擁抱混頻器雜散分量的正確測量姿勢與設計竅門

2020-11-22 電子發燒友


在混頻過程中，混頻器在其輸出端上產生的並不只是所期望的信號。位於輸入和 LO 頻率之整數倍上的其他無用信號也會出現在混頻器的所有埠上。這些寄生信號接著又相互混頻並離開混頻器的輸出埠而進入信號鏈路的其餘部分。此類不希望有的輸出信號被稱為 「雜散脈衝」。假如這些雜散脈衝的功率足夠高，那就會在射頻設計中引發很多問題，例如：發送器中相鄰通道的汙染、接收器中的靈敏度損失、或期望信號自身的失真。視系統要求的不同，有多種處理此類問題信號的方法。謹慎的頻率規劃和濾波雖然能夠有助於大幅度減少雜散脈衝的數量，但是它們總是會有。因此，系統設計師必需在混頻器輸出端上準確地測量雜散電平，以確定怎樣用最佳的方式應對它們，這一點是很重要。

測量混頻器雜散並不是簡單的事。常常有可能盲目地相信某個 「測得的」 信號來自於有關的混頻器，但實際上它卻是某種不當測試設置的人為產物。幸運的是，有一些用於緩解這些測試問題並確保觀察到的測量信號僅來自於混頻器的方法。圖 1 示出了用於測量混頻器雜散分量的正確測試設置。帶通濾波器以及衰減器對於儘量減少測試設置對在頻譜分析儀上測量之雜散脈衝的影響是至關重要。

圖 1：用於測量混頻器雜散脈衝的正確測試設置

在過度驅動時，頻譜分析儀會產生顯著的內部失真分量。當施加過大的功率時，內部接收器鏈路會進入壓縮狀態，導致所有的非線性雜散分量以一種加速速率 (相對於主輸入信號) 成長，從而人為地增加雜散功率的測量值。頻譜分析儀通常設計為在其輸入端上具有約 -30dBm 至 -40dBm 功率電平時達到最佳運作狀態。為了滿足該功率電平，應採用內部衰減、外部衰減、或此二者的組合來限制提供給儀器的功率。一項旨在檢查雜散測量是否正確的測試是增加頻譜分析儀之內部衰減設置，並注意雜散脈衝之功率電平的任何變化。如果雜散脈衝的電平變化幅度大於約 0.5dB，則頻譜分析儀很有可能處於過驅動狀態，因而給出的雜散電平讀數高於實際存在值。輸入衰減的一個良好起點約為 20dB 至 30dB 總值、內部和 / 或外部。圖 2~5 示出了在不斷增加頻譜分析儀之輸入衰減量的情況下測量的連續波 (CW) 音調。隨著衰減電平的增加，實測的功率電平下降，表示儀器原先處於過驅動的狀態。

圖 2：0dB 頻譜分析儀輸入衰減時一個 0dBm CW 70MHz 音調的三次諧波

圖 3：10dB 頻譜分析儀輸入衰減時一個 0dBm CW 70MHz 音調的三次諧波

圖 4：20dB 頻譜分析儀輸入衰減時一個 0dBmCW 70MHz 音調的三次諧波

圖 5：30dB 頻譜分析儀輸入衰減時一個0dBm CW 70MHz 音調的三次諧波

在看到對頻譜分析儀進行過驅動會產生不正確的雜散測量結果之後，您也許決定簡單地用低功率電平驅動該儀器以完全避免上述問題。如果 30dB 的衰減是合適的，那麼 100dB 的衰減一定更好。要知道，當內部衰減器變更時，頻譜分析儀對信號進行歸一化處理。令人遺憾的是，如果您希望查看所關注的雜散脈衝，那麼這是不可行的。對於所使用的每個 dB 的輸入衰減 (內部或外部衰減，情況是相同的)，儀器的噪聲層上升 1dB，從而縮減了儀器的動態範圍，這有可能隱藏一些您恰好正在試圖測量的雜散脈衝。請注意：噪聲層較高，因此在圖 5 中是很明顯的 (相比於圖 2~4)，儘管標度是完全相同的。而且，較高次雜散分量的功率變化與期望的輸出信號並不呈線性關係。相反，它們改變功率的幅度是輸入功率變化幅度的倍數。二次分量 (2*IN x 1*LO，2*IN x 2*LO，2*IN x 3*LO，等等) 將改變2dB/dB，三次分量 (3*IN x 1*LO，3*IN x 2*LO，3*IN x 3*LO ... 等等) 將改變 3dB/dB，依此類推。例如，倘若把輸入信號功率減少 2dB，則在 5*IN x 2*LO 的雜散電平將降低 10dB，而在 2*IN x 1*LO 的雜散電平則將減低 4dB。因此，把過低的信號功率電平置入頻譜分析儀無非是迫使您試圖測量的所有低功率雜散脈衝進入儀器的噪聲層。

錯誤雜散測量的另一個常見來源是缺少輸入信號濾波。對於雜散電平的準確測量而言，使用針對輸入信號的濾波器以衰減任何信號發生器諧波分量是至關緊要的。即使是實驗室品質的信號發生器也將只擁有 -25dBc 至 -50dBc 的諧波抑制水平。凌力爾特混頻器輸出端上的一些雜散電平將低於 -70dBc，所以使用不帶濾波器的信號發生器還不夠好。為此，應採用諧波抑制水平至少為 30dB 至 50dB 的濾波器。圖 6 示出了由 Keysight E8257C 信號發生器產生的一個 100MHz CW 音調的輸出頻譜。請注意基波信號之諧波的功率電平。這些諧波相對水平應當在各種不同的主音調功率電平條件下保持一致。

圖 6：由 Keysight E8257C 信號發生器產生的一個100MHz CW 音調的諧波雜散脈衝

假如您懷疑輸入信號或許將導致雜散脈衝高於預期，那麼最好檢查一下雜散脈衝相對於輸入信號電平的運行狀況。如果雜散脈衝是較高次諧波，而且未對信號電平以合適斜率 (2dB/dB，3dB/dB ... 等等) 發生的變化做出響應，則很有可能的情況是輸入信號源不夠乾淨。

如圖所示，測量混頻器雜散分量並非總是簡單的，但是，通過測試設置的一些小幅調整便可容易地獲得更好的結果。設定輸入衰減器並針對信號源採用正確的濾波方法將提供準確度高得多和可重複的測量。

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