設計和實現高性能射頻系統并非易事，尤其是在考慮 GPS/GNSS 應用的復雜挑戰時。幸運的是，軟件定義無線電 （SDR） 的出現有助于克服傳統模擬無線電的一些最顯著的局限性，包括缺乏靈活性、精度有限和笨重。然而，信號處理中的非理想性仍然容易干擾GPS/GNSS系統的正常運行，特別是當涉及到SDR中最基本的組件之一：混頻器時。在這種情況下，對能夠解決混頻器引入的非理想性的射頻仿真環境系統的需求很大，特別是對于GPS/GNSS測試。開發此類系統時，最重要的步驟之一是分析理想信號和實際信號之間的差異，以及這些差異在實際應用中的影響。

　　本文討論了真實世界信號和理想理論信號之間的主要區別，更具體地說，介紹了偽影、雜散、IQ不平衡、壓縮和互調。我們還討論了混頻器的基本概念和類型，以及它們的工作原理與上述信號非理想性的關系。最后，我們討論了所提出的每個非理想性對GPS/GNSS測試模擬環境的設計和實現的影響。本文假設讀者對 GPS/GNSS 模擬器和軟件定義無線電有核心了解，因此如果您需要有關用于 GPS/GNSS 模擬器的 SDR 的更多信息，請閱讀“使用 SDR 作為 GPS/GNSS 模擬器”。

　　攪拌機基礎知識

　　為了更好地理解真實世界的射頻環境如何影響接收信號以及如何對其進行仿真，我們需要首先討論混頻器的基本特性，并確定其使用過程中最重要的非理想性。混頻器可用于上變頻和下變頻，即在頻譜上向上或向下移動信號，這是無線電收發器中的一項基本操作，以確保在板級可管理高頻通信。在架構方面，SDR通常實現三種類型的混頻器：真正的RF混頻器、復雜的IQ混頻器和CORDIC混頻器。實質上，混頻器是將輸入信號（可以是RF或IF，取決于轉換）和本振（LO）信號組合在一起的乘法器，用于在頻譜上上下移動頻率成分（見圖1）。下變頻時，RF輸入與LO相結合，產生低于原始RF輸入的IF輸出，而上變頻則要求LO將RF輸出提高到原始RF輸入之外。在此過程中，可以創建邊帶，這些邊帶通常稱為圖像邊帶。通常，我們只對一個邊帶感興趣，因此必須通過濾波或相位操縱技術來消除另一個邊帶。上變頻時，可以使用濾波器或帶有Hartley調制器的單邊帶（SSB）混頻器。Hartley調制器利用相位操縱來消除邊帶，從而消除了使用窄帶濾波器來消除不需要的邊帶的需要。下變頻時，可以使用鏡像抑制（IR）混頻器或帶濾光片的標準混頻器來消除不需要的鏡像。

圖1：上變頻和下變頻。

　　IQ混頻器可以比實際混頻器更進一步，因為它們同時工作在同相和正交信號中，從而可以獨立處理兩個元件并自然抑制邊帶，從而消除了對復雜且昂貴的窄帶濾波器的需求。IQ混頻器由兩個標準混頻器和一個位于LO的正交混合耦合器組成（見圖2）。混合耦合器將LO信號分成兩個輸出端口，其中一個輸出端口具有90°相移。在上變頻期間，每個分量都與同相LO或正交LO信號混頻，產生的輸出在RF端口中組合。相反，當混頻器用于下變頻時，可以很容易地檢索兩個信號。最后，CORDIC混頻器（COrdinate Rotation DIgital Computer）本質上是IQ混頻器的數字實現，通常在SDR的FPGA后端使用矢量旋轉算法進行編程。在本例中，LO使用FPGA內部的數控振蕩器（NCO）實現，用于上變頻和下變頻。在上變頻中，通過插值獲得更高的頻率，并有望出現側面圖像。在下變頻中，混頻后抽取起著重要作用，將采樣頻率降低到主機更易于管理的水平。

圖 2：IQ Mixer 架構。

　　使用混頻器時，高端SDR工程師通常會采用復雜的電路設計技術，以最大程度地減少非理想性，包括用于電路對稱的混合結，以確保混頻器平衡，從而在端口之間建立隔離并消除互調產物。然而，無論系統設計得多么好，混合偽影總是存在的。其中一些偽影包括LO饋通、IF饋通和邊帶形成。無論是來自混頻器的LO、RF還是IF側的信號饋通，都是由于寄生電容、電感和電源的耦合導致端口之間的隔離有限的結果。這種非理想性會影響混合信號的頻率成分，在LO、RF或IF頻率處引入諧波。盡管任何類型的饋通都不是可取的，但由于與所需諧波的距離較遠，IF或RF側的泄漏可以很容易地濾除。然而，LO信號仍然存在，這會顯著影響性能。使用實際混頻器時，即使考慮理想電路，鏡像頻段或邊帶也是混頻本身的產物，因此必須通過濾波消除不需要的頻帶。在實際應用中，使用單面上變頻或單面下變頻IQ混頻器，實現具有相位消除架構方案的架構，以消除不需要的邊帶。此外，RF混頻器除了產生所需的頻率積外，還會產生雜散產物，這些雜散產物可以使用平衡技術進行抑制，但在某些調諧和LO頻率下仍可能出現在頻譜中。

　　在處理 IQ 過濾器時，平衡是成功的關鍵。LO或I/Q通道相位平衡的任何缺陷都可能導致邊帶抑制降低和/或通道隔離性能降低，以及LO饋通、RF/IF饋通和雜散產物增加。例如，由于兩個內核之間的轉換損耗不平衡，IQ混頻器的I和Q波形之間存在直流失調，這可能導致不希望的LO泄漏到輸出信號的頻譜中，從而降低LO至RF隔離度，并限制IQ調制/解調性能。圖 3 顯示了直流失調對 16-QAM 信號的影響。此外，IQ通道之間的相位和幅度不匹配會導致混頻器輸出出現重大問題，使這些信號的星座圖失真，并影響整體性能（見圖4）。這兩種失配都是由混合耦合器的平衡問題以及差分連接長度和損耗的差異引起的，對于更高頻率的IF尤其成問題，強調需要相同的差分路徑來實現適當的平衡。

　　圖 3：16-QAM 星座圖中直流失調的影響。

　　圖 4：振幅和相位不平衡的影響。

　　理想情況下，混頻器可以看作是完美的變頻器，在輸入/輸出和恒定的轉換損耗之間線性傳輸功率。然而，在現實生活中，轉換損耗隨輸入功率而變化，導致輸入/輸出功率之間出現非線性關系，稱為壓縮。如圖5所示，IF/RF曲線的斜率從線性開始，具有恒定的轉換損耗和恒定的“增益”。但是，當功率輸入過大時，斜坡會下降，曲線變為非線性。壓縮中最重要的指標是1dB壓縮點，它被定義為輸出偏離理想點1dB所需的輸入功率，是RF混頻器中輸入信號的最大推薦值。提高混頻器1dB壓縮點的一種方法是增加電路中二極管的導通電位。

　　圖 5：1 dB 壓縮點。

　　我們將要討論的最后一個非理想性是互調失真。這種效應的發生是由于混頻器的非線性行為造成的，其中兩個或多個信號同時到達輸入端，并在它們與它們的諧波之間產生頻率組合，如圖6所示。這些信號自然是非理想行為的不需要的產物，因此它們可以統稱為互調失真（IMD）。盡管大多數諧波的幅度會隨著頻率的增加而下降，從長遠來看可以忽略不計，但三階IMD尤為重要，因為它與基頻接近。此外，三階諧波的轉換斜率是基波信號的三倍，這使得情況變得非常糟糕。由于壓縮，三階諧波永遠不會高于基波，但它們更接近 1dB 壓縮點。僅考慮線性斜率，基波和三階諧波應在理論點相遇，稱為三階截點（IP3），這是IMD的一個重要指標。

圖 6：互調失真。

　　對模擬器的影響

　　射頻模擬器在 GPS/GNSS 測試中發揮著關鍵作用，它提供了足夠的射頻環境，可以復制實際場景中的條件。GPS/GNSS 測試對于確保這些系統的準確性和可靠性至關重要。因此，GPS/GNSS仿真器能夠正確再現RF信號的非理想性至關重要，其中包括SDR混頻器引入的非理想性，包括互調失真、壓縮、IQ不平衡和其他混頻器偽影。此外，在GPS環境中，模擬器必須在移動平臺上復制GNSS接收器的條件，再現車輛和衛星的運動、信號屬性和大氣條件。

　　混淆偽影是可能影響 GPS/GNSS 接收機的常見問題。當接收到的信號與其他信號混合時，就會發生這種情況，從而導致不需要的分量。這可能導致信號質量下降和系統性能下降。為了模擬這種效果，必須包括能夠自適應地改變混頻器參數和條件的儀器。在這些場景中，CORDIC混頻器非常有用，因為數字實現允許對混頻器的行為和性能進行完全的重新配置。

　　IQ 不平衡也會影響射頻收發器，包括 GPS/GNSS 系統中使用的收發器。當同相 （I） 和正交 （Q） 信號不完全平衡時，就會發生這種情況，從而導致接收到的信息表示不完美。這可能導致解調信號出現誤差，從而導致位置和定時信息不準確。為了模擬這種效應，測試環境仿真器中的SDR應該能夠產生不平衡的信號，包括相位和幅度，并測量它們對接收機性能的影響。在傳統的模擬無線電系統中，改變每個組件的相位延遲和幅度以進行適當的仿真并不容易，尤其是考慮到 L1、L2 和 L5 頻段。因此，建議使用基于數字的系統，例如 SDR。

　　由于接收信號的功率水平極低，以及位置計算所需的高靈敏度和精度，互調效應在GNSS應用中尤為重要。互調失真會導致位置計算出現一系列誤差，包括衛星識別不正確、噪聲和干擾增加以及信號質量降低。為了仿真 GNSS 系統中 IMD 和 TOI 的影響，RF 收發器必須能夠復制現實生活中 IQ 混頻器的非線性行為，這還必須解決混頻器的壓縮效應。模擬壓縮非常重要，因為 GNSS 信號的幅度可能會有很大變化。

　　結論

　　用于仿真的軟件定義無線電 （SDR） 中真實信號和理想信號之間的差異會顯著影響 GPS/GNSS 測試。雖然SDR有助于克服傳統模擬無線電的許多局限性，但混頻器仍然是可能干擾正常運行的非理想性來源。本文討論了混頻器的特性及其非理想性，包括雜散、IQ不平衡、壓縮和互調，以及SDR中常用的三種混頻器：實RF混頻器、復數IQ混頻器和CORDIC混頻器。LO饋通、IF饋通和邊帶形成等混頻偽影的影響也得到了強調。為了為GPS/GNSS測試創建可靠的射頻仿真環境，考慮這些非理想因素并相應地設計系統至關重要。通過分析理想信號和真實信號之間的差異，工程師可以優化其仿真環境，從而在測試中實現更高的準確性和可靠性。

　　審核編輯：黃飛