论文部分内容阅读
【摘要】 分析了QPSK调制方式下直接正交调制发射机中IQ的平衡性与正交度对EVM的影响，基于CMX993给出了一种直接正交调制发射机的设计方案，并在其基础了提出了一些在工程实践中改善相关指标的具体措施。
【关键词】 直接正交调制 EVM CMX993
引言：
近年来，随着半导体技术的不断发展，直接正交调制发射机因其结构形式简单，电路元器件少，功耗体积小等优点已经得到越来越广泛的应用。
本文将分析QPSK调制方式下直接正交调制发射机中IQ的平衡性与正交度对EVM的影响，并给出一个设计实例，就其提出一些在工程实践中改善EVM指标的具体方法。
一、QPSK调制方式下直接正交调制发射机中IQ平衡性与正交度对EVM的影响
典型的无线直接正交调制发射机的功能框如图1所示，FLO是射频本振信号，经过移相器后产生完全正交的本振信号然后分别与来自I路和Q路的基带信号混频后做相加运算，输出想要的射频信号Fo（t），从而实现正交调制。
在这种正交调制方式下，通过有规律的改变I路和Q路信号的相位与幅度，可以轻易实现QPSK、QAM等复杂调制。
EVM是衡量信号调制性能的一个重要参数，它反映了实际调制信号与理想信号之间的误差。
下面就这种系统在QPSK调制方式下，I路与Q路信号的平衡性与正交度能对EVM的产生的影响进行分析。
实际系统中I路和Q路信号必然存在一定的幅度不平衡及相位的不正交，而且本振经移相器后产生的两路信号必然不完全正交，为了便于分析问题，我们假定本振是理想的，将实际中本振引起的相位误差归一到I路与Q路信号中去。
当I路与Q路的幅度不平衡但相位完全正交时，即b≠1，而θ=0，EVM随相位不平衡的关系见图3，它们基本上成线性关系。
若I路与Q路的幅度完全一致，而相位不完全正交时，即b=1，而θ≠0时，EVM随相位不平衡的关系见图4。相位因素带来的恶化基本呈现为抛物线。
如系统中同时存在幅度不平衡与相位不正交时，他们对EVM的影响将产生叠加效应。因此直接正交调制发射机必须保持整个通路尽可能的幅度平衡与相位正交。
三、直接正交调制发射机设计
直接正交调制发射机的原理框图如图5所示。其主要由基带处理芯片、正交调制器、滤波器、功率放大器以及低相噪本振组成。
图中的基带处理芯片生成I、Q信号，经过滤波器后进入直接正交上变频器CMX993，经正交调制到射频载波后送入后级射频功率放大器放大，最终通过天线辐射出去。
CMX993是CML Microcircuits公司推出的正交解调器，其工作范围为30 MHz～1000MHz，其内部集成了基带放大器、移相器，混频器、偏置电路、可控增益放大器以及本振放大器，为设计提供了极大的便利。另外，CMX993典型工作电压为3.3 V，工作最大电流仅为95mA，非常适合低功耗场合的运用。
通过前文分析，我们可以看到直接正交调制发射机的EVM在很大程度上都受到I路与Q路信号的幅度平衡性与相位正交度的影响，另外，放大器的非线性也对EVM存在一定的影响，因此在工程实践中，我们主要围绕这些因素采取一些措施来提高正交调制精度。
1）首先尽可能从源头上保证从基带芯片输出的I路与Q路信号的正交性与幅度的一致性。另外，由于采用了模拟滤波器，因此也必须保证两路滤波器参数的一致性。
2）选用正交度和平衡度指标尽量好的正交调制器。随着半导体技术的发展，正交调制器发展到了一定的水平，一般都能满足系统设计要求，但在一些要求极高的场合，我们可以通过调节基带输出信号幅度与正交性来补偿正交调制器的影响，从而提高输出信号的调制精度。
3）当正交调制器的性能一定时，还有一个重要的因素的会影响正交调制的精度，那就是本振。如果本振的相位噪声比较高，混频时它将把噪声引入正交调制器，引起随机的相位抖动，从而影响输出信号的正交度，因此必须尽量提高合成器的相位噪声。值得一提的是，直接正交发射机中因功放输出的大功率信号频率与本振信号比较接近时，会严重影响合成器的相位噪声，實际中为了解决这一问题，往往采用谐波法产生本振，然后将本振进行分频后进行混频从而避免这种现象的发生。CMX993内部已经集成了分频器，ADF4360系列合成器的相位噪声也可达到-90dBc/Hz@10K以上。
4）实际电路中正交调制器与基带芯片的偏置电压往往存在差别，同时为了避免直流漂移在正交调制中的影响，一般都采用交流耦合的方式。这时一般应保持偏置电路的稳定，否则由于电容两端电压不一致带来的充放电将影响I路和Q路信号的幅度平衡性和相位的正交度。
四、实际测试结果
基于CMX993的直接正交调制发射机的实际测试结果如图6所示。
输出频率：F=428MHz，信道带宽：4.8MHz，输出功率：25dBm
发射EVM：2.5%
五、结束语
通过分析和实践我们可知，直接正交调制发射机中IQ信号的平衡性及相位正交度对发射机EVM指标影响非常大，在工程实践中，我们通过采取一定的措施解决影响IQ信号平衡性与正交度的关键因素，非常好的实现了直接正交调制发射机对EVM指标的要求。
参 考 文 献
[1]张亮、李亚光 基于AD8349 的无线直接变频发射机设计与实现[J].国外电子元器件，2005.10
[2]刘聪峰.高效数字调制技术及其应用 [M]. 人民邮电出版社，2006
[3] Ulrich L.Rohde 、David P.NewkirK 无线应用射频微波电路设计.电子工业出版社 2004.8
[4]方宏、卞昕、何昭等 . 基于星座图设计的矢量调制误差计量方法研究[J].仪器仪表学报，2013，36（ 1） ： 128-132
[5]李晓慧，成华强. 顾军 基于DDS的IQ正交调制电路设计与实现 电子质量[J]. 2017年06期，94-98
[6] CML Microcircuits CMX993 Datasheets。 2010.3
【关键词】 直接正交调制 EVM CMX993
引言：
近年来，随着半导体技术的不断发展，直接正交调制发射机因其结构形式简单，电路元器件少，功耗体积小等优点已经得到越来越广泛的应用。
本文将分析QPSK调制方式下直接正交调制发射机中IQ的平衡性与正交度对EVM的影响，并给出一个设计实例，就其提出一些在工程实践中改善EVM指标的具体方法。
一、QPSK调制方式下直接正交调制发射机中IQ平衡性与正交度对EVM的影响
典型的无线直接正交调制发射机的功能框如图1所示，FLO是射频本振信号，经过移相器后产生完全正交的本振信号然后分别与来自I路和Q路的基带信号混频后做相加运算，输出想要的射频信号Fo（t），从而实现正交调制。
在这种正交调制方式下，通过有规律的改变I路和Q路信号的相位与幅度，可以轻易实现QPSK、QAM等复杂调制。
EVM是衡量信号调制性能的一个重要参数，它反映了实际调制信号与理想信号之间的误差。
下面就这种系统在QPSK调制方式下，I路与Q路信号的平衡性与正交度能对EVM的产生的影响进行分析。
实际系统中I路和Q路信号必然存在一定的幅度不平衡及相位的不正交，而且本振经移相器后产生的两路信号必然不完全正交，为了便于分析问题，我们假定本振是理想的，将实际中本振引起的相位误差归一到I路与Q路信号中去。
当I路与Q路的幅度不平衡但相位完全正交时，即b≠1，而θ=0，EVM随相位不平衡的关系见图3，它们基本上成线性关系。
若I路与Q路的幅度完全一致，而相位不完全正交时，即b=1，而θ≠0时，EVM随相位不平衡的关系见图4。相位因素带来的恶化基本呈现为抛物线。
如系统中同时存在幅度不平衡与相位不正交时，他们对EVM的影响将产生叠加效应。因此直接正交调制发射机必须保持整个通路尽可能的幅度平衡与相位正交。
三、直接正交调制发射机设计
直接正交调制发射机的原理框图如图5所示。其主要由基带处理芯片、正交调制器、滤波器、功率放大器以及低相噪本振组成。
图中的基带处理芯片生成I、Q信号，经过滤波器后进入直接正交上变频器CMX993，经正交调制到射频载波后送入后级射频功率放大器放大，最终通过天线辐射出去。
CMX993是CML Microcircuits公司推出的正交解调器，其工作范围为30 MHz～1000MHz，其内部集成了基带放大器、移相器，混频器、偏置电路、可控增益放大器以及本振放大器，为设计提供了极大的便利。另外，CMX993典型工作电压为3.3 V，工作最大电流仅为95mA，非常适合低功耗场合的运用。
通过前文分析，我们可以看到直接正交调制发射机的EVM在很大程度上都受到I路与Q路信号的幅度平衡性与相位正交度的影响，另外，放大器的非线性也对EVM存在一定的影响，因此在工程实践中，我们主要围绕这些因素采取一些措施来提高正交调制精度。
1）首先尽可能从源头上保证从基带芯片输出的I路与Q路信号的正交性与幅度的一致性。另外，由于采用了模拟滤波器，因此也必须保证两路滤波器参数的一致性。
2）选用正交度和平衡度指标尽量好的正交调制器。随着半导体技术的发展，正交调制器发展到了一定的水平，一般都能满足系统设计要求，但在一些要求极高的场合，我们可以通过调节基带输出信号幅度与正交性来补偿正交调制器的影响，从而提高输出信号的调制精度。
3）当正交调制器的性能一定时，还有一个重要的因素的会影响正交调制的精度，那就是本振。如果本振的相位噪声比较高，混频时它将把噪声引入正交调制器，引起随机的相位抖动，从而影响输出信号的正交度，因此必须尽量提高合成器的相位噪声。值得一提的是，直接正交发射机中因功放输出的大功率信号频率与本振信号比较接近时，会严重影响合成器的相位噪声，實际中为了解决这一问题，往往采用谐波法产生本振，然后将本振进行分频后进行混频从而避免这种现象的发生。CMX993内部已经集成了分频器，ADF4360系列合成器的相位噪声也可达到-90dBc/Hz@10K以上。
4）实际电路中正交调制器与基带芯片的偏置电压往往存在差别，同时为了避免直流漂移在正交调制中的影响，一般都采用交流耦合的方式。这时一般应保持偏置电路的稳定，否则由于电容两端电压不一致带来的充放电将影响I路和Q路信号的幅度平衡性和相位的正交度。
四、实际测试结果
基于CMX993的直接正交调制发射机的实际测试结果如图6所示。
输出频率：F=428MHz，信道带宽：4.8MHz，输出功率：25dBm
发射EVM：2.5%
五、结束语
通过分析和实践我们可知，直接正交调制发射机中IQ信号的平衡性及相位正交度对发射机EVM指标影响非常大，在工程实践中，我们通过采取一定的措施解决影响IQ信号平衡性与正交度的关键因素，非常好的实现了直接正交调制发射机对EVM指标的要求。
参 考 文 献
[1]张亮、李亚光 基于AD8349 的无线直接变频发射机设计与实现[J].国外电子元器件，2005.10
[2]刘聪峰.高效数字调制技术及其应用 [M]. 人民邮电出版社，2006
[3] Ulrich L.Rohde 、David P.NewkirK 无线应用射频微波电路设计.电子工业出版社 2004.8
[4]方宏、卞昕、何昭等 . 基于星座图设计的矢量调制误差计量方法研究[J].仪器仪表学报，2013，36（ 1） ： 128-132
[5]李晓慧，成华强. 顾军 基于DDS的IQ正交调制电路设计与实现 电子质量[J]. 2017年06期，94-98
[6] CML Microcircuits CMX993 Datasheets。 2010.3