徐明哲

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島 266555）

0 引言

隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展， 矢量信號的應用范圍越來越廣泛。 相對于傳統(tǒng)的模擬信號， 它的抗噪聲能力強，帶寬效率高，具有更卓越的性能，在各個領域均有重要應用， 而矢量信號發(fā)生器作為數(shù)字通信設備的重要測試儀器， 它產(chǎn)生的矢量信號質(zhì)量直接影響到矢量信號接收設備的測試。 因此如何提高矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生的矢量調(diào)制信號的質(zhì)量成為一個重要研究課題。

矢量調(diào)制信號質(zhì)量指標通過矢量調(diào)制誤差來表征，它主要體現(xiàn)在3 個方面：載波抑制、增益平衡和正交度。 其中載波抑制體現(xiàn)了IQ 信號偏離原點的程度，增益平衡體現(xiàn)的是IQ 兩路信號幅度是否相等，而正交度體現(xiàn)的是IQ 兩路信號是否正交。

由于信號通路中電路不可能完全對稱， 電子元器件性能以及IQ 調(diào)制器本身存在固有的誤差， 因此IQ信號從基帶板經(jīng)過IQ 通路至IQ 調(diào)制器產(chǎn)生調(diào)制信號后必然存在誤差，為保證信號質(zhì)量，必須對IQ 通路以及IQ 調(diào)制器進行校準和補償。

校準補償方法主要是根據(jù)載波抑制、 增益平衡以及正交度這3 個方面來校準補償信號通路以及IQ 調(diào)制器的誤差，從而達到提高IQ 調(diào)制信號質(zhì)量的目的。

本文主要關注的是如何通過快速校準的方法以定量的確定通路中信號幅度不平衡比例， 從而確定如何補償幅度不平衡誤差， 達到提高增益平衡指標的目的。

1 IQ 調(diào)制理論分析

1.1 IQ 調(diào)制原理

IQ 調(diào)制技術(shù)的基本原理如圖1 所示：

圖1 IQ 調(diào)制技術(shù)基本原理

上圖表示了矢量信號發(fā)生器中矢量調(diào)制信號的生成方法， 基帶信號發(fā)生器完成基帶信號的碼元映射、小數(shù)內(nèi)插、成型濾波以及DA 輸出，最終產(chǎn)生IQ 基帶信號， 信號經(jīng)過通路進入IQ 調(diào)制器,I 和Q 信號分別與兩個相互正交的本振信號混頻：I 路信號與載波信號相乘，Q 路信號與正交于載波的信號（載波信號90°移相）相乘，再將混頻后的兩路信號求和輸出，即完成矢量信號調(diào)制。

IQ 調(diào)制的矢量信號可以表示為：

在實際應用中，由于電路的非理想特性，必然會引入誤差信號，因此實際的矢量調(diào)制信號可表示為：

其中：CI和CQ表示通道內(nèi)的直流信號，k 表示IQ幅度不平衡系數(shù)，θ 表示IQ 信號之間的正交度誤差。

這三種誤差是影響高質(zhì)量矢量信號的關鍵因素，為抵消這三種誤差， 除了硬件上要引入誤差消除電路外，軟件上還要進行矢量誤差校準與補償。

1.2 IQ 誤差補償原理

根據(jù)2.1 節(jié)的分析，IQ 誤差補償主要消除三個方面的誤差：直流偏置，幅度不平衡以及正交度誤差，因此從硬件的角度上看，可以在IQ 通路上對稱加入直流偏置模塊、 幅度調(diào)節(jié)模塊， 移相控制模塊來調(diào)節(jié)通路中的直流偏置、IQ 幅度以及IQ 正交度。IQ 調(diào)制硬件補償電路原理圖如圖2 所示。

圖2 IQ 誤差補償電路原理示意圖

輸入輸出信號可以表示為以下等式：

其中：

VI和VQ為基帶偏置電壓信號， 用于補償載波泄漏；

kI和kQ為通道增益系數(shù)， 用于補償I/Q 幅度平衡誤差；

kCI和kCQ為正交相位誤差補償系數(shù)，用于補償正交相位誤差。

設定IQ 兩路信號的相位夾角為θ， 則存在以下關系：

2 增益平衡誤差校準補償方法

根據(jù)2.2 中IQ 誤差補償原理以及硬件補償電路的設計， 要進行增益平衡誤差的補償需要設計算法來調(diào)整kI和kQ，使得I 路與Q 路幅度保持一致。

2.1 增益平衡校準分析

要完成增益平衡校準，需要解決以下兩個問題：

（1）如何定量表征IQ 幅度；

（2）如何根據(jù)幅度反映通道增益系數(shù)；

有兩種方案可以解決定量表征IQ 幅度的問題：（1）可以在IQ 兩個通路上放置兩個檢波器分別檢測IQ 兩路的幅度；（2） 軟件分別設置基帶為I 為1，Q為0 和I 為0，Q 為1， 通過讀取調(diào)制后射頻通路上檢波幅度來表征IQ 兩路幅度，該數(shù)據(jù)可從ALC 環(huán)路對數(shù)放大后讀取獲得。 這兩種解決方案各有優(yōu)缺點，從降低硬件成本的角度考慮，本算法使用的是方案2的方法。

增益平衡系數(shù)RGain為IQ 兩路幅度的比值，可以用如下公式表示：

其中

AmpI表示I 路幅度；

AmpQ表示Q 路幅度。

根據(jù)以上分析， 當基帶輸出滿足I=1，Q=0 時，從ALC 環(huán)路讀取的對數(shù)放大電壓即為I 路幅度AmpI，對應的當基帶輸出滿足I=0，Q=1 時， 從ALC 環(huán)路讀取的對數(shù)放大電壓即為Q 路幅度AmpQ。

根據(jù)公式（5），即可獲得當前電路下IQ 兩路的增益平衡系數(shù)RGain。

根據(jù)增益平衡系數(shù)即可計算出kI和kQ。 通常情況下為簡化計算， 根據(jù)增益平衡系數(shù)RGain的正負可知I路幅度與Q 路幅度的大小， 即當RGain>0 時，AmpI>AmpQ，此時令kQ=1，調(diào)整kI使得I 路幅度變小，從而達到兩路幅度平衡，反之，則令kI=1，調(diào)整kQ使得Q 路幅度變小。

通道增益系數(shù)kI和kQ的調(diào)整算法可以為動態(tài)搜索方法，即根據(jù)可以根據(jù)kI/kQ與AmpI/AmpQ的關系來搜索kI/kQ的最佳值，根據(jù)反復的測試結(jié)果，兩者之間遵循單調(diào)的線性關系， 由于搜索算法耗時過長不利于工程應用， 本文提出一種快速迭代搜索算法可降低算法搜索時間，并提高校準準確度。

該算法主要思想是根據(jù)AmpI與AmpQ兩者之間幅度差可得出IQ 兩路幅度差的對數(shù)關系，該對數(shù)關系可通過運算轉(zhuǎn)化為通道系數(shù)調(diào)整的線性關系， 從而快速調(diào)整通道增益已達到使兩者快速平衡的目的。

以上方法的前提條件是：IQ 兩路的直流偏置已經(jīng)調(diào)整完畢。 否則在通路有直流的情況下， 使用該方法進行增益平衡校準很難得到理想結(jié)果。

2.2 增益平衡校準算法設計

根據(jù)2.1 節(jié)的分析， 增益平衡的校準初步算法設計為：

（1）設置基帶為預定輸出狀態(tài)，分別讀取兩個狀態(tài)下的幅度；

（2）根據(jù)公式（5）計算增益平衡系數(shù)；

（3）根據(jù)增益平衡系數(shù)調(diào)整kI和kQ。

（4）令kI和kQ起作用，反復迭代計算，使得增益平衡系數(shù)接近于0，此時增益平衡校準完畢。

為降低迭代次數(shù)，本文通過分析，提出了一種快速校準算法， 主要是基于檢波電壓與輸出功率變化有一個定量關系：66mV/dB。 當讀取到AmpI與AmpQ后，可以根據(jù)公式獲得kI/kQ的調(diào)整系數(shù)k，k 滿足如下公式：

對于校準算法步驟3 中kI/kQ的調(diào)整滿足以下公式：

綜上，增益平衡校準算法流程圖如下所示

2.3 校準補償方法實現(xiàn)結(jié)果

該算法在某型矢量信號源上進行了軟件編碼實現(xiàn)， 經(jīng)過校準前后對比測試， 本算法可以在1 秒內(nèi)準確完成增益平衡校準， 校準結(jié)果對比圖如圖4 和圖5所示：

載波頻率18GHz, 碼元速率4Msps，QPSK 調(diào)制的矢量調(diào)制誤差由2.619% 變?yōu)?.894% ， 增益平衡由-0.31dB 變?yōu)?.05dB，效果良好。

圖3 增益平衡快速校準算法流程圖

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于內(nèi)檢波的增益平衡快速校準算法， 通過在矢量信號源上實現(xiàn)該算法的校準結(jié)果來看， 該方法可以快速有效地降低矢量信號的不平衡性，從而提高矢量信號源輸出的矢量信號精度。