解密RF訊號鏈:特性和性能指標

作者 : Anton Patyuchenko,ADI現場應用工程師

為了設計一個能夠滿足目標應用的特定系統,RF系統工程師必須能夠真正從系統級視角考慮,且對基礎的關鍵概念和原則有一致的理解...

從歷史的角度來看,就在不久之前,也就是20世紀初,支援射頻(RF)訊號鏈的RF工程學還是一門新興的學科。如今,RF技術和元件深深根植於我們的生活,沒有它們,現代文明可能不會存在。生活中有無數非常依賴RF訊號鏈的示例,這將是我們討論的焦點。

在我們深入探討之前,先來瞭解RF的實際涵義。乍看之下,這似乎是一個簡單的問題。我們都知道,RF表示射頻,此術語的通用定義規定了特定的頻率範圍:MHz至GHz電磁頻譜。但是,如果我們仔細查看其定義並進行比較,就會發現,它們只是對RF頻譜的實際邊界的定義不同。有鑑於我們可能經常在與特定頻率無關的其他環境中廣泛使用該術語,所以,此術語變得更加令人費解。那麼,RF是什麼?

透過關注RF的明顯特性,包括相移、電抗、耗散、雜訊、輻射、反射和非線性,可以確立一致的定義基礎,涵蓋多種涵義。這個基礎代表了現代包羅萬象的定義,不依賴於單一方面或特定數值來區分RF和其他術語。術語RF適用於許多具有構成此定義 特性的任何電路或元件。

在設定本次探討的背景之後,現在讓我們開始進入正題,分析1中的通用RF訊號鏈。其中使用分散式元件電路模型來體現電路中的相位偏移,在較短的RF波長下這種偏移不可忽略,因此該集總電路的近似表示不適用於這些類型的系統。RF訊號鏈中可能包括各種各樣的分立式元件,如衰減器、開關、放大器、檢測器、合成器和其他RF類比元件,以及高速ADC和DAC。將所有這些元件組合起來用於特定應用,其總體標準性能將取決於這些離散式元件的組合性能。

1通用RF訊號鏈。

 因此,為了設計一個能夠滿足目標應用的特定系統,RF系統工程師必須能夠真正從系統級視角考慮,且對基礎的關鍵概念和原則有一致的理解。這些知識儲備非常重要,為此,ADI編寫了這篇討論文章,其中包含兩個部分。第一部分的目標是:簡要介紹用於確定RF元件的特性以及量化其性能的主要特性和指標。第二部分的目標是:深入介紹可用於針對所需應用開發RF訊號鏈的各種單一元件及其類型。在本文中,我們將重點討論第一部分,並考慮與RF系統相關的主要特性和性能指標。

RF術語簡介

目前有多種參數用於描述整個RF系統及其離散式模組的特性。根據應用或用例,其中一些特性可能極其重要,其他特性則不太重要或無關緊要。僅透過本文,肯定無法對如此複雜的主題展開全面分析。但是,我們將嘗試按照共同的思路,也就是將一系列複雜的相關內容轉變為平衡、易於理解的RF系統屬性和特性指南,從而簡明全面地概述最常見的RF性能。

基本特性

散射矩陣(或S矩陣)是在描述RF系統行為時需要用到的一個基本術語。我們可以使用S矩陣,將複雜的RF網路表示為簡單的N埠黑盒子。常見的2埠RF網路(例如放大器、濾波器或衰減器)示例如2所示,其中Vn+是n埠入射波電壓的複振幅,Vn 是n埠反射波電壓的複振幅。當其所有埠都以匹配負載端接時,我們可以透過散射矩陣來描述該網路,其中的元素(或S參數)根據這些電壓波之間的關係來量化RF能量如何透過系統傳播。現在,我們使用S參數來表示典型RF網路的主要特性。

2:用S矩陣表示的2埠網路。

在網路匹配的情況下,S21相當於埠1到埠2的傳輸係數(S12也可以按類似方法定義)。以對數標度表示的幅度|S21|代表輸出功率與輸入功率的比值,稱為增益或標量對數增益。此參數是放大器和其他RF系統的重要指標,它也可以取負值。負增益表示固有損耗或失配損耗,通常用其倒數表示,即插入損耗(IL),這是衰減器和濾波器的典型指標。

如果我們現在考慮同一埠的入射波和反射波,則可以如2所示來定義S11和S22。當其他埠以匹配負載端接時,這些項相當於相應埠的反射係數|Γ|。根據公式1,我們可以將反射係數的大小與回波損耗(RL)相關聯:

回波損耗是指埠的入射功率與源極的反射功率之比。根據我們估算這個比值使用的埠,我們可以區分輸入和輸出回波損耗。回波損耗始終是非負值,表示網路的輸入或輸出阻抗與朝向源極的埠阻抗的匹配程度。

需要注意的是,IL和RL與S參數的這種簡單關係只有在所有埠都匹配的情況下才有效,這是定義網路本身的S矩陣的前提條件。如果網路不匹配,它不會改變其固有的S參數,但可能會改變其埠的反射係數以及埠之間的傳輸係數。

頻率範圍和頻寬

我們描述的所有這些基本量將在頻率範圍內不斷變化,這是所有RF系統的共同基本特性。它定義了這些系統所支援的頻率範圍,並為我們提供了一個更關鍵的性能度量——頻寬(BW)

雖然此術語可能僅指訊號特性,但其某些形式可用於描述處理這些訊號的RF系統。頻寬一般定義受某一標準限制的頻率範圍。但是,它可能具有不同的涵義,因具體的應用環境而異。為了使我們的論述更加全面,我們來簡單定義一下不同的涵義:

  • 3dB頻寬是訊號功率位準超過其最大值一半的頻率範圍。
  • 暫態頻寬(IBW)或即時頻寬是指系統在不需要重新調諧的情況下能夠產生或獲取的最大連續頻寬。
  • 佔用頻寬(OBW)是包含總整合訊號功率特定百分比的頻率範圍。
  • 解析度頻寬(RBW)一般是指兩個頻率分量(可繼續分解)之間的最小間隔。例如,在頻譜分析儀系統中,它是最終濾波器級的頻率範圍。

這只是各種頻寬定義中的幾個示例;但是,無論其含義如何,RF訊號鏈的頻寬很大程度上取決於其類比前端,以及高速類比數位轉換器或數位類比轉換器的採樣速率和頻寬。

非線性

需要指出的是,RF系統的特性不僅會隨著頻率變化,也會隨著訊號功率位準而變化。我們在本文開頭描述的基本特性通常用小訊號S參數表示,沒有考慮非線性效應。但是,在一般情況下,透過RF網路的功率位準持續升高通常會帶來更明顯的非線性效應,最終導致其性能下降。

我們在談論具有良好線性度的RF系統或元件時,通常是指用於描述其非線性性能的關鍵指標滿足目標應用要求。我們來看看這些常用來量化RF系統非線性行為的關鍵指標。

首先需要考慮的參數是輸出1dB壓縮點(OP1dB),它定義了通用元件從線性模式轉換為非線性模式的拐點,即系統增益降低1dB時的輸出功率水準。這是功率放大器的基本特性,用於將該元件的工作位準設定為趨向飽和輸出功率(PSAT)定義的飽和位準。功率放大器通常位於訊號鏈的最後一級,因此這些參數通常定義RF系統的輸出功率範圍。

一旦系統處於非線性模式,就會使訊號失真、產生雜散頻率分量,或者雜散。雜散是相對於載波訊號(單位:dBc)的位準進行測量,可以分為諧波和互調產物(intermodulation product,參見3)。諧波是處於基波頻率的整數倍位置的訊號(例如,H1、H2、H3諧波),而互調產物是非線性系統中存在兩個或更多基波訊號時出現的訊號。如果第一個基波訊號位於頻率f1,第二個位於f2,則二階互調產物出現在兩個訊號的和頻和差頻位置,即f1 + f2和f2 – f1,以及f1 + f1和f2 + f2(後者也稱為H2諧波)。二階互調產物與基波訊號相結合,會產生三階互調產物,其中兩個(2f1 – f2和2f2 – f1)特別重要,由於它們接近原始訊號,因此難以濾除。包含雜散頻率分量的非線性RF系統的輸出頻譜表示了互調失真(IMD),這是描述系統非線性度的一個重要術語。

3:諧波和互調產物。

與二階互調失真(IMD2)和三階互調失真(IMD3)相關的雜散分量會對目標訊號造成干擾。用於量化干擾嚴重程度的重要指標為互調點(IP)。我們可以區分二階(IP2)和三階(IP3)互調點。如4所示,它們定義輸入(IIP2、IIP3)和輸出(OIP2、OIP3)訊號功率位準的假設點,在這些點上,相應的雜散分量的功率將達到與基波分量相同的位準。雖然互調點是一個純數學概念,但它是衡量RF系統對非線性度耐受性的重要指標。

4:非線性特性的定義。

雜訊

現在我們來看看每個RF系統固有的另一個重要特性——雜訊。雜訊是指電訊號的波動,包含許多不同方面。根據其頻譜及其影響訊號的方式以及產生雜訊的機制,雜訊可以分為許多不同的類型和形式。但是,儘管存在許多不同的噪音源,我們也無需為了描述它們對系統性能的最終影響而深入研究其物理特性。我們可以基於簡化的系統雜訊模型進行研究,該模型使用單一理論雜訊發生器,透過雜訊係數(NF)這個重要指標來描述。它可以量化系統所引起的訊號雜訊比(SNR)的下降幅度,定義為輸出訊號雜訊與輸入訊號雜訊的對數比。以線性標度表示的雜訊係數稱為雜訊因數。這是RF系統的主要特性,可以控制其整體性能。

對於簡單的線性被動元件,雜訊係數等於由|S21|定義的插入損耗。在多個主動和被動元件構成的更複雜的RF系統中,雜訊由各自的雜訊因數Fi和功率增益Gi來描述,根據Friis公式(假設每級的阻抗都匹配),雜訊的影響在訊號鏈中逐級降低:

由此可以得出結論,RF訊號鏈的前兩級是系統總體雜訊係數的主要來源。這正是在接收器訊號鏈的前端配置雜訊係數最低的元件(例如低雜訊放大器)的原因。

如果我們現在考慮產生訊號的專用元件或系統,說到其雜訊性能特徵,一般是指受噪音源影響的訊號特性。這些特性就是相位抖動和相位雜訊,用於表示時域(抖動)和頻域(相位雜訊)中的訊號穩定性。具體選擇哪個,一般取決於應用,例如,在RF通訊應用中,一般使用相位雜訊,而在數位系統中,則通常使用抖動。相位抖動是指訊號相位內的小波動,相位雜訊則是其頻譜表示,定義為相對於載波頻率不同頻偏處,1Hz頻寬內的雜訊功率,認為在此頻寬內功率均衡(參見5)。

5:相位雜訊特性示例。

多種衍生品

到目前為止,我們考慮了多種重要係數,並基於這些係數衍生出很多參數,可用於量化各種應用領域中RF訊號鏈的性能。例如,在雜訊和雜散的基礎上衍生出動態範圍(DR)這個術語,用於描述系統實現所需特性的工作範圍。如4所示,如果該範圍的下限由雜訊決定,上限由壓縮點決定,我們稱之為線性動態範圍(LDR);如果其上限由最大功率位準(該位準使互調失真變得不可接受)決定,我們稱之為無雜散動態範圍(SFDR)。需要注意的是,LDR和SFDR的實際定義可能因具體的應用而異。

系統能夠處理產生具有指定SNR輸出訊號的最低訊號位準定義了接收器系統的另一個重要特性,即靈敏度。它主要由系統雜訊係數和訊號頻寬決定。接收器本身的雜訊會對靈敏度和其他系統技術規格造成限制。例如,資料通訊系統中的相位雜訊或抖動會導致眼圖中的星座點偏離其理想位置,使得系統的誤差向量幅度(EVM)降低,誤碼率(BER)隨之增高。

結論

我們可以使用多種特性和性能指標來表徵RF訊號鏈。它們涉及不同的系統方面,其重要性和相關性可能因應用而有所不同。雖然我們無法在一篇文章中全面闡述所有這些因素,但如果RF工程師能深入理解本文所探討的這些基本特性,就可以將它們輕鬆轉化為雷達、通訊、測量或其他RF系統等目標應用中的關鍵要求和技術規格。

有關典型RF訊號鏈中使用的主要元件類型,及其與系統級訊號鏈定義相關的分類標準,請繼續閱讀本系列文章的第二部份

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