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高动态范围混频前端(IK1ODO) 译稿 [复制链接]

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离线Receiver
 
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136
只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2008-07-16
由于原文链接已经失效,因此如果需要查看英文版的原文,请至23楼的附件下载;另外包含图片的pdf版译稿也同样可以在23楼下载到。
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在网上搜索tayloe mixer时找到一篇不错的文章,ik1odo写的高动态范围qsd前端,这篇文章对tayloe mixer中的一些问题有一些不错的见解。
我把其中比较重要的部分翻译了一下,顺便贴上来,以便同好阅读

小弟才疏学浅,翻译时里边还有不少内容尚有困惑,所以译得不对或不好的地方还请各位大佬指出纠正。

原文地址http://www.spin-it.com/sdr/ik1odo_sdr1.html

///////////////////////////////////////////////////////下行起内容为译文正文部分///////////////////////////////////////////////////////

电路说明:


我所使用的电路:4相,单平衡混频器,根据n7ve的建议,导通角选为90度。
采样器:fst3125,无内部解码逻辑,故而有着最佳的开关对称性。
分频器:采用常见的johson环形计数器,驱动四个与非门。
实验发现,在混频器的rf端会出现本振信号(-60dbm)及其谐波,而且谐波的幅度更强,不过这可以通过在输入端加入lpf解决。我想较低的本振泄漏说明电路的平衡是比较好的。下图是rf端口上的本振泄漏频谱:



rf信号通过输入变压器后阻抗从50ohm变为200ohm。这个输入变压器可以采用三线并绕于铁氧体磁环(ft37-43等)数圈即可。
这样运放所看到的阻抗就变成800ohm(四倍的混频器输入阻抗),这个阻抗比较接近于运放的噪声匹配阻抗(见后文)。
混频器后接有双工器,主要有两个作用:给混频器的输出提供一个恒定的负载阻抗,这样使得rf输入端的阻抗也可以在较宽的频率范围内保持恒定;这样同时也可以避免带外信号进入运放,下面是关于这一点的详细介绍:
通常,tayloe混频器的输入阻抗通常是会随频率变化的,而且很难预估。通过对softrock测试,我们发现其阻抗离50ohm很远,所以对前面的预选滤波器而言此时并没有一个合适的负载阻抗。而采样器的输出分量中包含了大量的高频信号以及毛刺等等,主要集中在lo及其谐波,一直延伸到uhf频段在整个环路带宽内,运放对所有信号呈现虚短,但是输入级如果有快速突发信号的话,还是会进入非线性工作状态。所以出于这个考虑,很有必要引入双工器;
此diplexer的截止频率大约为250khz,这个频率大于音频的通带(96khz),但是又小于运放的单位增益带宽。由于当fst3125的开关导通时必须与rf输入阻抗匹配,所以其阻抗设为200ohm;从下面的测量结果可以看出,rf端的阻抗在1-50mhz范围内都非常接近50ohm:



混频放大器:
此处参照了oh2rz的电路,使用了opa1632全差分放大器,因为我正好可以用来驱动我的声卡平衡输入口;为了获得足够的动态范围,运放的供电采用正负12v双电源。对于opa1632而言,当输出信号幅度为vcc/3=4v时可以获得最佳的imd和失真度,而4vrms对于高档声卡来说尚在其输入范围内(10dbu+余量)。在这里如果选用仪表放大器并不合适,因为仪表放大器在低增益时噪声会比opa1632大很多。

运放的噪声会直接影响整机的噪声水平。运放的噪声可以建模为一个电压源(en)并上输入电阻,再串上一个电流源(in),在这里,en/in=rn,即等效噪声电阻。当运放的输入电阻与rn相等整个系统的噪声最小;根据计算,opa1632的rn为3.25kohm,这个值这对于rf电路来说,很难在宽带内都做到匹配。
当外部的电阻很接近3.25kohm时,这个运放的噪声系数为0.53db;在这里,因为运放看到的输入电阻大约为1kohm,所以噪声系数上升为0.72db。若是使用四颗昂贵的ad797,那么噪声系数可改改善0.4db,不过在我看来这样做成本太高,不值得。

采样噪声:
fst3xxx系列以及其它类似的开关从原理上来讲并不是噪声很大的器件,因为在其内部只有一个简单的cmos开关来连接输入输出端,所以唯一产生噪声的就是其导通电阻ron(4ohm)的热噪声,而这个值也很小。然而事实却并非如此,许多实验者的测试结果显示,这类器件的噪声很大,而且噪声会随着频率升高而升高。softrock作为一个40m的接收机来说已经是很成功了。
我个人认为,这些噪声很可能来源于开关轮流切换这种工作方式本身。这些由0-5v的上冲引起的噪声会通过栅极电容耦合到输出通道上,虽然我们不知道这个栅极电容具体有多大,但是一般估计应该也有5pf的量级。

通过实验,我发现以下措施可以减小这些开关噪声:
——使用74ac系列门电路(我起初使用的是74f系列)
——在74ac00的输出端串联100欧姆的电阻
——将fst3125的工作电压提高至6.8v(器件允许的最大值为7v)

但是有趣的是,当我改变fst3125的输入偏置电压(通常设在vcc/2)时,噪声会减小几个db。在我的电路中,可以通过一个可调电阻来改变vref。我想下面这一点可能很重要:当本振频率增加时,vref也必须随之改变。因为我通过实验发现,对应噪声最小的这个vref的值,在7mhz时有很大的范围,而在29mhz时则范围很小。通过改变这个偏置电压,我可以在1.8-21mhz范围内获得-127dbm的噪底(2.4khz的中频),以及在29mhz附近获得-126dbm的噪底。我手上没有在50mhz时的数据,因为虽然混频器能够一直工作到40mhz,但这时触发器早就已经罢工了。

关于这个现象,我暂时还想不出原因。我这边有一些测试结果,下面的两张图片都是fst3125第3脚的波形,只是时间轴的设置不同。由于我的示波器只有1ghz带宽,所以我怀疑这些脉冲实际上可能还会更宽。

脉冲的幅度为600mvpp



同一信号在1ns/格的波形:

图中波形的压摆率已经受到示波器的上升时间300ps的限制。

噪声估计
如果噪底为-126dbm(2.4khz时),那么噪声系数可以算出来大概是14db。其中3db损耗来自于diplexer的电阻,1db来自运放的噪声,还有几db来自声卡输入端变压器的损耗,最后的几db来自于90度采样过程的损失。我的混频器的enr大概是8db,所以还有改善的空间。事实上我对一些参数稍作修改,便已在14mhz时经达到了-132dbm(还是在2.4khz时)

后续工作:
现在的电路是采用死虫法做的,而且工作状况良好。不过后续还有几点待继续实验:
1) 测试不同的总线开关,以及不同厂家的fst3125,或者使用fst3125,把与非门改成与门。fsav332是另外一个不错的选择,只是封装更小,需要做pcb进行实验。
2) 尝试改变和优化与非门与开关之间的电阻。这个电阻所影响的压摆率很可能是个关键。
3) 寻找能够工作到50mhz的分配电路来驱动开关。
4) 修改输入滤波器。我曾在输入侧插入一个5阶低通滤波器,结果噪声上升了大约有4db之多。所以需要寻找一种方法来改善输入匹配,这样diplexer就不用随着各种滤波器进行改动了。
离线代洪波
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4809
只看该作者 1楼 发表于: 2008-07-16
楼主辛苦了!
离线Receiver
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136
只看该作者 2楼 发表于: 2008-07-16
[quote=代洪波]楼主辛苦了![/quote]
哪里哪里,只要有人觉得有用就好。
大家一起玩总比一个人瞎折腾强
离线radiolee
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6050
只看该作者 3楼 发表于: 2008-07-16
就我的理解,这样的前端不适合普通的模拟机使用。不过lz幸苦了,搞sdr的人可以研究研究,用来打磨sdr1k
离线Receiver
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136
只看该作者 4楼 发表于: 2008-07-17
'
就我的理解,这样的前端不适合普通的模拟机使用。
'
能说一下具体是什么原因吗?

因为我看到有不少作品就是用这样的前端配上音频移相网络来组成不错的ssb或cw接收机的,
比如oh7sv在04年做的直变式接收机(cw\ssb收发信机)及其后来做的trx2(cw\ssb收发信机)都是这种架构:

还有n7ve的nc2030 cw接收机,性能也是相当强悍。
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离线BG9ADQ
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1425
只看该作者 5楼 发表于: 2008-07-17
sdr发展很快呀!
离线radiolee
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6050
只看该作者 6楼 发表于: 2008-07-17
'
能说一下具体是什么原因吗?
因为我看到有不少作品就是用这样的前端配上音频移相网络来组成不错的ssb或cw接收机的,
比如oh7sv在04年做的直变式接收机(cw\ssb收发信机)及其后来做的trx2(cw\ssb收发信机)都是这种架构:

还有n7ve的nc2030 cw接收机,性能也是相当强悍。
'

个人感觉,如有不对请批评指正。

但是至少有一点,lo需要两个相位差为180度的信号,比较简单的方法是lo输出提高一倍然后做2分频,但是这样的话例如29.6,if9mhz,就需要78mhz左右的lo输出,在业余条件下对lo的要求就无形提高了。
离线BA7EI
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7096
只看该作者 7楼 发表于: 2008-07-17
关注
                        
离线BA5RW
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48263
只看该作者 8楼 发表于: 2008-07-17
学习中……楼主好人!
离线焊机一派
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128
只看该作者 9楼 发表于: 2008-07-17
看了一下资料发现这玩意公布的几个指标非常高,通过电路分析感觉其成本相对中高档电台ic-756piii要便宜.

高动态范围混频前端在商品无线电接收机的应用不知道怎么样?以前的中低档设备就不说了,现代军方的无线电侦听设备未必见报过,但真正高档的民用机比如说ic-7800、ic-r9500之类缺未采用此构架而被它作为参照物亮像。难道说全世界这些专业无线电接收设备的研究所和设计院的所有设计师都未曾发现这东西的优势?

小弟才疏学浅,存在有困惑,还请各位大佬点化。
离线一异
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868
只看该作者 10楼 发表于: 2008-07-17
'
个人感觉,如有不对请批评指正。
但是至少有一点,lo需要两个相位差为180度的信号,比较简单的方法是lo输出提高一倍然后做2分频,但是这样的话例如29.6,if9mhz,就需要78mhz左右的lo输出,在业余条件下对lo的要求就无形提高了。
'

要获得90°相差信号的确比较麻烦,需要4倍频用环形计数器分频。
但180°相差就太简单了,用一个差分放大器:比如ad8138就可以得到很理想的两个相位相反的信号。
离线一异
发帖
868
只看该作者 11楼 发表于: 2008-07-17
[quote=焊机一派]看了一下资料发现这玩意公布的几个指标非常高,通过电路分析感觉其成本相对中高档电台ic-756piii要便宜.

高动态范围混频前端在商品无线电接收机的应用不知道怎么样?以前的中低档设备就不说了,现代军方的无线电侦听设备未必见报过,但真正高档的民用机比如说ic-7800、ic-r9500之类缺未采用此构架而被它作为参照物亮像。难道说全世界这些专业无线电接收设备的研究所和设计院的所有设计师都未曾发现这东西的优势?

小弟才疏学浅,存在有困惑,还请各位大佬点化。[/quote]

还是性价比的问题。这类电路虽然有很突出的优势,但没有被集成到芯片里,需要自己搭电路,成本偏高。而且用这种电路混频,没有混频增益,所以可能还需要加高放。
实际上,如果要求不是很苛刻,采用通行的设计方法完全可以达到设计指标。要适应信号的强度变化,也不是必须采用这种电路。
总之,商品机的设计首先考虑的是综合性能,强调某一个部件的指标通常是没有意义的。
离线焊机一派
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128
只看该作者 12楼 发表于: 2008-07-19
从应用业绩来看,我怀疑该电路存在未被公开的性能缺陷
[quote=一异]还是性价比的问题。这类电路虽然有很突出的优势,但没有被集成到芯片里,需要自己搭电路,成本偏高。而且用这种电路混频,没有混频增益,所以可能还需要加高放。
实际上,如果要求不是很苛刻,采用通行的设计方法完全可以达到设计指标。要适应信号的强度变化,也不是必须采用这种电路。
总之,商品机的设计首先考虑的是综合性能,强调某一个部件的指标通常是没有意义的。[/quote]

1、未发现有非常昂贵的元器件,对于yaesu ft 9000 hf、icom ic-7800、ic-r9500来说,承受这点器件成本九牛一毛;

2、采用没有混频增益的肖特基二极管双平衡混频器电台和收讯机比比皆是,而且绝大多数没有加高放,实测灵敏度都足够高。

3、同意你的“设计首先考虑的是综合性能,强调某一个部件的指标通常是没有意义的”说法。
离线一异
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868
只看该作者 13楼 发表于: 2008-07-19
[quote=焊机一派]1、未发现有非常昂贵的元器件,对于yaesu ft 9000 hf、icom ic-7800、ic-r9500来说,承受这点器件成本九牛一毛;

2、采用没有混频增益的肖特基二极管双平衡混频器电台和收讯机比比皆是,而且绝大多数没有加高放,实测灵敏度都足够高。

3、同意你的“设计首先考虑的是综合性能,强调某一个部件的指标通常是没有意义的”说法。[/quote]

这里成本问题并不是元器件成本问题,而是综合成本问题。
说实话,虽然这个译文给出的电路的确可以满足大动态的要求,但并不完美,毕竟是但平衡的。如果要追求完美,可以考虑用四只fet的环形混频器,似乎这才是性能最理想的混频器。
离线焊机一派
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128
只看该作者 14楼 发表于: 2008-07-20
[quote=一异]这里成本问题并不是元器件成本问题,而是综合成本问题。
说实话,虽然这个译文给出的电路的确可以满足大动态的要求,但并不完美,毕竟是但平衡的。如果要追求完美,可以考虑用四只fet的环形混频器,似乎这才是性能最理想的混频器。[/quote]

1、请教你所说的综合成本包括哪些分项?能不能一一列出?

2、在《高性能直接变换cw接收机(austin nc2030)_by n7ve.pdf 》里边,k2和它都重挫ft-1000mp和ic-7800这类采用四只fet的环形混频器的高性能设备,能否分析一下它未被揭露的技术缺陷?
离线一异
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868
只看该作者 15楼 发表于: 2008-07-20
综合成本是一个很麻烦的问题,我过去生产一个东西,搞了几年,最后都没算清除综合成本。
或许只能这样说:对于生产厂家来说,是不愿意轻易更改设计的,因为每一种新的设计就意味着新的问题。
只有在不修改设计就无法达到要求的性能,或者修改设计意味着很大的好处(包括技术上的和经济上的),否则厂家宁愿沿用原有的设计方案。当然前提是原有的设计方案能满足设计需要。

后面一个问题:我没看过这篇文章,所以难以作答。
离线VR2KW
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3110
只看该作者 16楼 发表于: 2008-07-20
[quote=一异]这里成本问题并不是元器件成本问题,而是综合成本问题。
说实话,虽然这个译文给出的电路的确可以满足大动态的要求,但并不完美,毕竟是但平衡的。如果要追求完美,可以考虑用四只fet的环形混频器,似乎这才是性能最理想的混频器。[/quote]

你是说这个吗?
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离线Receiver
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136
只看该作者 17楼 发表于: 2008-07-21
[quote=一异]后面一个问题:我没看过这篇文章,所以难以作答。[/quote]
就在我5楼贴的附件里,您可以去看一下
[quote=一异]说实话,虽然这个译文给出的电路的确可以满足大动态的要求,但并不完美,毕竟是但平衡的。如果要追求完美,可以考虑用四只fet的环形混频器,似乎这才是性能最理想的混频器。[/quote]
能讲一下如果这个电路也变成双平衡的话,和四个fet的环形混频器相比性能上有何差异吗?
ps:这个电路要做成双平衡似乎也并不复杂,再来一个1:4开关即可,可以参阅dan tayloe(n7ve)的《tayloe mixer》:
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离线Receiver
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136
只看该作者 18楼 发表于: 2008-07-21
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你是说这个吗?
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我猜他说的也有可能是下面这个:
ba0bz在很早以前就开始找这个sd8901了,也不知道现在有没有找到了
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离线一异
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868
只看该作者 19楼 发表于: 2008-07-21
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我猜他说的也有可能是下面这个:
ba0bz在很早以前就开始找这个sd8901了,也不知道现在有没有找到了
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你们俩的图虽然不太一样,但实际上似乎没什么差别。

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能讲一下如果这个电路也变成双平衡的话,和四个fet的环形混频器相比性能上有何差异吗?
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如果改成赏平衡结构,和四只fet的电路不会有本质的差异,实际上fst3125这种芯片内部也同样是mos-fet做开关。

《very high performance image rejecting direct conversion receivers》我看了一下,英文不太好,只看了一个大概。
我认为,那里给出的指标对照并不能说明太多的问题,很大程度上不是电路形式的问题,而是具体设计的问题。

作为数字电路,fst3125和普通的混频器还是有一点不太一样的地方:数字电路中驱动电压比较高,是接近电源电压的方波。比如fst3125通常使用5v电源,mos-fet的驱动电压也接近5v。
而一般的接收机里面很少会采用这么点评这么高的本振信号。或许,这正是nc2030的ip3dr指标比其他机器高出许多的缘故。
采用高的本振电平并不复杂,但本振电平也不是越高越好。本振电平过高,本振泄漏、串扰都是问题。ip3dr高是好事儿,但更重要的是动态范围,如果提高ip3dr的代价是噪声上升,或许会得不偿失。