SDR 作为 GPS/GNSS 模拟器的真实信号

    为了更好地理解现实世界的射频环境如何影响接收信号以及如何对其进行仿真，我们需要首先讨论混频器的基本属性，并确定其使用带来的重要的非理想性。混频器可用于上变频和下变频，即将信号向上或向下移动频谱，这是无线电收发器中的基本操作，可确保高频通信在板级上可管理。在架构方面，SDR 通常实现三种类型的混频器：真实 RF 混频器、复杂 IQ 混频器和 CORDIC 混频器。真正的混频器本质上是乘法器，它将输入信号（可以是 RF 或 IF，具体取决于转换）和本地振荡器 (LO) 信号相结合，以在频谱中上下移动频率内容（参见图 1）。下变频时，RF 输入与 LO 相结合，产生低于原始 RF 输入的 IF 输出，而上变频则需要 LO 来增加高于原始 RF 输入的 RF 输出。在此过程中，可以创建边带，通常称为图像边带。通常，我们只对一个边带感兴趣，因此必须通过滤波或相位操纵技术消除另一边带。上变频时，可以使用滤波器或带有 Hartley 调制器的单边带 (SSB) 混频器。Hartley 调制器利用相位操纵来消除边带，从而无需使用窄带滤波器来消除不需要的边带。下变频时，可以利用图像抑制 (IR) 混频器或带有滤波器的标准混频器来消除不需要的图像。RF 输入与 LO 相结合，产生低于原始 RF 输入的 IF 输出，而上变频则需要 LO 来将 RF 输出增加到超过原始 RF 输入。在此过程中，可以创建边带，通常称为图像边带。通常，我们只对一个边带感兴趣，因此必须通过滤波或相位操纵技术消除另一边带。上变频时，可以使用滤波器或带有 Hartley 调制器的单边带 (SSB) 混频器。Hartley 调制器利用相位操纵来消除边带，从而无需使用窄带滤波器来消除不需要的边带。下变频时，可以利用图像抑制 (IR) 混频器或带有滤波器的标准混频器来消除不需要的图像。RF 输入与 LO 相结合，产生低于原始 RF 输入的 IF 输出，而上变频需要 LO 来将 RF 输出增加到高于原始 RF 输入。在此过程中，可以创建边带，通常称为图像边带。通常，我们只对一个边带感兴趣，因此必须通过滤波或相位操纵技术消除另一边带。上变频时，可以使用滤波器或带有 Hartley 调制器的单边带 (SSB) 混频器。Hartley 调制器利用相位操纵来消除边带，从而无需使用窄带滤波器来消除不需要的边带。下变频时，可以利用图像抑制 (IR) 混频器或带有滤波器的标准混频器来消除不需要的图像。

    图 1：上变频和下变频。

    IQ 混频器比真实混频器更进一步，因为它们在同相和正交信号下运行，这允许独立处理两个分量并自然抑制边带，从而无需复杂且昂贵的窄带过滤器。IQ 混频器由两个标准混频器和 LO 处的正交混合耦合器组成（见图 2）。混合耦合器将 LO 信号分成两个输出端口，其中一个输出具有 90° 相移。在上变频期间，每个分量与同相 LO 或正交 LO 信号混合，所得输出在 RF 端口中组合。相反，当混频器用于下变频时，可以轻松地检索两个信号。，CORDIC 混频器（COrdinate 旋转数字计算机）本质上是 IQ 混频器的数字实现，通常使用矢量旋转算法在 SDR 的 FPGA 后端内部进行编程。在这种情况下，LO 是使用 FPGA 内部的数控振荡器 (NCO) 实现的，用于上变频和下变频。在上变频中，通过插值获得更高的频率，并且预计会出现侧图像。在下变频中，混合后抽取起着重要作用，将采样频率降低到主机更易于管理的水平。通过插值获得更高的频率，预计会出现侧面图像。在下变频中，混合后抽取起着重要作用，将采样频率降低到主机更易于管理的水平。通过插值获得更高的频率，预计会出现侧面图像。在下变频中，混合后抽取起着重要作用，将采样频率降低到主机更易于管理的水平。

    图 2：IQ 混合器架构。
    使用混频器时，高端 SDR 工程师通常会采用复杂的电路设计技术来限度地减少非理想性，包括实现电路对称的混合结，以确保混频器平衡 - 在端口之间创建隔离并消除互调产物。然而，无论系统设计得多么好，混合伪影始终存在。其中一些伪影包括 LO 馈通、IF 馈通和边带形成。来自混频器 LO、RF 或 IF 侧的信号馈通是由于寄生电容、电感和电源耦合造成的端口之间有限隔离的结果。这种非理想性会影响混合信号的频率成分，从而在 LO、RF 或 IF 频率处引入谐波。尽管任何类型的馈通都不是可取的，由于与所需谐波的距离较远，来自 IF 或 RF 侧的泄漏可以轻松滤除。然而，LO 信号仍然存在，这会严重影响性能。当使用实际混频器时，即使考虑理想电路，图像带或边带也是混频本身的产物，因此必须通过滤波消除不需要的带。在实际应用中，使用单侧上变频或单侧下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构以消除不需要的边带。此外，除了所需的频率产物之外，射频混频器还会产生杂散产物，可以使用平衡技术来抑制杂散产物，但在某些调谐和 LO 频率下仍可能出现在频谱中。由于与所需谐波的距离。然而，LO 信号仍然存在，这会严重影响性能。当使用实际混频器时，即使考虑理想电路，图像带或边带也是混频本身的产物，因此必须通过滤波消除不需要的带。在实际应用中，使用单侧上变频或单侧下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构以消除不需要的边带。此外，除了所需的频率产物之外，射频混频器还会产生杂散产物，可以使用平衡技术来抑制杂散产物，但在某些调谐和 LO 频率下仍可能出现在频谱中。由于与所需谐波的距离。然而，LO 信号仍然存在，这会严重影响性能。当使用实际混频器时，即使考虑理想电路，图像带或边带也是混频本身的产物，因此必须通过滤波消除不需要的带。在实际应用中，使用单侧上变频或单侧下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构以消除不需要的边带。此外，除了所需的频率产物之外，射频混频器还会产生杂散产物，可以使用平衡技术来抑制杂散产物，但在某些调谐和 LO 频率下仍可能出现在频谱中。这会显着影响性能。当使用实际混频器时，即使考虑理想电路，图像带或边带也是混频本身的产物，因此必须通过滤波消除不需要的带。在实际应用中，使用单侧上变频或单侧下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构以消除不需要的边带。此外，除了所需的频率产物之外，射频混频器还会产生杂散产物，可以使用平衡技术来抑制杂散产物，但在某些调谐和 LO 频率下仍可能出现在频谱中。这会显着影响性能。当使用实际混频器时，即使考虑理想电路，图像带或边带也是混频本身的产物，因此必须通过滤波消除不需要的带。在实际应用中，使用单侧上变频或单侧下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构以消除不需要的边带。此外，除了所需的频率产物之外，射频混频器还会产生杂散产物，可以使用平衡技术来抑制杂散产物，但在某些调谐和 LO 频率下仍可能出现在频谱中。因此必须通过滤波消除不需要的频带。在实际应用中，使用单侧上变频或单侧下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构以消除不需要的边带。此外，除了所需的频率产物之外，射频混频器还会产生杂散产物，可以使用平衡技术来抑制杂散产物，但在某些调谐和 LO 频率下仍可能出现在频谱中。因此必须通过滤波消除不需要的频带。在实际应用中，使用单侧上变频或单侧下变频IQ混频器，实现具有相位消除架构方案的架构以消除不需要的边带。此外，除了所需的频率产物之外，射频混频器还会产生杂散产物，可以使用平衡技术来抑制杂散产物，但在某些调谐和 LO 频率下仍可能出现在频谱中。

    在处理 IQ 过滤器时，平衡是成功的关键。LO 或 I/Q 通道的相位平衡中的任何缺陷都可能导致边带抑制降低和/或通道隔离性能低下，以及 LO 馈通、RF/IF 馈通和杂散产物增加。例如，由于两个内核之间的转换损耗不平衡而导致 IQ 混频器的 I 和 Q 波形之间存在 DC 偏移，可能会导致不希望的 LO 泄漏到输出信号的频谱中，从而将 LO 降低至RF 隔离并限制 IQ 调制/解调性能。图 3 显示了直流偏移对 16-QAM 信号的影响。此外，IQ 通道之间的相位和幅度不匹配可能会导致混频器输出出现严重问题，扭曲这些信号的星座图并影响整体性能（见图 4）。这两种不匹配都是由混合耦合器的平衡问题以及差分连接长度和损耗的差异引起的，对于较高频率的 IF 来说尤其成问题，强调需要相同的差分路径来实现适当的平衡。

    图 3：16-QAM 星座中直流偏移的影响。

    图 4：幅度和相位不平衡的影响。

    理想情况下，混频器可以被视为完美的变频器，具有输入/输出之间的线性功率传输和恒定的转换损耗。然而，在现实生活中，转换损耗随着输入功率的变化而变化，导致输入/输出功率之间出现非线性关系，称为压缩。如图 5 所示，IF/RF 曲线的斜率一开始是线性的，具有恒定的转换损耗和恒定的“增益”。然而，当功率输入太大时，斜率会下降，并且曲线变得非线性。压缩中重要的指标是 1dB 压缩点，它定义为输出与理想点偏离 1dB 所需的输入功率，也是 RF 混频器中输入信号的推荐值。

    图 5：1 dB 压缩点。

    我们要讨论的一个非理想性是互调失真。这种效应的发生是由于混频器的非线性行为，其中两个或多个信号同时到达输入并在其自身及其谐波之间生成频率组合，如图 6 所示。这些信号自然是非非线性的不需要的产物。 -理想行为，因此它们可以统称为互调失真（IMD）。虽然大多数谐波的幅度随频率下降，从长远来看变得可以忽略不计，但三阶 IMD 尤为重要，因为它与基频接近。此外，三次谐波的转换斜率比基波信号高三倍，这使得情况变得非常糟糕。由于压缩，三阶谐波永远不会高于基波，但它们更接近 1dB 压缩点。仅考虑线性斜率，基波和三阶谐波应在理论点处相遇，称为三阶截点 (IP3)，这是 IMD 的一个重要指标。

    图 6：互调失真。
    对模拟器的影响
    射频模拟器在 GPS/GNSS 测试中发挥着关键作用，提供足够的射频环境来复制实际场景中的条件。GPS/GNSS 测试对于确保这些系统准确可靠至关重要。因此，GPS/GNSS 模拟器能够正确地重建 RF 信号的非理想性至关重要，其中包括 SDR 混频器引入的非理想性信号，包括互调失真、压缩、IQ 不平衡和其他混频器伪影。此外，在 GPS 背景下，模拟器必须复制移动平台上 GNSS 接收器的条件，再现车辆和卫星的运动、信号特性和大气条件。
    混合伪影是影响 GPS/GNSS 接收器的常见问题。当接收到的信号与其他信号混合时，就会出现这种情况，从而产生不需要的成分。这可能会导致信号质量下降和系统性能下降。为了模拟这种效果，重要的是要使用能够自适应地改变混频器参数和条件的仪器。在这些场景中，CORDIC 混频器非常有用，因为数字实现允许动态地完全重新配置混频器的行为和性能。
    IQ 不平衡还会影响 RF 收发器，包括 GPS/GNSS 系统中使用的收发器。当同相 (I) 和正交 (Q) 信号不完全平衡时，就会发生这种情况，导致接收信息的表示不完美。这可能会导致解调信号出现错误，从而导致位置和定时信息不准确。为了模拟这种效应，测试环境模拟器中的 SDR 应能够生成相位和幅度不平衡的信号，并测量它们对接收器性能的影响。在传统模拟无线电系统上，改变每个组件的相位延迟和幅度以进行正确的仿真并不容易，特别是考虑到 L1、L2 和 L5 频段。因此，建议使用基于数字的系统，例如 SDR。
    由于接收信号的功率水平极低，以及位置计算所需的高灵敏度和精度，互调效应在 GNSS 应用中尤其显着。互调失真会导致位置计算中出现一系列错误，包括卫星识别不正确、噪声和干扰增加以及信号质量下降。为了模拟 GNSS 系统中 IMD 和 TOI 的影响，RF 收发器必须能够复制现实生活中 IQ 混频器的非线性行为，这还必须解决混频器的压缩效应。模拟压缩极其重要，因为 GNSS 信号的幅度可能会发生显着变化。
    结论
    用于模拟的软件定义无线电 (SDR) 中的真实信号与理想信号之间的差异可能会严重影响 GPS/GNSS 测试。虽然 SDR 有助于克服传统模拟无线电的许多限制，但混频器仍然是可能干扰正常操作的非理想源。本文讨论了混频器的属性及其非理想性，包括杂散、IQ 不平衡、压缩和互调，以及 SDR 中常用的三种类型的混频器：真实 RF 混频器、复杂 IQ 混频器和 CORDIC 混频器。LO 馈通、IF 馈通和边带形成等混频伪影的影响也得到了强调。为了为 GPS/GNSS 测试创建可靠的射频仿真环境，考虑到这些非理想情况并相应地设计系统至关重要。通过分析理想信号与现实信号之间的差异，工程师可以优化其仿真环境，以在测试中实现更高的准确性和可靠性。