《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GPS/BD射頻接收機(jī)中鏡像抑制混頻器設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
李東亞1，黃海生1，李 鑫1，曹新亮2，尹 強(qiáng)1
1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121；2.延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000
摘要： 針對(duì)GPS/BD射頻接收機(jī)中鏡像干擾信號(hào)難消除的問(wèn)題，采用TSMC 0.18 μm COMS工藝，設(shè)計(jì)了一款高鏡像抑制比（IRR）、高轉(zhuǎn)換增益、單邊帶噪聲系數(shù)（NF）和線性度指標(biāo)良好的鏡像抑制混頻器?；趥鹘y(tǒng)Hartely鏡像抑制結(jié)構(gòu)，混頻器中采用了共射頻輸入端正交混頻結(jié)構(gòu)和無(wú)源多相濾波器（Poly Phase Filter，PPH），有效地抑制了所需頻帶內(nèi)鏡像信號(hào)的干擾。另外在PPH后級(jí)設(shè)計(jì)了加和電路，對(duì)前級(jí)PPH引起的電路損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償。利用Candence軟件中的Spectre對(duì)電路進(jìn)行仿真表明，針對(duì)GPS L1和北斗B1兩個(gè)不同頻段，鏡像抑制混頻器輸出中頻頻率均為4 MHz，IRR均為47.8 dB，轉(zhuǎn)換增益均為24 dB，輸入1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB)均為-23.4 dBm，單邊帶NF均為14.9 dB。
中圖分類號(hào)： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171801
中文引用格式： 李東亞，黃海生，李鑫，等. GPS/BD射頻接收機(jī)中鏡像抑制混頻器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(11)：43-46.
英文引用格式： Li Dongya，Huang Haisheng，Li Xin，et al. Design of image rejection mixer for GPS/BD RF receiver[J].Application of Electronic Technique，2017，43(11)：43-46.
Design of image rejection mixer for GPS/BD RF receiver
Li Dongya1，Huang Haisheng1，Li Xin1，Cao Xinliang2，Yin Qiang1
1.School of Electronic Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China； 2.School of Physics and Electronic Information，Yan′an University，Yan′an 716000，China
Abstract： In this paper, a high IRR，high conversion gain, good linearity and good single-side band NF image rejection mixer is proposed in TSMC 0.18 μm COMS process. It can be used to solve the problem that image interference signal is difficult to eliminate. Based on the traditional Hartely image suppression structure, the quadrature mixer for common RF input and PPH are used, effectively restrain the image signal in the desired frequency band. Besides, the summing circuit is used after PPH to compensate the gain loss. The circuit is simulated by the Spectre in Candence which indicates that IF output signals are both 4 MHz for B1 and L1 bands. The IRR are both 47.8 dB. The conversion gain are both 24 dB. The input P1dB are both -23.4 dBm. The single-side band NF are both 14.9 dB.
Key words : image rejection mixer；PPH；conversion gain；IRR

0 引言

    隨著近些年衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)射頻接收機(jī)前端芯片在面積、功耗、性能、成本等方面都有了更高的要求。混頻器因?yàn)樵谏漕l前端芯片鏈路中處于低噪聲放大器和中頻濾波器之間，它的性能指標(biāo)對(duì)整個(gè)射頻前端芯片的性能都有著重要的影響[1]，而鏡像抑制混頻器由于能夠抑制鏡像信號(hào)的干擾，在混頻器設(shè)計(jì)者中很受歡迎。本文基于傳統(tǒng)的Hartely鏡像抑制結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)了一款以共射頻輸入端正交混頻結(jié)構(gòu)為核心單元的鏡像抑制混頻器，能夠很好地抑制鏡像信號(hào)的干擾。

1 Hartely結(jié)構(gòu)原理

    傳統(tǒng)的Hartely鏡像抑制結(jié)構(gòu)如圖1所示，將正交的本地振蕩信號(hào)與射頻輸入信號(hào)分別進(jìn)行下變頻，然后對(duì)其中一路下變頻信號(hào)進(jìn)行濾波和90°移相操作，最后再將兩路信號(hào)求和來(lái)達(dá)到消除鏡像中頻信號(hào)的目的[2]。我們假設(shè)射頻輸入信號(hào)為ARFcos(ωRFt)，鏡像干擾信號(hào)為AIMcos(ωIMt)，本振信號(hào)頻率為ωLO，中頻信號(hào)頻率為ωIF，那么它們之間的頻率關(guān)系可以表示為式(1)：

     wdz5-gs1-2.gif

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    經(jīng)過(guò)正交混頻與濾波后A1、A2兩點(diǎn)的信號(hào)可表示為式(3)、式(4)：

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    從式（6）中可以看出鏡像中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)求和后被消除[3]。

    上述分析僅限于理想情況下，實(shí)際中由于輸入信號(hào)相位和增益失配等原因，仍有一部分鏡像信號(hào)不能完全被消除，從而降低了鏡像抑制能力。本文設(shè)計(jì)電路中采用共射頻輸入端正交混頻結(jié)構(gòu)來(lái)降低信號(hào)相位和增益的失配，從而增強(qiáng)混頻器的鏡像抑制效果[4]。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 混頻器核心單元設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的共射頻輸入端正交混頻核心單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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    電路由4部分組成，分別是由R1-R4構(gòu)成的負(fù)載級(jí)、由M3-M10構(gòu)成的開關(guān)級(jí)、由M1-M2構(gòu)成的跨導(dǎo)級(jí)和由M11-M14構(gòu)成的尾電流源級(jí)；其中跨導(dǎo)級(jí)將射頻輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。開關(guān)級(jí)由本振大信號(hào)控制其交替通斷，從而實(shí)現(xiàn)混頻功能。負(fù)載級(jí)通過(guò)負(fù)載電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出到IFIP、IFIN、IFQP、IFQN 4個(gè)端口。而尾電流源級(jí)則是由基本的鏡像結(jié)構(gòu)為電路提供穩(wěn)定的尾電流；電路中射頻輸入端采用偽差分結(jié)構(gòu)，跨導(dǎo)級(jí)的直流偏壓由直流偏置VRFM經(jīng)R9、R10分別提供。本振輸入端口的4路信號(hào)要求是正交差分的I/Q信號(hào)，一方面差分結(jié)構(gòu)可以很好地解決偶次諧波、端口泄漏和共模抑制等問(wèn)題，另一方面正交信號(hào)與射頻信號(hào)混頻可為后級(jí)PPH提供正交差分的輸入信號(hào)。開關(guān)級(jí)的直流偏壓由直流偏置VLOM經(jīng)R5-R8分別提供[5]。對(duì)于負(fù)載級(jí)電路，通過(guò)加入電容C1-C6來(lái)構(gòu)成RC濾波電路，濾波電路既能保證開關(guān)級(jí)和跨導(dǎo)級(jí)工作在飽和區(qū)，也能保證對(duì)輸出的干擾頻率有衰減作用[6]。

    此外在設(shè)計(jì)電路跨導(dǎo)級(jí)時(shí)采用了共射頻輸入結(jié)構(gòu)M1-M2，可以在一定程度上降低因兩路輸入正交混頻器跨導(dǎo)級(jí)不匹配而引起的中頻輸出信號(hào)的不匹配，為后級(jí)PPH提供良好的輸入信號(hào)。

2.2 無(wú)源多相濾波器設(shè)計(jì)

    無(wú)源多相濾波器由基本的RC_CR電路組成如圖3所示[7]。

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    通過(guò)分析可以知道其傳輸函數(shù)為式(7)：

     wdz5-gs7-8.gif

    由于本文設(shè)計(jì)電路輸出中頻信號(hào)的頻率為4 MHz，帶寬設(shè)計(jì)指標(biāo)為2 MHz，在考慮RC_CR電路非理想效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R和電容C的大小，把兩個(gè)頻點(diǎn)設(shè)置為2.5 MHz和5.5 MHz[8]，設(shè)計(jì)出符合要求的兩級(jí)無(wú)源多相濾波器，如圖4所示。

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    由式(8)可知，假設(shè)兩級(jí)無(wú)源多相濾波器的輸入有用中頻信號(hào)IFIP、IFQP、IFIN、IFQN分別為V、jV、-V、-jV，此時(shí)鏡像中頻信號(hào)分別為V、-jV、-V、jV[9]。對(duì)于有用中頻輸入信號(hào)而言，此時(shí)圖中A、B、C、D 4點(diǎn)信號(hào)分別為式(9)～式(12)：

    wdz5-gs9.gif

     wdz5-gs10-12.gif

    而對(duì)于鏡像中頻輸入信號(hào)而言，此時(shí)圖中A、B、C、D四點(diǎn)信號(hào)分別為0、0、0、0。說(shuō)明此時(shí)無(wú)源多相濾波器對(duì)有用中頻信號(hào)可以通過(guò)，而對(duì)鏡像中頻信號(hào)進(jìn)行抑制。

2.3 求和單元設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的求和電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，電路基于簡(jiǎn)單的疊加原理和運(yùn)放原理設(shè)計(jì)而成[10]，IP、IN、QP、QN四路輸入信號(hào)由前級(jí)PPH提供，負(fù)載部分采用純電阻串聯(lián)的方式，通過(guò)兩路數(shù)字信號(hào)C0、C1控制PMOS開關(guān)對(duì)來(lái)調(diào)節(jié)輸出阻抗的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)增益的大小。

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    當(dāng)C0=1、C1=1時(shí)：

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3 仿真結(jié)果與分析

    本文電路采用TSMC 0.18 μm COMS工藝設(shè)計(jì)，供電電壓取值為1.8 V，求和電路中2位數(shù)字控制信號(hào)分別取值C0=1、C1=1，L1頻點(diǎn)取值為1 575 MHz，B1頻點(diǎn)取值為1 561 MHz，輸出中頻信號(hào)均為4 MHz，由式(1)可求出L1頻點(diǎn)的鏡像頻點(diǎn)為1 567 MHz，B1頻點(diǎn)的鏡像頻點(diǎn)為1 553 MHz。利用Candence軟件中的Spectre對(duì)電路進(jìn)行仿真。

3.1 轉(zhuǎn)換增益和鏡像抑制比仿真

    從圖6中可以看出，在L1頻點(diǎn)1 575 MHz處的轉(zhuǎn)換增益為24 dB，在L1頻點(diǎn)的鏡像頻點(diǎn)1 567 MHz處轉(zhuǎn)換增益為-23.83 dB，經(jīng)計(jì)算可得：

    wdz5-3.1-x1.gif

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    同理從圖7中可以看出，B1頻點(diǎn)處轉(zhuǎn)換增益為24 dB，B1頻點(diǎn)的鏡像頻點(diǎn)1 553 MHz處轉(zhuǎn)換增益為-23.83 dB，經(jīng)計(jì)算可得：

    wdz5-3.1-x2.gif

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3.2 單邊帶噪聲系數(shù)仿真

    從圖8中可以看出，針對(duì)L1、B1頻點(diǎn)單邊帶噪聲系數(shù)分別為14.88 dB、14.87 dB。

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3.3 輸入1 dB壓縮點(diǎn)仿真

    從圖9中可以看出，針對(duì)L1、B1頻點(diǎn)輸入P1dB分別為-23.355 2 dBm、-23.399 5 dBm。

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4 總結(jié)

    本文設(shè)計(jì)了一款用于GPS/BD導(dǎo)航系統(tǒng)中的鏡像抑制混頻器，混頻器采用了共射頻輸入端正交混頻結(jié)構(gòu)、PPH結(jié)構(gòu)、求和電路，在均衡轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏡像干擾信號(hào)的抑制。仿真結(jié)果表明在GPS L1和北斗B1不同頻點(diǎn)處，鏡像抑制混頻器的IRR均為47.8 dB，轉(zhuǎn)換增益均為24 dB，輸入P1dB均為-23.4 dBm，單邊帶NF均為14.9 dB，可以用于GPS/BD射頻接收機(jī)中。

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作者信息：

李東亞1，黃海生1，李  鑫1，曹新亮2，尹  強(qiáng)1

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121；2.延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000）

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