基于SDR的仿真中的真实信号与理想信号

　　设计和实现高性能射频系统并非易事，尤其是在考虑 GPS/GNSS 应用的复杂挑战时。幸运的是，软件定义无线电 （SDR） 的出现有助于克服传统模拟无线电的一些最显着的局限性，包括缺乏灵活性、精度有限和笨重。然而，信号处理中的非理想性仍然容易干扰GPS/GNSS系统的正常运行，特别是当涉及到SDR中最基本的组件之一：混频器时。在这种情况下，对能够解决混频器引入的非理想性的射频仿真环境系统的需求很大，特别是对于GPS/GNSS测试。开发此类系统时，最重要的步骤之一是分析理想信号和实际信号之间的差异，以及这些差异在实际应用中的影响。

　　本文讨论了真实世界信号和理想理论信号之间的主要区别，更具体地说，介绍了伪影、杂散、IQ不平衡、压缩和互调。我们还讨论了混频器的基本概念和类型，以及它们的工作原理与上述信号非理想性的关系。最后，我们讨论了所提出的每个非理想性对GPS/GNSS测试模拟环境的设计和实现的影响。本文假设读者对 GPS/GNSS 模拟器和软件定义无线电有核心了解，因此如果您需要有关用于 GPS/GNSS 模拟器的 SDR 的更多信息，请阅读“使用 SDR 作为 GPS/GNSS 模拟器”。

　　搅拌机基础知识

　　为了更好地理解真实世界的射频环境如何影响接收信号以及如何对其进行仿真，我们需要首先讨论混频器的基本特性，并确定其使用过程中最重要的非理想性。混频器可用于上变频和下变频，即在频谱上向上或向下移动信号，这是无线电收发器中的一项基本操作，以确保在板级可管理高频通信。在架构方面，SDR通常实现三种类型的混频器：真正的RF混频器、复杂的IQ混频器和CORDIC混频器。实质上，混频器是将输入信号（可以是RF或IF，取决于转换）和本振（LO）信号组合在一起的乘法器，用于在频谱上上下移动频率成分（见图1）。下变频时，RF输入与LO相结合，产生低于原始RF输入的IF输出，而上变频则要求LO将RF输出提高到原始RF输入之外。在此过程中，可以创建边带，这些边带通常称为图像边带。通常，我们只对一个边带感兴趣，因此必须通过滤波或相位操纵技术来消除另一个边带。上变频时，可以使用滤波器或带有Hartley调制器的单边带（SSB）混频器。Hartley调制器利用相位操纵来消除边带，从而消除了使用窄带滤波器来消除不需要的边带的需要。下变频时，可以使用镜像抑制（IR）混频器或带滤光片的标准混频器来消除不需要的镜像。

图1：上变频和下变频。

　　IQ混频器可以比实际混频器更进一步，因为它们同时工作在同相和正交信号中，从而可以独立处理两个元件并自然抑制边带，从而消除了对复杂且昂贵的窄带滤波器的需求。IQ混频器由两个标准混频器和一个位于LO的正交混合耦合器组成（见图2）。混合耦合器将LO信号分成两个输出端口，其中一个输出端口具有90°相移。在上变频期间，每个分量都与同相LO或正交LO信号混频，产生的输出在RF端口中组合。相反，当混频器用于下变频时，可以很容易地检索两个信号。最后，CORDIC混频器（COrdinate Rotation DIgital Computer）本质上是IQ混频器的数字实现，通常在SDR的FPGA后端使用矢量旋转算法进行编程。在本例中，LO使用FPGA内部的数控振荡器（NCO）实现，用于上变频和下变频。在上变频中，通过插值获得更高的频率，并有望出现侧面图像。在下变频中，混频后抽取起着重要作用，将采样频率降低到主机更易于管理的水平。

图 2：IQ Mixer 架构。

　　使用混频器时，高端SDR工程师通常会采用复杂的电路设计技术，以最大程度地减少非理想性，包括用于电路对称的混合结，以确保混频器平衡，从而在端口之间建立隔离并消除互调产物。然而，无论系统设计得多么好，混合伪影总是存在的。其中一些伪影包括LO馈通、IF馈通和边带形成。无论是来自混频器的LO、RF还是IF侧的信号馈通，都是由于寄生电容、电感和电源的耦合导致端口之间的隔离有限的结果。这种非理想性会影响混合信号的频率成分，在LO、RF或IF频率处引入谐波。尽管任何类型的馈通都不是可取的，但由于与所需谐波的距离较远，IF或RF侧的泄漏可以很容易地滤除。然而，LO信号仍然存在，这会显著影响性能。使用实际混频器时，即使考虑理想电路，镜像频段或边带也是混频本身的产物，因此必须通过滤波消除不需要的频带。在实际应用中，使用单面上变频或单面下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构，以消除不需要的边带。此外，RF混频器除了产生所需的频率积外，还会产生杂散产物，这些杂散产物可以使用平衡技术进行抑制，但在某些调谐和LO频率下仍可能出现在频谱中。

　　在处理 IQ 过滤器时，平衡是成功的关键。LO或I/Q通道相位平衡的任何缺陷都可能导致边带抑制降低和/或通道隔离性能降低，以及LO馈通、RF/IF馈通和杂散产物增加。例如，由于两个内核之间的转换损耗不平衡，IQ混频器的I和Q波形之间存在直流失调，这可能导致不希望的LO泄漏到输出信号的频谱中，从而降低LO至RF隔离度，并限制IQ调制/解调性能。图 3 显示了直流失调对 16-QAM 信号的影响。此外，IQ通道之间的相位和幅度不匹配会导致混频器输出出现重大问题，使这些信号的星座图失真，并影响整体性能（见图4）。这两种失配都是由混合耦合器的平衡问题以及差分连接长度和损耗的差异引起的，对于更高频率的IF尤其成问题，强调需要相同的差分路径来实现适当的平衡。

　　图 3：16-QAM 星座图中直流失调的影响。

　　图 4：振幅和相位不平衡的影响。

　　理想情况下，混频器可以看作是完美的变频器，在输入/输出和恒定的转换损耗之间线性传输功率。然而，在现实生活中，转换损耗随输入功率而变化，导致输入/输出功率之间出现非线性关系，称为压缩。如图5所示，IF/RF曲线的斜率从线性开始，具有恒定的转换损耗和恒定的“增益”。但是，当功率输入过大时，斜坡会下降，曲线变为非线性。压缩中最重要的指标是1dB压缩点，它被定义为输出偏离理想点1dB所需的输入功率，是RF混频器中输入信号的最大推荐值。提高混频器1dB压缩点的一种方法是增加电路中二极管的导通电位。

　　图 5：1 dB 压缩点。

　　我们将要讨论的最后一个非理想性是互调失真。这种效应的发生是由于混频器的非线性行为造成的，其中两个或多个信号同时到达输入端，并在它们与它们的谐波之间产生频率组合，如图6所示。这些信号自然是非理想行为的不需要的产物，因此它们可以统称为互调失真（IMD）。尽管大多数谐波的幅度会随着频率的增加而下降，从长远来看可以忽略不计，但三阶IMD尤为重要，因为它与基频接近。此外，三阶谐波的转换斜率是基波信号的三倍，这使得情况变得非常糟糕。由于压缩，三阶谐波永远不会高于基波，但它们更接近 1dB 压缩点。仅考虑线性斜率，基波和三阶谐波应在理论点相遇，称为三阶截点（IP3），这是IMD的一个重要指标。

图 6：互调失真。

　　对模拟器的影响

　　射频模拟器在 GPS/GNSS 测试中发挥着关键作用，它提供了足够的射频环境，可以复制实际场景中的条件。GPS/GNSS 测试对于确保这些系统的准确性和可靠性至关重要。因此，GPS/GNSS仿真器能够正确再现RF信号的非理想性至关重要，其中包括SDR混频器引入的非理想性，包括互调失真、压缩、IQ不平衡和其他混频器伪影。此外，在GPS环境中，模拟器必须在移动平台上复制GNSS接收器的条件，再现车辆和卫星的运动、信号属性和大气条件。

　　混淆伪影是可能影响 GPS/GNSS 接收机的常见问题。当接收到的信号与其他信号混合时，就会发生这种情况，从而导致不需要的分量。这可能导致信号质量下降和系统性能下降。为了模拟这种效果，必须包括能够自适应地改变混频器参数和条件的仪器。在这些场景中，CORDIC混频器非常有用，因为数字实现允许对混频器的行为和性能进行完全的重新配置。

　　IQ 不平衡也会影响射频收发器，包括 GPS/GNSS 系统中使用的收发器。当同相 （I） 和正交 （Q） 信号不完全平衡时，就会发生这种情况，从而导致接收到的信息表示不完美。这可能导致解调信号出现误差，从而导致位置和定时信息不准确。为了模拟这种效应，测试环境仿真器中的SDR应该能够产生不平衡的信号，包括相位和幅度，并测量它们对接收机性能的影响。在传统的模拟无线电系统中，改变每个组件的相位延迟和幅度以进行适当的仿真并不容易，尤其是考虑到 L1、L2 和 L5 频段。因此，建议使用基于数字的系统，例如 SDR。

　　由于接收信号的功率水平极低，以及位置计算所需的高灵敏度和精度，互调效应在GNSS应用中尤为重要。互调失真会导致位置计算出现一系列误差，包括卫星识别不正确、噪声和干扰增加以及信号质量降低。为了仿真 GNSS 系统中 IMD 和 TOI 的影响，RF 收发器必须能够复制现实生活中 IQ 混频器的非线性行为，这还必须解决混频器的压缩效应。模拟压缩非常重要，因为 GNSS 信号的幅度可能会有很大变化。

　　结论

　　用于仿真的软件定义无线电 （SDR） 中真实信号和理想信号之间的差异会显着影响 GPS/GNSS 测试。虽然SDR有助于克服传统模拟无线电的许多局限性，但混频器仍然是可能干扰正常运行的非理想性来源。本文讨论了混频器的特性及其非理想性，包括杂散、IQ不平衡、压缩和互调，以及SDR中常用的三种混频器：实RF混频器、复数IQ混频器和CORDIC混频器。LO馈通、IF馈通和边带形成等混频伪影的影响也得到了强调。为了为GPS/GNSS测试创建可靠的射频仿真环境，考虑这些非理想因素并相应地设计系统至关重要。通过分析理想信号和真实信号之间的差异，工程师可以优化其仿真环境，从而在测试中实现更高的准确性和可靠性。

　　审核编辑：黄飞