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RF电路设计讲座(5)射频转换函式和周期性固定噪声之特性介绍

   2007-12-28 安规与电磁兼容网2240


图二说明:侧频带之间的振幅与相位关系,可以在载波中产生AM和PM偏差。空心箭头之相量代表载波,实心箭头的相量代表侧频带。上侧频带是以顺时钟方向旋转,而下侧频带是以逆时钟方向旋转。合成的轨迹显示在下方的图中。(a)单一侧频带调变(只有上侧频带)。(b)任意的双侧频带调变,侧频带之间没有特别的关系。(c)调幅(相同的振幅与相位,两个相量的方向都和载波平行)。(d)相位调变(相同的振幅与相位,两个相量的方向都和载波垂直)。

 

这里的是调幅的成份,而是相位调变的成份。A和都是复数系数。使用窄频的角度调变近似值,(1)式可以被展开成为复数指数的和,以区别上、下侧频带。
(2)
(3)
这里的。重新整理后,以L和U来表示A和
(4)
(5)

因此,指定载波的相位 (可以从周期性稳态分析中求得),并指定从输入讯号到上侧和下侧频带的转换函式:L和U(可以从周期性AC分析中求得),我们就可以求出转换至AM(A)和转换至PM( )的转换函式。
       若想求得转换至FM之转换函式,则令为调频的成份,因为调频是有额外的频率()和基频讯号成正比例的关系存在,表示这个额外的频率是瞬间的相位偏移,所以「相位偏移的总和」是与基频讯号对时间的积分成正比,因此(1)式中的会变成:
(6)
则转换至FM之转换函式为,或为:
(7)

振荡器负载拉升

「负载拉升(load pull)」是指振荡器的频率位移,它是负载阻抗、供电压、基板(substrate)、偏压线路等的函式。一个负载阻抗的变化代表电路中有一个参数改变了,所以需要一套完整的周期性稳态分析法,来计算振荡频率的响应。然而,只要因供电压、基板、偏压线路所造成的讯号改变幅度不是很大的话,则振荡器频率对这类扰动的灵敏度,是可以利用上述的FM转换函式求得。

周期性固定噪声

对频率系统而言,有两个作用会使噪声的分析复杂化。第一,噪声来源和偏压相关,譬如:BJT中的「散粒噪声来源(shot noise source)」或MOSFET中的热噪声 (Thermal noise),时变工作点可调变噪声来源。这种噪声来源可归类为「周期性固定噪声」。第二,从噪声来源到输出端的转换函式,也是周期性变化的,所以它也可以调变噪声来源,并将调变结果送至输出端。在此情况下,即使噪声来源是固定的(stationary),譬如是线性的非时变电阻之热噪声,在输出端的噪声也是「周期性固定的」。

什么是「周期性固定(cyclostationarity)」呢?为什么要用「周期(cyclo)」这个字呢?cyclo是「圆圈(circle)」或「周期(cycle)」的意思。简单说,若一个运动程序(process)是「周期性固定的」,表示当测量此运动之后,其统计数据会显示,它是随着时间做周期性变化的。它与「固定的」运动程序不同,因为后者的统计数据不会随着时间改变。底下举两个简单的掷骰子游戏来说明:

使用具有六个边的骰子。如果公平地每天掷骰子1,000次,则其结果是可以预期的,每天应该得到相同的平均值(假设是3.5)。这种动作就称为「固定的」运动程序。

现在假设有两个骰子,一个具有六个边,另一个具有九个边。六个边的骰子是在星期一、二、三、四投掷;九个边的骰子是在一周的其它日期投掷。结果清楚可知,在投掷六个边的骰子之日期里,应该可以得到一个平均值3.5;在投掷九个边的骰子之日期里,应该可以得到另一个平均值5。此统计结果清楚显示,它是随着时间做周期性(每周)变化的,因此,它是「周期性固定的」。

调变是讯号在时域内的乘法运算,所以在频域中,噪声来源的频谱是与转换函式的频谱进行旋转(convolve)运算的。因为转换函式是周期性的或准周期性的,所以具有一个离散线谱(discrete line spectrum)。与离散频谱进行旋转运算牵涉到一序列的缩放、位移和加总的运算,如附图三所表示的混波器作业。最后结果是所有噪声来源的作用之总和,包含LO谐波的上转换(up-convert)和下转换(down-convert)至期望的输出频率。这就是「重迭噪声(folding noise)」。

       一个固定的噪声来源之周期性调变,是来自于一个周期性的偏压、或来自于一个周期性变化的讯号路径,此路径是从来源端到输出端。结果会在输出端产生「周期性固定的」噪声。在固定的噪声中,不同频率的噪声之间是没有相关性的。如附图三中所示,总输出噪声(周期性固定噪声)会在频率每间隔kf处,产生相互关联;这里的f是调变频率,而k是一个整数。下面分别介绍「周期性固定噪声」的几个重要特性。 

 
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