一種提高模擬正交調(diào)制載波抑制度的方法

李 鋒，滑 莎，侯永彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種提高模擬正交調(diào)制載波抑制度的方法

李 鋒，滑 莎，侯永彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)正交調(diào)制中所存在的載波泄露問題，對(duì)載波泄露的影響因素進(jìn)行理論分析，并簡(jiǎn)單描述工程中減少載波泄露所面臨的問題，提出了一種反饋調(diào)節(jié)法來減少載波泄露，提高載波抑制度。該方法從載波泄露值的大小變化中得到的反饋信息，根據(jù)該反饋信息來決定直流偏置的調(diào)節(jié)方向，進(jìn)而達(dá)到大幅度提高載波抑制度的效果。通過采用TRF370417芯片，結(jié)合所設(shè)計(jì)直流偏置微調(diào)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，載波抑制度可達(dá)59 dB，證明了該方法的正確性和有效性。

模擬正交調(diào)制；載波抑制度；直流偏置；微調(diào)電路

0 引言

目前，正交調(diào)制技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感和數(shù)傳等多個(gè)領(lǐng)域。正交調(diào)制技術(shù)通過基帶信號(hào)與載波的混頻，實(shí)現(xiàn)基帶向射頻的頻譜搬移。多種調(diào)制體制都可以通過正交調(diào)制來實(shí)現(xiàn)[1]。

正交調(diào)制過程可通過模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。用數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，可以獲得較好的幅度和相位一致性[2]，但是受DAC等數(shù)字處理器件的限制，只能實(shí)現(xiàn)中低速率基帶信號(hào)的調(diào)制功能。

隨著數(shù)據(jù)傳輸量的增加，數(shù)字器件無法實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率正交調(diào)制，只能使用模擬電路實(shí)現(xiàn)。在用模擬電路實(shí)現(xiàn)時(shí)[3]，由于基帶信號(hào)間及兩路正交載波信號(hào)間均存在幅度誤差、相位誤差和直流偏置，使得調(diào)制后的信號(hào)存在載波泄露問題。

對(duì)于載波泄露問題及解決方法，國(guó)內(nèi)外很多研究者都進(jìn)行了研究[4-8]，但多是針對(duì)低速率數(shù)字正交調(diào)制，同時(shí)針對(duì)模擬調(diào)制所進(jìn)行的分析，多忽略模擬器件的離散性對(duì)載波泄露的影響，導(dǎo)致對(duì)載波抑制度的改善效果并非特別明顯。本文在對(duì)模擬正交調(diào)制的基本原理、誤差來源及模擬電路器件所具有的離散性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種有效提高載波抑制度的方法。

1 理論分析

正交調(diào)制的原理如圖1所示。

圖1 正交調(diào)制原理

I(t)和Q(t)是基帶信號(hào)，SLO_I(t)和SLO_Q(t)為具有正交特性的載波信號(hào)，I(t)和SLO_I(t)相乘，Q(t)和SLO_Q(t)相乘，之后再疊加(通常Q路在疊加時(shí)會(huì)乘以-1)，可得輸出信號(hào)S(t) =I(t)·SLO_I(t) -Q(t)·SLO_Q(t)，這個(gè)過程稱之為IQ調(diào)制，因SLO_I(t)和SLO_Q(t)具有正交特性，因此又叫正交調(diào)制[9]。通常取SLO_I(t)為cosω0t，SLO_Q(t)為sinω0t，則可得

S(t)=I(t)·cosω0t-Q(t)·sinω0t。

(1)

理想情況下基帶信號(hào)I(t)和Q(t)的幅值完全相等，相位差固定，而且不存在直流偏置；載波信號(hào)具有同樣特性，即SLO_I(t)和SLO_Q(t)的幅值完全相等，相位差固定，不存在直流偏置。

但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電子元器件的離散型，即使相同電子元器件仍然存在細(xì)微的差異性。這導(dǎo)致I(t)和Q(t)之間總存在一定的幅度、相位誤差及直流偏置誤差；同樣，SLO_I(t)和SLO_Q(t)這對(duì)信號(hào)之間也存在一定的幅度、相位誤差及直流偏置誤差。

為便于討論，將實(shí)際的I(t)、Q(t)和SLO_I(t)、SLO_Q(t)信號(hào)表示為：

(2)

式中，G、φ和D分別是I(t)和Q(t)信號(hào)的幅度、相位和直流偏置；類似的，A、θ和E分別為SLO_I(t)和SLO_Q(t)信號(hào)的幅度，相位和直流偏置。將式(2)帶入式(1)并經(jīng)變換整理后得S(t)的表達(dá)式為[10]：

Di·Ai·cos(ωct+θi)-Dq·Aq·sin(ωct+θq)+

Gi·Ei·cos(ω0t+φi)-Gq·Eq·sin(ω0t+φi)+

Di·Ei-Dq·Eq。

(3)

分析式中正弦和余弦信號(hào)的頻率大小可得，式中分別包含上邊帶已調(diào)信號(hào)、下邊帶鏡頻干擾信號(hào)、載波泄露信號(hào)、基帶泄露信號(hào)和直流泄露。在實(shí)際應(yīng)用中，該式所包含的低頻信號(hào)部分可濾除掉，但載波泄露部分難于濾除。將載波泄露信號(hào)用SLO_LEAK(t)來表示，由式(3)可得其表達(dá)式為：

SLO_LEAK(t)=Di·Ai·cos(ωct+θi)-

Dq·Aq·sin(ωct+θq)。

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行等效變換可得：

SLO_LEAK(t)=

(5)

令

可見該式為載波泄露幅度表達(dá)式，化簡(jiǎn)得

(6)

分析式(6)可知，理論上，載波信號(hào)的幅度、相位和基帶信號(hào)的直流偏置決定了載波泄露信號(hào)的大小[11]。

2 載波泄露影響因素

實(shí)際應(yīng)用中，由于正交調(diào)制的集成化，影響載波泄露信號(hào)大小的主要因素為基帶信號(hào)直流偏置的大小。

隨著IC技術(shù)的發(fā)展，正交調(diào)制器早已集成化，且正交載波信號(hào)由集成電路內(nèi)部產(chǎn)生,其幅度和相位的平衡性由半導(dǎo)體工藝決定,且隨著近年來半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)步,已經(jīng)趨于理想，一般不可調(diào)整[12]。因此，假設(shè)載波的幅度和相位分別相等即Ai=Qq，θi=θq，代入式(6)可得：

(7)

可見載波泄露的平方與基帶信號(hào)的直流偏置程拋物面關(guān)系，可用Matlab建立拋物面模型如圖2所示。

圖2 載波泄露幅度與基帶信號(hào)直流偏置的關(guān)系

由以上分析可知，當(dāng)I(t)和Q(t)直流偏置都為零時(shí)，載波泄露最小。在實(shí)際工程應(yīng)用中，直流偏置幾乎無法完全避免。首先I路和Q路上的直流偏置無法用隔直去消除，因?yàn)楦糁毕喈?dāng)于一個(gè)高通濾波器，在混頻(模擬正交調(diào)制的基帶信號(hào)和載波信號(hào)相乘多采用混頻器來實(shí)現(xiàn))之前加隔直，會(huì)同時(shí)將屬于低頻信號(hào)的基帶信號(hào)一起慮掉；在混頻之后，因?yàn)榛鶐盘?hào)和直流偏置同時(shí)與載波混頻為高頻信號(hào)，此處加隔直或者帶通，同樣無法濾除載波泄漏[13]。

再次，I(t)和Q(t)多采用差分結(jié)構(gòu)電路，因?yàn)槔碚撋螴(t)+和I(t)-(或Q(t)+和Q(t)-)等長(zhǎng)，則I(t)(或Q(t))上的直流偏置可完全抵消。而這需要保證PCB布線時(shí)差分兩路完全等、IC內(nèi)部健和線完全等長(zhǎng)，所用導(dǎo)線材料密度完全一致，即使這些條件滿足，但仍無法保證數(shù)據(jù)源所輸出的差分交流信號(hào)I(t)和Q(t)所馱載的直流信號(hào)電平完全相等、正交調(diào)制IC內(nèi)部將直流電平完全抵消。采用差分形式的基帶信號(hào)可以一定程度上消除直流偏置[14]，減小載波泄露，但仍無法保證完全消除直流偏置，這是由模擬器件性能的離散性所致。

3 提高載波抑制度的方法

針對(duì)以上載波泄露理論分析，以及工程實(shí)際中所存在的影響因素，提出一種反饋調(diào)節(jié)的方法。該方法根據(jù)基帶信號(hào)的直流偏置和載波泄露的變化關(guān)系來調(diào)節(jié)直流偏置，充分考慮了模擬器件所存在的離散性，使得直流偏置無限接近于零。

分析式(7)可知，固定基帶數(shù)據(jù)中任何一路的直流分量，另一路的直流分量變化時(shí)，載波泄露幅度會(huì)隨其程拋物線關(guān)系變化。利用這一變化關(guān)系及器件具有離散性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)可對(duì)分別I(t)+和I(t)-(或Q(t)+和Q(t)-)的直流電平做增大和減小2個(gè)方向的線性精密微調(diào)電路。根據(jù)I(t)+或I(t)(Q(t)+或Q(t)-)的變化來觀察所引起的載波泄露幅度值的變化，根據(jù)載波泄露幅度值的變化方向來決定I(t)+或I(t)-(Q(t)+或Q(t)-)的直流偏置調(diào)節(jié)方向，尋找對(duì)用拋物線的最低點(diǎn)，這樣便可在差分電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少載波泄露，提高載波抑制度。所設(shè)計(jì)電路原理框圖如圖3所示。

圖3 直流偏置微調(diào)電路原理

從I(t)+/Q(t)+支路為例來看，直流偏置微調(diào)電路首先提供保證調(diào)制芯片正常工作所需要直流偏置值，其次該微調(diào)電路可以控制直流偏置以線性變化的方式增大或者減小。這樣便可以根據(jù)載波泄露值的大小變化所反饋到的信息來通過微調(diào)電路來在更精密的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直流偏置，使直流偏置幾乎接近零，達(dá)到提高載波抑制度的效果。微調(diào)電路在設(shè)計(jì)時(shí)保證交流信號(hào)阻抗控制為50 Ω，同時(shí)不會(huì)對(duì)相位平衡造成影響[15]。

4 電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述分析設(shè)計(jì)了一種由模擬正交調(diào)制IC及微調(diào)電路構(gòu)成的高頻模擬正交調(diào)制電路[16]。設(shè)計(jì)中，IQ兩路差分阻抗控制為100 Ω，且控制等長(zhǎng)；微調(diào)電路的電源加電容濾波，減少進(jìn)入基帶數(shù)據(jù)噪聲[17]。使用安捷倫公司的頻譜儀來測(cè)試通道功率和載波功率，觀察該方法是否能有效提高載波抑制度。

在給載波加1.2 G單載波信號(hào)， IQ兩路提供帶寬為120 M的PN序列來做基帶數(shù)據(jù)，未調(diào)節(jié)微調(diào)電路時(shí)，所泄露載波功率為-33.52 dBm，如圖4所示。

圖4 微調(diào)前調(diào)制器輸出信號(hào)頻譜

調(diào)節(jié)微調(diào)電路后，載波功率為-71.45 dBm，提高了近40 dBc，如圖5所示。將積分帶寬設(shè)置為150 M，測(cè)量通道功率為-11.95 dBm，計(jì)算可得，調(diào)整后載波抑制度為59.5 dB，可見該方法可明顯的提高載波抑制度，減少載波泄露。

圖5 微調(diào)后調(diào)制器輸出信號(hào)頻譜

5 結(jié)束語

模擬正交調(diào)制是高數(shù)據(jù)速率傳輸時(shí)必不可少的技術(shù)之一，但是調(diào)制過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生載波泄露，會(huì)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)造成浪費(fèi)發(fā)射功率，影響接收靈敏度[18]等不利影響。本文提出的反饋調(diào)節(jié)法，將模擬器件的離散性對(duì)載波的泄露影響考慮在內(nèi)，分析更為精確，同時(shí)結(jié)合直流偏置微調(diào)電路，很好地避免了由于器件離散性對(duì)載波泄露造成的不利影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示該方法可大幅度減少載波泄露，提高載波抑制度。該方法可很好地應(yīng)用于高速調(diào)制領(lǐng)域中。

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AMethodforImprovingCarrierSuppressionofAnalogQuadratureModulation

LI Feng,HUA Sha,HOU Yong-bin

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

To solve the problem of carrier leakage in quadrature modulation,this paper presents a feedback regulation method to reduce carrier leakage and improve carrier suppression,based on analyzing the causes of carrier leakage,and describing the existing problem of reducing carrier leakage in engineering.In this method,the feedback information which determines the direction of DC bias adjustment is obtained from the change of the carrier leakage value.The carrier suppression can be greatly improved using this method.The correctness and effectiveness of this method are proved using TRF370417 chip and the designed DC offset trimming circuit.Experimental results show that the carrier suppression can up to 59 dB.

analog quadrature modulation;carrier suppression;DC bias;trimming circuit

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.08

李鋒，滑莎，侯永彬.一種提高模擬正交調(diào)制載波抑制度的方法[J].無線電工程,2017,47(12):34-37.[LI Feng,HUA Sha,HOU Yongbin.A Method for Improving Carrier Suppression of Analog Quadrature Modulation[J].Radio Engineering,2017,47(12):34-37.]

TN83

A

1003-3106(2017)12-0034-04

2016-04-20

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

李鋒男，(1986—)，工程師。主要研究方向：高速數(shù)據(jù)傳輸。

滑莎女，(1984—)，工程師。主要研究方向：高速調(diào)制解調(diào)。