集成基站混频器本振噪声的规格与测量

蜂窝基站接收机需要在有较高阻塞/干扰信号的情况下接收天线端微弱的有用信号。干扰信号通常会被滤波器滤除，但滤波是在第一级下变频后的中频(IF)阶段进行的。因此，中频滤波器之前的LNA与混频器必须具有较高的线性度(IP3)和低噪声系数(NF)。

图1给出了一个典型的基站接收机架构的简化框图。接收机从天线开始，然后是高Q值调谐滤波器单元，低噪放位于天线附近。通过同轴线缆将接收到的信号连接到收发信机，收发信机单元由低噪放、低噪声混频器、声表滤波器以及中频放大器构成，最后是模/数转换器(ADC)。第一级混频器将信号下变频至70MHz至100MHz (CDMA 800/GSM 900)或200MHz至300MHz (GSM 1800/GSM 1900/UMTS)。

图1. 蜂窝基站接收机的基本框图

通常使用本振驱动电平大于17dBm的无源平衡二极管混频器来满足对混频器线性度和噪声的要求(图2)。这些基站混频器由分立元件或混合集成电路构成，本振驱动由外部特性阻抗为50Ω的缓冲放大器实现。因此，在信号注入混频器之前增加滤波器，滤除本振残余相噪是可行的。选择IC方案时，必须谨慎考虑本振驱动的噪声，以满足系统要求。在芯片的输入端口通过滤波将本振电平噪声限制到kT，本振缓冲放大器将使本振相噪劣化。当存在大的阻塞信号时，由于本振噪声与强干扰信号之间的倒易混频会增加接收机的噪声。

图2. 带本振滤波的分立式无源17级基站接收机混频器

混频器噪声模型

热噪声是接收机混频器中常见的测量噪声，定义为具有50Ω射频输入端口的混频器的噪声性能，端口的噪声功率密度为-174dBm/Hz (kTo)。输入参考噪声可以由混频器的噪声系数(10log10F)获得。

式中，
k = 玻尔兹曼常数(1.381 x 10-23 J/K)
To = 绝对温度(290K)
F = 混频器的噪声系数。

倒易混频发生在射频端口存在强射频信号的情况下。这是一种在噪声系数(NF)测量中没有计算在内的附加噪声。输入倒易混频噪声Nrmi可以在特定的阻塞电平Sbl条件下评估。假定输入本振噪声为 ，带宽为B，中频端口的倒易混频噪声为：

如果干扰频率与有用信号的频率偏差足够大，相位噪声可认为是平坦的。这两个噪声源可看作相互独立，并且可以直接相加(图4所示)。存在阻塞信号时，对输入、输出信噪比的影响可以用下式表示：

本振噪声的定义

根据混频器输出端口所需要的载噪比(C/I)、输入阻塞信号电平(Sbl)、信号电平(Sdes)以及接收噪声带宽(B)，可以估算所需的本振噪声，单位为dBc/Hz ()。对于GSM基站，偏差大于3MHz的最大阻塞信号(Sbl)电平定为-13dBm，在阻塞条件下所需接收灵敏度为-101dBm，GSM系统的带宽‘B’为200kHz。

对于需要C/I比为10的GSM基站系统，计算所得的相位噪声电平为-151dBc/Hz。考虑到前端热噪声，实际的相位噪声应该大于该值，移动基站的阻塞指标比较宽松， = -138dBc/Hz。

图3. 典型集成基站接收机混频器，集成了本振驱动和中频放大功能

LO驱动的等效噪声电平

将式1和式2代入式3，得到接收机信噪比下的等效本振噪声电平 (单位为dBc/Hz)。高线性混频器要求较高的本振驱动电平，但同时放大器的底噪也会相应增加。如式2所示，由于倒易混频使本振噪声出现在中频端口，可以在中频端口测量本振驱动放大器的噪声。图5所示配置可以用来测量阻塞条件下的混频器噪声。底噪测量分别在无信号和存在阻塞信号的条件下进行。Nbl由输出热噪声Ntho以及输出倒易混频噪声Nrmo组成，Nbl经过声表滤波器衰减和中频放大。Ntho由小信号噪声(F)和增益(G)确定。