在设计射频集成电路时,级联指标的分配显得尤为重要,这是决定一个系统能否满足设计需求的必经阶段。级联指标主要包括各级增益、动态范围的确定,以及分配、线性度、噪声。接收机增益 G max 的计算主要是通过两方面来确定,一个是接收机灵敏度 P sen ,另一个是ADC的最大输入信号幅度 V pp 。动态范围的计算主要是基于以下几个因素:PVT对接收机增益的影响Δ G 1 ,采用的接收天线的增益变动范围Δ G 2 ,是否允许外接其他的模块Δ G 3 (可以提供增益或者具有一定的插损),允许的通信距离引入的信号功率衰减范围Δ G 4 ,等等。根据计算出的增益和动态范围合理分配各级模块的增益及动态范围即可。
噪声主要是通过噪声系数来量化,线性度指标主要通过各模块产生的非线性干扰来衡量。在进行线性度系统级指标规划时一般主要考虑一阶(1dB增益压缩点IP1dB;单音强干扰信号的阻塞效应,即减敏现象)、二阶(二阶输入交调点IIP2)和三阶(三阶输入交调点IIP3)三种情况。更高阶的影响通常比上述三种情况小很多,可以忽略。IP1dB主要是针对输入信号的上限进行了限制,减敏性能主要是对单音强干扰信号的幅度进行了限制。IIP2和IIP3一般是在多音干扰信号或者诸如OFDM等多载波调制方式存在的情况下衡量接收机线性性能的主要指标。一阶性能的计算主要是针对大信号而言,强干扰信号可以位于带内也可以位于带外,而二阶和三阶性能主要是针对带外的强干扰而言。在进行指标确定时可采用如下方法:首先确定一阶线性性能,确保接收机不会因为输入信号过强或者单音强干扰的存在而出现非线性,这时的接收机可近似线性处理;然后再确定二阶和三阶线性性能,此时需要知道接收机灵敏度 P sen 和ADC要求的最小信噪比SNR min 或 E b / N 0 |min;最后通过线性度级联方程确定每个模块相应的二阶和三阶交调性能。
需要综合考虑噪声系数、二阶和三阶交调性能的计算,以及链路预算,否则设计出的接收机往往会出现灵敏度上升的问题。究其原因,无论是热噪声,还是由于系统非线性引入的非线性失真,相对于信号而言在本质上均为噪声,因此两者的计算不能分割开来。通常采用基于无失真动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)的设计方法 [5] ,主要考虑将由于系统的非线性所产生的二阶或三阶交调干扰信号与系统中固有的热噪声等同起来进行综合设计。噪声和线性度指标的计算和级联指标的分配需要考虑四种不同的情况。
(1)不存在干扰信号或干扰信号较小
此种情况基本可以忽略二阶和三阶交调项对系统噪声性能的影响,只需根据系统需要的灵敏度
P
sen
和ADC要求的最小信噪比
或
根据如下两式分别计算系统的噪声系数和级联分配情况即可。
(1-170)
式中, R b 为有效信号的比特率。
(1-171)
对系统的二阶和三阶交调性能不做过多要求,但是一阶线性性能的设计必须能够在信号允许的动态范围内保持系统的良好的线性性能,通常情况下需要IP1dB⩾ P max ,其中 P max 为信号的最大输入功率。
(2)接收机只存在三阶交调干扰
在确定系统噪声系数和线性度指标时需要明确的是,接收机由三阶交调引起的非线性失真与接收机本身的热噪声对系统性能的影响相同。因此在确定系统噪声系数NF时所采用的灵敏度必须比系统要求值 P sen 小3dB,即
(1-172)
由式(1-169)可知,在有效信号的带宽范围内,系统的热噪声功率为
(1-173)
式中, G 为系统增益(单位为dB)。由于系统的非线性而产生的三阶交调项需要与式(1-173)中的热噪声项相等,由式(1-25)可知,系统的三阶输入交调点为
(1-174)
式中, P int 为输入干扰信号功率。
(3)接收机只存在二阶交调干扰
此种情况下,噪声系数和热噪声功率的计算同式(1-173)和式(1-173)相同。由式(1-24)可知,系统的二阶输入交调点为
(1-175)
式中, G 为系统增益(dB); P int 为输入干扰信号功率。
(4)接收机同时存在三阶交调干扰和二阶交调干扰
三阶交调和二阶交调同时存在时,两个交调项的噪声功率分别为式(1-173)的一半,代入式(1-174)和式(1-175)可分别计算出系统需要的三阶输入交调点和二阶输入交调点。
通过上述计算可以将噪声系数和线性性能通过SFDR的概念建立起内部联系。按照该指标进行的链路预算,实测值与设计值并没有太多出入,能够反映系统的真实性能。当然,对于三阶交调和二阶交调并存的情况,并不一定迫使两者产生的交调项相等,只是相等的结果便于计算,如果计算出的结果较难实现,可以对其进行调节,但总的失真值需要与热噪声量相符。