一种提高模拟正交调制载波抑制度的方法

李 锋，滑 莎，侯永彬

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种提高模拟正交调制载波抑制度的方法

李 锋，滑 莎，侯永彬

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对正交调制中所存在的载波泄露问题，对载波泄露的影响因素进行理论分析，并简单描述工程中减少载波泄露所面临的问题，提出了一种反馈调节法来减少载波泄露，提高载波抑制度。该方法从载波泄露值的大小变化中得到的反馈信息，根据该反馈信息来决定直流偏置的调节方向，进而达到大幅度提高载波抑制度的效果。通过采用TRF370417芯片，结合所设计直流偏置微调电路，实验结果显示，载波抑制度可达59 dB，证明了该方法的正确性和有效性。

模拟正交调制；载波抑制度；直流偏置；微调电路

0 引言

目前，正交调制技术广泛应用于雷达、遥感和数传等多个领域。正交调制技术通过基带信号与载波的混频，实现基带向射频的频谱搬移。多种调制体制都可以通过正交调制来实现[1]。

正交调制过程可通过模拟电路或数字电路实现。用数字电路来实现，可以获得较好的幅度和相位一致性[2]，但是受DAC等数字处理器件的限制，只能实现中低速率基带信号的调制功能。

随着数据传输量的增加，数字器件无法实现高数据速率正交调制，只能使用模拟电路实现。在用模拟电路实现时[3]，由于基带信号间及两路正交载波信号间均存在幅度误差、相位误差和直流偏置，使得调制后的信号存在载波泄露问题。

对于载波泄露问题及解决方法，国内外很多研究者都进行了研究[4-8]，但多是针对低速率数字正交调制，同时针对模拟调制所进行的分析，多忽略模拟器件的离散性对载波泄露的影响，导致对载波抑制度的改善效果并非特别明显。本文在对模拟正交调制的基本原理、误差来源及模拟电路器件所具有的离散性进行分析的基础上，提出了一种有效提高载波抑制度的方法。

1 理论分析

正交调制的原理如图1所示。

图1 正交调制原理

I(t)和Q(t)是基带信号，SLO_I(t)和SLO_Q(t)为具有正交特性的载波信号，I(t)和SLO_I(t)相乘，Q(t)和SLO_Q(t)相乘，之后再叠加(通常Q路在叠加时会乘以-1)，可得输出信号S(t) =I(t)·SLO_I(t) -Q(t)·SLO_Q(t)，这个过程称之为IQ调制，因SLO_I(t)和SLO_Q(t)具有正交特性，因此又叫正交调制[9]。通常取SLO_I(t)为cosω0t，SLO_Q(t)为sinω0t，则可得

S(t)=I(t)·cosω0t-Q(t)·sinω0t。

(1)

理想情况下基带信号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；载波信号具有同样特性，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。

但在实际应用中，由于电子元器件的离散型，即使相同电子元器件仍然存在细微的差异性。这导致I(t)和Q(t)之间总存在一定的幅度、相位误差及直流偏置误差；同样，SLO_I(t)和SLO_Q(t)这对信号之间也存在一定的幅度、相位误差及直流偏置误差。

为便于讨论，将实际的I(t)、Q(t)和SLO_I(t)、SLO_Q(t)信号表示为：

(2)

式中，G、φ和D分别是I(t)和Q(t)信号的幅度、相位和直流偏置；类似的，A、θ和E分别为SLO_I(t)和SLO_Q(t)信号的幅度，相位和直流偏置。将式(2)带入式(1)并经变换整理后得S(t)的表达式为[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号的频率大小可得，式中分别包含上边带已调信号、下边带镜频干扰信号、载波泄露信号、基带泄露信号和直流泄露。在实际应用中，该式所包含的低频信号部分可滤除掉，但载波泄露部分难于滤除。将载波泄露信号用SLO_LEAK(t)来表示，由式(3)可得其表达式为：

SLO_LEAK(t)=Di·Ai·cos(ωct+θi)-

Dq·Aq·sin(ωct+θq)。

(4)

对式(4)进行等效变换可得：

SLO_LEAK(t)=

(5)

令

可见该式为载波泄露幅度表达式，化简得

(6)

分析式(6)可知，理论上，载波信号的幅度、相位和基带信号的直流偏置决定了载波泄露信号的大小[11]。

2 载波泄露影响因素

实际应用中，由于正交调制的集成化，影响载波泄露信号大小的主要因素为基带信号直流偏置的大小。

随着IC技术的发展，正交调制器早已集成化，且正交载波信号由集成电路内部产生,其幅度和相位的平衡性由半导体工艺决定,且随着近年来半导体工艺技术进步,已经趋于理想，一般不可调整[12]。因此，假设载波的幅度和相位分别相等即Ai=Qq，θi=θq，代入式(6)可得：

(7)

可见载波泄露的平方与基带信号的直流偏置程抛物面关系，可用Matlab建立抛物面模型如图2所示。

图2 载波泄露幅度与基带信号直流偏置的关系

由以上分析可知，当I(t)和Q(t)直流偏置都为零时，载波泄露最小。在实际工程应用中，直流偏置几乎无法完全避免。首先I路和Q路上的直流偏置无法用隔直去消除，因为隔直相当于一个高通滤波器，在混频(模拟正交调制的基带信号和载波信号相乘多采用混频器来实现)之前加隔直，会同时将属于低频信号的基带信号一起虑掉；在混频之后，因为基带信号和直流偏置同时与载波混频为高频信号，此处加隔直或者带通，同样无法滤除载波泄漏[13]。

再次，I(t)和Q(t)多采用差分结构电路，因为理论上I(t)+和I(t)-(或Q(t)+和Q(t)-)等长，则I(t)(或Q(t))上的直流偏置可完全抵消。而这需要保证PCB布线时差分两路完全等、IC内部健和线完全等长，所用导线材料密度完全一致，即使这些条件满足，但仍无法保证数据源所输出的差分交流信号I(t)和Q(t)所驮载的直流信号电平完全相等、正交调制IC内部将直流电平完全抵消。采用差分形式的基带信号可以一定程度上消除直流偏置[14]，减小载波泄露，但仍无法保证完全消除直流偏置，这是由模拟器件性能的离散性所致。

3 提高载波抑制度的方法

针对以上载波泄露理论分析，以及工程实际中所存在的影响因素，提出一种反馈调节的方法。该方法根据基带信号的直流偏置和载波泄露的变化关系来调节直流偏置，充分考虑了模拟器件所存在的离散性，使得直流偏置无限接近于零。

分析式(7)可知，固定基带数据中任何一路的直流分量，另一路的直流分量变化时，载波泄露幅度会随其程抛物线关系变化。利用这一变化关系及器件具有离散性的特点，设计可对分别I(t)+和I(t)-(或Q(t)+和Q(t)-)的直流电平做增大和减小2个方向的线性精密微调电路。根据I(t)+或I(t)(Q(t)+或Q(t)-)的变化来观察所引起的载波泄露幅度值的变化，根据载波泄露幅度值的变化方向来决定I(t)+或I(t)-(Q(t)+或Q(t)-)的直流偏置调节方向，寻找对用抛物线的最低点，这样便可在差分电路的基础上进一步减少载波泄露，提高载波抑制度。所设计电路原理框图如图3所示。

图3 直流偏置微调电路原理

从I(t)+/Q(t)+支路为例来看，直流偏置微调电路首先提供保证调制芯片正常工作所需要直流偏置值，其次该微调电路可以控制直流偏置以线性变化的方式增大或者减小。这样便可以根据载波泄露值的大小变化所反馈到的信息来通过微调电路来在更精密的范围内调节直流偏置，使直流偏置几乎接近零，达到提高载波抑制度的效果。微调电路在设计时保证交流信号阻抗控制为50 Ω，同时不会对相位平衡造成影响[15]。

4 电路设计及实验结果

基于上述分析设计了一种由模拟正交调制IC及微调电路构成的高频模拟正交调制电路[16]。设计中，IQ两路差分阻抗控制为100 Ω，且控制等长；微调电路的电源加电容滤波，减少进入基带数据噪声[17]。使用安捷伦公司的频谱仪来测试通道功率和载波功率，观察该方法是否能有效提高载波抑制度。

在给载波加1.2 G单载波信号， IQ两路提供带宽为120 M的PN序列来做基带数据，未调节微调电路时，所泄露载波功率为-33.52 dBm，如图4所示。

图4 微调前调制器输出信号频谱

调节微调电路后，载波功率为-71.45 dBm，提高了近40 dBc，如图5所示。将积分带宽设置为150 M，测量通道功率为-11.95 dBm，计算可得，调整后载波抑制度为59.5 dB，可见该方法可明显的提高载波抑制度，减少载波泄露。

图5 微调后调制器输出信号频谱

5 结束语

模拟正交调制是高数据速率传输时必不可少的技术之一，但是调制过程中不可避免地会产生载波泄露，会对整个通信系统造成浪费发射功率，影响接收灵敏度[18]等不利影响。本文提出的反馈调节法，将模拟器件的离散性对载波的泄露影响考虑在内，分析更为精确，同时结合直流偏置微调电路，很好地避免了由于器件离散性对载波泄露造成的不利影响。实验结果也显示该方法可大幅度减少载波泄露，提高载波抑制度。该方法可很好地应用于高速调制领域中。

[1] 曹志刚.现代通信原理[M].北京:清华大学出版,2012.

[2] 张军.模拟与数字信号的正交调制原理与实现[J].探索与发现，2016,36(15):48-49.

[3] 刘泽华,王华.正交调制过程的误差分析[J].微电子技术，2004(20):78-80.

[4] CAO Peng,QI Wei,FEI Yuanchun.A Local Oscillator Leakage Signal Eliminating Circuit for Direct Converter[C]∥2006ICCT.Guilin,2006.

[5] 何仁伦，李旭鹏，熊金旺，等.模拟正交调制误差数字校正方法[J].电子信息对抗术,2014,29(5):74-77.

[6] 雷倩倩，余宁梅.直接变频发射机中的载波泄露抑制方案[J].纺织高校基础科学学报,2015,28(1):97-102.

[7] 王科，谭小敏，党红杏，等.连续波雷达载波泄露的一种对消方法与系统设计[J].空间电子技术，2015,12(6):58-60.

[8] MARCEL K,KUNG R.Adaptive Carrier Supression for UHF RFID Using Digitally Tunable Capacitors[C]∥Microwave Conference (EuMC),2013 European.IEEE,2013:186-197.

[9] 张晓峰,张朋浩,侯永彬.宽带正交调制器设计与实现[J].无线电工程,2015,45(10):71-73.

[10] 吴广德，陈瑾.一种载波泄漏快速抑制方法[J].电子·电路，2016,29(3):148-150.

[11] 张长弓.单片零中频无线发射器载波泄露消除技术研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

[12] 曹鹏，王明飞，费元春.直接正交上变频调制器的镜频抑[J].电子学报，2010,38(2A):6-9.

[13] 杨平.IQ信号的获取及误差分析[J].上海航天,1993(5):7-12.

[14] 刘中唯.低压差分信号系统的设计[D].武汉:华中科技大学,2007.

[15] 于争.信号完整性揭秘-于博士SI设计手册[M].北京：机械工业出版社,2013.

[16] 朱红涛，曾文海，汤才刚.基于RF2422正交调制的分析与仿真[J].无线电通信技术,2008,34(4):49-51.

[17] BOGATIN E.信号完整性与电源完整性分析[M].李玉山,刘洋，等译.北京：电子工业出版社,2015.

[18] 杨洪强,邵志刚,祝超先,等.开环载波抑制设计方法研究[J].微电子学，2013,43(5):615-619.

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

李锋，滑莎，侯永彬.一种提高模拟正交调制载波抑制度的方法[J].无线电工程,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

国家部委基金资助项目。

李锋男，(1986—)，工程师。主要研究方向：高速数据传输。

滑莎女，(1984—)，工程师。主要研究方向：高速调制解调。