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IQ正交調制器介紹和測試

2021年10月17日 00:50 ? 次閱讀

1. 概述

近幾年來,移動通信在我國得到了迅速的發展和普及,無線通信的發射機與接收機技術也得到迅猛發展。射頻發射機的主要功能是實現基帶信號調制、上變頻和功率放大。與接收機的結構相比,發射機的結構相對比較簡單。通常有:

· 直接上變頻(又稱:零中頻調制)

· 間接上變頻(又稱:兩級變頻或超外差式)

· 數字中頻發射機

標準的IQ正交調制電路的結構非常簡單,它分為IQ 基帶發生器和IQ 混頻器兩大部分。不管是調幅,調頻或是調相信號,只需要通過改變不同的IQ 基帶信號就可以實現。而IQ 調制器的作用是將基帶IQ 信號搬移到載波上。正交調制器通常能實現較高的相位精度與幅度平衡,非常適合于通信系統中的直接上變頻(零中頻調制),因此廣泛用于直接上變頻發射機,例如蜂窩移動通信、WLAN、UWB超通信系統、藍牙、GPS 等系統中,是現代無線通信系統中的關鍵元件。

下圖1所示是正交調制器的框圖,如果用于直接上變頻發射機,省去了第二本振,中頻濾波器和混頻器,使發射機系統結構簡化,從而降低了成本、體積和功耗。

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圖1. 正交調制器原理框圖

正交調制器的固有缺點在于本振泄漏和邊帶抑制(本振泄漏主要是由IQ信號的直流偏置,IQ差分信號的不平衡性以及本振和射頻的隔離指標差等因素造成的)。理想情況下,正交調制器只是完成基帶頻譜的搬移和疊加,不會造成信號的帶外頻譜增生或是產生帶內失真。正交調制器會不可避免的存在非理想因素,使得輸出信號產生各種失真,影響通信質量,所以正交調制器的射頻性能需要進行全方面的測試。

測試IQ調制器的鏡像抑制一般采用單邊帶CW信號,輸入的I信號:sinω0t,Q信號:cos?ω0t與正交本振混頻以后可得調制信號s(t),其中ω0一般為掃頻信號,從DC附近開始到幾十或幾百兆:

? s(t)=sinω0t?cosωct-cosω0t? sinωc t

??? ?=sin?(ωc-ω0 )t

如果IQ調制器完全理想,只會在(ωc-ω0)處產生一個單邊帶信號(單邊帶CW信號),但是由于調制器的不理想性,也會在(ωc+ω0)處產生一個鏡像信號。與此同時在本振頻率ωc位置也會有一個信號,稱為本振泄漏。本振和鏡像信號的抑制度是IQ調制器的重要指標。圖2是一個典型的IQ調制器的單邊帶CW輸出結果,載波為10G,IQ信號為30MHz,測試得到鏡像信號的抑制度為42dB。此時采用任意波形發生器產生兩路30MHz的sin和cos信號,分別提供給IQ調制器作為基帶輸入,也可以使用帶有雙源選件的矢網的兩個通道輸出相位差恒定為90度的CW連續波,用矢網的另一個好處就是,可以實現掃頻模式下的本振和鏡像抑制度的測試。

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圖2. 頻譜儀測試矢量信號源的IQ調制鏡像抑制度

2. 測試任務

本文采用的正交調制器待測件是來自ANALOG DEVICES的ADL5371,它的工作頻率范圍:500 MHz~1.5 GHz。下圖3所示,該器件I+,I-,Q+,Q-端口分別為IQ雙路差分基帶輸入,LO為單端本振輸入(LOIN接匹配負載)?;鶐л斎胄枰?00mV的偏置電壓。射頻輸出VOUT為單端50Ω。

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圖3. 正交調制器ADL5371 pin(左)和ADL5371的評估板

測試時,ADL5371的評估板需要輸入0dBm、900MHz的單端本振。IQ雙路差分基帶輸入的正弦波的峰峰值為1.4V,頻率為1MHz,并且帶有500mV的偏置電壓。

測試項目包括:輸出功率;輸出1dB壓縮點;載波饋通;邊帶抑制;正交相位誤差;IQ幅度不平衡性;二次、三次諧波抑制;TOI;基帶到射頻幅頻響應。

3. 測試平臺

測試平臺的核心是矢量信號源和信號與頻譜分析儀,如下圖所示。還包括直流電源和萬用表(電壓測量)。ADL5371安裝在評估板Q MOD上。矢量信號源通常配備了差分IQ輸出,可以將基帶IQ以差分信號的形式從后面板的四個BNC接頭輸出。

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圖4. 正交調制器測試平臺

4. 測試結果

4.1 信號源基本設置

4.2~4.4的測試項目中信號源設置如下圖所示,基帶產生1MHz的正弦波,基帶IQ輸出采用差分模式,輸出電壓峰值為0.7V,IQ端口偏置電壓500mV。

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圖5. 信號源SMU200A基本設置

4.2 輸出功率

從圖6的標注M1看出,輸出功率7.86dBm

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圖6. 輸出功率測試結果

4.3 本振泄漏和邊帶抑制、二次諧波和三次諧波

從圖7中D3,D2看出,邊帶抑制-51.5dBc,本振泄漏-57dBc

從圖7中D4,D1看出,二次諧波抑制度為-72dB,三次諧波抑制度為-53dB。?

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圖7. 輸出功率測試結果本振泄漏和邊帶抑制、二次諧波和三次諧波測量結果

4.4 1dB壓縮點

按1dB的步進增大差分IQ輸出的電壓,在頻譜儀上看到輸出功率的增加值小于1dB時就測出了1dB壓縮點,從下圖8中看出,輸出壓縮點為13.8dBm,在信號源上讀取對應的輸入IQ功率為1.567V。

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圖8. 1dB壓縮點測量結果

4.5 IQ幅度不平衡性和正交相位誤差

信號源產生1M符號速率的QPSK,IQ輸出的設置與前面的測試項目相同。使用頻譜儀的矢量信號分析(VSA)解調,下圖9測試結果顯示正交相位誤差為0.08度,IQ幅度不平衡性為0.04dB。

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圖9. IQ不理想特性測量結果

4.6 TOI

信號源標配的MulTI-Carrier功能產生3.5MHz和4.5MHz的雙音IQ信號,IQ輸出的設置與前面的測試項目相同,調整IQ輸入電壓直到雙音信號輸出功率到1.6dBm。利用頻譜儀自帶的TOI功能測得TOI為27.7dBm。

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圖10. TOI測量結果

4.7 基帶到射頻幅頻響應

進行幅頻響應測試需要用計算機程控信號源步進改變基帶頻偏,頻譜儀的測量跡線采用最大保持功能。從圖11看出,從900MHz到940MHz,該正交調制器評估板的幅頻響應最大值7.8dBm,最小值7.1dBm。需要特別注意的是,上述的幅頻響應測量結果是對ADL5371評估板的測量結果,如果要得到ADL5371芯片的1dB和0.1dB帶寬,還需對評估板電路的電路特性進行校準并修正。

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圖11. 幅頻響應測量結果,采用SMU200A測量(上)與AFQ100B測量(下)

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