楊 霏，楊 剛

（中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024）

基于零中頻結(jié)構(gòu)的數(shù)字電視調(diào)制系統(tǒng)研究

楊 霏，楊 剛

（中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024）

介紹了基于零中頻結(jié)構(gòu)的數(shù)字電視調(diào)制系統(tǒng)的特點(diǎn)、特性、硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。重點(diǎn)分析并仿真了零中頻結(jié)構(gòu)中，相位誤差和幅度不平衡對射頻鏡像抑制和調(diào)制誤差的影響，并給出了如何設(shè)計(jì)和校正零中頻結(jié)構(gòu)數(shù)字電視調(diào)制系統(tǒng)。

零中頻；調(diào)制誤差率；鏡像抑制；本振泄漏

0 引言

近年，地面數(shù)字電視和移動多媒體廣播（CMMB）的數(shù)字廣播發(fā)射系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用。數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，如中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)和CMMB標(biāo)準(zhǔn)、歐洲的DVB-T/H標(biāo)準(zhǔn)、日本的ISDB-T/Tb標(biāo)準(zhǔn)等，均采用了OFDM調(diào)制方式，工作頻段為470～870MHz。

隨著數(shù)字信號處理器及半導(dǎo)體工藝水平的提高，發(fā)射機(jī)的硬件設(shè)計(jì)突破了功能單一、可擴(kuò)展性差的局限性，以結(jié)構(gòu)簡單的硬件通用平臺為基礎(chǔ)，通過軟件升級和配置來達(dá)到各種制式發(fā)射機(jī)的要求。筆者基于零中頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個可適用于多制式數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的調(diào)制解調(diào)硬件平臺，從理論上仿真分析了零中頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)的射頻指標(biāo)及性能，并詳細(xì)講述了對于射頻性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。

1 零中頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

隨著射頻集成電路性能的提高，基于零中頻結(jié)構(gòu)的調(diào)制系統(tǒng)的使用愈加廣泛[1]。如圖1所示，基于FPGA或DSP器件產(chǎn)生數(shù)字基帶IQ正交信號，通過雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DA）轉(zhuǎn)換成模擬的IQ信號，2路信號經(jīng)過低通濾波后，分別與正交的2路射頻載波信號完成正交調(diào)制，直接得到模擬射頻調(diào)制信號。零中頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，成本低，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的調(diào)制系統(tǒng)中及其他無線發(fā)射系統(tǒng)中。

2 調(diào)制系統(tǒng)的非理想特性

在實(shí)際的正交調(diào)制過程中，零中頻發(fā)射機(jī)調(diào)制系統(tǒng)存在一些非理想特性：

1）IQ幅度不平衡，IQ正交誤差

正交調(diào)制器產(chǎn)生射頻正交本振信號，即cosωt和sinωt，在實(shí)際中，本振信號不可能完全正交，正余弦信號存在一定的相位偏差 Δφ,即cosωt與sin(ωt+Δφ)；同樣，雙通道DA輸出的模擬IQ信號幅度、IQ通道濾波器插入損耗、調(diào)制器內(nèi)部IQ信號增益等也不可能完全匹配和相同。因此，相位或幅度的非理想因素都會產(chǎn)生落在帶內(nèi)的鏡像信號，從而影響星座圖導(dǎo)致調(diào)制誤差率（MER）的惡化，帶來接收機(jī)誤碼率升高。以QPSK調(diào)制為例，如果I通道幅度略高于Q通道幅度，則星座圖如圖2a所示；如果本振信號存在1°的正交誤差，則星座圖如圖2b所示[2]。

2）本振泄漏

當(dāng)送入正交調(diào)制器的IQ信號存在直流偏差時(shí)，導(dǎo)致調(diào)制器相乘結(jié)果發(fā)生偏移，星座圖如圖3所示。在頻域上，體現(xiàn)為本振載波信號的泄漏，即在調(diào)制輸出的頻譜中出現(xiàn)載波信號。

由于上述非理想特性的存在，當(dāng)送入的I，Q信號為頻率1MHz正交信號時(shí)，產(chǎn)生偏移載波1MHz的單一頻率射頻調(diào)制信號。在頻域上同時(shí)可以觀察到3個頻率的信號存在，即：調(diào)制信號本身1、其鏡像信號3和本振信號2，如圖4所示[2]。

3 非理想特性的性能分析

如前所述，由于調(diào)制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的非理想特性，會產(chǎn)生落在帶內(nèi)的鏡像信號，對射頻信號的性能指標(biāo)有很大影響。如果在實(shí)際應(yīng)用中不加以設(shè)計(jì)和調(diào)整，則無法滿足數(shù)字電視調(diào)制器的射頻指標(biāo)。下面從理論上分析正交相位誤差、幅度不平衡與鏡像抑制比及調(diào)制誤差率（MER）之間的關(guān)系[2]。

正交調(diào)制信號為I×cosωt+Q×sinωt，假設(shè)本振信號正余弦相位偏差為Δφ，IQ信號的不平衡度為A，即（I/Q=A），則正交調(diào)制信號為I×cosωt+A×Q×sin(ωt+Δφ)。假設(shè) I=cosθt,Q=sinθt,正交調(diào)制后產(chǎn)生單音信號cos(ω+θ)t，鏡像信號為cos(ω-θ)t，有

在實(shí)際系統(tǒng)中，正交相位誤差和IQ幅度不平衡會同時(shí)存在。筆者采用地面數(shù)字電視（DTMB）系統(tǒng)的數(shù)字基帶IQ信號，針對IQ幅度不平衡、正交相位誤差與鏡像抑制、調(diào)制誤差率的關(guān)系進(jìn)行了仿真，如圖5所示。

4 發(fā)射機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)字調(diào)制器的硬件系統(tǒng)包括以下幾部分：

1）基于FPGA或DSP的調(diào)制處理完成糾錯編碼、交織、OFDM調(diào)制、成幀等基帶信號處理功能，輸出數(shù)字IQ信號；

2）雙通道DA器件，選用ADI公司的AD97XX系列DA器件，完成數(shù)字IQ轉(zhuǎn)換為模擬IQ信號；

3）正交調(diào)制器，選用ADI公司的AD8345、ADL5385等正交調(diào)制器件，完成模擬IQ信號與本振信號的正交調(diào)制功能；

4）正交解調(diào)器，將從功放后的射頻信號耦合送入正交解調(diào)器，解調(diào)出模擬IQ信號；

5）雙通道AD器件，將解調(diào)的模擬IQ信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字IQ信號，送入FPGA或DSP器件完成數(shù)字解調(diào)。

4.2 校正方法

針對DA、調(diào)制器件及電路中固有的非理想特性，要想使系統(tǒng)達(dá)到射頻指標(biāo)，必須對本振泄漏和鏡像信號進(jìn)行校正（如圖6所示）：1）調(diào)整DA器件中IQ通道各自的直流偏置，來補(bǔ)償整個電路中直流偏差，從而抑制本振泄漏；2）調(diào)整DA器件中IQ通道各自的DAC增益以及IQ通道相對相位差，來補(bǔ)償IQ通道幅度不平衡及正交相位誤差，從而抑制鏡像信號。

對于不同載波頻率時(shí)的鏡像抑制和本振泄漏的校正參數(shù)是不同的，以8MHz為步進(jìn)間隔進(jìn)行校正，并記錄下校正參數(shù)存儲在處理器中，在發(fā)射機(jī)工作在不同頻段時(shí)，調(diào)用存儲的校正參數(shù)對本振泄漏和鏡像信號進(jìn)行校正。

5 結(jié)論

基于零中頻結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)構(gòu)造簡單，集成度高，成本低，但是需要精確的相位正交和幅度平衡。筆者通過理論分析和性能仿真，定性、定量地分析了本振泄漏、相位誤差和幅度不平衡對射頻性能指標(biāo)的影響，以此指導(dǎo)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試。經(jīng)過校正后的本振泄漏可以達(dá)到-70 dBm，鏡像抑制可以達(dá)到-60 dBc。使用R&S公司的ETL設(shè)備測試發(fā)射機(jī)射頻指標(biāo)，調(diào)制誤差率（MER）可達(dá)到40 dB，帶外雜散低于55 dB，滿足數(shù)字電視發(fā)射機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

[1] 郭里婷.DVB-S零中頻數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2001，25（1）：35-37.

[2] NASH E.Correcting imperfections in IQmodulators to improve RF signal fidelity[EB/OL].[2010-10-13].http：//www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1039.pdf.

[3] 張立志，張陽，溫志強(qiáng).射頻發(fā)射機(jī)鏡像抑制的分析與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2005，31（6）：21-22.

[4] ADL5385 50MHz to 2200MHz quadraturemodulator data sheet[EB/OL].[2010-10-14].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5385.pdf.

Research and Realization for Digital Television Modulation System Based on ZIF

YANG Fei,YANG Gang
（School of Information and Engineering,Communication University of China,Beijing 100024,China）

In This paper,the ZIF structure of digital television modulation system,performance,and hardware design are presented.It focuses on the relationship among phase imbalance,amplitude mismatch and RF performance,such as sideband suppression and modulation error.These theoretical analysis and stimulated performance have more instructional function on hardware design and debug for digital television modulation system based on ZIF structure.

ZIF;MER;sideband suppression;LO leakage

TN949.197

A

1002-8692（2011）12-0025-03

楊 霏（1980-），女，講師，主研數(shù)字電視傳輸及發(fā)射技術(shù)；

楊 剛，講師，主研數(shù)字信號處理及數(shù)字電視發(fā)射技術(shù)。

哈宏疆

2010-12-13