李 鋒，滑 莎，侯永彬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種提高模擬正交調制載波抑制度的方法

李 鋒，滑 莎，侯永彬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對正交調制中所存在的載波泄露問題，對載波泄露的影響因素進行理論分析，并簡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節(jié)方向，進而達到大幅度提高載波抑制度的效果。通過采用TRF370417芯片，結合所設計直流偏置微調電路，實驗結果顯示，載波抑制度可達59 dB，證明了該方法的正確性和有效性。

模擬正交調制；載波抑制度；直流偏置；微調電路

0 引言

目前，正交調制技術廣泛應用于雷達、遙感和數(shù)傳等多個領域。正交調制技術通過基帶信號與載波的混頻，實現(xiàn)基帶向射頻的頻譜搬移。多種調制體制都可以通過正交調制來實現(xiàn)[1]。

正交調制過程可通過模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)。用數(shù)字電路來實現(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，只能實現(xiàn)中低速率基帶信號的調制功能。

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

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

1 理論分析

正交調制的原理如圖1所示。

圖1 正交調制原理

I(t)和Q(t)是基帶信號，SLO_I(t)和SLO_Q(t)為具有正交特性的載波信號，I(t)和SLO_I(t)相乘，Q(t)和SLO_Q(t)相乘，之后再疊加(通常Q路在疊加時會乘以-1)，可得輸出信號S(t) =I(t)·SLO_I(t) -Q(t)·SLO_Q(t)，這個過程稱之為IQ調制，因SLO_I(t)和SLO_Q(t)具有正交特性，因此又叫正交調制[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。

但在實際應用中，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微的差異性。這導致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)這對信號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，將實際的I(t)、Q(t)和SLO_I(t)、SLO_Q(t)信號表示為：

(2)

式中，G、φ和D分別是I(t)和Q(t)信號的幅度、相位和直流偏置；類似的，A、θ和E分別為SLO_I(t)和SLO_Q(t)信號的幅度，相位和直流偏置。將式(2)帶入式(1)并經變換整理后得S(t)的表達式為[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的頻率大小可得，式中分別包含上邊帶已調信號、下邊帶鏡頻干擾信號、載波泄露信號、基帶泄露信號和直流泄露。在實際應用中，該式所包含的低頻信號部分可濾除掉，但載波泄露部分難于濾除。將載波泄露信號用SLO_LEAK(t)來表示，由式(3)可得其表達式為：

SLO_LEAK(t)=Di·Ai·cos(ωct+θi)-

Dq·Aq·sin(ωct+θq)。

(4)

對式(4)進行等效變換可得：

SLO_LEAK(t)=

(5)

令

可見該式為載波泄露幅度表達式，化簡得

(6)

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

2 載波泄露影響因素

實際應用中，由于正交調制的集成化，影響載波泄露信號大小的主要因素為基帶信號直流偏置的大小。

隨著IC技術的發(fā)展，正交調制器早已集成化，且正交載波信號由集成電路內部產生,其幅度和相位的平衡性由半導體工藝決定,且隨著近年來半導體工藝技術進步,已經趨于理想，一般不可調整[12]。因此，假設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的直流偏置程拋物面關系，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直流偏置的關系

由以上分析可知，當I(t)和Q(t)直流偏置都為零時，載波泄露最小。在實際工程應用中，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，因為隔直相當于一個高通濾波器，在混頻(模擬正交調制的基帶信號和載波信號相乘多采用混頻器來實現(xiàn))之前加隔直，會同時將屬于低頻信號的基帶信號一起慮掉；在混頻之后，因為基帶信號和直流偏置同時與載波混頻為高頻信號，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)多采用差分結構電路，因為理論上I(t)+和I(t)-(或Q(t)+和Q(t)-)等長，則I(t)(或Q(t))上的直流偏置可完全抵消。而這需要保證PCB布線時差分兩路完全等、IC內部健和線完全等長，所用導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I(t)和Q(t)所馱載的直流信號電平完全相等、正交調制IC內部將直流電平完全抵消。采用差分形式的基帶信號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

針對以上載波泄露理論分析，以及工程實際中所存在的影響因素，提出一種反饋調節(jié)的方法。該方法根據(jù)基帶信號的直流偏置和載波泄露的變化關系來調節(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，載波泄露幅度會隨其程拋物線關系變化。利用這一變化關系及器件具有離散性的特點，設計可對分別I(t)+和I(t)-(或Q(t)+和Q(t)-)的直流電平做增大和減小2個方向的線性精密微調電路。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)-)的直流偏置調節(jié)方向，尋找對用拋物線的最低點，這樣便可在差分電路的基礎上進一步減少載波泄露，提高載波抑制度。所設計電路原理框圖如圖3所示。

圖3 直流偏置微調電路原理

從I(t)+/Q(t)+支路為例來看，直流偏置微調電路首先提供保證調制芯片正常工作所需要直流偏置值，其次該微調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電路來在更精密的范圍內調節(jié)直流偏置，使直流偏置幾乎接近零，達到提高載波抑制度的效果。微調電路在設計時保證交流信號阻抗控制為50 Ω，同時不會對相位平衡造成影響[15]。

4 電路設計及實驗結果

基于上述分析設計了一種由模擬正交調制IC及微調電路構成的高頻模擬正交調制電路[16]。設計中，IQ兩路差分阻抗控制為100 Ω，且控制等長；微調電路的電源加電容濾波，減少進入基帶數(shù)據(jù)噪聲[17]。使用安捷倫公司的頻譜儀來測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， IQ兩路提供帶寬為120 M的PN序列來做基帶數(shù)據(jù)，未調節(jié)微調電路時，所泄露載波功率為-33.52 dBm，如圖4所示。

圖4 微調前調制器輸出信號頻譜

調節(jié)微調電路后，載波功率為-71.45 dBm，提高了近40 dBc，如圖5所示。將積分帶寬設置為150 M，測量通道功率為-11.95 dBm，計算可得，調整后載波抑制度為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 微調后調制器輸出信號頻譜

5 結束語

模擬正交調制是高數(shù)據(jù)速率傳輸時必不可少的技術之一，但是調制過程中不可避免地會產生載波泄露，會對整個通信系統(tǒng)造成浪費發(fā)射功率，影響接收靈敏度[18]等不利影響。本文提出的反饋調節(jié)法，將模擬器件的離散性對載波的泄露影響考慮在內，分析更為精確，同時結合直流偏置微調電路，很好地避免了由于器件離散性對載波泄露造成的不利影響。實驗結果也顯示該方法可大幅度減少載波泄露，提高載波抑制度。該方法可很好地應用于高速調制領域中。

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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

國家部委基金資助項目。

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：高速調制解調。