蓋的頻率范圍。例如,VCO的額定頻率為900MHz,但是它可以通過改變其調諧輸入電壓而調諧到從850MHz到950MHz的范圍內。此時的調諧范圍是100MHz。通常需要寬的調諧范圍以覆蓋在規定的供電電壓和溫度范圍內的工作頻率范圍。
調諧增益或VCO增益是當調諧輸入電壓改變時VCO敏感程度的度量。例如,調諧增益為50MHz/V的意思是當調諧電壓改變1V時將有50MHz的頻率變化。通常需要低的調諧增益,因為此時被松耦合到振蕩器槽路的變容二極管將使振蕩器具有更低的相位噪聲。