IQ调制器的特性解析

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在前面关于数字调制的文章中分别介绍了 IQ 调制的基本理论及调制解调的数学解析及图解过程(数字调制系列:如何理解 IQ ?、数字调制系列:IQ 基本理论、数字调制系列:IQ 调制及解调简述),阐述了常见的数字调制方式,并解释了为什么经过 IQ 调制器之后带宽会翻倍的原因。本文将着重介绍模拟 IQ 调制器的特性,为后面的 IQ 调制性能验证测试作准备。

 

模拟 IQ 调制器包含 Mixer,在上变频的过程中,势必会产生镜频产物。当输出无频偏信号时,即信号中心频率与调制器的 LO 信号频率相同时,相当于采用的是 Zero-IF 机制,镜频产物与信号本身不可分割,即使通过滤波器也无法滤除镜频。庆幸的是,采用 IQ 调制及解调器,即使存在镜频产物,依然可以恢复出原始的 IQ 信号。这也是为什么模拟 IQ 调制器之后不需要镜频抑制滤波器的原因。

 

由于这种正交架构,IQ 调制器本身是具有一定镜频抑制能力的,但是只有在输出具有一定频偏的信号时,即信号中心频率与 LO 信号频率不同时,才能体现出镜频抑制特性。下面将通过一些特殊的基带 IQ 信号进行解析分析,阐述影响镜频抑制特性的因素,及如何改善镜频抑制特性。

 

1. IQ 信号幅度平衡性对镜频抑制的影响

IQ 信号幅度不平衡(即幅度不同),要么是输入至调制器的 I 和 Q 信号的幅度不平衡,要么是调制器具有一定的增益不平衡(即 I 和 Q 两路的增益不同),这些都会影响对镜频的抑制能力。

 

令 i(t)=Acoswbt,q(t)=sinwbt,则经过 IQ 调制输出的射频信号 s(t)为

 

s(t)=Acoswbt· coswct - sinwbt · sinwct

 

积化和差得

 

s(t)=0.5(A+1)cos(wc+wb)t + 0.5(A-1)cos(wc-wb)t

 

当 A=1 时,射频信号中只有上边带(wc+wb)分量;

 

当 A=-1 时,射频信号中只有下边带(wc-wb)分量;

 

当 A≠±1 时,射频信号中同时包含上边带(wc+wb)和下边带(wc-wb)两个分量。

 

以上通过解析方式介绍了 IQ 调制器的镜频抑制特性,其实通过图解方法也可以清晰简便地进行说明。下面考虑 A=1 的情况,图 1 给出了载波信号的傅里叶变换,这是双边带频谱,基带信号经过 IQ 调制器实现了频谱的搬移,图 2 分别给出了调制器两个支路上的频谱变换情况,最终经过合路器合路后,下边带分量相互抵消,只剩下上边带分量。

 

图 1. 载波信号的傅里叶变换(双边带频谱)

 

图 2. IQ 调制过程频谱变换示意图

 

当 A≠±1 时,射频信号中同时包含上下边带,定义边带抑制比为:20lg│A+1│/│A-1│ (dB).

 

如何改善镜频抑制能力呢?

 

IQ 调制器两个支路的增益不平衡特性已经无法调整,但是可以在基带侧通过调整 I 和 Q 两路波形的幅度大小改善镜频抑制。矢量信号发生器 VSG 及任意波信号发生器 AWG 均提供了 IQ Gain Imbalance 调整参数,对其进行微调即可改善镜频抑制。

 

2. IQ 正交性对镜频抑制的影响

正交性包括两个方面:(1) 基带信号 I 和 Q 之间的正交性;(2) IQ 调制器两个 Mixer 的 LO 信号之间的正交性。如果正交性不好,当产生无频偏的数字调制信号时会带来调制和解调的误差(EVM、BER 恶化),另一方面在产生单边带信号时,会恶化镜频抑制特性。

 

令 i(t)=cos(wbt+ϕ),q(t)=sinwbt,则 IQ 调制器输出的射频信号为

 

s(t)=cos(wbt+ϕ)· coswct - sinwbt · sinwct

 

积化和差得

 

s(t)=0.5(1+cosϕ)·cos(wc+wb)t-0.5sinϕ·sin(wc+wb)t-0.5(1-cosϕ)·cos(wc-wb)t+0.5sinϕ·sin(wc-wb)t

 

对于(wc+wb)分量,令 a=0.5(1+cosϕ),b=0.5sinϕ,则取θ满足如下关系:

 

cosθ=a/√( a2+b2),sinθ=b/√( a2+b2)

 

类似地,对于(wc-wb)分量,令 c=0.5(1-cosϕ),b=0.5sinϕ,则取θ1 满足如下关系:

 

cosθ1=c/√(c2+b2),sinθ1=b/√(c2+b2)

 

以上公式代入 s(t),最终可得

 

s(t)=0.707√(1+cosϕ)·cos[(wc+wb)t+θ]+0.707√(1-cosϕ)·cos[(wc-wb)t-θ1]

 

由正交误差ϕ造成的镜频抑制度为:10lg(1+cosϕ)/(1-cosϕ) (dB).

 

以上是从基带 I 和 Q 信号的正交性着手分析对镜频抑制特性的影响,如果基带信号理想正交,而 IQ 调制器两个 Mixer 的 LO 正交性不好,整个推导过程是类似的,此处不再赘述。当然,IQ 调制器的特性已经固定,只能通过调整基带信号的正交性改善镜频抑制能力。

 

3. IQ 调制器的载波抑制特性

IQ 调制器除了可以抑制镜频外,在数字调制过程中还可以抑制载波。理论上,只要模拟 I 和 Q 信号中没有 DC 分量,而且 IQ 调制器是理想的,那么输出的射频宽带信号中将没有载波。但是实际产生的宽带信号总是具有一定的载波泄露,来源于两部分:(1) IQ 信号中包含一定的 DC 分量;(2) IQ 调制器中 Mixer 的 LO 泄露。

 

对于数字调制信号而言,载波泄露是一种带内干扰,如果载波分量较强,将直接影响整个系统的通信质量。因此,要尽量降低载波泄露。通常在基带侧微调 I Offset 或者 Q Offset 来改善载波抑制特性,这相当于引入 DC 分量,如果设置的 DC 的量和极性合适,I 和 Q 两路引起的载波泄露将相互抵消,甚至可以抵消 Mixer 的 LO 泄露带来的影响。

 

以上介绍了 IQ 调制器的镜频抑制及载波抑制特性,这些都是 IQ 调制器固有的特性,也是性能验证测试中必测的项目。此外,IQ 调制器还有幅频响应、三阶交调等参数,这些也都是需要测试的。

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