《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GPS/BD射頻接收機中鏡像抑制混頻器設(shè)計
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1
1.西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安710121；2.延安大學 物理學與電子信息學院，陜西 延安716000
摘要： 針對GPS/BD射頻接收機中鏡像干擾信號難消除的問題，采用TSMC 0.18 μm COMS工藝，設(shè)計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)鏡像信號的干擾。另外在PPH后級設(shè)計了加和電路，對前級PPH引起的電路損耗進行增益補償。利用Candence軟件中的Spectre對電路進行仿真表明，針對GPS L1和北斗B1兩個不同頻段，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(P1dB)均為-23.4 dBm，單邊帶NF均為14.9 dB。
中圖分類號： TN432
文獻標識碼： 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射頻接收機中鏡像抑制混頻器設(shè)計[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)星導航產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對射頻接收機前端芯片在面積、功耗、性能、成本等方面都有了更高的要求?；祛l器因為在射頻前端芯片鏈路中處于低噪聲放大器和中頻濾波器之間，它的性能指標對整個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的干擾，在混頻器設(shè)計者中很受歡迎。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與射頻輸入信號分別進行下變頻，然后對其中一路下變頻信號進行濾波和90°移相操作，最后再將兩路信號求和來達到消除鏡像中頻信號的目的[2]。我們假設(shè)射頻輸入信號為ARFcos(ωRFt)，鏡像干擾信號為AIMcos(ωIMt)，本振信號頻率為ωLO，中頻信號頻率為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)過正交混頻與濾波后A1、A2兩點的信號可表示為式(3)、式(4)：

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

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

2 電路設(shè)計

2.1 混頻器核心單元設(shè)計

    本文設(shè)計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)成的負載級、由M3-M10構(gòu)成的開關(guān)級、由M1-M2構(gòu)成的跨導級和由M11-M14構(gòu)成的尾電流源級；其中跨導級將射頻輸入電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號。開關(guān)級由本振大信號控制其交替通斷，從而實現(xiàn)混頻功能。負載級通過負載電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出到IFIP、IFIN、IFQP、IFQN 4個端口。而尾電流源級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)，跨導級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路信號要求是正交差分的I/Q信號，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題，另一方面正交信號與射頻信號混頻可為后級PPH提供正交差分的輸入信號。開關(guān)級的直流偏壓由直流偏置VLOM經(jīng)R5-R8分別提供[5]。對于負載級電路，通過加入電容C1-C6來構(gòu)成RC濾波電路，濾波電路既能保證開關(guān)級和跨導級工作在飽和區(qū)，也能保證對輸出的干擾頻率有衰減作用[6]。

    此外在設(shè)計電路跨導級時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級不匹配而引起的中頻輸出信號的不匹配，為后級PPH提供良好的輸入信號。

2.2 無源多相濾波器設(shè)計

    無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)計電路輸出中頻信號的頻率為4 MHz，帶寬設(shè)計指標為2 MHz，在考慮RC_CR電路非理想效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)電阻R和電容C的大小，把兩個頻點設(shè)置為2.5 MHz和5.5 MHz[8]，設(shè)計出符合要求的兩級無源多相濾波器，如圖4所示。

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    由式(8)可知，假設(shè)兩級無源多相濾波器的輸入有用中頻信號IFIP、IFQP、IFIN、IFQN分別為V、jV、-V、-jV，此時鏡像中頻信號分別為V、-jV、-V、jV[9]。對于有用中頻輸入信號而言，此時圖中A、B、C、D 4點信號分別為式(9)～式(12)：

    wdz5-gs9.gif

     wdz5-gs10-12.gif

    而對于鏡像中頻輸入信號而言，此時圖中A、B、C、D四點信號分別為0、0、0、0。說明此時無源多相濾波器對有用中頻信號可以通過，而對鏡像中頻信號進行抑制。

2.3 求和單元設(shè)計

    本文設(shè)計的求和電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，電路基于簡單的疊加原理和運放原理設(shè)計而成[10]，IP、IN、QP、QN四路輸入信號由前級PPH提供，負載部分采用純電阻串聯(lián)的方式，通過兩路數(shù)字信號C0、C1控制PMOS開關(guān)對來調(diào)節(jié)輸出阻抗的大小，進而調(diào)節(jié)增益的大小。

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    當C0=1、C1=1時：

     wdz5-gs13-14.gif

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，供電電壓取值為1.8 V，求和電路中2位數(shù)字控制信號分別取值C0=1、C1=1，L1頻點取值為1 575 MHz，B1頻點取值為1 561 MHz，輸出中頻信號均為4 MHz，由式(1)可求出L1頻點的鏡像頻點為1 567 MHz，B1頻點的鏡像頻點為1 553 MHz。利用Candence軟件中的Spectre對電路進行仿真。

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1 575 MHz處的轉(zhuǎn)換增益為24 dB，在L1頻點的鏡像頻點1 567 MHz處轉(zhuǎn)換增益為-23.83 dB，經(jīng)計算可得：

    wdz5-3.1-x1.gif

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

    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L1、B1頻點單邊帶噪聲系數(shù)分別為14.88 dB、14.87 dB。

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3.3 輸入1 dB壓縮點仿真

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

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4 總結(jié)

    本文設(shè)計了一款用于GPS/BD導航系統(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)等指標的基礎(chǔ)上，有效地實現(xiàn)了對鏡像干擾信號的抑制。仿真結(jié)果表明在GPS L1和北斗B1不同頻點處，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射頻接收機中。

參考文獻

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[10] 池保勇.CMOS射頻集成電路分析與設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，2006.



作者信息：

李東亞1，黃海生1，李  鑫1，曹新亮2，尹  強1

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

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