了解无线数据手册规格

本教程介绍并定义了混频器、放大器和振荡器数据手册中使用的RF术语。描述的术语包括：增益、转换增益、相位噪声、三阶交调截点、P1分贝、插入损耗、输出功率、VCO 频率牵引/推动、频率漂移、建立时间、调谐增益和调谐范围。提供图形和图像以说明关键概念。

本教程介绍无线IC数据手册中的一些常见规格。这些规格适用于放大器、混频器和振荡器。放大器和混频器的规格相同，只有少数例外。压控振荡器 （VCO） 具有一组独特的规格。

图1.放大器、混频器和VCO构成一个简单的无线接收器。

常用放大器和混频器规格

增益是无线构建模块（即放大器或混频器）的电压或功率增益。增益规格在数据手册中几乎总是以dB为单位给出。增益、电压增益和功率增益这三个术语通常可以互换。这是因为当输入和输出阻抗相同时，电压和功率增益的增益值相同，单位为dB。例如，20dB增益相当于电压增益的10V/V倍。10V/V的电压增益也相当于100W/W的功率增益，也是20dB。线性刻度中的电压增益和功率增益是不同的，但以dB为单位它们是相同的，因此允许术语互换而不会混淆。

转换增益规格适用于混频器或频率转换设备。之所以称为转换增益，是因为输入和输出频率不同。输入信号通过混频作用转换为更低或更高的频率。

插入损耗或衰减是一种增益规格，但输出电平通常相对于输入降低。也就是说，输出信号幅度小于输入。

输出功率是可用于驱动负载的RF功率，通常为50Ω。它通常以dBm（以dB为单位的毫瓦数）表示。例如，250mW 是 10 × 对数10（250） = +24dBm。

以下是一些以dBm为单位的功率示例，假设阻抗为50Ω：

+30dBm = 1W = 7.1V有效值
0dBm = 1mW = 0.225V有效值
-100dBm = 0.1pW = 2.25μV有效值

1dB 压缩点 （P1分贝） 是输出功率的品质因数。更高的压缩点意味着更高的输出功率。P1分贝处于输入（或输出）功率时，与极低功率下的增益相比，增益降低 2 dB。请参考图1，增益与输入功率的关系图。注意增益如何随着输入功率的增加而降低。这是因为输出在最大值时饱和，功率不可能进一步增加。<>dB压缩点可以在输入或输出端指定。例如，如果输出 P1分贝规格为+20dBm，该元件的输出功率约为+20dBm。降低输出功率从P降低1分贝将减少失真。

图2.元件（放大器或混频器）的增益与输入功率的关系图。高输出功率时增益降低，因为输出已饱和。

三阶交调截点 （IP3） 是线性度或失真的品质因数。更高的IP3意味着更好的线性度和更少的失真。IP3 通常使用两种输入音进行测试。图3显示了频域中的双音IP3测试。放大器的输入是两个正弦波（基波），一个在900MHz，另一个在901MHz，在这里显示的示例中。放大器的输出端是两个所需信号。由于放大器不是完全线性的，它还会产生两个三阶交调（IM3）产品。IM3 通常以 dBm 为单位。此处显示的IM3失真产物的频率非常接近所需信号，并且无法通过滤波轻松去除。为了减少三阶失真产品，必须提高IP3规格。

三阶交调产物是通过放大器或混频器中的非线性对双音输入进行混合（或调制）的结果。两个IM3产品是：

 

	fIM3_1= 2 × f1 - f2，	即 900 × 2 - 901 = 899MHz
	fIM3_2= 2 × f2 - f1，	即 901 × 2 - 900 = 902MHz

 

图3.双音 IP3 测试（左）。输入端有两个输入音（右）。输出包含两个放大音、IM3 产物和谐波失真。

在数学术语中，IP3是一个理论输入功率点，在该功率点上，基波和三阶失真输出线被截获（见图4）。A线是基波（所需）信号的输出功率与输入功率曲线，B线是三阶失真输出功率与输入功率曲线。B线的斜率是A线的三倍陡度（以dB为单位），理论上与A线相交。截点是三阶截点。此时假设的输入功率是输入IP3，输出功率是输出IP3。

图4.IP3的定义。线 A 和线 B 截距的点是假设的 IP3。

谐波失真是另一种失真规范。它指定了以基频的整数倍产生的失真产物（图 3）。例如，二次谐波失真指定为-60dBc意味着基频两倍时的失真输出幅度比基波低60dB。因此，dBc是低于基波的dB数（dBc传统上表示低于载波的dB）。谐波失真规格在有线电视等宽带应用中至关重要，但在手机等窄带应用中则不那么重要，因为失真产物很容易被滤除，因为它们被较大的频率差隔开。

噪声因数是放大器和混频器产生的噪声的品质因数。它将元件产生的噪声与室温下50Ω电阻的热噪声进行比较。例如，噪声因数为2时表示放大器的噪声与50Ω电阻一样。在数学方面，

 

	噪声因数	= （P一个+ P50Ω）/P50Ω
		= 1 + P一个/P50Ω

 

其中 P一个是放大器或混频器引起的噪声功率，P50Ω是50Ω电阻的热噪声引起的噪声功率。

噪声系数通常在无线数据手册中给出。它是以dB表示的噪声因子。也就是说，噪声系数等于 10 × log10（噪声系数）。典型的低噪声放大器（LNA）的噪声系数为1dB，这意味着放大器产生的噪声约为26Ω电阻噪声的50%。

在典型的接收器中，接收信号约为-100dBm （2μV），50Ω电阻在1MHz带宽中的热噪声约为-114dBm。如您所见，信噪比（SNR）非常低。放大器中的噪声会进一步降低SNR。因此，RF接收机前端的噪声系数必须保持在最低水平。

回波损耗是信号反射的品质因数。回波损耗表示一小部分入射功率被反射回源。例如，如果向放大器注入1mW （0dBm）的功率，并且该功率的10%被反射（反弹），则回波损耗为10dB。在数学术语中，回波损耗为-10×对数[（反射功率）/（入射功率）]。回波损耗通常同时指定用于输入和输出。

通常，希望将反射功率最小化，从而将更多的功率传递到负载。通常，设计人员的目标是至少10dB的回波损耗。有时违反这个10dB回波损耗“经验法则”，以便在系统中实现更好的噪声系数、IP3或增益。

振荡器 （VCO） 规格

相位噪声是振荡器频谱纯度的品质因数。理想情况下，振荡器的输出是由一条垂直线表示的单个频率。实际上，振荡器中存在噪声，使得输出不仅仅是一条线，而是载波（基波）频率附近的噪声“裙边”。这些噪声称为相位噪声。相位噪声通常指定为1Hz带宽中噪声功率在远离载波的偏移频率与载波功率的比率。例如，100kHz 偏移时的相位噪声规格为 -100dBc/Hz，这意味着在距离载波 1kHz 时，100Hz 带宽中的噪声功率比载波功率低 100dB（图 5）。

图5.振荡器的输出频谱。裙边是由振荡器中的相位噪声引起的。

由于相互混频，低相位噪声在无线接收器中很重要。如图6所示，噪声本振（LO）与所需接收信号混合并转换为IF。如果存在干扰信号（来自另一个发射器），则它也与LO混合并向下转换为IF频率范围。由于干扰源比目标信号强得多，相位噪声的“尾端”会溢出到IF通道中。这种噪声会降低信噪比并降低接收器的性能。低相位噪声LO在具有强干扰源的此类接收器中很重要。

图6.目标信号和干扰信号均下变频至IF。由于振荡器的相位噪声，下变频干扰器的尾部噪声位于所需通道的顶部，不容易滤除。

调谐范围是VCO覆盖的频率范围。例如，VCO的标称频率为900MHz，但可以通过改变其调谐输入端的调谐电压，在850MHz至950MHz之间调谐。调谐范围为 100MHz。通常需要宽调谐范围，以覆盖指定电源电压和温度范围内的工作频率范围。

调谐增益或VCO增益是衡量调谐输入电压变化时VCO的灵敏度的指标。例如，50MHz/V的调谐增益意味着50V调谐电压变化将有1MHz的频率变化。通常需要低调谐增益，因为变容二极管与振荡器的谐振电路松散耦合，因此通常会产生较低的相位噪声。

频率牵引是VCO响应负载条件变化而表现出的频率变化。器件的拉频量将决定是否需要额外的VCO缓冲器。

电源推动是VCO响应电源电压变化而表现出的频率变化。电源变化会影响VCO有源器件结点上的直流电压，进而通过影响整个谐振来改变振荡频率。电源推动量将决定需要多少电源电压调节/滤波。

频率漂移是VCO输出频率的总体偏差。这种漂移包括所有偏差源，如上所示，以及温度和设备本身的使用年限。

建立时间是VCO达到其最终频率所需的时间。建立时间是从调谐电压变化的那一刻开始测量的，直到输出达到其最终值的指定百分比（图 7）。较短的建立时间可缩短频率变化之间的等待时间，并允许更快的通道切换和跳频应用。

图7.VCO建立到更高频率的输出。

审核编辑：郭婷