Выбор высоколинейных смесителей для базовых станций беспроводной связи

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2011

Stephanie Overhoff, Maxim Integrated Products

В современной беспроводной коммуникационный аппаратуре предъявляются серьезные требования к чувствительности приемников и их параметрам при работе с большими сигналами. Статья акцентирует внимание на смесителях, описывает их наиболее важные характеристики и разъясняет смысл основных параметров, приводимых в справочных данных. В статье объясняется, каким образом выбрать смеситель для оптимизации характеристик приемного канала.

Введение

В коммуникационных стандартах для беспроводных базовых станций, например, GSM, UMTS и LTE, о чувствительности приемника и его поведении в условиях приема сильных сигналов сказано всего несколько слов. Между тем, эти ключевые характеристики предъявляют серьезные требования к каждому функциональному блоку радиотракта базовой станции. В цепи прохождения сигнала смеситель является тем элементом, чьи параметры в первую очередь определяют чувствительность и линейность приемника. В статье рассказано о наиболее важных параметрах смесителей, представление о которых поможет вам выбрать наиболее подходящий смеситель для приемного канала.

Приемник базовой станции беспроводной связи

Для начала рассмотрим блок схему типового приемника, используемого в беспроводных базовых станциях (Рисунок 1). Такие приемники называются супергетеродинными, поскольку принимаемый сигнал последовательно подвергается двукратному понижению частоты. Как показано на рисунке, принятый антенной сигнал проходит через Фильтр ВЧ №1, обычно используемый для фильтрации посторонних сигналов. Сигнал с выхода фильтра усиливается Малошумящим усилителем (МШУ), имеющим очень низкий коэффициент шума.

Рисунок 1.	Блок-схема типичного приемника базовой станции беспроводной связи.

Усиленный сигнал фильтруется еще раз, теперь Фильтром ВЧ №2, ограничивающим частотный диапазон для удаления нежелательных сигналов, ухудшающих характеристики смесителя. Отфильтрованный и ограниченный по полосе сигнал поступает на Первый смеситель, в котором сигнал смешивается с колебаниями гетеродина и переносится на промежуточную частоту. В зависимости от архитектуры приемника, сигнал промежуточной частоты может переноситься на вторую, еще более низкую промежуточную частоту, и затем детектироваться для дальнейшей обработки в полосе частот модулирующего сигнала.

Далее мы займемся исследованием смесителей в цепи прохождения принятого сигнала. Понимание их параметров крайне важно, так как именно смесители оказывают наибольшее влияние на чувствительность приемника и его характеристики в режиме большого сигнала.

Параметры смесителей

Коэффициент шума смесителя характеризует ухудшение отношения сигнал/шум на выходе по сравнению с входом. Это отношение выражается, как правило, в логарифмических единицах (дБ), согласно Формуле 1:

[1]

где

К_Ш – коэффициент шума смесителя,
SNR_ВЧ – отношение сигнал/шум на входе смесителя,
SNR_ПЧ – отношение сигнал/шум на выходе смесителя.

Второй важный параметр – коэффициент передачи преобразователя (или, альтернативно, потери преобразования). Коэффициент передачи является важной характеристикой типа смесителя, показывающей, является смеситель активным или пассивным. Пассивные смесители не имеют компонентов для усиления сигнала и вносят потери сигнала (называемые потерями преобразования). Активные смесители, наоборот, содержат активные элементы и усиливают преобразуемый сигнал.

Активный смеситель может быть реализован двумя способами: как интегрированное устройство, основанное на ячейке Гильберта, или как пассивный смеситель, дополненный каскадом усиления промежуточной частоты для того, чтобы усиливать сигнал, а не вносить в него потери.

[2]

где

P_ВЧ – мощность сигнала на входе смесителя,
P_ПЧ – мощность сигнала на выходе смесителя.

Как видно из Уравнения 2, коэффициент передачи (или потери), измеряется в логарифмических единицах и выражается в дБ. Он зависит от частоты, и должен специфицироваться для всего диапазона рабочих частот смесителя. Для достижения высоких параметров приемника изменение коэффициента передачи в пределах используемой полосы частот должно быть как можно более малым.

Поскольку беспроводные базовые станции эксплуатируется в условиях изменяющейся температуры, необходимо учитывать и температурную зависимость коэффициента передачи (потерь). И опять же, чем слабее будет эта зависимость, тем лучше будут характеристики приемника. Немаловажно и то, что меньшая температурная зависимость позволяет разработчикам предусматривать меньшие конструктивные запасы и уменьшать стоимость оборудования.

Работа смесителя в режиме большого сигнала описывается параметром, называемым «точка компрессии 1 дБ» (IP1dB), а также параметрами «точки пересечения второго и третьего порядка» (IP₂ и IP₃). IP1dB прогнозирует уровень входной мощности, при которой усиление смесителя падает на 1 дБ по отношению к линейному выражению, задаваемому Уравнением 3:

PВЫХ = G × PВХ

[3]

Смеситель должен обеспечивать преобразование слабого сигнала в условиях, когда почти на той же частоте на его вход поступают еще два, существенно более сильных сигнала. Способность к преобразованию слабых сигналов обычно описывается параметром, именуемым точкой пересечения третьего порядка (IP₃), который, вместе с коэффициентом шума, является характеристикой динамического диапазона смесителя. Большое значение IP₃ означает высокую линейность смесителя. В справочных данных на смесители обычно приводят два значения IP₃: для входа (IIP₃) и для выхода (OIP₃). Пересчитать IIP₃ в OIP₃, и наоборот, можно с помощью уравнения 4:

OIP3 = IIP3 + G

[4]

где

OIP₃ – точка пересечения третьего порядка по входу смесителя,
IIP₃ – точка пересечения третьего порядка по выходу смесителя,
G – потери или коэффициент преобразования смесителя.

Для получения требуемого общего коэффициента шума приемника необходима компенсация вносимых потерь дополнительными каскадами усиления по высокой или промежуточной частоте. (Коэффициент шума – еще один параметр, который необходимо учитывать при конструировании приемника).

Сравнение пассивных и активных смесителей

Главное преимущество пассивных смесителей заключается в том, что они могут использоваться для переноса частоты не только вниз, но и вверх. Другими словами, частота их выходных сигналов может быть больше, чем входных. При этом смеситель, как правило, используется для повышения промежуточной частоты до рабочей частоты передатчика. Это очень удобно в производстве аппаратуры: и для приемников, и для передатчиков вы покупаете и храните на складе одну и ту же микросхему.

Приемник прямого преобразования непосредственно преобразует входные сигналы в модулирующие сигналы без использования промежуточной частоты. Для смесителей, применяемых в таких приемниках, очень важным оказывается еще один параметр, называемый «изоляция между портами». Этот параметр характеризует качество изоляции между входом сигнала гетеродина и выходом смесителя. Если качество изоляции недостаточно высоко, сигнал гетеродина, смешиваясь сам с собой, создает на выходе смесителя постоянное смещение, ухудшающее его работу.

Преобразуя частоту, смеситель, кроме полезной, генерирует множество паразитных частот, называемых комбинационными. Уровень комбинационных составляющих, создаваемых смесителем в выходном сигнале, надо изучать самым внимательным образом, в особенности, составляющие порядка (2F_ПЧ – 2F_Г), (3F_ПЧ – 3F_Г) и выше, так как, совпадая с промежуточными частотами приемника, комбинационные частоты напрямую влияют на его работу. Эти характеристики смесителей описываются в справочных данных параметрами, обозначаемыми «2×2» и «3×3».

Учитывая все эти многочисленные параметры, вы не должны забывать и еще об одном: о степени интеграции. Многие приложения могут сильно выиграть от объединения в одной микросхеме смесителя с МШУ, согласующим трансформатором и переключателем.

Общая топология печатной платы повышает универсальность конструкции

Современные компоненты позволяют уменьшить затраты на разработку благодаря возможности использования общей трассировки печатной платы для разных частотных диапазонов. Приемник, сконструированный для диапазона GSM 900 МГц, можно использовать в системе GSM 1800 МГц, если заменить на плате всего несколько элементов.

Семейство совместимых по выводам смесителей идеально подходит для приложений, в которых общая топология печатной платы может использоваться при создании беспроводной инфраструктуры различных частотных диапазонов. Конечной целью является разработка единой трассировки для многостандартной беспроводной базовой станции, способной обрабатывать сигналы стандартов GSM, UMTS, WiMAXTM и LTE.

Пассивный смеситель, подобный, например, MAX2029, в составе приемника может выполнять функцию понижения частоты, в то время как идентичный смеситель в передающем тракте может использоваться для повышения промежуточной частоты до значения конечной несущей. В схеме, показанной на Рисунке 2, интегрированы все внешние компоненты: буферный усилитель гетеродина, симметрирующий трансформатор и коммутатор сигналов гетеродинов.

Рисунок 2.	Блок-схема пассивного смесителя.

В режиме понижения частоты MAX2029 имеет следующие характеристики:

• IIP₃ – 36.5 дБм,
• IP₁ – 27 дБм,
• потери преобразования – 6.5 дБ,
• коэффициент шума – 6.7 дБ.

Впечатляющие параметры, полученные благодаря использованию в производственном процессе SiGe подложек, позволяют использовать микросхему в приложениях, требующих особенно высокой линейности и низкого коэффициента шума.

Подавление составляющих 2F_ПЧ – 2F_Г (72 дБн при уровне входного ВЧ сигнала –10 дБм) снижает требования к фильтрам подавления побочных гармоник и уменьшает их цену. MAX2029 расширяет нижнюю границу частотного диапазона с 815 до 1000 МГц. Как один из членов совместимого по выводам семейства смесителей, включающего микросхемы MAX2039 и MAX2041, MAX2029 позволяет создавать общие печатные платы для приемников разных частотных диапазонов и разных коммуникационных стандартов.

Активные смесители делаются либо на балансной основе (ячйка Гильберта), либо на основе пассивного смесителя, дополненного усилителем ПЧ. В MAX9986, к примеру, используется вторая конфигурация. Низкий коэффициент шума этой микросхемы позволяет уменьшить коэффициент усиления ВЧ каскада перед входом смесителя, что, в свою очередь, улучшает общую линейность приемника. С другой стороны, чем большим будет сделано усиление предшествующего смесителю каскада в целях уменьшения его коэффициента шума, тем выше должна быть линейность смесителя для сохранения общей линейности приемника.